发电机-主设备保护

电力系统主设备保护（2）--发电机保护1.发电机的故障、不正常工作状态及保护方式发电机的故障类型：a、发电机定子绕组相间短路（d1故障）；－最常发生b、发电机定子绕组匝间短路（1）绕组同相同分支匝间短路（d2故障）；（2）绕组同相不同分支匝间短路（d3故障）；c、发电机定子绕组单相接地短路；d、发电机转子励磁回路一点或两点接地（d4故障）；e、失磁（低励）故障。发电机的不正常工作状态：a、定子绕组过负荷；b、转子表层过热；由于外部不对称短路或系统非全相运行出现负序电流引起。c、定子绕组过电压；d、发电机逆功率运行（主汽门突然关闭，转为电动机）；e、励磁回路过负荷和过励磁；f、发电机频率上升或下降；g、发电机与系统之间失步；a、纵联差动保护，反应发电机定子绕组及引出线相间短路；b、定子绕组匝间短路保护；c、定子单相接地保护（接地电流超过允许值时）；d、负序过电流保护；e、对称过负荷保护；f、励磁回路一点或二点接地保护；g、失磁保护；h、失步保护；I、转子过负荷保护；j、逆功率保护；k、定子绕组过电压保护；L、发电机过励磁保护；发电机保护配置：2.发电机的纵差和横差保护保护范围：发电机定子绕组及引出线的相间短路的主保护。发电机正常运行，差动回路不平衡电流较小，随着外部短路电流的增大，不平衡电流相应增大，为防止保护误动，通常采用比率制动式纵差保护。正常运行或外部故障情况下，流入差动继电器的电流为0，内部故障时为故障电流。00,resresopdIIII00.0)(resresopresresdIIIIIKI21IIId)(2121IIIres比率制动式纵差保护：发电机纵差保护与变压器纵差保护的区别1.变压器各侧额定电压电流不同，各侧TA不同型，纵差保护的不平衡电流相对较大；2.变压器纵差保护对绕组的匝间短路具有一定的保护作用（铁心磁路耦合），而发电机纵差保护对定子绕组匝间短路完全没有保护作用；3.变压器纵差和发电机纵差均对绕组的开焊故障没有保护作用，需要配置其它保护方式；4.发电机纵差保护严格符合KCL定律，而变压器纵差保护其保护区内不仅有电路联系，而且还包含磁路的联系，存在励磁涌流问题；发电机机端和中性点侧TA二次电流分别为标积制动式纵差保护：cos21II1I2I二侧电流的标积定义为21IIId0)180cos(,00)180cos(,)180cos(21IIIres正常运行和外部短路时制动电流较大，180保护不易误动，发电机内部故障时，制动电流为零，90保护有较大的灵敏度。纵差保护并不是满足动作方程就动作，为防止TA断线引起保护的误动，还需要加入其他判别逻辑。保护的动作逻辑：不完全纵差保护：大型汽轮或水轮发电机每相定子绕组为两个或多个并联分支，不完全差动保护在发电机中性点侧仅接入部分并联分支电流1I2I与机端电流构成纵差动保护，通过选择不同的电流互感器变比，使得正常运行及外部短路时没有差动电流。当发电机发生相间、匝间短路和分支开焊故障，差动电流超过动作电流时，不完全纵差保护动作切除故障。发电机完全纵差保护，是发电机相间故障的主保护。由于差动元件两侧TA的型号、变比完全相同，受其暂态特性的影响较小。其动作灵敏度也较高，但不能反应定子绕组的匝间短路及开焊故障；完全纵差保护与不完全纵差保护的区别不完全纵差保护除保护定子绕组的相间短路之外，亦能反应定子绕组开焊及某些匝间短路。但是，由于在中性点侧只引入其一分支的电流，故在整定计算时，应考虑各分支电流不相等产生的差流。另外，当差动元件两侧TA型号不同及变比不同时，受系统暂态过程的影响较大。发电机横差保护：发电机定子绕组匝间短路的主保护。1.裂相横差保护α越大，环流越大，继电器的电流越大；α越小，环流越小，继电器的电流越小,有死区。（2）同相不同分支发生匝间短路α1＝α2时，无环流，保护出现死区。α1≠α2时，产生两个环流（1）同相同分支发生匝间短路优点：接线简单，不平衡电流小，灵敏性高，反应定子绕组匝间、相间及分支开焊故障。注意滤除三次谐波电流引起的不平衡电流。每相分别装设TA（6个）和继电器（3个）缺点：接线复杂，不平衡电流大；2.单元件横差保护适用于具有多个分支的定子绕组且有两个以上中性点引出端子的发电机。agnopnII)30.020.0(动作电流按躲过区外短路时最大不平衡电流整定TV0纵向零序电压保护定子绕组发生匝间短路时，均会出现纵向不对称，产生纵向零序电压。通过装设专用电压互感器，互感器一次中性点与发电机中性点直接相连，而不允许再接地，在互感器开口三角形绕组取得纵向零序电压。纵向零序电压保护：6.3发电机定子绕组单相接地保护定子绕组单相接地故障一般是由定子线圈与铁芯之间的绝缘损坏引起的。大型发电机组定子绕组对地电容较大，发生接地故障时，接地电容电流比较大，可能使定子铁芯烧坏，故障点会出现局部弧光过电压，可能导致发电机绕组的多点绝缘损坏，使得故障扩展成为危害更大的相间或匝间短路故障。定子绕组单相接地故障电流和暂态过电压大小均与发电机中性点接地方式有关。发电机中性点接地方式的讨论：1.发电机中性点直接接地方式，单相接地故障电流非常大，该方式不可取！2.发电机中性点不接地方式，单相接地故障电流为发电机三相对地电容电流，其值相对较小。但随着单机容量的不断增大，三相对地电容也相应增大，使单相接地故障电流增大，威胁发电机安全。3.发电机中性点经配电变压器高阻接地方式，利用接地电阻达到抑制暂态过电压的作用。曲线3—发电机中性点高阻接地0R3NCX当选择单相接地故障的暂态过电压不超过2.6pu但会使接地故障电流大于2CI4.发电机中性点经消弧线圈接地方式，利用消弧线圈提供的电感电流来补偿发电机的电容电流，达到抑制或减小单相接地故障电流的作用。为避免发生传递过电压，消弧线圈必须按欠补偿方式调整。发电机频率偏移时，产生较严重的暂态过电压。曲线1—发电机中性点经消弧线圈谐振接地方式0X3NCX曲线2—发电机中性点经消弧线圈谐振接地（消弧线圈中串接小电阻方式）该方式既有效抑制了暂态过电压，同时也减小了单相接地的故障电流，有利于发电机的安全运行。因此大型发电机组应该采用中性点经消弧线圈接地方式，使调整补偿后的接地残流小于允许值。发生单相接地故障后，接地保护动作于信号，发电机继续与系统并联，同时转移负荷，实现平稳停机检修。发电机中性点经消弧线圈接地必须采用欠补偿方式0ogHUBU主变高压侧发生接地故障时，故障点零序电压U0H经主变耦合电容CM传递到发电机侧:12()(1)MMgtCBCCCK13()gtwLKwCC补偿系数:K1欠补偿；K1过补偿；K=1全补偿如果采用K1过补偿；1-(1/K)0可能使B趋近无穷大，产生传递过电压。机端经过渡电阻发生接地故障0001()()()()0AGgBGgCGgfEUjwCEUjwCEUjwCR013AGgfEUjwCR003GAGgfUEUjwCR0fR当地电位在以AO为直径的半圆弧上。A相金属性短路时，非故障相电压升高1.732倍。但不是最大的稳态过电压。分析表明最大值可能达到1.82倍。ACDBDADdACCDABBDAADEUUUUEEUEEUEU)(31)1()(0α正常情况下:发电机三相电压中的基波零序电压3U0很小；单相接地故障时:就出现3U0,其大小与故障点位置有关。发电机端各相对地电势：定子绕组内部任一点发生金属性接地故障适用：发电机变压器组单元接线一、基波零序电压定子绕组单相接地保护故障点基波零序电压为：nEU0基波零序电压保护动作判据为：opUU03动作电压按躲过正常运行时可能出现的最大不平衡电压。opUoprelunbUKUunbU受如下几个因素的影响：0100％50％10050VU30opU死区1.发电机三相对地电容不对称，造成中性点产生位移电压中性点不接地时，假设三相电势123,,EEE完全对称，而123CCC，则根据KCL定律，可有：31()0oniiiUEjwC211223312313311oniiiiECECECCCCUECC若中性点经消弧线圈接地时，根据Thévenintheory加入消弧线圈后，中性点电压为：00111113LononcLgUjwLUUVjdjwCgjwL022oncUUVd20113cVwLC03LgdwC其中，脱谐度阻尼率若在谐振条件下且消弧线圈为纯电感，则0,0cVd只要三相对地电容略有不同，产生onU0,U使因此消弧线圈中宜加入电阻R，使0,0Lgd达到限制中性点电压U0的作用。2.主变高压侧发生接地故障时，高压侧基波零序电压0HU经耦合电容传递到发电机机端产生的0gU（当基波零序电压保护灵敏度受到影响时，可考虑增设主变高压侧基波零序制动电压）3.发电机自身三次谐波电压（具有零序电压性质）的影响，应装设三次谐波阻波环节（三次谐波过滤器）。4.发电机三相电势的不对称或TV传变特性误差产生的零序基波不平衡电压。缺点：一般能够保护85%以上的定子接地故障，但靠近中性点部分有一定的保护死区。0100％50％10050VU30opU死区二、利用三次谐波电压的定子绕组单相接地保护由于发电机气隙磁场的非正弦波，在三相定子绕组中将感应产生各种谐波电动势，如3，5，7次谐波，使发电机三相电压偏离正弦波形，为此电机制造厂家采用短距绕组和分布绕组来最大限度减小或消除5，7次谐波，3次谐波不影响线电压波形，且铁芯的局部饱和也是不可避免，因此发电机三相电压中，总是或多或少的存在3次谐波成分。1.发电机中性点不接地NZ对于一台孤立发电机，0tC则有，33312SNUUE若发电机与系统并列运行，0tC33SNUU且中性点不接地，则有：2.发电机中性点经消弧线圈接地NLZRjwL13wLwC采用欠补偿方式，若不计电阻，消弧线圈以纯电感L表示，则有：即补偿系数1/13KwLwC因此，机端与中性点侧的3次谐波电压之比中性点3次谐波等效容纳为：31(9/2)3NgGjwCwL1/13KwLwC139/2wLwC所以，中性点的3次谐波等效阻抗仍为容性。机端的3次谐波等效阻抗也为容性，且电容值大于中性点侧。331SNUUUS3/UN3＝（1－α）/α当α50%时，则有：综上表明：在正常运行情况下，发电机中性点不接地或经消弧线圈接地时，均有如下关系：当发电机定子绕组在距中性点α处发生金属性单相接地时，无论中性点是否接有消弧线圈，均有：331SNUU331SNUU为防止发电机正常运行时，定子绕组单相接地保护误动，取33SNUcU1c三次谐波电压型定子绕组单相接地保护方案当近中性点发生经过渡电阻接地故障时，由于增大，3NU保护灵敏度不够高。改进方案：333/1.0SpNNUKUU正常运行时，调整Kp使330SpNUKU从而可使制动量取较小值，3NU1pK0.20.3当发电机定子绕组发生单相接地故障时，该方案能较灵敏动作。三、100％定子绕组单相接地保护对大型发电机组，应装设能反应100%定子绕组接地的保护。目前100%定子接地保护一般由两部分组成，第一部分是零序电压保护，它能反应从机端到中性点间85%范围内的定子绕组接地故障，第二部分由三次谐波电压构成，用来消除零序电压保护的保护死区，共同构成100%定子绕组单相接地保护（双频式100％定子绕组单相接地保护方案）。外加交流电源式100％定子绕组单相接地保护外加交流电源式100％定子绕组单相接地保护：ABC正常运行时，三相定子绕组对地绝缘完好，外加电源只在三相对地电容中产生很小的电流，当定子绕组发生单相接地故障时，外加电源将通过接地点产生