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1、发电机保护,一、发电机故障及其保护配置（一）发电机的故障和异常运行状态1发电机的故障：定子绕组及引出线相间短路定子绕组单相匝间短路和分支开焊定子绕组单相接地转子绕组一点或两点接地励磁回路励磁电流消失,2发电机异常运行状态 外部相间短路引起的定子绕组过电流 外部不对称短路或不对称负荷引起的负序过 电流和负序过负荷 定子绕组三相对称过负荷突然甩负荷引起的定子绕组过电压 励磁回路故障或强励时间太长引起的转子绕 组过负荷汽轮机主气门突然关闭引起的发电机逆功率,（二）发电机的保护配置（与容量相关） 1.定子绕组及其引出线相间短路保护 纵联差动保护是发电机的主保护1MW以上的发电机应装设纵联差动保护 发变
2、组当发电机与变压器之间有断路器时，设单独 的纵差保护 当发电机与变压器之间没有断路器时100MW以下的发电机，设发变组共用纵差100MW以上的发电机设单独的纵差保护，与发变组共用纵差构成双重主保护,定子绕组单相接地短路保护 接地电容电流 5A , 动作于跳闸接地电容电流 5A , 动作于信号100MW及以上发电机，设保护区为100%的单相接地短路保护 定子绕组单相匝间短路对有六个引出端的双绕组发电机，应设置简单、灵敏的单元件横差保护,4. 发电机外部故障引起的定子过流(1)过流保护用于1WM以下的小容量发电机保护(2)复压启动的过流保护用于过流保护灵敏度不足的发电机保护(3)负序过电流及单相低
3、电压起动的过流保护用于用于50WM及以上的发电机保护5. 发电机的其它保护定子绕组过负荷/过电压发电机失磁保护 发电机失步保护,二、发电机纵差/横差保护（一）不带制动的纵差保护1.保护动作值整定(1).正常运行时,LH二次回路断线时保护不误动 Iop= KrelIgn/nLIgn ：发电机额定电流Krel：可靠系数，取 Krel =1.3为防止在LH二次回路断线、同时区外故障导致保护误动，另需设置LH二次回路断线监视装置发出告警信号,由运行人员退出保护 Iop= 0.2Ign (躲开正常运行时的不平衡电流),(2).躲开外部短路时的最大不平衡电流 Iop= KrelIunb.max = Kke
4、lKerKapKccId.maxKrel：可靠系数，取 Krel =1.3Kap：非周期分量影响系数。 使用BLH时， Kap =1，否则 Kap =1.31.5Kcc:LH同型系数。发电机差动采用同型LH， Kcc= 0.5(相对误差5%)Ker= 0.1:满足10%误差曲线要求时LH最大误差Id.max:取外部短路K(3)，Zs.min时计算,按条件(2）整定，有： Iop= （0.40.6)Ign 动作更灵敏；但LH二次回路断线、同时区外故障将导致保护误动Iop Ign (如上) 不使用1)中的LH二次回路断线闭锁: 保护定值不能躲过 断线故障机率很小,且加强运行维护,可大大降低断线的可
5、能性:倾向于条件(2）整定保护定值微机保护具有更强的装置故障监测手段,可按条件2）整定保护定值,辅以下述条件区分故障或断线:任意一相电压工频变化量元件起动任意一相正、负、零序电压元件起动起动后任意一相电流大于1.1Ign 满足任一条件为故障,2.灵敏度校验 Ksen=Id.min/Iop 2Id.min为内部故障时流过保护的最小短路电流校验条件（1）发电机与系统并列运行前，机端两相短路 故障： 发电机单独供给的短路电流（2）发电机无励磁、与最小运行方式的系统自 同期并列时机端两相短路故障： 系统单独供给的短路电流,（二）带制动的纵差保护一定满足灵敏度要求，无需校验(1)最小动作电流大于正常运行
6、时最大不平衡电流 Iop.0= （0.10.2)Ign (2)制动特性拐点对应的制动电流 Ires.0= Ign (3)制动系数 Iop.max= KkelKerKapKccId.max Ires.max= Iunb.max Kres = Iop.max / Ires.max = KkelKerKapKcc (推荐取0.3)(4)斜率 S= (Iop.max Iop.0)/ (Ires.max - Ires.0),（三）定子绕组匝间短路的保护1.横差保护大容量发电机额定电流很大，各相以两个绕组(或更多绕组)并联工作同相同绕组或同相不同绕组匝间短路时，两绕组的电势不再相等绕组电势差将在绕组内产生
7、很大环流而不被纵差保护反应对有六个引出端的双绕组发电机，应设置简单、灵敏的单元件横差保护,(1)利用两绕组电流之差即可构成三元件横差保护,三元件横差保护接线复杂，可靠性低,(2)单元件横差保护将一半绕组与另一半绕组的三相电流和比较各种单相匝间短路 时，通过两组绕组 的中性点连接线构 成短路环流通路也可反应定子绕组 相间不对称短路： 相间短路时，一般 两组绕组三相不对 称，可形成环流,发电机正常运行和外部短路时，有较大三次谐波不平衡电流通过中性点连接线，需滤波处理转子永久性两点接地时气隙磁通畸变，也有较大不平衡电流通过中性点连接线，可使横差误动畸变气隙磁通导致发电机异常震动，需转子永久性两点接地
8、保护动作跳闸，因此不闭锁横差保护为防止转子瞬时两点接地时横差误动，在转子一点接地后，横差切换至0.51s延时跳闸回路,整定计算当单元件横差保护使用的三次谐波滤过器滤除三次谐波的滤过比大于或等于15时，动作电流初设可选为 Iop.0=(0.20.3)Ign对使用LMZ型LH且三次谐波滤过器滤除三次谐波的滤过比大于或等于80的高灵敏单元件横差保护，动作电流初设可选为 Iop.0=0.05Ign实际整定按躲过外部故障最大三相短路电流时的基波和三次谐波不平衡电流计算：,转子二次谐波电流保护(负序功率方向闭锁) 用于有三个引出端的单绕组发电机：横差无效定子绕组部分绕组匝间(或相间)短路出现负序电流分量，
9、气隙必有负序(逆转)磁场, 在转子绕组中感应出二次谐波电流，以此起动保护跳闸 增设负序功率方向闭锁，防止外部故障误动当发电机内部不对称短路时，故障点负序电压最大，负序功率由发电机流出当外部不对称运行或短路时，负序功率流入发电机，将保护闭锁整定：动作电流大于正常运行允许的定子绕组最大负序电流(58%)Ign对应的转子二次谐波电流,三、发电机定子绕组单相接地短路的保护根据安全要求，发电机的外壳接地定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍，且接地电流为电容电流接地电流能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定子铁心损坏，也容易发展成相间短路，造成更大的危害当接地电容电流等于或大于允许值时，应装设
10、动作于跳闸的接地保护当接地电流小于允许值时，般装设作用于信号的接地保护,（一）定子绕组单相接地短路的特点发电机中性点采用不接地或经消弧线圈接地方式，单相接地短路电流为三相对地电容电流之和接地点对地零序电压与接地点位置有关设：A相绕组中性点到接地点间的短路匝数与A相绕组匝数比为，接地点各相电压为：UAD= EAEA=0UBD= EBEAUCD= ECEAUd0= （UAD+ UBD + UBD) / 3 = EA,考虑发电机内部对地电容为C0f，外部对地电容为C0l，则电流分布如图所示,作出零序等效网络,求得 3I0f = j3C0fUd0 3I0l = j3C0lUd0 Id0 = j3(C0
11、f+C0l)Ud0发电机内部故障流过LH0的电流为3I0l发电机外部故障流过LH0的电流为3I0f,接地电流比较大、超过允许值时，应使发电机中性点经消弧线圈接地电感电流补偿使Id0降低 Id0 = j (1/L) 3(C0l+C0l) Ud0,根据发电机工作方式选择保护方式发电机直接连接在电压母线上与发电机直接联系的元件较多，C0l较大3I0l较大，可用零序电流保护跳闸发电机变压器单元接线无其它与发电机直接联系的元件，C0l较小3I0l较小，可用零序电压保护动作于信号,（二）零序电流保护C0l C0f ，内部故障时，3I0l 3I0f ，动作灵敏正常运行时，一次侧电流很大，LH0不平衡电流很大
12、，应使用特别设计的LH0整定：(1)躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流以及由于零序电流互感器一次侧三相导线排列不对称在二次侧引起的不平衡电流(2)为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起接地 保护误动作，在相间保护动作时保护闭锁 (3)保护装置带有l2s的时限，以躲开外部单相接地瞬间发电机暂态(大于稳态)电容电流的影响,（三）零序电压保护当接地电流小于允许值时，般装设作用于信号的零序电压接地保护整定：(1)躲过正常运行时PT开口三次谐波不平衡电压(2)躲过外部接地短路时产生的零序电压经变压器绕组分布电容藕合到发电机侧的零序电压提高动作灵敏度措施采用三次谐波滤波器延时躲开外部接地短路故障时的
13、零序电压,（四）无死区100%定子绕组接地短路的保护零序分量构成的定子绕组接地保护存在动作死区：较小时零序分量保护不能动作（保护范围小于85%）死区内故障可使接地故障发展为匝间、相间故障，严重损坏发电机需使用无死区100%定子绕组接地短路的保护类型附加信号电源（需附加信号电源，略）增加三次谐波电压保护,三次谐波电压保护正常运行时，发电机含三次谐波电压以等效电路分析三次谐波电压分布情况正常运行时三次谐波电压 分布（不带消弧线圈）,类似分析带消弧线圈时三次谐波电压分布情况当单相接地、短路匝数与绕组匝数比为时，无论有无消弧线圈，都有 UN3 = E3 Ul3 = (1)E3 Ul3 / UN3 =
14、(1) / ,当 0 为 0选择适当 kp，正常运行时使（UN3 kpUl3） 0选择 0 , 保护灵敏动作,100%定子绕组接地短路的保护,四、定子、转子绕组的电流保护包括：定子、转子绕组过负荷保护发电机的负序过电流保护对于大容量发电机，由于热容量降低，过负荷能力下降，需考虑反时限动作特性： 动作时间与故障电流成反比,（一）定子、转子绕组过负荷保护（1）中小机组：单相定时限过电流保护 （2）大型机组：发电机的热容量显著下降，过负荷能力随之下降发电机过电流倍数越大，允许运行时间越短：过负荷能力具有反时限特性应使用具有反时限特性的过负荷保护 t = K/(I/Ign)2(1+)K:与发电机热容量
15、相关的常数=0.010.02,修正系数,（二） 发电机的负序过电流保护不对称负荷或短路时，在定子绕组中出现负序电流对应的负序旋转磁场相对转子为2倍同步转速，使转子绕组、铁芯感应倍频电流 铁芯电流密度大的转子端部、护环等部位局部灼伤，使转子表层过热倍频电磁转矩同时引起100Hz的机械震动负序过电流保护实际是发电机转子表层过热保护,（1）发电机的过热时间常数负序过电流时，发电机允许的发热量正比与过热时间常数A (I2*)2 t =(I2/Ign)2 t = A发电机的过热时间常数与发电机类型和冷却方式相关过热时间常数参考值凸极发电机： A=40气冷隐极发电机：A=30直冷汽轮发电机：A=615 （
16、100300MW) A=4 (600MW),(2)负序过电流保护作转子表层过热主保护如果复压过流保护在作相邻元件后备时灵敏度不满足要求，也以负序过电流保护作相邻元件后备动作时间不能与相邻元件保护配合，直接采用 以过热时间常数表达的反时间特性t = A / (I2*)2(0.8I2*)I2* = I2/ Ign 为发电机长期允许的负序电流标么值，一般为 0.050.08,五、发电机的失磁保护失磁：发电机的励磁部分或全部消失大中型发电机发生部分或全部失磁的异常运行 状态超过总事故次数的50% 故障原因转子绕组故障励磁机故障灭磁开关误跳闸运行人员误操作,（一）发电机失磁运行及其后果图示系统中发电机的
17、功角特性为：,转子运动方程为PT、P、Pac分别为原动机功率、发电机电磁功率及发电机异步功率正常运行时发电机电势为Ed1 , 发电机、系统电势差为1PT = P , 1 900Pac=0 , 发电机 处于稳定同步运行状态,失磁开始，失步前（ 900）励磁电流逐步减小； Ed ，PT还来不及减少；为维持功率平衡， Ed1 Ed2 , 1 2 , Q由正变负， = 900 时，由系统吸收无功；系统Q充足时，Us不变；否则Us降低,失步运行（ 900）发电机失去同步，转子加速旋转， ff 转差率S=(fsff)/fs较大时，转子回路感应出较大差频电流差频电流产生异步功率Pac ; PT= Pac 时
18、，稳定异步运行；部分失磁时，PT= Pac+P 900 后，由系统吸收更多无功,发电机失步运行的影响失步运行对系统的影响如果正常运行时向系统输出无功为Q1，失步运行后由系统吸收无功为Q2，则系统出现（Q1+ Q2）的无功缺额如果系统无功不足，将引起系统电压下降，负载端电容无功出力降低，出现更大无功缺额，甚至造成电压崩溃、系统瓦解,失步运行对发电机的影响失步运行时，转子回路感应出较大差频电流，产生附加温升和机振，从而危害转子的安全由于由系统吸收大量无功，引起定子过电流；转差率越大，发电机的等值电抗越小，定子过电流也就越大，使定子温升过高汽轮发电机在较小转差率时就可输出较大异步有功，允许短时失步运
19、行（视系统无功储备定）水轮发电机较大转差率时才输出较大异步有功，且转子温升、定子过流严重，不允许失步运行,（二）发电机失磁后的机端测量阻抗失磁保护中广泛采用 阻抗继电器作为检测 元件失磁过程中机端视在 阻抗的变化轨迹常用 等有功圆、等无功圆、 等电压阻抗圆描述单机无穷大系统为分 析基础,1、失步前的等有功过程(等有功阻抗圆) 900时近似为等有功过程 机端视在阻抗为,考虑以下关系：机端视在阻抗为Zf具有阻抗圆特性：圆心半径,对应不同的有功，有不同的特性圆；P越大，圆半径越小由于 ，当Q由正值变为负值时， 也由正值变为负 值， ZJ由I象限进入 IV象限由1变为2， 机端视在阻抗由 ZJ1变为Z
20、J2 时， 其变化轨迹如图,2、静稳极限(等无功阻抗圆) = 900时发电机到达静稳极限，且机端视在阻抗为,即带入Zf也具有阻抗圆特性：圆心半径,系统阻抗不同时， = 900、发电机到达静稳极限时所吸收的无功不同，有不同的特性圆；Xs越大，圆半径越大ZJ由阻抗圆特性外 进入阻抗圆特性内 时，可判别为发电 机失磁采用静稳极限为 失磁判据的阻抗 继电器，等无功 圆内为其动作区,3、发电机失步并进入稳定异步运行时的测量阻抗异步运行的发电机与电动机具有相似的等效电路，可求其机端视在阻抗 （X1、 X2分别为定、转子绕组漏抗；Xad为定、转子绕组间互感抗；R2(1-s)/s为反应发电机功率的等效电阻）,
21、发电机空载失磁时，s 0 Zf = j(X1+Xad) = jXd 为发电机稳态电抗其它情况下失磁时， Zf将随s的增大而降低考虑极限情况 s = Zf = j(X1+ X2/ Xad) = jXd 为发电机暂态电抗其它情况下 jXd Zf jXd,4、发电机失磁后机端测量阻抗的变化规律失磁后、失步前，Zf 随Q的减少，由I象限 进入IV象限在 = 900 的临界失步 点，等有功圆与等无 功圆相交越过临界失步点后， Zf进入失步运行区并最 终稳定于 jXd 与 jXd 之间,5、其它情况下发电机的机端测量阻抗正常运行 可用等有功圆分析: = arctg(Q/P)发出有功和无功： 0只发出有功：
22、 = 0欠励磁： 0机端测量阻抗在等有功圆上变化发电机外部故障: Zf =Zd ，测量阻抗在I象限,系统振荡对无穷大系统，Xs = 0失步振荡时，考虑转差率 s 很大，极限情况发电机侧电抗为发电机暂态电抗 Xd振荡中心为 Z / 2 = j Xd/ 2，振荡轨迹将经过等无功圆发电机自同步并列s 0 ，在不加励磁合闸瞬间，与空载失磁情况完全相同合闸后立即加上励磁，自同步并列的失磁运行时间极短，应防止失磁保护误动,（三）发电机失磁保护发电机失磁后对发电机和系统无严重威胁时，及时发出警告信号；否则切除失磁发电机水轮发电机失磁时，无论系统无功是否充足，均瞬时发信；临近失步时及时切机汽轮发电机失磁且系统
23、无功充足时，瞬时发信并自动减负荷；以发电机允许无励磁运行时限动作切机汽轮发电机失磁且系统无功不足、电压下降严重时，瞬时发信；临近失步时及时切机,失磁保护方式自动灭磁开关跳闸时联锁跳开发电机用于带直流励磁机的水轮发电机及不允许失磁运行的汽轮发电机对励磁系统故障无保护作用 反应定子参数变化的失磁保护（多种保护方案）ZJ沿等有功圆进入等无功圆无功功率改变方向机端电压下降，功角增大 一般均以等无功圆为失磁判据,失磁保护逻辑框图(保护方案举例),整定Z： 低阻抗。按等无功圆整定Uf：三相低电压。按系统允许最低电压整定Ufd：躲开空载时最小励磁电压整定，防止出口短路故障或PT断线时Z/ Uf保护误动t1：
24、躲开振荡过程中的短时低电压或自同步并列的影响，取 t1=0.51st2：躲开振荡过程中的短时低电压或自同步并列的影响，取 t1=11.5s,（四）发电机失磁保护整定计算发电机低励失磁保护的动作主判据包括系统侧主判据和发电机侧主判据。1.系统侧主判据系统侧主判据为高压母线三相同时低电压，防止由发电机低励失磁故障引起无功储备不足而导致的系统电压崩溃：式中，Uop.3ph为低电压继电器的动作电压; Uh.min为高压母线最低正常运行电压。,该元件接在升压变压器高压母线的电压互感器三相线电压上。系统发生三相短路时，三相同时低电压，失磁保护系统侧主判据将误动。此时励磁回路正常工作，依靠辅助判据中的励磁低
25、电压闭锁元件可防止系统侧故障时失磁保护系统侧主判据误动作。系统侧主判据经辅助判据“与”逻辑输出，带短延时动作于发电机解列。,2.发电机侧主判据发电机侧主判据包括：异步边界阻抗继电器、静稳极限阻抗继电器和静稳极限低电压继电器。发电机侧辅助判据包括负序电压元件、负序电流元件、励磁低电压元件。（1）异步边界阻抗继电器整定(园特性1),（2）静稳极限阻抗继电器整定 1）汽轮发电机 (园特性2)式中Xcon为发电机与系统间的联系电抗（包括升压变压器阻抗）的标幺值，由系统调度部门给出。为防止静稳极限阻抗继电器在I、II象限动作区内易发生非失磁情况下的误动，为此可使用图中阻抗园特性3，即准静稳极限阻抗特性园
26、。,2）水轮发电机和大型汽轮发电机（XdXq）静稳极限阻抗特性是滴状曲线。考虑到阻抗特性过于复杂，且I、II象限动作区内易发生非失磁情况下的误动，可将其改为苹果园特性。,（3）静稳极限励磁低电压继电器与系统并列运行的发电机，为维持静态稳定极限，在输送有功功率P一定的情况下，必需具有一定的励磁电压Ufd。有功功率P值不同，维持静稳极限所要求的励磁电压Ufd也不同。1）汽轮发电机 汽轮发电机UfdP动作特性如右图,静稳极限时 = 900。则式中， Xd=Xd+Xcon以发电机空载额定电压时的励磁电压Ufd0为基值时，标幺值Ed=Ufd，Us=1，则有标幺值关系式： 如果P为有名值，则,静稳极限励磁
27、低电压继电器的电压动作判据见UfdP动作特性图 动作特性直线的倾角整定值为： 2）水轮发电机和大型汽轮发电机（XdXq）静稳极限关系比较复杂。UfdP特性是一条曲线。简化计算时已将其近似取为直线，如下图。图中横坐标为凸极反应功率的最大值Pfm。此时，按下式计算Pfm：,静稳极限励磁低电压动作判据为：当0PPfm时，Ufd.op=0；当PPfm时，,其中，Xd为标幺值，sb为静稳极限角,可由图中曲线查得。图中P0为发电机失磁前输出的有功功率。（4）低励失磁保护辅助判据 1）负序电压闭锁元件：,2）负序电流闭锁元件：低励失磁故障时三相对称，没有负序电压U2或负序电流I2，辅助判据不动作，可以开放低励失磁保护出口跳闸；外部不对称短路满足此辅助判据，负序电压、负序电流闭锁元件动作，闭锁失磁保护，防 止低励失磁保护误动作。3）励磁低电压闭锁元件：系统侧三相短路时，三相同时低电压，失磁保护系统侧主判据将误动。依靠励磁低电压闭锁元件可防止系统侧故障时失磁保护系统侧主判据误动作。,
