发电机的保护配置与整定计算

第3章发电机的保护配置与整定计算知识与能力：熟悉发电机的故障和不正常工作状态；掌握发电机保护配置的基本方法；理解发电机横差保护工作原理；100%保护范围的发电机定子接地保护工作原理；初步具备各常用保护装置整定计算能力。3.1发电机的保护配置一、发电机的故障和不正常工作状态发电机是电力系统中十分重要和贵重的设备，发电机的安全运行直接影响电力系统的安全。1、发电机可能出现的故障类型①发电机定子绕组相间短路定子绕组相间短路会产生很大的短路电流，严重损坏发电机，甚至引起火灾。②发电机定子绕组匝间短路定子绕组匝间短路会产生很大的环流，引起故障处温度升高，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。③发电机定子绕组单相接地定子绕组单相接地是发电机易发生的一种故障。单相接地后，其电容电流流过故障点的定子铁芯，当此电流较大或持续时间较长时，会使铁芯局部熔化。④发电机转子绕组一点接地和两点接地转子绕组一点接地，对发电机没有直接危害。两点接地则转子绕组一部分被短接，不但会烧毁转子绕组，而且由于部分绕组短接会破坏磁路的对称性，造成磁势不平衡而引起机组剧烈振动，产生严重后果。水轮发电机组是凸极结构，机组剧烈振动后会破坏各轴承与轴瓦之间的间隙，造成“拉瓦”，排除故障需要相当长的停机时间，故绝不允许转子绕组两点接地现象出现。⑤发电机失磁由于转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误动等原因，将造成转子失磁，失磁故障不仅对发电机造成危害，而且对电力系统安全也会造成严重影响。发电机失去励磁后，运行状态将变为电动机运行。故不允许发电机失磁后继续运行。2、发电机的不正常工作状态①由于外部短路、非周期合闸以及系统振荡等原因引起的过电流。②过负荷。③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，将引起过电压。④逆功率。当汽轮发电机主汽门突然关闭而发电机断路器未断开时，发电机将过渡到同步电动机运行状态，对汽轮发电机叶片特别是尾叶，可能过热而损坏。二、发电机的保护配置1、纵差动保护反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，动作于瞬时跳开发电机开关、停机并灭磁。2、横联差动保护当发电机定子绕组有2个以上的分支且连接成双星形，每个分支都有引出线时，应装设横联差动保护反应定子绕组匝间短路，动作结构同纵差动保护。当不满足该条件时，取消该保护，待故障发展为相间短时，用纵差动保护反应。3、零序保护当发电机电压回路回路的接地电容电流（未经消弧线圈补偿）大于或等于5A时，保护动作于跳闸、停机、灭磁。；当接地电容电流小于5A时，保护应动作信号。对单机容量为100MW及以上的发电机，应尽量装设保护范围为100%的接地保护。4、过电流保护一般应配置低电压过流或复合电压过流保护反应外部短路引起的定子绕组过电流状态，并作为发电机的后备保护。对单机容量为50MW及以上的发电机，一般装设负序过流及单相低电压起动的过流保护。5、过负荷保护由于发电机对称过负荷引起的定子绕组过流，应装设反应一相电流的过负荷保护，延时动作于信号。6、过电压保护反应发电机突然甩负荷引起的定子绕组过电压现象，延时动作于跳开关、停机、灭磁。7、转子绕组一点接地保护水轮发电机组一般装设一点接地保护并动作于信号。汽轮机发电机采用定期检测装置，大容量机组才设一点接地保护和二点接地保护。一点接地保护动作于信号，二点接地保护动作于停机。8、失磁保护当不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时，连跳发电机断路器。对单机容量100MW及以上或采用可控硅励磁方式时，应设专门的失磁保护。其他还有如转子回路过负荷保护，用于单机容量100MW及以上并采用可控硅励磁方式的发电机；大容量汽轮机发电机的逆功率保护等。一般成套的可控硅励磁装置自身都设有失磁保护和转子回路过负荷保护，所以发电机上不再单独配置该保护。3.2发电机纵差保护的整定计算信号跳QF跳灭磁开关至延时信号一、电流继电器构成的发电机纵差保护图中，KVI串接于三相电流互感器的中性线上，反应中性线上的电流大小，作为差动保护TA断线监视用，延时发信号。二、保护整定计算动作电流按两个条件整定：1、躲开TA二次侧断线影响：2、躲开二次侧不平衡电流：式中：短路电流非周期分量影响系数，电流继电器取1.5～2，BCH-2继电器取1；可靠系数一般取1.3。取1、2两项中的最大值为保护动作整定值。3、断线监视继电器的整定：根据经验：4、灵敏度校验注意：在发电机中性点附近短路，当过渡电阻不为零时，短路电流很小，保护存在动作死区。GNrelopIKImax.max.kerstunprelunbrelopIfKKKIKI2)2(min.opksenIIKGNopII2.0三、由BCH—2差动继电器构成的发电机纵差动保护1、保护构成示意图2、工作原理三相平衡线圈串联接于纵差保护的中性线回路，其极性与差动线圈的极性相反。当发电机内部相间短路时，其短路电流流入故障相继电器的差动线圈，而该继电器的平衡线圈由于接在中性线上，并无电流通过，因此该相继电器动作。当TA二次侧断线时，断线相差动继电器的差动线圈及三个平衡线圈中通过数值相等的负荷电流，由于极性相反，两者产生的磁通相抵消。该继电器不动作。正常运行及外部故障时，回路中流动的是不平衡电流，只要合理选择线圈匝数，就可以避开。3、整定计算①平衡线圈的匝数按TA二次侧断线时纵差保护不动作条件整定，可靠系数取1.1。2..0.GNselopbIKAWW以上公式计算出的是平衡线圈的计算值，平衡线圈的整定值应是小于而接近于计算值的整数。②差动线圈的匝数整定计算的原则同上。根据计算值和继电器差动线圈的固有数值，取整数作为整定值。按上述方法进行整定，一般情况下继电器的动作电流相当于0.55还可保证TA二次侧断线时不误动，故发电机内部故障时灵敏度很高，通常称具有高灵敏性的纵差保护。四、比率制动式发电机纵差保护对于大型机组或水内冷机组，中性点相间短路的几率比较大，以上2种保护方式或者有死区、或者保护动作时间有延迟，都不满足要求。故大型机组一般采用比率制动式纵差保护。2..0.2GNselopdIKAWW2..GNI3.3定子绕组匝间短路的保护一、横差电流保护•使用条件:每相绕组有两个以上并联支路，且中性点都有引出。•动作原理：若发生定子绕组匝间短路，则故障相绕组的两个分支的电势不相等，因而在定子绕组中出现环流，通过中性点连线，该电流大于保护的动作电流，则保护动作，跳开发电机断路器及灭磁开关。•横差保护动作电流：•电流互感器变比：α1α2跳断路器信号跳灭磁开关αGNopII)3.0~2.0(5/25.0GNTAIn2、反应零序电压的匝间短路保护当发电机定子绕组发生匝间短路时，机端三相电压对发电机中性点不对称，出现零序电压。3次谐波滤过器跳闸3、反应转子回路2次谐波电流的匝间短路保护发电机定子绕组发生匝间短路时，在转子回路中将出现2次谐波电流，因此利用转子中的2次谐波电流，可以构成匝间短路保护。负序电流滤过器2次谐波滤过器负序电压滤过器2次谐波电流继电器负序功率方向继电器执行元件出口3.4定子绕组单相接地保护一、反应零序电压的定子接地保护1、故障特点•故障点零序电压为：•上式说明，故障点离中性点越远，零序电压越高。ACGBGAGkEUUUU)(310ααECαEAαEBαUk0EA2、保护构成信号3次谐波滤过器当发电机接地电容电流比较小时，一般装设反应零序电压的接地保护，保护中采用3次谐波滤过器可以降低电压继电器的整定值、提高灵敏度；保护延时的目的是躲开变压器高压侧接地的影响，保护延时大于变压器高压侧接地保护的动作时间。如果变压器高压侧非直接接地，则可利用高压侧接地时出现的零序电压来将定子绕组接地保护闭锁或制动。一般低压继电器的整定值为10V左右，保护的范围可达90%左右。二、具有100%保护范围的发电机定子绕组接地保护双频式100%接地保护是由基波零序电压和3次谐波电压保护构成。基波零序电压保护定子绕组的90%左右，3次谐波电压保护反应定子绕组其余部分的接地故障。基本原理：正常情况下，机端3次谐波电压总是小于中性点3次谐波电压：＜1即：＜)(233.SGGsCCCEU)(2233.SGSGNCCCCEUSGGNSCCCUU23.3.3.SU3.NU定子绕组单相接地时3次谐波电压的分布：发电机定子绕组距中性点处发生金属性单相接地，恒有,其比值为当,;当50%时,。利用作为动作量，利用作为制动量，构成的接地保护动作范围0~50%。3333)1(,EaUaEUsN13.3.NSUU%503.SU3.NU3.SU3.NU3.SU3.NU（１－α）ααα（１－α）α（中性点）（机端）定子绕组单相接地时3次谐波电压分布（１－α）ααα（１－α）α（中性点）（机端）3.5发电机励磁回路接地保护一、励磁回路一点接地保护1、绝缘检查装置正常时，两电压表的读数相等，当励磁回路对地绝缘水平下降时，两电压表读数不相等。缺点是：在励磁绕组中点接地时，两电压表读数也相等，即存在动作死区。2、直流电桥式一点接地保护通过合理选择、调整各臂电阻值。可做到励磁绕组正常运行时，电桥处于平衡状态。当励磁绕组发生一点接地时，电桥失去平衡，流过继电器的电流大于其动作电流，保护动作。缺点是：接地点靠近中点M时，保护无法动作（有死区）。消除死区措施：①在电阻R1的桥臂中串接了非线性元件稳压管，其阻值随外加励磁电压的大小而变化，因此，保护装置的死区随励磁电压改变而移动位置。这样在某一电压下的死区，在另一电压下则变为动作区，从而减小了保护拒动的机率。②转子偏心和磁路不对称等原因产生的转子绕组的交流电压，使转子绕组中点对地电压不保持为零，而是在一定范围内波动。利用这个波动的电压来消除保护死区。二、励磁回路二点接地保护直流电桥式励磁回路两点接地保护原理接线如图所示。在发电机励磁回路一点接地后，投入两点接地保护，当发电机励磁回路两点接地时，该保护经延时动作于停机。（汽轮发电机组采用）缺点：①若K2点离K1点很近，通过继电器的电流小于继电器动作电流，保护将拒动，因此保护存在死区，死区范围在10%左右。②若第一个接地点K1点发生在转子绕组的正极或负极端，则因电桥失去作用，不论第二点接地发生在何处，保护装置将拒动，死区100%。电桥由励磁回路电阻Re和附加电阻Rab构成直流电桥四个臂。毫伏表和电流继电器接在对角线上。一点接地后，调节R滑动触点，使电桥平衡。两点接地时，电桥平衡关系破坏，保护动作。