继电保护原理第-7-章-发电机继电保护

第7章发电机继电保护7.1发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式1.发电机的内部故障内部故障主要是由定子绕组及转子绕组绝缘损坏引起的，常见的故障有：(1)定子绕组相间短路—危害最大(2)定子绕组单相匝间短路：可能发展为单相接地和相间短路(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：一定接地时危害不严重；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)转子励磁回路电流消失：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.发电机的不正常运行状态不正常运行状态主要有：(1)外部短路或系统振荡引起的定子绕组过电流。(2)负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷。(3)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)突然甩负荷而引起的定子绕组过电压。(5)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)汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行以及低频、失步、过励磁等。三、发电机的保护配置1、定子绕组相间短路（1MW以上一般采用差动保护）2、定子绕组匝间短路保护3、定子绕组接地保护（100MW以上发电机应用100%保护区）4、转子绕组一点接地或两点接地保护5、励磁电流异常下降或消失保护（100MW以上发电机）6、发电机外部相间短路7、定子绕组过负荷保护8、转子表层（负序）过负荷保护（50MW以上发电机）9、定子绕组过电压保护10、励磁绕组过负荷保护（100MW以上发电机）11、发电机逆功率保护（200MW以上汽轮发电机）12、发电机低频保护（300MW以上汽轮发电机）13、失步保护（300MW以上汽轮发电机）14、定子铁芯过励磁保护15、其他故障及异常运行保护。四、保护动作方式根据故障及异常运行方式的性质，上述各项保护可动作于：1、全停：即断开发电机断路器，灭磁，关闭汽轮机主汽门，切换厂用；2、解列并灭磁，即断开发电机断路器，灭磁，原动机甩负荷3、减出力，即将原动机负荷减到给定值；4、发出声光信号；5、程序跳闸，即首先关闭原动机主汽门或导水翼，待逆功率继电器动作后，再断开断路器并灭磁。7.2发电机的纵差动保护和横差动保护7.2.1发电机纵差动保护的整定计算和原理接线发电机纵差保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护，它应能快速切断内部所发生的故障；同时在正常及外部故障时，又能保证动作的选择性和可靠性。在保护范围内发生相间短路时，应瞬间断开发电机断路器和自动灭磁开关。两组CT特性、变比一致，正常及区外故障时，继电器中只有流过数值较小的不平衡电流；当发电机内部故障时，故障电流流过继电器时，瞬时动作于跳闸。二、整定计算原则两个条件1、躲开外部短路时的最大不平衡电流2、躲大于发电机额定电流（LH二次断线时不误动）灵敏度（出口两相短路）监视断线电流继电器的整定电流该继电器的整定电流应躲过正常运行时的不平衡电流动作时限大于发电机后备保护时限.max..max0.1/dzkbpdzJkfzqtxdLIKIIKKKIn.../dzkefdzJkefLIKIIKIn.min2dlmdzIKI..0.2/dzJefLIIn三、发电机纵差保护原理接线四、比率制动特性差动继电器的差动保护1、动作分析2、整定计算（1）最小动作电流灵敏度（出口两相短路）..0.(0.10.3)/dzJefLIIn（2）制动特性的最小制动电流.0.(1.01.2)/zhefLIIn.min2dlmdzIKI.max.max..max/zhddzJkbpLIIIKIn（3）最大制动电流发电机的纵差动保护可以无延时地切除保护范围的各种故障，同时又不反应发电机的过负荷和系统振荡，且灵敏系数一般较高。7.2.2发电机匝间短路的横差动电流保护作用：反映了定子绕组的匝间短路及定子绕组开焊一、匝间短路的特点1、当发生匝间短路时，短路线匝内电流很大，短路环中电流的大小与短路匝数大致成反比关系；2、定子回路中的零序电流，将在并联分支绕组的两个中性点之间的连接线上形成环流；3、在转子回路中将产生二次及其它次谐波的电流分量；4、发电机定子绕组一相匝间短路时，在短路电流中有正序、负序和零序分量，且各序电流相等，同时有纵向零序电压出现。短路环中的电流与短路匝数的关系曲线如图：...1212()/0jlIIIIIn二、横差保护原理正常：.0,21dI（2）同相两分支间：保护不动....12(2)/dJddzlIIIIInlIn匝间接地：动作.0,0dI死区：（1）同一分支：保护不动三、单元件式横差保护原理：保护用电流互感器装设于发电机两组星形中性点的连线上。它实质是将一组三相分支电流之和与另一组三相分支电流之和进行比较。保护装置的原理接线及其它有关问题1、三次谐波滤过器：其作用是滤除三次谐波，即使三次谐波也不会流到电流继电器线圈中。2、励磁回路有两点接地时保护的动作行为：在一般情况下，横差动保护无时限动作，当发电机励磁回路一点接地后，即切换至延时回路。整定计算保护的整定电流根据运行经验一般取值..(0.20.3)/dzJefLIIn评价：优点：接线简单、灵敏度高，对匝间短路和分支开焊均起保护作用；缺点：发电机引出端必须有六个端子，死区范围大7.3发电机定子绕组单相接地保护定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍。由于发电机的中性点是不接地或经高阻抗接地的，定子绕组发生单相接地时短路故障电流较小。根据有关规程，能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定子铁芯烧坏，并且也容易发展成相间短路，造成更大的危害。根据运行经验，当接地电容电流大于等于5A时，应装设动作于跳闸的接地保护；当接地电容电流小于5A时，一般装设作用于信号的接地保护。7.3.1发电机定子绕组单相接地的特点一、零序电压1、保护安装处的零序电压00033AKAABKBBCKCCAKBKCKAAUEEUEEUEEUUUUEUEUU2、结论1）发电机发生单相接地时，发电机端三相电压是不对称发的，接地相电压最低，非接地相电压升高；2）故障点的零序电压将随着故障点的位置不同而不同处，零序电压最小000U处，零序电压最大01UE，处达到发电机相电压。二、零序电流发电机的零序电容电流网络的零序电容电流接地点总接地电流000()0333ffdfAIjCUjCE000()0333lldlAIjCUjCE()003()dflAIjCCE结论：发电机外部发生单相接地时，流过零序电流互感器的零序电流为发电机的电容电流；发电机内部接地短路时，流过零序电流互感器的零序电流为除发电机外全发电机电压的电容电流；流经接地点的发电机单相接地电流与故障点的位置有关7.3.2利用零序电流构成的定子接地保护视Id大小Id较大时（发电机直接连接母线）--零序电流保护，动作于跳闸Id小于允许值（发变组）--零序电压保护，动作于信号原理接线图7.3.3利用零序电压构成的定子接地保护一、原理接线二、整定值1、应躲过三次谐波电压产生的不平衡电压2、应躲过变压器高压侧发生单相接地时，由于耦合电容在发电机机端产生的零序电压3、一般取值为15-30伏，有死区三、特点简单可靠、可加装三次谐波滤过器以提高灵敏度，适用于发电机-变压器组。7.4发电机的负序过电流保护7.4.1负序过电流保护的作用一、负序过电流的危害在转子绕组、阻尼绕组以及转子铁芯等部件上感应100Hz的倍频电流，该电流使得转子上电流密度很大的某些部位可能出现局部的灼伤，甚至可能使互环受热松脱。所产生的100Hz交变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和定子机座上，引起100Hz的振动。二、发电机承受负序电流的能力1、发电机长期承受负序电流的能力：我国有关规定为：在额定负荷下，汽轮发电机持续负序电流负序电流保护通常依据发电机长期允许承受的负序电流值来确定起动门槛值。时，保护延时发出报警信号。2、发电机承受负序电流的能力：不使转子过热所允许的负序电流和时间的关系。A值反映发电机承受负序电流的能力，A越大说明发电机承受负序电流的能力越强一般来说，发电机容量越大，相对裕度越小，A值也越小2.(6%8%)NII22.II2*2ItA7.4.2负序定时限过电流保护一、保护由两段式构成I段经t1（3-5s）延时动作于跳闸II段经t2（5-10s）延时动作于信号二、保护动作行为分析1、在ab段内，t1大于允许时间，对发电机不安全2、在bc段内，t1小于允许时间，未充分利用发电机的承受负序电流的能力；3、在cd段内，发信号；而靠近C点时，由于运行人员处理的时间已大于允许时间，对发电机安全来讲不利；4、在de段内，保护根本不反应。'2.0.5actefII2..0.1dzefII7.4.3反时限负序过电流保护100MW及以上，A＜10的发电机应装设反时限负序电流保护保护方案1、原理方框图由两个定时限部分和一个反时限部分2、上限定时限特性应与发变组（发电机-变压器组的简称）高压侧两相短路相配合，上限门槛电流可取为其动作时间tu按与高压出线快速保护相配合，可在0.5-3s范围内整定。保护作用于跳闸解列。2*.22I下限定时限特性则按发电机持续允许负序电流整定，并应在外部不对称短路切除后返回，故动作电流门槛值整定为动作时间分为两个。短延时5-10s作用于告警信号；长时间作用于跳闸解列，其动作时间在250-1000s范围内整定。反时限特性作用于跳闸解列，反时限元件的起动门槛需要与长延时综合考虑。最大延时一般取为1000s，也可按下限动作特性的延时选取（但不超过1000s）*.1*.2.kdhKIIK反时限负序过电流保护原理框图7.5发电机的失磁保护7.5.1发电机的失磁运行及其产生的影响发电机失磁是指发电机的励磁突然全部或部分消失。一、引起失磁的主要原因有：转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。二、发电机失磁对系统的影响发电机失磁后，其各种电气量和机械量都会发生变化。1、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；②U↓→其他发电机Q↑→过电流→后备保护动作，故障扩大；③失磁→失步→振荡→甩负荷。2、对发电机①转子中fG-fS的差频电流→过热②转差率s=（fG-fS）/fS↑→吸收Q↑→R2（1-s）/s↓→定子过电流→发热；③转速↑→振动；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，应装设专门的失磁保护。三、发电机失磁保护的配置要求根据《继电保护和安全自动装置技术规程》：100MW以下失磁对电力系统有重大影响的发电机和100MW以上的发电机，应装设专用的失磁保护对600MW的发电机可装设双重化得失磁保护。EdXdXsUsUf四、失磁后的基本物理过程功角特性关系2sincosdsdsssdsdsdEUEUUPQxxxxxx一、δ＜90°发电机未失步—同步振荡阶段deTTEPPPP不变转子加速（2）δ=90°（静稳定极限角）--临界失步状态290sddsUEQxx当时，Q=-即从系统吸收感性无功功率。(3)90,fQUI吸收----异步运行阶段7.5.2发电机失磁后的机端测量阻抗一、失磁后，失步前（等有功过程）失磁后，功角δ逐渐增大，当功角小于90°时，其机端测量阻抗沿等有功阻抗圆向第四象限变化222222(1)22(1)2()22fssssssjsjjsUUIXUUUUZjXjXjXIIIIUWUPjQPjQUPjQjXjXPPjQPPjQUWejXPWeUUjXePPEdXdXsUUf失磁后，失步前机端阻抗的特点①圆的大小与P有关，P↑→圆↓②失磁前，发电机