继电保护第七章发电机的继电保护

第七章发电机的继电保护第一节概述发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。一、故障类型及不正常运行状态：1．故障类型1)定子绕组相间短路：危害最大2)定子绕组一相的匝间短路：可能发展为单相接地短路和相间短路3)定子绕组单相接地：较常见，可造成铁芯烧伤或局部融化4)转子绕组一点接地或两点接地：一点接地时危害不严重；两点接地时，因破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈震动或将转子绕组烧损。5)转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失：从系统吸收无功功率，造成失步，从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。2．不正常运行状态1)由于外部短路引起的定子绕组过电流：温度升高，绝缘老化2)由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷：温度升高，绝缘老化3)由于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：在转子中感应出100hz的倍频电流，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，而导致发电机重大事故。此外，引起发电机的100hz的振动。4)由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压：调速系统惯性较大发电机，在突然甩负荷时，可能出现过电压，造成发电机绕组绝缘击穿。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)由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率：当机炉保护动作或调速控制回路故障以及某些人为因素造成发电机转为电动机运行时，发电机将从系统吸收有功功率，即逆功率。二、保护类型：1．发电机纵差动保护：定子绕组及其引出线的相间短路保护2．横差动保护：定子绕组一相匝间短路的保护3．单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路的保护4．发电机的失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失5．过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同时兼作纵差动保护的后备保护6．负序电流保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中出现的负序电流7．过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护8．过电压保护：反应突然甩负荷而出现的过电压9．转子一点接地保护和两点接地保护：励磁回路的接地故障保护10．转子过负荷保护：11．逆功率保护：当汽轮机主汽门误关闭而发电机出口断路器未跳闸，发电机失去原动力而变为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率。危害：汽轮机尾部叶片有可能过热而造成事故。第二节发电机纵差动保护一、作用原理下图为发电机纵差动保护的单相原理图，两组CT特性、变比一致，正常及区外故障时21II0'2'1IIIj21IICT特性可选得尽量一致不平衡电流比变压器小nlIKKKIdertxgfbpMAXmax.2...5.0txK二、整定计算两个条件：（1）躲外部短路时的max.bpImax.2.bpKdIKI（2）躲大于发电机额定电流feI.（CT二次断线时不误动）fekdzIKI..灵敏度2min.dzdlmIIKmin.dI——出口两相短路。第三节发电机的横差动保护当一相定子绕组有两个及以上并联分支时，装设此种保护正常：21II0/)(.2.1.nlIIIj匝间接地：dzddJInlInlIIII..2.1./)2(动作死区：（1）同一分支：.0,0dI保护不动（2）同相两分支间：.0,21dI保护不动（3）不同相绕组匝间：保护不动缺点：接线复杂实用接线：当发电机出现三次谐波电势时，且三相同相位，若任一分支与其与支路不相等，则中性点连线上会出现三次谐波环流。该接线没有互感器特性不同而引起的灵敏度高，接线也较简单。第四节发电机的单相接地保护一、发电机定子绕组单相接地的特点最常见的故障之一：定子绕组中性点不接地或经高阻抗接地。它具有一般不接地系统单相接地短路特点设A相距中性点处，单相接地发电机中性点将发生位移，产生零序电压。故障点各相对地电压：故障点零序电压为....)()(3/1AdAdBdAdoEUUUU电流分布：见上页图：..)(...)('333333AoldoololAofdoofofECjUCjIECjUCjI..)().(AolofdECCjI二、利用基波零序分量的发电机定子单相接地保护视dI大小，（发电机直接连接母线）dI较大时——零序电流保护，动作于跳闸，（发变组）dI允许值——零序电压保护，动作于信号（一）基波零序电流保护对C0T的要求：（1）三相对称负荷电流作用下，bpI小（2）)2(d。（较小）dI很小足够输出功率。一般的C0T达不到足够的灵敏度，曾广泛采用交流助磁的C0T。（二）基波零序电压保护定值躲3.UUbp高压侧)1(d，发电机侧的0U一般15~30V有死区100%定子接地保护：零序电压保护+附加支流电压的保护方式加固定工频偏移电压利用三次谐波电压第五节发电机的负序过流保护一、负序电流保护的作用：2I——转子过热，机械振动为了使转子不致过热，AtI2*2*2I——以发电机额定电流倍数表示的负序电流的标幺值A——允许过热时间常数曲线表明：发电机允许负序电流的时间是随2I大小而变化故称为反时限。针对此情况，装设发电机负序过流保护二、负序定时限过流保护两段式I段fedzII.'25.0经1t延时动作于跳闸Ⅱ段fedzII.21.0经2t延时动作于信号分析（1）在ab段内：1t允t对发电机不安全（2）在bc段内1t允t未充分利用发电机对的承受能力（3）在cd段内发信号，由于运行人员处理，而靠近d点时，t已允t,不安全（4）在de段内，保护根本不反应即不能与反时限电流曲线很好配合，且对热积累的过程不能反应。三、负序反时限过流保护2*2IAt或tAtI2*2——修正常数（考虑到转子的散热条件）第六节发电机的失磁保护一、发电机的失磁运行及其产生的影响失磁故障指励磁突然全部消失或部分消失（低励）励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流）1失磁原因：三种（1）励磁回路开路，励磁绕组断线灭磁开关误动作，励磁调节装置的自动开关误动，可控硅励磁装置中部分元件损坏（2）励磁绕组由于长期发热，绝缘老化或损坏引起短路（3）运行人员调整等。发电机失磁后，它的各种电气量和机械量都会发生变化，且将危及发电机和系统的安全。2失磁后的基本物理过程：依据：功角特性关系：sindSSdxxUEPsdSdSSdxxUxxUEQ2cos转子运动方程：)(22acTJPPPdtdTTP——原动机功率P——同步功率acP——异步功率22dtd——电气角加速度JT——机组的惯性时间常数（1）dETePP.不变TPP.转子加速当090发电机未失步——同步振荡阶段090（静稳定极限角）——临界失步状态090TPP转子加速愈趋剧烈异步运行阶段，这时原动机的调速装置在转子加速的影响下，使汽门关小，TP（2）QEd当090时，sdSxxUQ2即从系统吸收感性无功功率，090，吸收IUQf.图圆为发电机以不同的有功功率P临界失步时，机端测量阻抗的轨迹，圆内为失步区。在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率为2sfff电流，（ff发电机转速的频率，sf系统频率）该电流将产生异步功率acP当TacPP即进入稳态的异步运行阶段。3．失磁后的影响：对电力系统：(1)吸收Q.U无功储备不足，将因电压崩溃而瓦解(2)大后备保护动作，故障扩过电流其它发电机QU(3)失磁失步振荡甩负荷对发电机（1）转子中sfff的差频电流过热（2）转差率sfsfffs吸.)1(.2ssRQ定子过电流发热（3）转速.振动气轮发电机：acP较大s0.5%可稳定运行.——可异步运行一段时间水轮发电机acP较小s很大..IQ发热厉害，故不允许失磁异步运行可见：失磁后，若不失步，无直接危害。失步后，对发电机及系统有不利影响。故应装设失磁保护。一、发电机失磁后的机端测量阻抗按失磁的物理过程的三个阶段，分别为等有功阶段、临界失步点、异步运行阶段。对应这三个阶段，其机端测量阻抗分别为：等有功阻抗圆，临界失步阻抗圆，异步运行时的测量阻抗。（一）等有功阻抗圆：失步前。P基本不变———等有功过程PQtgePUjxPUjXeePUjxjQPjQPjQPPUjxjQPUUUIUjxIjxIUIUZjSSSsjjSSSSSSSfSSfSfSfff1222222^^.........2)2()1(2.2..圆的方程式特点：（1）圆的大小与P有关P圆（2）失磁前，发电机向系统送无功，Q为正，fZ位与第Ⅰ象限失磁后，随Q的变化，Q由正负，fZ从ⅠⅣ象限，圆越小，从ⅠⅣ快。（3）圆的位置与jSx有关，若Sx=0，圆心在实轴上，fZ很容易进入第Ⅳ象限可见，失磁后，向第四象限移动，且最终将稳定在第四象限内（二）等无功阻抗圆（临界失步圆）sdSxxUQ2090常数2222..22)1(2jddddSjSSSfffexxjxxjjxeQjUjXjQPUIUZ圆周为发电机以不同的有功功率P临界失步时，机端测量阻抗的轨迹，圆内为失步区。（三）发电机异步运行时的机端测量阻抗发电机异步运行时的等值电路：2R2x1xSSR)1(2adx由机端看到的阻抗为：])()([22221xxjsRjxsRjxjxZadadf当S时，'22dadadfjxxxxxjZ为发电机的暂态电抗。当0S时，dadfjxxxjZ)(1为发电机的同步电抗。可见，当滑差在0之间变化时，机端测量阻抗在发电机的同步电抗与暂态电抗之间变化。因此，我们可以构成一个异步阻抗圆，其动作区包含发电机的同步电抗与暂态电抗的范围，以识别发电机失磁后是否进入异步状态。jxAxRBx图中，'21dAxjx；dBxjx2.1三发电机在其他运行方式下的机端测量阻抗1发电机正常运行时的机端测量阻抗位于第一象限，与水平轴的夹角为负荷的功率因数角。其大小对应与发电机正常运行时的负荷阻抗。2发电机外部故障时的机端测量阻抗当发电机机端发生各种相间短路或变压器高压侧发生各种短路故障时，经分析，其测量阻抗均在第一或第二象限。3发电机与系统之间发生发生振荡时的机端测量阻抗设SdUE，发电机与系统之间的联系电抗为X，则振荡时的测量阻抗轨迹为穿过X21处的一条直线。设发电机机端与系统之间的阻抗为零，则振荡时的测量阻抗轨迹为穿过'21dXj的一条直线。当0180时，测量阻抗为'21dXj。1发电机自同期并列时的机端测量阻抗当发电机的转速接近与额定转速时，不加励磁而将发电机投入系统时，与发电机空载发生失磁的情况是一样的。机端测量阻抗位于第三或第四象限。但由于断路器合闸后立即给发电机加励磁。因此，机端测量阻抗很快会从三四象限过渡到第一象限。四失磁保护的构成方式根据以上分析，发电机失磁保护应确保在发电机发生失磁后可靠动作，发出跳闸或减负荷命令。而在非失磁情况下，发电机失磁保护应保证不误动作。通常构成失磁保护方案时可分为主判据和辅助判据。失磁保护的主判据：1机端测量阻抗是否进入静稳边界阻抗圆（临界失步阻抗圆）2机端测量阻抗是否进入异步阻抗圆3无功方向由正变负4机端三相电压或变压器高压侧三相电压降低失磁保护的辅助判据：1发电机的励磁电压降低2是否有负序分量出现3用延时躲过振荡的影响4电压互感器二次断线闭锁5用开关量识别自同期并列汽轮发电机失磁保护的构成方式见教材图7—30