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1、发电机组继电保护,国电大渡河公司龚嘴水力发电总厂2013年,2,励磁系统复杂，失磁故障的几率增加。自并励系统的发电机，故障后短路电流快速衰减异常运行的工况多目前，采用发变组接线方式的电站较多，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。,机组运行方面特点,3,机组保护的配置原则,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：双主、双后备方式。,4,机组保护配置应遵循的原则,原有的“二次服从和服务一次”的提法不是最高原则，一次、二次、设备制造和运行人员都应以“保证机组的安全运行”为大
2、家应遵循的原则。继电保护人员应主动向电机专业人员提供机组保护配置需要的设备条件（中性点引出方式和接地方式、电流互感器安装位置、方式、配置等等）,5,机组保护配置应遵循的原则,切实加强发电机（发变组）的主保护，保证在保护范围内任一点发生各种故障，均有双重或多重原理不同的主保护，有选择性地、快速地、灵敏地切除故障，使机组受到的损伤最小、对电力系统的影响最小。,6,机组保护配置应遵循的原则,继电保护人员在进行保护配置前，应了解并熟悉发电机相关设计参数、及主设备内部故障时候的电气特征，并结合一次设备布局进行综合考虑。,7,机组保护配置应遵循的原则,在切实加强主保护的前提下，同时注意落实后备保护的简化。
3、过于复杂的后备保护不仅是不必要的，而且运行实践证明是有害的。,8,机组保护配置应遵循的原则,简单说：大型发电机机端即主变低压侧不再装设后备保护，尽在主变高压侧配置反映相间短路和单相接地的后备保护，作为主变高压侧母线故障和主变引线部分故障的后备；同时为提高安全性，这些后备保护均不联锁跳高压侧母线上的联络断路器和分段断路器。,9,机组保护配置应遵循的原则,主变高压侧相间短路后备保护若灵敏度足够，优先考虑采用过电流保护。自并励方式的发电机，应校核短路电流衰减对过电流或低阻抗保护的影响，不能满足要求的话可采用带记忆功能或低电压自保护的过电流回路。,10,保护配置接线中提高信赖性（防拒动）的措施,采用反
4、应同一种短路故障的两套主保护。两套主保护交流电流回路分别与各自的电流互感器二次绕组连接，交流电压回路应分别与一组电压互感器两个二次绕组联接。断路器、灭磁开关有两个跳闸线圈时，每一跳闸线圈应分别与每一套主保护相连。两套主保护布置应分开，可分设在不同屏上，亦可设在同一屏的两个独立部位；每套主保护应有独立的跳闸出口，直流电源应分别供给。保护跳闸出口应具有记忆功能。,11,保护配置接线中提高安全性（防误动）的措施,静态继电器内部故障应有闭锁回路，并宜具有内部故障检测与信号；微机型保护装置，应采取自诊断及闭锁措施。,12,电流互感器的稳态比误差不应大于10,原则上，保护装置与测量仪表不共用电流互感器的二
5、次绕组，当必须共用一组二次绕组时，则仪表回路应通过中间电流互感器或试验部件连接。当采用中间电流互感器时，其二次开路情况下，保护用电流互感器的比误差仍应不大于10。,13,发电机故障及其相应保护,发电机运行中定子绕组有可能发生相间(两相或三相)短路，应装设纵差保护。发电机定子绕组还可能发生一相匝间短路，应装设匝间短路保护。发电，机定子绕组单相接地，应装设单相接地保护或绝缘监视装置。,14,发电机故障及其相应保护,发电机转子绕组一点接地，由于没有构成电流通路，对发电机没有直接危害，但若再发生另一点接地时，就造成两点接地，针对转子绕组一点或两点接地，对于水轮发电机大容量发电机和转子水内冷的汽轮发电机
6、，应装设一点接地保护，针对转子两点接地故障；还应装设转子两点接地保护装置。,15,保护的动作对象,主变高低压侧断路器（1-2个）母联断路器（或分段）发电机出口断路器灭磁开关厂用变压器低压侧断路器（1-2个）关导叶启动录波器,16,保护的出口方式,停机：断开发电机断路器、灭磁，关闭导水叶至机组停机状态；解列灭磁：断开发电机断路器、灭磁，关导水叶至空载；解列：断开发电机断路器、关导水叶至空载；,17,保护的出口方式,减出力：将水轮机出力减到给定值；缩小故障影响范围：例如断开母联断路器等；信号：发出声光信号。,18,机组异常运行工况和故障,发电机内部故障发电机不正常工作状态,19,发电机内部故障,发
7、电机运行中定子绕组有可能发生相间（两相或三相）短路，短路电流流过故障点可能产生高温电弧烧毁发电机，甚至引起火灾。针对发电机定子绕组和引出线上的相间短路，应装设纵差保护。,20,发电机内部故障,发电机定子绕组还可能发生一相匝间短路，这种故障的机会虽然不多，但一旦发生将产生很大的环流，引起故障处温度升高，从而使绝缘老化，甚至击穿绝缘发展为单相接地或相间短路，扩大发电机损坏范围，为此，应装设发电机匝间短路保护。,21,发电机内部故障,发电机定子绕组单相接地，是指定子绕组碰壳，这时流过发电机定子铁芯的电流为发电机和发电机电压系统的电容电流之和。当这一电流较大时候，可能使铁芯局部熔化，修复铁芯工作复杂且
8、修复工期长，为此，应装设单相接地保护或绝缘检查装置。,22,发电机内部故障,发电机转子绕组一点接地，由于没有构成电流通路，对发电机没有直接危害，倘若再发生另一点转子接地时，就会造成转子两点接地，从而使转子绕组被短接，不但会烧毁转子绕组，而且由于部分转子绕组被短接会破坏磁路的对称性，从而引起发电机振动，尤其是凸极式水轮机组特别危险，为此，应装设转子一点接地或转子两点接地保护。,23,发电机的不正常工作状态,转子失磁。由于转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误分闸等原因，造成转子失磁。失磁后，在转入异步运行时，定子电流增大、电压下降、有功功率下降、无功功率反向等，在一定条件下（如系统无功储备不足等
9、），将破坏电力系统的稳定运行，威胁发电机安全（如定子端部过热）。为此，应装设发电机失磁保护。,24,发电机的不正常工作状态,过电流保护：由于外部短路、非同期合闸、以及系统振荡等原因引起的发电机过电流，应装设过电流保护（负序过流和低压过流等）,25,发电机的不正常工作状态,由于负荷超过发电机额定值，或负序电流超过发电机长期允许值造成的对称或不对称过负荷，应装设只发信号的对称过负荷或负序过负荷保护。,26,发电机的不正常工作状态,发电机突然甩负荷引起过电压，特别是水轮发电机，因其调速系统惯性大，在突然甩负荷时，转速急剧上升引起过电压。应装设发电机过电压保护。,27,发电机纵差保护,纵差保护：可分为
10、比例制动式、标积制动式、完全纵差保护 和不完全纵差保护等完全纵差和标积式纵差保护都只能反映相间故障而不能反映匝间短路，标积式纵差保护相对具有更高灵敏度不完全纵差保护可能同时对相间短路、匝间短路和定子绕组开焊故障起保护作用。,28,规程规定,100MW及以下的发电机装设一套主保护；100MW以上、300MW以下的发电机应装设两套主保护；300MW及以上的发电机应装设双重化主保护,29,规程规定,对发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，发电机装设单独的主保护；当发电机与变压器之间没有断路器时，100MW及以下的发电机，可只装设发电机变压器组共用的主保护；100MW以上的发电机，除发电机变
11、压器组共用主保护外，发电机还应装设单独的主保护；对200MW及以上、300MW以下发电机变压器组，发电机、变压器均应分别装设单独的主保护和一套共用的主保护，构成双套保护。,30,发电机纵差保护,31,发电机纵差保护,32,发电机纵差保护,33,发电机纵差保护,34,发电机纵差保护,35,36,37,发电机横差保护,横差保护一般包括裂相横差和零序电流型横差保护若发电机组定子绕组每相有两个并联分支，每一相分支均装有电流互感器，可将两电流互感器二次绕组的异极性端相连，可组成裂相横差保护。裂相横差保护一般也采用比率制动特性裂相横差对定子相间和匝间短路均有作用，并能兼顾分支开焊故障，但机端外部引线短路时
12、无保护作用,38,发电机横差保护,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,39,发电机横差保护,龚站逻辑,40,发电机横差保护,完整的单元件横差保护框图,41,横差保护加入转子接地判据的理由,横差保护是发电机内部故障的主保护，动作应无延时。但考虑到在发电机转子绕组两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动，故在转子一点接地后，使横差保护带一短延时（0.5秒）动作。单元件横差保护的逻辑框图如上图所示。若没有两点接地保护，可不增加延时，若实际发生转子两点接地故障，横差保护瞬时动作也是合理的。,42,规程规定,对于定子绕组为星形接线，每相有并联分支且中性点有分支引出端子的发
13、电机，应装设单继电器式横联差动保护或单元件发电机内部短路保护，保护应瞬时动作停机。,43,规程规定,50MW及以上的发电机，当定子绕组为星形接线、中性点只有三个引出端子时，根据用户和制造厂的要求也可采用由零序电压原理构成的发电机匝间短路保护装置作为定子绕组匝间短路故障主保护。,44,规程规定,当发电机采用多分支“分布中性点”结构时，应装设具有比率制动特性的纵联差动保护、裂相保护和单元件发电机内部短路保护，保护应瞬时动作于停机。,45,发电机定子匝间故障,46,47,单相接地保护或绝缘检查装置,定子绕组单相接地对发电机的危害主要表现在定子铁芯的烧伤和接地故障扩大为相间或匝间短路定子绕组接地故障电
14、流的大小和暂态过电压大小同中性点接地方式有关，实际运用中发电机中性点应该没有直接接地方式，有采用中阻接地方式或中性点不接地方式；目前，广泛采用的是中性点经消弧线圈接地方式（消弧线圈的电感电流在故障时部分补偿了发电机的电容电流，让单相接地故障电流控制在2A以下），定子铁芯不至于严重烧伤,48,规程相关规定,发电机中性点可经消弧线圈接地，对单相接地电容电流进行补偿，一般采用欠补偿100MW以下的发电机，应装设保护区不小于90的定子接地保护，100MW及以上的发电机，应装设保护区为100的定子接地保护，保护装置延时动作于信号，必要时动作于停机。,49,单相接地保护或绝缘检查装置,正常情况下，发电机三
15、相电压中基波零序电压3U0很小；当定子绕组单相接地时，就出现3U0。利用3U0可构成基波零序电压型定子绕组单相接地保护。取机端3U0，由于一次设备装有熔断器，应增加TV断线相应逻辑取自中性点消弧线圈，则可以不考虑TV断线相应逻辑,50,单相接地保护或绝缘检查装置,定子绕组基波零序电压存在一定范围的死区，该死区位置的保护就由三次谐波电压定子接地保护来完成，二者构成100%定子接地保护该保护一般不能在机端共母线的发电机上使用双频式定子接地保护外加电源方式的定子绕组单相接地保护选择性发电机单相接地行波保护,51,单相接地故障时的基波零序电压,52,53,单相接地保护或绝缘检查装置,利用机端三次谐波U
16、S3UN3作为保护靠近中性点50%范围的接地故障的判据，利用基波零序电压的判据保护离中性点5%到机端的接地故障，共同构成100%接地保护,54,100定子接地保护的必要性,定子绕组单相接地，是相间、匝间短路的先兆单相接地引起非故障相及中性点电位升高。中性点附近经过渡电阻接地若保护灵敏度不够而未动作，经过长期运行，在机端侧再发生第二点接地，中性点电位升高，第一个接地点接地电流增大，而过渡电阻减小，结果发生相间或匝间严重短路。其次单相接地引起铁心的损伤。机组越大分布电容越大，接地容性电流越大。,55,定子接地保护,56,定子接地保护,3U0定子接地逻辑框图,57,定子接地保护,三次谐波式定子接地保
17、护,58,转子一点接地或转子两点接地保护,励磁回路一点接地，对机组并未造成危害，只有转子两点接地才严重威胁发电机的安全一般水轮机都需要装设转子一点接地保护，至于是否装设转子两点接地保护，没有明确的规定,59,转子一点接地或转子两点接地保护,电桥式励磁绕组一点接地保护叠加直流电压式一点接地保护叠加交流电压式一点接地保护切换采样时转子一点接地保护,60,发电机励磁回路一点接地保护,保护装置应能有效地消除励磁回路中交、直流分量的影响。在同期并列、增减负荷、系统振荡等暂态过程中，保护装置不应误动作，保护装置的灵敏度不宜低于10k20k。保护带时限动作于信号。,61,转子一点接地,逻辑框图,62,转子一
18、点接地,合上FMK 对转子回路测绝缘时，应切除转子一点接地保护联片。正常情况下，只能投入一套转子接地保护。,63,发电机失磁保护,失磁对电力系统造成的危害大量无功缺少，系统电压下降。可能引起电压崩溃，系统瓦解。使某些发电机、变压器、输电线路过电流，后备保护可能因过流动作，扩大了故障范围。发电机失磁后，由于有功功率摆动及系统电压的降低，可能导致相邻正常运行的发电机与系统之间失去同步，引起系统振荡。,64,发电机失磁保护,失磁对发电机本身的危害转子绕组出现的差频电流在转子绕组中产 生额外损耗，引起转子绕组发热。异步运行后，发电机的等效电抗降低。从系 统中吸收的无功增加，使定子绕组过热。大型直接冷却
19、式汽轮发电机，平均异步转矩的最大值较小，惯性常数相对降低，转子在纵横轴方面明显不对称。在重负荷下失磁发电机的转矩和有功将发生剧烈摆动。对水轮发电机更为严重。,65,发电机失磁的原因,1、灭磁开关误跳闸而转子线圈经灭磁电阻短接2、转子线圈短路3、转子线圈回路断线而开路4、硅整流的故障5、自动调节励磁装置的故障等,66,励磁电流异常下降或完全消失的失磁保护,按发电机容量和励磁系统型式，以及发电机在系统中的作用，装设不同的失磁保护失磁保护装置可由阻抗、励磁电压、母线低电压等起动元件和闭锁元件组成。,67,发电机失磁过程中阻抗变化,68,发等有功阻抗圆,由于这个圆是在某一定有功功率P不变的条件下做出的
20、，因此称为等有功阻抗圆。机端测量阻抗的轨迹与P有密切关系，对应不同的P值有不同的阻抗圆，且P越大时圆的直径越小。发电机失磁以前，向系统送出无功功率，功率因数角为正，测量阻抗位于第一象限。失磁以后，随着无功功率的变化，功率因数角由正值变为负值，因此测量阻抗也沿着圆周随之由第一象限过渡到第四象限。,69,临界失步点（等无功点）,临界失步时，发电机自系统吸收无功功率，且为一常数，不论有功为多少，都与之无关故临界失步点也称为等无功点。,70,阻抗变化,71,发电机失磁保护常见判据,异步边界阻抗动作判据：发电机失磁故障后，最终会进入异步运行，装在机端的失磁阻抗继电器一定会动作。阻抗元件用于检出失磁故障，
21、一般装设一段，可按静稳边界或异步边界整定。,72,发电机失磁保护常见判据,励磁电压动作判据：励磁电压元件用于检出失磁故障。一般采用等励磁电压判据；一般与阻抗元件综合使用，并加适当时限。200MW及以上的发电机应采用变励磁电压判据，可以与阻抗元件综合使用，也可单独使用。,73,发电机失磁保护常见判据,系统侧主判据：三相同时低电压判据母线低电压元件用于监视发电机母线电压，以保障电力系统的安全，一般采用三相式电压继电器，接于线电压上，作为机端测量阻抗轨迹的近似等压边界（机端电压Ug保护不变阻抗轨迹）。,74,失磁保护逻辑框图,75,失磁保护逻辑框图,龚站机组失磁逻辑,76,77,78,过电流保护,过
22、电流保护是一种反映电流增大的最简单的保护之一当单纯的过电流保护灵敏度不够时，可采用低压启动的过电流保护或复合电压启动的过电流保护来提高灵敏度负序电流启动的过电流保护,79,规程规定,自并励励磁系统的发电机、发电电动机的保护装置宜采用电流保持低电压过流保护，也可采用精确工作电流足够小的低阻抗保护装置。,80,规程规定,6MW以上的发电机，宜装设复合电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流保护。电流元件装在发电机的中性点侧,81,规程规定,50MW及以上的发电机。可装设负序过电流保护和单元件低压起动过电流保护。电流元件装设在发电机中性点侧。灵敏系数按变压器高压侧两相短路验算，当上述保护不能满足灵敏
23、性要求时，可采用低阻抗保护。保护宜用同名相电流、相电压接线。,82,发电机定子绕组过电压保护,定子过电压保护采用单个电压元件，接在发电机机端的电压互感器线电压上，对采用晶闸管整流励磁发电机，动作电压可取为1.3倍额定电压、动作时限可取为0.3s，动作于解列灭磁或停机。,83,发电机定子绕组过负荷保护,定子绕组非直接冷却的发电机，应装设定时限过负荷保护，保护装置接一相电流，带时限动作于信号。定子绕组过负荷能力较低（例如低于1.5倍、60s）的发电机，过负荷保护由定时限和反时限两部分组成。,84,发电机转子表层（负序）过负荷保护,发电机转子承受负序电流的能力，以I2I2tA为判据。其中I2为以额定
24、电流为基准的负序电流标么值；t为时间（s），A为常数。对不对称负荷、非全相运行以及外部不对称短路引起的负序电流，应按下列规定装设发电机转子表层过负荷保护。,85,发电机转子表层（负序）过负荷保护,50MW及以上，A10的发电机，应装设定时限负序过负荷保护，保护装置与负序过电流保护组合在一起。保护装置的动作电流按躲过发电机长期允许的负序电流值和躲过最大负荷下负序电流滤过器的不平衡电流整定,86,励磁绕组过负荷保护,对100MW及以上采用晶闸管整流励磁系统的发电机，应装设励磁绕组过负荷保护。对300MW以下，采用晶闸管整流励磁系统的发电机，可装设定时限励磁绕组过负荷保护，保护可装在交流电源侧或直流
25、输出侧，采用单继电器式。保护带时限动作于信号，必要时动作于解列灭磁。,87,过 励 磁 保 护,300MW及以上发电机，应装设过励磁保护。保护装置可由低定值和高定值两部分组成。低定值带时限动作于信号和降低励磁电流；高定值动作于解列灭磁。发电机变压器组，其间无断路器时可共用一套过励磁保护，其保护装于发电机电压侧，定值可按发电机或变压器的过励磁能力较低的要求整定。,88,调 相 运 行 保 护,对有调相运行工况的水轮发电机组，在调相运行工况下，应装设与系统解列即失去电源的保护，保护装置可用低频保护，动作频率fsr=0.8fr，保护带时限动作于停机t9s。,89,逆 功 率 保 护,贯流式和斜流式等
26、低水头水轮发电机组，可装设逆功率保护。保护带时限动作于解列灭磁。逆功率保护由灵敏的功率方向继电器组成，方向指向发电机。,90,失 步 保 护,300MW及以上发电机宜装设失步保护，当系统发生非稳定振荡时保护系统或发电机安全。,91,轴 电 流 保 护,推力轴承或导轴承绝缘损坏时，在感应电压作用下产生轴电流，为防止轴瓦过热烧损，对100MW及以上发电机和15MW及以上灯泡式水轮发电机宜装设轴电流保护。保护瞬时动作于信号，亦可经时限动作于解列灭磁。,92,轴 电 流 保 护,轴电流保护宜采用套于大轴上的特殊专用电流互感器作为测量元件，也可采用其他专用的电压型装置作为测量元件。,93,发电机非电量保护,94,实际配置举例,以龚站为例进行机组保护配置讲解（结合前面内容穿插进行）,95,END,谢谢,
