第八章 发电机保护

第八章发电机保护一发电机的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式二发电机的纵差保护和横差保护三发电机定子绕组单相接地保护四发电机过电流保护五发电机的失磁保护六发电机励磁回路接地保护一发电机常见故障、不正常运行状态及保护定子绕组故障相间短路—纵差保护匝间短路—横差保护单相接地—单相接地保护转子绕组故障一点接地和二点接地—1MW,定期检测装置；1MW，接地保护转子励磁回路励磁电流异常或消失—失磁保护1）常见故障2）不正常运行状态过电流——过电流保护过负荷——过负荷保护过电压——过电压保护逆功率——逆功率保护失步——失步保护二发电机的纵差和横差保护发电机内部故障——主要指定子的各种相间和匝间短路故障，短路故障时在发电机短接的绕组中将会出现很大的短路电流，严重损伤发电机本体。发电机定子单相接地不会引起大的短路电流，不属于严重的短路故障。发电机定子的短路性故障主要有五种情况：1）单相接地，再由电弧引发故障点处相间短路；2）直接发生线棒间绝缘击穿形成相间短路；3）发生单相接地，再由于电位变化引发其它地点发生另一点的接地，从而构成两点接地短路；4）发电机端部放电构成相间短路；5）定子绕组同一相的匝间短路。定子绕组定子铁芯1）原理接线IIRXBKSIIIII信号至延时信号QFTC1TA2TAQFKCO1、用BCH—2型继电器构成的发电机纵差动保护由图可知，纵差动保护只可以高灵敏地切除被保护设备的故障，并不能作为相邻元件的后备保护。2）整定计算（１）躲过外部短路时的最大不平衡电流（互感器变比不一致及铁芯饱和的影响。与外部短路电流成正比。）TAmaxKstaperrelmaxunbrelnIKKKfIKI/iact.K(２）为避免电流互感器二次回路断线时误动作，保护的动作电流应大于发电机的额定电流TAn/IKINrelK.actKrel——可靠系数，1.3~1.5；fi——电流互感器幅值误差；Kss——电流互感器的同型系数；Kaper——非周期分量系数；IK.max——外部最大短路电流；nTA——电流互感器的变比。3）灵敏度校验按单机运行时，发电机纵差保护区内机端两相短路来校验差动保护的灵敏度。2IIK.act(2)minkKsenTAn/4）断线监视继电器的整定（断线后又发生外部短路，此时差动保护将误动。断线后应退出差动保护）按躲过正常运行时的不平衡电流来整定。根据运行经验取：TAn/0.2IINK.act2、由比率制动式差动继电器构成的纵联差动保护按照传统的纵差动保护整定方法，为防止外部短路时保护误动，动作电流应躲过短路时引起的最大不平衡电流，因此保护动作电流将比较大，相应的保护灵敏度降低，使得发电机（中性点附近+过渡电阻）相间短路时可能拒动。为了解决这个问题，考虑不平衡电流随着流过电流互感器电流增加的因素，提出了比率制动的纵差动保护，使动作值随着外部短路电流的增大而自动增大（相应减小而减小）。1UR2URKP711~RR52~RR1RbRwRVC1V2V1I2I1）LCD-12比率制动式差动继电器原理接线2）动作方程TA21resTA21d2//nIIInIII制动电流差动电流（1）外部短路时，此时Id=0，Ires=I1或I2，保护可靠制动。（2）内部短路时，，IdIres，保护灵敏动作。21II21IIresdII时动作动作电流IK.act随外部短路电流IK.max的增加而增大。3）继电器动作特性曲线TAKstaperirelunbrelactKnIKKfKIKI/max..ABtgCMunbIunb.NImin.act.KIact.KI0.resIresImax.kI)(unbI)nI(TAmax.k4）整定计算（见图8-3，P216）（1）最小动作AB电流：按躲过最大负荷下进入差动回路的不平衡电流整定。TAN.GK.act.minn/I)2.0~1.0(I（2）拐点B电流（B点以后比率制动）：res.0K.maxd.minunb.maxI-II-IK（3）C点动作电流（P216）（4）制动特性斜率：TAN.Gres.0n/I)0.1~8.0(I见前述内容：a.躲开最大不平衡电流；b.最大不平衡电流取决于最大短路电流。5）灵敏度校验按单机运行时，发电机出口两相短路校验。2K.act(2)minksenIIK与比率制动式非常接近，但具更高的灵敏度，也只能反应相间短路而不能反应匝间短路。3、标积制动式纵联差动保护21K-IIIcos21resIII动作电流：制动电流：动作特性：resIIK（1）外部短路时，此时IK=0，Ires=I1或I2，保护可靠制动。（2）内部短路时，一般，此时IK很大，让Ires=0，保护灵敏动作。0cosG.NKII123制动区ABCEDG.NresIIb0如右图所示。沿ABCE动作，起始AB段，考虑互感器的不平衡电流设置；在大于b点以后，动作电流趋于无穷，即可靠不动作。b点以前，互感器不饱和，不平衡电流不大，可靠不动作。21II仅引入发电机的中性点侧部分分支电流来构成保护，通过选择电流互感器变比保证正常及外部故障时无差流，而内部相间或匝间短路时有差流，可靠动作。与完全纵差动相比，能够同时保护相间短路、匝间短路和定子绕组开焊故障（见图8-5，P219）。4、不完全纵联差动保护动作特性：利用三相定子绕组分布在同一个定子铁芯上，不同相间和匝间存在或大或小的联系的特征。当未装设互感器的定子分支绕组发生故障时，互感磁通可以在装设互感器的非故障分支中感应到故障的发生，使不完全纵差保护动作。其整定原则同传统纵差保护几乎一样，只是由于电流互感器的变比不一样，电流互感器的同型系数不再是0.5而取1。包括裂相横差保护和零序电流型横差保护。5、横联差动保护1）裂相横差保护（见图8-6，P220）大容量发电机每相都由两个或两个以上并联分支绕组组成，正常运行时各绕组中电势相等，流过相等的负荷电流；当同相内非等电位点匝间短路时，各绕组中电势不再相等，出现因电势差而在各绕组间产生的环流。利用这个环流实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，构成裂相横差保护的原理。裂相横差保护对定子绕组相间短路和匝间短路均有作用，并能兼顾分支开焊故障，但当机端外部引线短路时无保护作用。采用比率制动特性的整定计算。a.动作电流21K.act.minI.unb.unbrelIIKIunb.1——电流互感器幅值差引起；Iunb.2——不同定子槽引起的不平衡。b.比率制动特性的拐点N.Gres.00.1~8.0II2）零序电流型（单元件）横差保护只需要一个互感器来构成差动保护，接于定子线圈并联支路不同中性点之间。能反应定子绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内绕组相间短路。定子绕组不同中性点间可能的不平衡电流:①定子同相而不同分支的绕组参数不完全相同，致使两端的电势及支路电流有差异；②发电机定子磁场不完全均匀，在不同定子绕组中产生感应电势不同；③转子偏心，在不同的定子绕组中产生不同的电势；④存在三次谐波电流。TAN.GK.act.min/3.0~2.0InI动作电流按经验取：I信号tXBKCOKSTAKTKZkIkIkI灭磁解列原理：是反映双Y型接线的定子绕组或多并联绕组两中性点连线中的电流而动作的保护。电气接线图如下：横差保护接线特点及存在的问题为消除不平衡电流中的三次谐波的影响，提高保护灵敏度，在继电器中设有三次谐波滤波器。为避免励磁回路瞬时性两点接地时，横差保护误跳闸，故在转子发生一点接地后，将横差保护装置的连接片XB接入时间继电器KT，使横差保护带有0.5-1s延时。由于接线简单，功能全面，灵敏度高，广泛采用，成为发电机内部故障的第一保护。不能保护机端外部引线相间短路，用机端两相金属性短路来校验保护的灵敏度，明显不适用。包括裂相横差保护和零序电流型横差保护。6、综合差动保护综合差动保护。包括不完全纵差、裂相横差、高灵敏度的横差保护，对发电机内部故障时具有三重保护，但对机端引线的相间短路，只有一重保护，因此另装设一套发电机—变压器组不完全纵差保护，对发电机端引线也具有双重保护。（见图8-6及8-7，P221，P222）。三同步发电机定子绕组的单相接地保护1、发电机定子单相接地的电气量特征a.中性点不接地。此时发电机内部单相接地时，接地电容电流应在规定值内，现代大型发电机的单相接地电流很多已超过允许值，因此多采用中性点经消弧线圈或电阻接地的方式。b.中性点经消弧线圈或电阻接地，主要目的是防止接地故障时的过电压。经消弧线圈接地，可以极大限度减小接地故障电流，应用较多；经过渡电阻接地，在防止过电压的同时人为地增加了接地故障电流，此时如果故障应作用于跳闸。c.接地点的零序电压随故障点的位置变化。2、定子绕组单相接地故障时的零序电流分布GC0ABC0CTAC0LECCILGaK003接地点流过的零序电流机端的零序电压（依下页图解释一下，P224，式8-20）-故障点距中性点距离的比值C0L-机端外电压网络的等效电容C0G-发电机每相的对地电容E-相电动势aKAKUEU00故障点越靠近机端，接地电流越大。表明机端的零序电压与故障点的零序电压相等；零序电压大小与接地点位置有关，越靠近中性点，零序电压越小。发电机经消弧线圈接地，发生单相接地故障以后，并不立即作用于跳闸。应该转移负荷，实现平稳停机检修。AEBECEAUBUCU0UAE3、定子绕组单相接地故障时的零序电压4、反应基波零序电压的单相接地保护VUZtKTTVSB信号继电器的起动电压按经验整定为15-30V。反映基波零序电压的定子绕组接地保护存在动作死区。当接地点靠近中性点时，可能不动作。a.正常运行时三次谐波电动势及对地电容的等效电路图NU3NGC021S0CSU33EGC0215、利用三次谐波构成发电机定子绕组100%接地保护NSUU33b.中性点经消弧线圈接地时，中性点侧的三次谐波电压更高。c.当发生单相接地时331EaUS33aEUN正常运行时：U3SU3N定子绕组的a=0.5~1.0范围内接地时：U3SU3N定子绕组的a=0-0.5范围内接地时：U3SU3N综合：反应三次谐波电压的接地保护：用机端的三次谐波电压U3S作为动作量，中性点的三次谐波电压U3N作为制动量构成接地保护，其动作条件为U3S≥U3N，则正常运行时保护不动作，只有当中性点附近发生接地故障时，保护才会动作。发电机100%定子接地保护由反应基波零序电压元件和反应三次谐波电压元件两部分组成。第一部分可保护定子绕组的a15%的区域，而第二部分是用以消除基波零序电压元件保护的死区，能够保护a50%的区域。发电机100%定子接地保护：05.01三次谐波电压保护区基波零序电压保护区四发电机的负序过电流和过负荷保护广泛采用单相低电压启动过电流和两段式负序电流保护接线。单相低电压启动过电流部分主要作为发电机和升压变三相短路的后备保护。负序过电流保护部分主要作为转子发热的主保护，同时兼做发电机和升压变两相短路的后备保护。负序过负荷保护部分主要作为发电机不对称过负荷保护。如下图示。aUbUcUZAN发电机转子发热特性方程AtI22A——发电机允许过热时间常数，它与发电机容量、冷却方式等有关，非强迫冷却的发电机，A≈30；直接冷却的100-300MW汽轮发电机，A=6-15；600MW汽轮发电机的设计值A=4。定时限负序过电流和过负荷保护动作整定：st)I.I,st,A:(ItAI:KAst:KTI.IKANact.G.Nact.Nact.5350120302105110122222则若设：以躲过外部不对称短路时保护的动作时限，保证保护的选择性。①ab段。允许时间小于动作时间，可能烧毁；②bc段。不能充分发挥发电机允