第七章发电机保护-宗哲英.

第七章发电机保护7.1发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式7.2发电机的纵差动保护7.3发电机匝间短路的横差动保护7.4发电机定子绕组单相接地保护7.5发电机的其他保护一、发电机故障和不正常运行状态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类型主要有：(1)定子绕组相间短路。(2)定子一相绕组内的匝间短路。(3)定子绕组单相接地。(4)转子绕组一点接地或两点接地。(5)转子励磁回路励磁电流异常下降或完全消失。发电机的不正常运行状态主要有：(1)由于外部短路引起的定子绕组过电流；(2)由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；(3)由外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷、非全相运行等）而引起的发电机负序过电流和过负荷；(4)由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；(5)由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；(6)由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。7.2发电机的纵差动保护纵差保护作用：反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。图7-1发电机纵差动保护原理图保护基本原理：比较发电机两侧的电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间故障。发电机纵联差动保护的构成的两侧电流互感器同变比、同型号。正常运行及外部故障时：02121IInInITATAmax.21unTATAInInI1K1ITAnI1TAnI22I保护区内故障：2K1ITAnI1TAnI22ITAdnII/2TAkTATAnIIIKIKI2212211一、传统纵差动保护整定方法按照以下两个原则来整定：(1)在正常情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动。保护装置和继电器的起动电流分别为dregNlIKIKdrelgNTA/IIKn(2)保护装置的起动电流按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定，此时起动电流应整定为drelunb.maxIKI再根据前面章节对不平衡电流的分析，有drelnpstk.maxTA0.1/IKKKIn二、比率制动式纵差动保护整定方法对于大容量的发电机（100MW及以上），为了减少故障发生于发电机中性点附近而出现的纵差动保护的死区，要求将纵联保护的动作电流降低，提高保护动作的灵敏性，并要保证在区外短路时保护可靠不误动。考虑到不平衡电流随着流过电流互感器TA电流的增加而增加，往往采用性能更好的比率制动式纵差动保护，使其动作值随着外部短路电流的增大而自动增大（即利用外部故障时的穿越电流实现制动，其原理接线如图7-2所示。图7-2比率制动式差动继电器原理接线图基本原理：是基于保护的动作电流随着外部故障的短路电流而产生的最大不平衡电流的增大而按比例的线性增大，且比最大不平衡电流增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作。制动电流：将外部故障的短路电流作为制动电流。差动电流：把流入差动回路的电流作为动作电流。图7-3比率制动特性曲线(1)启动电流的整定。d.minId.minreler1er2()IKII(2)拐点电流的整定。res.mingN(0.5~1.0)II(3)比率制动特性的制动系数制动线斜率的整定。unb.maxresk.maxIKIunb.maxd.mink.maxres.minIIKII7.3发电机匝间短路的横差动保护在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或多个并联的绕组组成。在正常运行的时候，各绕组中的电动势相等，流过相等的负荷电流。而当任一绕组发生匝间短路时，绕组中的电动势就不再相等，因而会出现因电动势差而在各绕组间产生均衡电流。利用这个环流，可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，即横差动保护。以一个每相具有两个并联分支绕组的发电机为例，发生不同性质的同相内部短路时横差动保护的原理可由图7-4和图7-5来说明。图7-5同相不同绕组匝间短路的横差动保护图7-4一个绕组内部匝间短路的横差动保护图7-6单元横差动保护接线原理图目前广泛应用的接线方式如图7-6所示，这种接线方式只用一个互感器装于发电机两组星形中点的连线上，其本质是把一半绕组的三相电流之和去与另一半绕组三相电流之和进行比较。这种接线方式没有由于互感器误差所引起的不平衡电流，其起动电流比较小，灵敏度高，且接线非常简单。横差动保护有两种接线方式，一种是每相装设两个电流互感器和一个继电器构成单独的保护，其原理接线图如图7-4、7-5。这样，三相共需要六个互感器和三个继电器。由于这种方式接线复杂，保护中的不平衡电流较大，在实际中已经很少采用。7.4发电机定子绕组单相接地保护一、发电机定子绕组单相接地的特点图7-7发电机定子绕组单相接地电路目前发电机中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，当发电机内部发生单相接地故障时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络对地电流的总和。大型发电机由于造价昂贵，结构复杂，检修困难，且容量的增大使得其接地故障电流也随之增大，为了防止故障电流烧坏铁芯，大型发电机有的装设了消弧线圈，通过消弧线圈的电感电流与接地电容电流的相互抵消，把定子绕组单相接地电容电流限制在规定的允许值之内。图7-8发电机内部单相接地时机端电压相量图ADABKBACKCA(1)UEUEEUEE0kαADBKCKA1()3UUUUE当中性点不接地时，故障点的接地电流为kafwA3()IjCCE当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流为kafwA13()IjCCEL图7-9发电机定子绕组单相接地时的零序等效网络(a)中性点不接地；(b)中性点经消弧线圈接地二、利用零序电压构成的发电机定子绕组接地保护图7-10发电机变压器组单相接地信号装置接线图三、发电机100%定子绕组单相接地保护的基本原理发电机100%定子绕组接地保护种类很多，广泛使用的是利用三次谐波电压构成的100%定子绕组接地保护。该保护保护一般由两部分组成：一部分是零序电压保护，保护定子绕组的85%以上；另一部分利用发电机三次谐波电压构成，它用来消除零序电压保护的死区，从而实现保护100%定子绕组的接地保护。为可靠起见，两部分保护区有一段重叠。利用发电机三次谐波电压构成的部分，其原理是利用发电机中性点和出线端的三次谐波电压在正常运行和接地故障时变化相反的特点构成。正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端的三次谐波电压大；而在发电机内部定子接地时，出线端的三次谐波却比中性点的大。利用这个特点，使发电机出口的三次谐波电压成为动作分量，而使中性点的三次谐波分量成为制动分量，从而使发电机出口三次谐波电压大于中性点三次谐波电压时让继电器动作。这样，保护就会在正常时制动，而在定子绕组接地时保护可靠动作。7.5发电机的其他保护一、发电机的负序过电流保护随着发电机组容量不断增大，它所允许的承受负序过负荷的能力也随之下降。此外，由于大容量机组的额定电流很大，而在相邻元件末端发生两相短路时的短路电流可能较小，此时采用复合电压启动的过电流保护往往不能满足作为相邻元件后备保护时对灵敏性的要求。在这种情况下，采用负序过电流保护作为后备保护，就可以提高不对称短路时的灵敏性。由于负序过电流保护不能反应于三相短路，因此，当用它作为后备保护时，还需要附加装设一个单相式的低电压启动过电流保护，以专门反应三相短路。二、发电机的失磁保护发电机失磁后，对电力系统和发电机本身会产生诸多不利影响，如需要从电力系统中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场；由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统电压下降，如果电力系统的容量较小或无功功率储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压或其他邻近的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。三、发电机的逆功率保护大型汽轮机在运行中由于各种原因将关闭主气门后，发电机将从电力系统吸收能量变为电动机运行。由于逆功率运行时没有蒸汽流过汽轮机，故风损造成的热量不能被带走，气轮机叶片将会过热而导致损坏。而且发电机变为电动机运行时，燃汽轮机可能有齿轮损坏的问题。故为了及时发现发电机的逆功率运行的异常工作状况，一般对大、中型机组都装设逆功率保护。保护装置由灵敏的功率继电器构成，带时限动作于信号，经长时限动作于解列。四、发电机的失步保护对于中小机组，通常都不装设失步保护。当系统发生振荡时，由运行人员来判断，然后利用人工增加励磁电流、增加或减少原动机出力、局部解列等方法来处理。对于大机组，这样处理将不能保证机组的安全，通常需要装设用于反应振荡过程的专门的失步保护。此外，应用于发电机的保护还有发电机低频保护、非全相运行保护、过电压保护等等。