电气主设备保护.docx

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1、93电气主设备继电保护华北电力大学张 举目 录绪论 大机组的特点及其保护配置第一章 发电机的继电保护第一节 发电机的故障和不正常运行状态及配置的保护方式第二节 发电机的纵联差动保护第三节 发电机的匝间短路保护第四节 发电机的定子绕组单相接地保护第五节 发电机的失磁保护第六节 发电机的后备保护第二章 电力变压器的继电保护第一节 电力变压器的故障、不正常运行状态及配置的保护方式第二节 变压器的差动保护第三节 变压器的励磁涌流分析第四节 变压器的接地保护第三章 母线的继电保护第一节 概述第二节 母线的电流差动保护第三节 电流比相式母线保护和母联相位差动保护第四节 微机型母线保护第五节 断路器失灵保护

2、绪论 大机组的特点及其保护配置一 发电机单机容量增大，主变容量增加 发电机单机容量： 100MW，200MW，300MW，600MW，800MW，1300MW 变压器容量： 120MVA，240MVA，360MVA，720MVA（一） 设计方参数方面 1 材料利用率高 的绝对值增加，但与容量的比值减小，产生以下影响。（1） 惯性时间常数减小。 H为机组从加速到时所需的时间。 （2） 发电机结构紧凑，热容量减小。 减小。瓦.秒/；损耗。 定子绕组： 时，中小机组可运行2分钟。而600MW机组仅可运行30秒。 转子绕组： 时，中小机组可运行30秒。而600MW机组仅可运行10秒。（3） 发电机承受

3、负序电流的能力降低。 值减小。 中小机组：水轮机组；40 汽轮机组 30 大机组： 汽轮机组 42 发电机参数方面（1）增大，中小机组：1.7；600MW机组： 2.52.7。稳态短路电流值减小。影响发电机后备保护的灵敏度。（2）增大，功率极限下降，稳定储备降低。 （3）增大，发电机的平均异步转矩下降，发电机异步运行的滑差增大，从系统吸收的无功增加。（4）增大，维持发电机额定电压所需的励磁电流增大。由于突然甩负荷引起的过电压、过励磁严重。（5）增大，中小机组：0.1250.15；600MW机组： 0.30.4。短路电流的周期分量减小。主保护灵敏度降低。 （6）大机组的增大，减小，定子绕组时间常

4、数增大，短路电流中的非周期分量衰减慢。 （二）结构工艺方面 1 大机组的冷却方式复杂，大多数采用水氢氢方式。通风槽结构复杂，发生故障后修复困难。 2 大机组轴向长度与直径的比明显增大，运行时的振动加剧。匝间的绝缘磨损快，容易发生匝间短路。 3 大机组的并联分支多，尤其是水轮发电机。中性点引出方式复杂。水轮发电机多采用分布中性点，汽轮发电机的中性点难于引出六个抽头，给匝间保护的实现带来困难。 （三）运行方面 1 大机组的励磁系统复杂，可靠性较低。发生过电压，失磁故障的几率增加。 2 采用自并励系统的发电机，应考虑故障后短路电流快速衰减的问题。 3 发生异常运行的工况多，例如逆功率，低频、非全相、

5、误上电等。 4 采用发电机变压器组的接线方式，发电机变压器之间无断路器，机端故障和发电机失磁后使厂用电电压严重下降。各型机组额定电流 200 600 667 889 0.9 0.9 19.24 21.38二 大机组保护的配置 加强主保护，适当简化后备保护。最大限度保证机组的安全可靠运行。 保护的类型可分为：主保护、后备保护、异常运行保护、非电量保护。 保护方案：小机组：采用单主、单后备方式。 中等机组：双主、单后备方式。 大机组：双主、双后备方式。 保护的动作对象： 高压侧断路器、母联断路器、灭磁开关、厂用变压器低压侧断路器。 保护还需提供的出口： 关主汽门（水轮发电机关导水翼）、减励磁、切换

6、厂用电、起动失灵。 保护的跳闸方式：（1） 全停：跳高压侧断路器、灭磁、跳厂变低压侧断路器、关主汽门、切换厂用电。（2） 解列灭磁：跳高压侧断路器、灭磁、汽机甩负荷。（3） 解列；跳高压侧断路器、汽机甩负荷。（4） 程序跳闸：对汽轮发电机首先关主汽门，待逆功率后，逆功率保护动作，再跳开发电机断路器并灭磁。对水轮发电机先将导水翼关到空载位置，再跳开发电机断路器并灭磁。（5） 减励磁：将发电机的励磁电流减小到给定值。 （6） 切换厂用电：厂用电由工作电源切换到备用电源。 三 600MW机组的保护配置方案 （一）发电机保护 1 主保护 （1）发电机纵联差动保护（比率制动、标积制动、突变量差动） （2

7、）发电机的定子绕组匝间短路保护 高灵敏度横差保护、裂相横差保护、纵向零序电压匝间保护、工频变化量方向匝间保护。 （3）100%定子绕组一点接地保护；基波零序电压保护、三次谐波电压保护； （4）转子绕组两点接地保护； 2 后备保护 （1）定子绕组定、反时限过流过负荷保护 （2）转子绕组定、反时限负序过流过负荷保护 （3）复合电压闭锁的过电流保护（电流可带记忆） （4）阻抗保护 3 异常运行保护 （1）转子绕组一点接地保护 （2）失磁保护 （3）失步保护 （4）定、反时限过励磁保护 （5）过电压保护 （6）低频保护 （7）过频保护 （8）逆功率保护 （9）程序跳闸逆功率保护 （10）误上电保护 （

8、11）断口闪络保护 （12）起、停机保护 （13）轴电流、轴电压保护 （二）变压器保护 1主保护（1） 发电机变压器组差动保护（2） 变压器差动保护 2 后备保护 （1）主变高压侧复合电压过流保护 （2）主变高压侧零序电压、电流保护 零序电流保护、零序电压保护、间隙零序电流保护、间隙零序电压保护 （3）主变高压侧阻抗保护（4）主变中压侧复合电压过流保护（5）主变中压侧零序电流保护 零序电流保护、零序电压保护、间隙零序电流保护、间隙零序电压保护（6）主变低压侧零序电压、电流保护（7）主变低压侧后备保护（8）主变压器低压侧接地零序报警（9）主变压器过负荷启动风冷3 非电量保护（1）主变压器重瓦斯保

9、护（2）主变压器调压重瓦斯保护（3）主变压器轻瓦斯保护（4）主变压器调压轻瓦斯保护（5）主变压器油温高保护（6）主变压器冷却器故障（7）主变压器压力释放保护（8）变压器绕组温度高保护第一章发电机的继电保护第一节 发电机的故障和不正常运行方式发电机是电力系统中最为重要的电气设备。发电机的故障必将严重影响系统的安全运行和对用户的可靠供电。因此应根据发电机可能发生的故障、不正常运行状态和发电机容量大小配置相应的保护装置。发电机的故障类型主要有：定子绕组：发电机定子绕组及引出线上的相间短路 发电机定子绕组的匝间短路 发电机定子绕组的单相接地转子绕组：发电机转子绕组的两点接地发电机的不正常运行状态： 外

10、部对称短路引起的定子绕组过电流； 外部不对称短路引起的负序过电流； 发电机失磁、失步、低频、过频、逆功率、过励磁、过电压等 发电机的误上电、断口闪络 转子绕组的一点接地 发电机应配置的保护： 按机组的容量大小应配置主保护、后备保护、异常运行保护。 1 容量在1MW以上的发电机应配置纵联差动保护作为发电机的主保护。 2 对直接接于母线的发电机定子绕组发生的单相接地故障，当接地时产生的电容电流大于或等于5A时，应装设动作于跳闸的零序电流保护。当接地电容电流小于5A时，应装设动作于信号的接地保护。 对发电机变压器组，一般在发电机侧装设反映零序电压的接地保护，保护可作用于信号或跳闸。当该系统的接地电容

11、电流大于5A时，应装设消弧线圈进行补偿。发电机容量在100MW及以上时，应装设保护范围为100%的定子接地保护。 3 对于发电机定子绕组的匝间短路故障，根据发电机中性点的引出线情况，可分别装设单元件式横差保护；负序功率方向闭锁的纵向零序电压型匝间短路保护，水轮发电机具有多分支时可采用裂相横差保护。 4 对发电机外部短路引起的过电流应配置后备保护。后备保护的方式有： （1）对于容量小于1MW的发电机可采用简单的过电流保护。容量大于1MW的发电机可采用： （2）复合电压起动的过电流保护。 （3）反映对称短路的两段式定时限过电流和反时限过电流保护。 （4）反映不对称短路的两段式定时限负序过电流和反时

12、限负序过电流保护。 5 对于水轮发电机或大容量的汽轮发电机，由于突然甩负荷引起过电压应装设过电压保护。 6 对于发电机励磁消失的现象，应装设失磁保护。对于容量较小的水轮发电机可采用灭磁开关联锁断开发电机断路器的方法实现失磁保护。对于容量较大的水轮发电机应装设专门的失磁保护。容量在50MW及以上的汽轮发电机应装设专门的失磁保护。 7 容量在300MW及以上的发电机应装设失步保护。 8 对于转子绕组的一点接地应装设转子一点接地保护。保护动作于发信号。对转子绕组的两点接地应装设转子两点接地保护。保护动作于跳闸。 9 对于大容量的汽轮发电机应装设逆功率和程序跳闸逆功率保护。 10 大容量发电机还应考虑

13、配置低频保护、过频保护、起停机保护、误上电保护、断口闪络保护等。、 11 发电机的非电量保护，如采用水冷却的发电机应配置断水保护。第二节 发电机的纵联差动保护一纵联差动保护的基本原理 图1-1 发电机纵联差动保护的单相原理接线图 正常运行、区外故障时，机端与中性点的电流是同相位的，且两者大小相等。所以流入继电器的电流为零，保护不动作。 区内故障时，若发电机与系统并列运行，忽略各种误差，两侧电流反相位，继电器的电流为两侧短路电流之和。若发电机单独运行，内部故障时继电器的电流为发电机本身提供的短路电流。根据流入继电器的电流大小可判断正常、区外、内部故障。 二 纵联差动保护的不平衡电流及减小不平衡电

14、流的方法 实际上，由于电流互感器存在励磁电流，在正常运行和外部故障时，继电器中的电流不为零，这个电流称为不平衡电流。由互感器的等值电路可知： 2LH （a） （b） 图1-2 电流互感器的等值电路及不平衡电流 所以：不平衡电流是由于两侧的电流互感器的励磁电流产生的。 当发生区外短路时，由于短路电流比正常运行电流大的多，故电流互感器会饱和，励磁电流增大，不平衡电流也增大。 另外，当短路的暂态过程中，短路电流中含有衰减的非周期分量，电流互感器饱和更严重，所以不平衡电流更大。 考虑到两侧的电流互感器为同一变比，同样型号，而每个电流互感器的最大幅值误差为10%， 所以，不平衡电流的计算公式为： 式中：

15、 非周期分量影响系数。若差动保护采用具有速饱和特性的继电器时可选择为11.3。 电流互感器的同型系数。取0.5。 电流互感器的变比误差。取10%。 区外短路的最大短路电流。 电流互感器的变比。 减小不平衡电流方法 1 对电磁型保护，采用具有速饱和特性的差动继电器，利用其速饱和特性可抑制短路电流中的非周期分量，从而减小不平衡电流； 2 采用差动保护专用电流互感器，减小互感器的变比误差； 3 减小电流互感器的二次负载阻抗；4 增大电流互感器的变比，例如选择二次电流为1A的CT； 三 纵差动保护的整定计算 （一）利用BCH2差动继电器构成的普通纵差动保护 1 按躲过外部短路的最大不平衡电流 式中：

16、可靠系数。区1.3。 2 按躲过电流互感器二次断线产生的不平衡电流 式中： 发电机的额定电流。（二） 利用BCH2差动继电器构成的高灵敏度纵差动保护 1 按躲过外部短路的最大不平衡电流 2 按电流互感器二次断线不误动 断线相不误动条件： 非断线相不误动条件： 所以： 取： 所以： 四 发电机内部故障纵差动保护的灵敏度分析及发电机差动保护特点 （一）发电机差动保护内部故障灵敏度分析 内部经过渡电阻发生三相短路，短路点距发电机中性点的位置用表示。即短路匝数为发电机一相绕组匝数的比例。 图1-3 发电机定子绕组内部经过渡电阻短路 0 1 图 1-4 短路电流与短路点位置的关系 可见，在靠近发电机中性

17、点处发生经过渡电阻的故障时，纵差动保护可能拒动，拒动范围称为死区。死区大小与差动保护动作电流有关。 （二）发电机纵差动保护的特点： （1）发电机纵差动保护不能反应定子绕组单相接地故障； （2）发电机纵差动保护不能反应定子绕组匝间故障 （3）发电机纵差动保护在内部经过渡电阻故障时，靠近中性点附近故障时有死区；（4）当发生异地两点接地故障时，一点在纵差保护范围内，另一点在差动保护范围外部，此时仅有一相差动保护动作。五 比率制动原理的发电机纵差动保护 （一）比率制动特性差动保护的特性和基本原理 0 图1-5 比率制动特性的发电机差动保护 由上图可见，当时，流入差动线圈的电流为： 流入制动线圈的电流为

18、： 正常运行或发生外部故障，内部故障时，当发电机独立运行时，内部故障时，保护的动作特性如图所示，横坐标为制动电流，纵坐标为差动电流，当制动电流小于拐点电流时，继电器的动作电流为，当制动电流大于拐点电流时，继电器的动作电流为。比率制动差动保护的动作判据为： （） （） 式中： 为差动电流； 为制动电流； 为差动保护最小动作电流； 为比率制动特性的拐点电流 为比率制动特性的斜率；（二 ）比率制动特性及差动保护的整定计算根据以上分析，在正常运行时，由电流互感器存在幅值误差产生的不平衡电流为： 在外部短路时，由电流互感器存在幅值误差产生的不平衡电流为： 显然，外部短路产生的不平衡电流远大于正常运行产生

19、的不平衡电流。当外部短路电流为最大时，产生的不平衡电流也最大。其值为： 对于普通的差动保护，为防止外部短路时，由于不平衡电流造成保护误动，所以保护的动作值必须大于外部短路产生的最大不平衡电流。而对于比率制动特性的差动保护，保护的动作电流可按躲过正常运行产生的不平衡电流整定，而当外部短路时，可依靠制动特性保证保护可靠不误动。比率制动差动保护的整定计算主要是确定最小动作电流、制动特性的拐点电流、最大制动系数三个参数。 （1 ）最小动作电流： 按躲过发电机在最大负荷电流下产生的不平衡整定。 当取：时 即为发电机额定电流的10%。 （2） 制动特性拐点电流； 为保证远处外部短路（此时短路电流接近发电机

20、的额定电流）时差动保护不误动，拐点电流应不大于发电机额定电流。可取： （3 ）最大制动系数： 在机端（区外）发生三相短路时，流过差回路的不平衡电流最大，为保证此时保护不误动应有： 式中： 差动保护的最大动作电流； 为机端三相短路的电流。注意到，在外部短路时，制动电流即为： 所以有： 取：、 则：，即最大制动系数为0.15，即可保证外部短路保护不误动。必须指出，当制动特性不通过坐标原点时，制动系数不是一个常数，而是变化的。而制动特性的斜率是常数。两者是不一样的。不可把制动特性的斜率与制动系数两者相混淆。 （4 ）制动特性的斜率 按以上的分析：， 对大型发电机，一般有：，因此，机端三相短路电流为发

21、电机额定电流的56倍。所以，比率制动特性的斜率可推算如下： 按考虑，则： 即制动特性曲线的斜率取0.1625，刚好满足上述要求。一般地，对发电机差动保护，取制动特性曲线的斜率为0.2可满足要求。六 标积制动式纵差动保护 标积制动式差动保护与比率制动式差动保护具有完全类似的动作特性。不同之处在于制动量。按上图中的正方向规定，标积制动式差动保护的动作条件为： 式中： 、分别为发电机中性点侧和机端侧的二次电流； 为两侧电流的相位差； 当发生区外故障时，两侧电流的相位差为：，制动量为最大，等于。而上式的左侧为不平衡电流，动作量很小，保护可靠不误动。从该式可看出，在外部故障时，标积制动式差动保护与比率制

22、动式差动保护相比较，具有更高的可靠性。 在内部故障时，若不考虑发电机与系统电势的相位差，故障点对发电机和对系统的阻抗角的差别，两侧电流反相位，这说明在内部故障时标积制动式差动保护的制动量变为动作量，因此，内部故障的灵敏度更高。 当发电机单独运行时发生内部故障，此时有：。标积制动式差动保护的制动量为零，更有利于保护灵敏动作。而对于比率制动式差动保护，在发电机单独运行发生内部故障时，制动量不为零。 比率制动特性与标积制动特性的比较： 比率制动特性的发电机差动保护的动作判据可表示为： 式中：一般在00.5范围内取值。将上式展开为： 整理后得： 在上式两边都加上：一项，整理得： 所以，上式可变为： 即

23、： 式中： 由该式可得出标积制动式保护得制动系数与比率制动式保护制动系数的关系。 所以，标积制动式差动保护与比率制动式差动保护在本质上是一样的。 七微机发电机差动保护的逻辑框图或门C相差动速断 速断B相差动速断 速断A相差动速断 速断CT二次断线定子一点接地保护动作负序电压差流越限与门或门C相差动B相差动A相差动与门与门与门或门或门与门非门与门 差动速断跳闸 比率制动 差动跳闸 循环闭锁 比率制动 差动跳闸 告警 告警 图1-6 微机型发电机差动保护逻辑框图由图73的逻辑框图看出，微机发电机差动保护的功能包括三部分。 1 差动速断部分；2 比率制动部分；3 电流互感器二次断线及差流越限识别部分

24、。 差动速断部分主要是为了快速切除严重内部故障，其动作值一般取发电机额定电流的312倍。差动速断部分不受CT二次断线的控制。 比率制动部分又分为两部分。一部分是单相差动动作后的跳闸部分，另一部分是任意两相差动动作后的跳闸部分（即循环闭锁部分）。因为，发电机差动保护从原理上是不能反映单相接地与匝间短路故障的，而只反映相间故障，故内部短路时，至少有两相差动满足条件。但是，有一种情况只有一相差动元件动作，即当异地两点接地故障，其中一点在发电机差动保护范围内部，另一点在发电机差动保护范围外部，此时要求发电机差动保护应可靠跳闸。为此，设有单相差动动作的开放回路。开放的条件可选择为发电机定子一点接地保护的

25、瞬动接点作为开关量输入，当一相差动动作，同时收到定子一点接地动作的开入信号，即可瞬时跳闸。如发电机差动保护引入机端三相电压，也可选择用负序电压开放一相差动动作的跳闸回路。比率制动的跳闸部分是否受CT二次断线的控制，可由保护定值单中的控制字的某位置1或清零来选择。差流越限告警可检查差动保护的接线是否错误，当差电流越限制时发出告警信号。此外，为了用户使用方便，保护屏上设有控制发电机差动保护投退的硬压板。以开入量方式输入到微机保护中。对逻辑框图中的每一功能，在控制字中设有相应的位，可通过置1或清零选择该项功能。包括：CT二次断线判别功能投入/退出；CT二次断线闭锁比率制动差动保护投入/退出；差流越限

26、报警功能投入/退出；差动速断功能投入/退出；比率制动差动保护投入/退出。第三节 发电机的定子绕组匝间短路保护 一 定子绕组匝间短路的形式 发电机定子绕组匝间短路形式有两种。即同相一分支的匝间短路；同相不同分支之间的匝间短路。 图 1-7 定子绕组匝间短路的故障类型 二 匝间短路的特点 匝间短路是一个纵向不对称故障，因此必然产生正、负、零序分量。 横差电流互感器 图1-8 双Y机组的接线和单Y机组的机端电压互感器 1 发电机定子绕组每相有两个并联分支时，发生匝间短路时，在每一分支形成的中性点连线上产生零序电流。 2 发生匝间短路时，在机端专用电压互感器的开口三角绕组两端产生零序电压。 3 发生匝

27、间短路时，产生负序功率，其负序功率的方向为由发电机内部指向外部。当采用机端电流计算负序电流，判断功率方向时，发电机内部发生不对称短路时，负序功率的方向同样是由发电机内部指向外部。而发电机外部发生不对称故障时，负序功率为由外部指向发电机内部。分析如下： （1）发电机定子绕组内部发生匝间短路 （2）发电机定子绕组内部发生横向不对称短路 （3）发电机定子绕外部发生横向不对称短路 （4）发电机定子绕外部发生纵向不对称短路 图1-9 各种不对称故障时负序电压和负序电流向量图 由以上分析可见，当发生发电机内部的匝间短路和不对称故障时，负序电流落后负序电压的角度为；而在发电机外部发生各种不对称故障，包括横向

28、、纵向不对称故障，负序电流超前负序电压的角度为。显然两种情况的负序功率方向不同。因此，可利用负序功率方向元件作为匝间保护的闭锁元件。三 匝间短路保护的方案 （一） 对定子绕组为双接线方式的汽轮发电机，可采用单元件式横差动保护。保护反应两中性点连线上的环流。 对水轮发电机定子绕组每相的并联分支多于两个时，可采用将每相的分支分为两组，构成单元件横差保护。也可分成多组，采用多套横差保护。 也可采用裂相横差动保护。具体保护方案如下： （1）汽轮发电机定子绕组为两并联分支，中性点有六个引出端或四个引出端的情况。三次谐波滤过器延时与转子一点接地或与 出口 图1-10 定子绕组为双Y接线的单元件横差保护逻辑

29、图图中，三次谐波滤过器滤除发电机的三次谐波，要求对基波的滤过比不小于100。以降低横差保护的定值。另外，当转子绕组发生两点接地时，转子部分绕组被短路造成发电机气隙磁场畸变，使发电机定子绕组同相的两个分支的感应电势不等，横差保护会动作。为防止转子绕组瞬间两点接地造成横差保护动作，故在转子绕组一点接地保护动作后，横差保护经延时回路出口。 （2）水轮发电机定子绕组为两个分支以上的横差保护方案KaKbKc A B C 图 1-11 每相五分支的水轮发电机定子绕组 三元件式裂相横差保护原理接线图 图中，将每相的1、3、5分支并联，2、4分支并联后构成每相的横差动保护，、为横差保护继电器，电流互感器的变比

30、选择按正常运行并联后两支路的二次电流相等的原则。在微机保护中，也可用软件调整平衡。 对于图中的（一分支匝间短路）、（同相不同分支匝间短路）、（不同相两分支相间短路）、（一分支绕组开焊）等各种故障军能反映。因此，它是发电机内部短路故障的主保护。（二） 对定子绕组为单接线方式的汽轮发电机，或定子绕组为双接线方式的发电机，但发电机中性点只能引出三个端子，可采用反应纵向零序电压的匝间短路保护。保护方案如下：PT断线判别三次谐波滤过器与门负序功率方向元件负序电流滤过器负序电压滤过器 出口 图 1-12 负序功率方向闭锁的纵向零序电压匝间短路保护逻辑图第四节 发电机的定子绕组单相接地保护一 机定子绕组单相

31、接地的特点 定子绕组单相接地是发电机较常见的故障之一。发电机在运行中由于机械振动造成定子线棒的绝缘磨损，从而发生定子绕组与定子铁芯接触，形成单相接地故障。单相接地的电路如下图： 图1-13 发电机定子绕组单相接地故障电压电流分布 发电机的电容电流为： 外部设备的电容电流： 流过接地点的电容电流为： 可见，在发电机定子绕组内部发生金属性单相接地故障时，有以下特点：1在发生单相接地故障时，在全系统将出现零序电压，其值与接地点的位置有关。接地后产生的零序电压为。在机端电压互感器的开口三角绕组得到的零序电压为：2单相接地故障时，流过故障点的是零序电容电流。其大小也与接地点位置有关。当机端接地时，流过接地点的电容电流最大，为：。其中，为发电机所在电压系统所有设备的每相对地分布电容，为发电机的相电势。3 当发生发电机定子绕组内部单相接地时，流过机端零序电流互感器的电容电流为所有外接设备的电容电流，其方向为由发电机流向母线；当发生外部单相接地时，流过机端零序电流互感器的电容电流为发电机本身的电容电流，其方向为由外部流向发电机；二 基波零序电压原理的发电机定子绕组单相接地保护 保护反应发生单相接地故障的零序电压分量。对微机保护来说，主要是采取措施扩大它的保护范围。为此，采取的措施是用高压侧零序电压闭锁和加强三次谐波的滤波效果。保护的