发电机继电保护.ppt

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1、发电机继电保护,发电机的故障和异常运行状态（一）发电机内部故障发电机由定子绕组和转子绕组两部分构成。常见故障：定子绕组相间短路；定子绕组单相匝间短路；定子绕组单相接地；转子绕组一点接地或两点接地；转子励磁回路电流消失。,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,发电机的故障和异常运行状态（二）发电机的不正常运行状态不正常运行状态外部短路引起的定子绕组过电流；负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷；突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；励磁回路故障或强励时间过长而引起的

2、转子绕组过负荷；汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行等。,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,大型发电机组的特点及对继电保护的要求对继保提出的新要求：装设具有反时限特性的过负荷保护及过电流保护。大型机组更需要性能完善的失磁保护用灵敏的匝间短路保护和漏水保护装气隙不均保护和设计新的反应匝间短路的横差保护 考虑后备保护灵敏度问题,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1.3 发电机保护装设的原则总的原则 针对发电机的故障类型和不正常状态，根据发电机的容量和重要程度和规程规定配置相应的保护保护配置纵差动保护：对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短

3、路接地保护：对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于规定的允许值时,应装设有选择性的接地保护装置.（如图7.1）,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1.3 发电机保护装设的原则,图 7.1发电机定子绕组单相接地故障电流允许值*对氢冷发电机为2.5,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1.3 发电机保护装设的原则匝间短路保护：对于定子绕组匝间短路，当定子绕组采用星形接线，每相有并联分支且中性点侧引出端安装CT时，应装设横差保护。外部短路引起的过电流保护：对于发电机外部短路引起的过电流可采用以下保护

4、方式：负序过电流保护或单相式低压启动过电流保护复合电压启动过电流保护过流保护对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护；,7.2 发电机的纵差动保护,纵差保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护，因此，它应能快速切断内部所发生的故障，同时在正常运行及外部故障时，又应能保证动作的选择性和工作的可靠性。,7.2 发电机的纵差动保护,工作原理 利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成，因此在发电机中性点侧和引出线侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差动保护。,图7.2 发电机纵差保护单相原理图（a）内部故障情况（b）正常运行及外部故障情况,7.2 发电机的纵差动保护

5、,工作原理纵差保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护。保护原理：利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成。,图7.3 发电机纵差保护单相原理图（a）内部故障情况（b）正常运行及外部故障情况,7.2 发电机的纵差动保护,工作原理 发电机内部故障时，如图（a）中的k1点短路，两侧电流互感器的一、二次侧电流如图所示，差动继电器中的电流为。当 大于继电器的整定电流时，继电器动作。在正常运行或保护区外故障时，流过继电器的电流为两侧电流之差（），如图7.1（b）所示（短路点k2）。在循环电流回路两臂引线阻抗相同、两侧电流互感器特性完全一致和铁芯剩磁一样的理想情况下，两侧二次电流相等

6、（），流过继电器的电流为零。但实际上差动继电器中流过不大的电流，此电流称为不平衡电流。,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则（一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动保护装置整定电流继电器的整定电流 电流互感器变比,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则（一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动 断线监视继电器的整定电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好。根据经验，一般选择为：,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则（一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动,图7.4 具有断线监视装置的发电机

7、纵差保护原理接线图,保护装置采用三相式接线，在差动回路的中线上接有断线监视继电器器KA，当任一相电流互感器回路断线时，它都能动作，经过延时发出信号。为了使差动保护的范围能包括发电机引出线（或电缆）在内，因此所使用的电流互感器应装设在靠近断路器的位置。,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则（二）躲过外部故障时的最大不平衡电流整定电流：（7-1）考虑非周期分量的影响，并将稳态不平衡电流计算式 带入（7-1）式得：（7-2）可靠系数，取1.3 非周期分量系数，当采用具有速饱和铁芯的差动继电器时，取1 电流互感器同型系数，当型号相同时取0.5,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原

8、则（二）躲过外部故障时的最大不平衡电流1.汽轮机组汽轮机组出口处发生三相短路的最大短路电流约为，带入（7-2），差动继电器的整定电流为：2.水轮机组水轮机组出口处发生三相短路时的最大短路电流约为，差动继电器中的整定电流为：,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则（三）灵敏度检效灵敏度计算公式：为发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流时考虑以下两种情况：1）发电机与系统并列运行以前，在其出线端发生两相短路，此时差动回路中只有发电机供给的短路电流，而=0；2）发电机采用自同期并列时，发电机出线端发生两相短路，差动回路只有系统供给的短路电流，=0。,要求：一般不小于2,7.3 发电机定

9、子绕组匝间短路保护,7.3.1 装设匝间短路保护的必要性根据情况出现了以下观点：定子绕组匝间绝缘强度高于对地绝缘强度，可以不装匝间短路保护。大型机组的定子同槽上下层线棒同属一相的很少，不再装设匝间短路保护。总结：随着单机容量的增大，发电机定子绕组的并联分支数将增多，不考虑定子匝间短路及其保护是不合理的。,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.3.2 单元件横差保护,图7.5 发电机定子绕组匝间短路的电流分布(a)在某一绕组内部匝间短路；(b)在同相不同绕组匝间短路,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.3.2 单继电器横差保护 如（a）所示，当某一绕组内发生匝间短路时，由于故障支路与非故障

10、支路的电动势不相等，因此，有一个环流产生，这时在差动回路中将有电流，当此电流大于继电器的整定电流时，保护动作。短路匝数 越多，则环流越大，而当 较小时，保护就不动作。因此，保护是有死区的。如（b）所示，在同相的两个分支间发生匝间短路，当12时，由于两个分支存在电势差，将分别出现两个环流 和，流入继电器内的电流为。若这种短路发生在等位点上（即12）时，将不会有环流。因此，12或12 时，保护也出现死区。,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.3.2 单继电器横差保护 根据定子绕组匝间短路的特点，横差保护有两种接线方式：比较每相两个分支绕组的电流之差。在两组星形接线的中性点连线上装设一个电流互感

11、器，将一组星形接线绕组的三相电流之和与另一组星形接线绕组的三相电流之和进行比较 保护装置的整定电流，通常取发电机定子绕组额定电流2030，即：,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.3.3 定子绕组零序电压原理的匝间短路保护,图7.6 由负序功率闭锁的纵向零序电压匝间短路保护原理图,当发电机正常运行和外部相间短路时，TVN1辅助二次绕组没有输出电压，即3U0=0。当发电机内部或外部发生单相接地故障时，中性点电位升高为U0，由于TVN1一次侧中性点不接地，开口三角绕组输出电压为0V。保护的零序动作电压由正常运行负荷工况下的零序不平衡电压U0.unb决定。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,根

12、据安全运行经验：当接地电容电流大于等于5A时，应装设动作于跳闸的接地保护；当接地电流小于5A时，一般装设作用于信号的接地保护。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4.1 利用零序电流构成的定子接地保护 接于零序电流互感器上的发电机零序电流保护，其整定值的选择原则如下：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，而在二次侧引起的不平衡电流。保护装置的一次动作电流应小于规定的允许值。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，应在相间保护动作时将接地保护闭锁。保护装置一般带有12 s的时限，以躲过外部单相接地瞬间，发电机暂态电容电流的影响

13、。为了减小死区的范围，尽量降低保护的起动电流。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护,图7.7 发电机电压系统的对地电容分布图,继电器的起动电压一般整定为1530V左右。,为了减小死区，可采取如下措施来降低起动电压：加装三次谐波带阻过滤器；对于高压侧中性点直接接地电网，利用保护装置的延时来躲过高压侧的接地故障；在高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压侧的零序电压将发电机接地保护闭锁或利用它对保护实现制动。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护 为提高可靠性，两部分的保护区应相互重叠。构成第二部分保护的方案主要有

14、：发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相电压的1015。当发电机定子绕组接地时，利用此偏移电压来加大故障点的电流（其值限制在1025A左右），接地保护即反应于这个电流而动作，使发电机跳闸。附加直流或低频（20Hz或50Hz）电源，通过发电机端的电压互感器将其电流注入发电机定子绕组，当定子绕组接地时，保护装置将反应于此注入电流的增大而动作。利用发电机固有的三次谐波电势，以发电机中性点侧和机端侧三次谐波电压比值的变化，或比值和方向的变化，来作为保护动作的判据。,7.5 发电机的失磁保护,7.5.1 发电机失磁运行的后果 失磁原因：转子绕组故障励磁机故障自动灭磁开关误跳闸半导体励磁系统中某些

15、元件损坏回路发生故障以及误操作等,7.5 发电机的失磁保护,7.5.1 发电机失磁运行的后果失磁过程：励磁电流衰减到零，发电机空载电势随励磁电流越来越小，造成空载电势下降。空载电势下降输出电磁功率下降转子加速功角增大，当功角超过稳定运行的极限角时，发电机失去同步转子绕组将从系统吸收无功以供给转子的感应励磁电流转速达到一定值时，若功率达到新的平衡，则发电机进入稳定异步运行状态，即作为异步发电机运行。,7.5 发电机的失磁保护,7.5.1 发电机失磁运行的后果异步运行对电力系统的影响：发电机输出电磁功率减少，转子加速，进入异步运行失磁后将从系统吸收大量感性无功，端部发热若系统无功充足，发电机最终可

16、以稳定为异步运行状态，若无功缺额较大，可能引起电压不稳定，导致系统崩溃，造成大面积停电转子过热机组振动,7.5 发电机的失磁保护,7.5.1 发电机失磁运行的后果异步运行对发电机的的影响：汽轮机：调速灵敏，异步转差小，若无功充足，可允许异步运行一段时间。否则应切除水轮机：调速慢，异步转差大，异步运行吸收无功量大，通常不允许异步运行对大容量发电机，通常装设失磁保护，动作于跳闸，减负荷或发出信号,7.5 发电机的失磁保护,7.5.2 发电机失磁保护的辅助判据辅助判据的依据：以静稳定边界或异步边界作为判据的失磁阻抗继电器能够鉴别正常运行与失磁故障。但是，在发电机外部短路、系统振荡、长线路充电、自同期

17、并列及电压回路断线等，失磁继电器可能误动作。因此，必须利用其他特征量作为辅助判据。,7.5 发电机的失磁保护,7.5.2 发电机失磁保护的辅助判据在失磁保护中，常用的辅助判据和闭锁措施如下：励磁电压是一个多变的参数，通常把它的变化作为失磁保护的辅助判据。利用负序分量作为辅助判据，防止失磁保护在短路或短路伴随振荡的过程中误动。失磁保护带有延时可以躲过振荡的影响。,7.5 发电机的失磁保护,失磁保护的构成方式根据发电机容量和励磁方式的不同，失磁保护的方式有以下两种：容量在100MW以下的带直流励磁机的水轮发电机和不允许失磁运行的汽轮发电机，一般是利用转子回路励磁开关的辅助触点连锁跳开发电机的断路器

18、对于容量在100MW以上的发电机和采用半导体励磁的发电机，一般采用根据发电机失磁后定子回路参数变化的特点构成失磁保护。,7.6 发电机-变压器组继电保护的特点及配置,发电机-变压器组继电保护的特点差动保护,图7.8 发电机-变压器组差动保护配置方式(a)共用一套差动保护；(b)共用一套差动保护及发电机配一套 差动保护；(c)双重化差动保护；(d)发电机一变压器组及厂用分支的差动保护,7.6 发电机-变压器组继电保护的特点及配置,发电机-变压器组继电保护的特点差动保护配置方式：对于100MW及以下，一般只装设一套差动保护对于200MW及以上的汽轮发电机，增设复合电流速断保护，或在变压器上增设单独

19、的差动保护，即采用双重快速保护方式对于高压侧电压为330kV及以上的变压器，可装设双重差动保护当发电机一变压器组之间有分支线时，分支线应包括在差动保护范围内,7.6 发电机-变压器组继电保护的特点及配置,发电机-变压器组继电保护的特点后备保护的特点采用双重化快速保护的大型发电机一变压器组，其高压侧可装设一套后备保护,图7.9 采用双重化快速保护的发电机一变压器组后备保护配置图,7.6 发电机-变压器组继电保护的特点及配置,发电机-变压器组继电保护的特点后备保护的特点发电机-变压器组差动保护未采用双重化配置，则采用两段式后备保护。I段反应发电机端和变压器内部的短路故障，按躲过高压母线短路故障的条

20、件整定，瞬时或经一短延时动作于跳闸。段按高压母线上短路故障时能可靠动作的条件整定，延时不超过发电机的允许时间。,图7.10 未采用双重化快速保护的发电机-变压器组后备保护配置图,7.6 发电机-变压器组继电保护的特点及配置,大容量机组保护的配置配置要求：设置双重快速保护。后备保护,7.6 发电机-变压器组继电保护的特点及配置,7.6.3 300MW发电机-变压器组继电保护配置举例300MW发电机-变压器组继电保护配置：(1)发电机差动保护，采用比率制动继电器；(2)主变压器差动保护；(4)高压厂用变压器差动保护；(5)发电机励磁机差动保护；(6)发电机匝间短路保护；(7)发电机逆功率保护；(8)发电机失磁保护；(9)发电机定子接地保护；,7.6 发电机-变压器组继电保护的特点及配置,7.6.3 300MW发电机-变压器组继电保护配置举例300MW发电机-变压器组继电保护配置：(10)定子电流保护和负序电流保护；(11)定子反时限过负荷保护和负序反时限过负荷保护；(12)转子一点接地、两点接地保护；(13)阻抗保护；(14)主变压器过励磁保护。,