第八章-发电机保护

第八章发电机保护第一节发电机的故障、不正常运行状态和其它情况及其相应的保护方式第二节发电机的纵差动保护和横差保护第三节发电机定子绕组的单相接地保护第四节发电机的负序过电流保护第五节发电机失磁保护第六节发电机励磁回路接地保护第一节发电机的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式一.故障1）定子绕组相间短路保护方式2）定子一相绕组内的匝间短路保护方式3）定子绕组单相接地保护方式4）转子绕组一点接地或两点接地保护方式5）转子励磁回路励磁电流异常下降或完全消失保护方式二.不正常运行状态及其保护方式1）由于外部短路引起的定子绕组过电流保护方式2）由于负荷超过发电机的额定容量而引起的三相对称过负荷保护方式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保护方式4）由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压保护方式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保护方式6）由于汽轮机主汽门突然关闭引起的发电机逆功率保护方式电力系统振荡——对300MW机组上，宜装设失步保护汽轮机低频运行——可装设低频保护水冷发电机断水——可装设断水保护三.其它情况第二节发电机的纵差动保护和横差动保护比率制动式纵差保护标积制动式纵差保护不完全纵差保护横（联）差（动）保护综合差动保护不同发电机组应有不同的主保护配置方案结论第二节发电机的纵差动保护和横差动保护一、比率制动式纵差保护（一）发电机纵差动保护的基本原理与计算纵（联）差（动）保护是比较被保护设备各引出端电气量（例如电流）大小和相位的一种保护。设被保护设备有n个引出端，各个端子的电流相量如图8-1所示，定义流入被保护设备为电流正向，则当被保护设备正常运行或外部短路时，一次电流恒有当被保护设备本身发生相间短路时，设短路电流为，则有由此可见，以被保护设备诸端子电流的相量和为动作参数的电流继电器，在被保护设备正常运行或外部发生各种短路时，该继电器中理论上没有动作电流，保护可靠不误动；当被保护设备本身发生相间短路时，巨大的短路电流全部流入该继电器，保护灵敏动作。这就是纵差保护的基本原理，它只反映被保护设备本身的相间短路，理论上与外部短路无关，当然也就可以用最快速度、高灵敏地切除被保护设备本身的相间短路，但对与之相邻的其他设备短路不能有后备保护作用。一次电流必须经电流互感器（TA）才能引入电流继电器，设互感器的电流变比为，正常运行或外部短路电流经互感器传变后，由于互感器的误差（主要是饱和影响），虽然式（8-1）成立，但各二次电流的相量和，此即不平衡电流，实际工程计算：式中Ik.max─外部最大短路电流（周期性分量）；fi—电流互感器幅值误差，工程中要求不大于10%,故取fi=0.1；Kss—电流互感器的同型系数，发电机纵差保护用互感器是同一型号的，取Kss=0.5；kaper—非周期分量影响系数，考虑外部短路暂态非周期分量电流对互感器饱和的影响，一般取kaper为1.5~2.0。为防止纵差保护在外部短路时误动，继电器动作电流应躲过不平衡电流，即式中Krel—可靠系数，Krel取1.3~1.5。在整定计算动作电流时，应采用机端三相短路次暂态工频电流，设，则取，，，，nTA=1则用标幺值表示的动作电流为该保护在纵差保护区内发生机端两相金属性短路（电流为）时，保护灵敏度为从表面上看，发电机纵差保护灵敏度很高，实际上发电机定子绕组中性点附近发生短路时，若短路匝数很少，特别是经过过渡电阻短路时，流入纵差保护的电流并不大，保护存在动作死区。因此在确保外部短路不误动的前提下，尽量减小纵差保护的动作电流。（二）比率制动式纵差保护的基本原理纵差保护动作电流按式（8-4）计算，其值较大，有可能在发电机内部相间短路时拒动。式（8-4）是在最大外部电流下以保护不误动为条件来整定计算动作电流的，当外部短路电流小于时，纵差保护动作电流可以比式（8-4）的计算值小些，仍可保证不误动。因此，可以考虑让随外部短路电流增大而增大。（二）比率制动式纵差保护的基本原理如图8-2所示，发电机每相首末两端电流各为和，纵差保护继电器的差动线圈匝数为Nd，制动线圈匝数为Nres.1和Nres.2，若有差动继电器的动作安匝为制动安匝为差动电流制动电流当发电机本身无故障，机外（纵差保护区外）发生短路时，，，，制动电流很大，差动电流理论上为零，保护可靠制动。外部短路电流Ik越大，制动电流Ires越大，而差动电流仅为不平衡电流Iunb，后者由式(8-3)决定。既然继电器制动电流Ires随外部短路电流线性增大，纵差保护的动作电流Ik.act也就随外部短路电流相应增大，如图8-3所示，Ik.act随外部短路电流Ik增大而增大的性能，通常称为“比率制动特性”（折线BC）。当发电机正常运行时，各相电流不大于互感器一次额定电流I1N，这时纵差保护的不平衡电流Iunb很小，完全不需要比率制动特性，只用最小动作电流即可避越负荷状态下的不平衡电流，如图8-3中的水平线AB。(三）发电机比率制动式纵差保护的整定计算需要整定计算的是图8-3中的A、B、C三点。1、最小动作电流（A点）A点整定原则是保证最大负荷状态下保护不误动。如前所述，在额定负荷电流下，5P级互感器的幅值误差为±1%，设一个互感器幅值误差为－1%，另一个为＋1%，负荷状态下不平衡电流不大于2%，考虑可靠系数为2，可取10P级互感器幅值误差为±3%，可取所以选取以下定值是充分安全的：2、比率制动特性起始点（拐点）B图8-3中B点横坐标电流应小于或等于发电机额定电流IN.G的二次值，当外部短路电流Ik大于IN·G时，继电器呈现比率制动特性，Ik越大，保护的动作电流就越大。关系式为3、最大外部短路电流下的C点在下，纵差保护的最大不平衡电流由式(8-3)决定，即图8-3中的D点，保护的最大动作电流，可按式(8-4)计算，即C点。可用最大制动系数确定C点，按定义有若取，，，，则有注意事项：在采用不考虑暂态特性的P级TA时，特别是两侧TA的二次负荷不均衡时，采取非周期系数Kaper=1.5~2.0不能认为已具有足够的避越暂态不平衡电流的能力，定值整定计算时宜适当取较大值。例如取制动特性直线的斜率m为0.25。以，，,m＝0.25，则有因此而按式(8-9)可得所以选取斜率m=0.25，相当于将最大制动系数由0.15提高到提高最大制动系数可为躲开暂态不平衡电流创造有利条件。为了正确整定发电机纵差保护的比率制动特性，必须建立两个基本概念，即：（1）外部短路使纵差保护因互感器引起的不平衡电流Iunb与外部短路电流Ik的关系应是图8-3中的曲线OED，而不是虚直线OD,OD虚线反映的是不平衡电流随外部短路电流线性增大，这是不真实的。比率制动特性ABC虽与直线OD相交，但它完全位于OED曲线之上，不会因外部短路而误动。（2）最大制动系数只在最大外部短路电流下是必需的，当时，Kres可以小于。若不平衡电流完全由互感器产生，则比率制动特性只要满足在最大外部短路电流下的和最大负荷状态的,纵差保护就一定不会误动。二、标积制动式纵差保护标积制动式纵差保护与比率制动式纵差保护非常接近,具有更高灵敏度，但也只能反应相间短路而不能反应匝间短路，它由两侧电流和（见图8-2）组成动作电流和制动电流：动作电流(8-10)制动电流（8-11）式中为和的相位差，外部短路时，内部短路时大多数情况下有（由于定子绕组故障部分与非故障部分间的互感作用产生互感电动势，有时发电机定子绕组内部短路存在即有外部短路的相位特征）。外部短路时，或，很大，而Ik仅为不大的不平衡电流，保护可靠制动。内部短路时，大多数情况下cosα0，此时令Ires=0，Ik很大，保护灵敏动作。当发电机未并网而发生内部短路时，I2=0,Ires=0，Ik=I1，仍能灵敏动作。因此标积制动式纵差保护动作判据可表达为上式无需加制动系数。标积制动式纵差保护的动作特性如图8-4基本动作特性为ABCD，下方为制动区。图中,这是考虑两侧电流互感器TA的差异和二次负载的不均衡而设置的，如果两侧TA差别较大，可以根据正常满负荷工况下不平衡电流实测值而适当加大Ik·act·min。对应横坐标1.0的纵坐标OF，表示制动特性直线的斜率m，对发电机而言，取,即m=0.25。当cosα0、I1/IN·G、I2/IN·G、Ires/IN·G均大于1.5时，保护的动作特性由直线CE决定，此时Ik·act≈∞，保护可靠不误动。外部短路且两侧电流达到1.5IN·G时，TA远未饱和，不平衡电流一定不大，不可能误动。因此图8-4的标积制动式纵差保护用电流互感器只要求采用5P或10P，就能满足外部暂态过程中不发生误动的要求。三、不完全纵差保护不完全纵差保护可能同时对相间短路、匝间短路和定子绕组开焊故障起保护作用.（一）传统（完全）纵差保护不反应匝间短路和开焊故障的原因如图8-2所示，利用发电机每相首末两端定子全相电流和构成的传统（完全）纵差保护，当发生匝间短路或分支开焊时，两端电流不管机内故障电流多么大，传统纵差保护将毫无反应。（二）汽轮发电机不完全纵差保护如图8-5所示，通常大型汽轮发电机定子绕组为每相两并联分支（中型水轮发电机也有这种情况），中性点侧引出6个或4个端子，因为TA2只引入部分相电流，所以互感器TA1和TA2构成不完全纵差保护，当然TA1和TA2的变比是不相同的，使正常运行或外部短路时的差动回路不平衡电流很小。不完全纵差保护之所以能反应发电机内部各种短路和开焊故障，是由于三相定子绕组分布在同一定子铁心上，不同相间和不同匝间存在或大或小的互感联系。当未装设互感器的定子分支绕组发生故障时，通过互感磁通可以在装设互感器的非故障定子分支中感受到故障的发生，使不完全纵差保护动作。理论分析和试验研究均证明该保护原理的正确性。这种不完全纵差保护的整定计算与传统纵差保护几乎一样，仅仅是电流互感器的同型系数不再是0.5而改取为1.0（因变比不同而不再同型），比率制动特性可取:一般可取为0.2～0.3。四、横（联）差（动）保护横（联）差（动）保护是将定子绕组分成几部分，比较不同部分分支绕组电流，称为横差保护，包括裂相横差保护和零序电流型横差保护。1、裂相横差保护2、零序电流型横差保护1、裂相横差保护图8-6（a）示出裂相横差保护的单相原理图，图中汽轮发电机定子绕组每相有两个并联分支，每一分支均装设电流互感器，一相两分支互感器二次绕组的异极性端相接，差流引至电流继电器KA。当发电机正常运行或外部短路时有当定子绕组发生不同相的分支间短路（相间短路）、同相不同分支间或同相同分支间短路（匝间短路）以及分支绕组开焊故障时，同相两分支的平衡被破坏，继电器KA动作。对于每相并联分支数a大于2的水轮发电机，例如图8-6(b)中表示a=5的发电机，可采用裂相横差保护.这时将定子绕组每相并联分支分成两部分，图8-6(c)所表示的是三分支a1、a3、a5成一组，另二分支a2、a4成一组，每组装设的互感器二次并联，两组互感器按图8-6(a)接成横差方式，这就是裂相横差保护K1。对于a为奇数的互感器变比两组并不相同，若为微机保护，两组互感器可选用同一变比，由软件调整它们的平衡。裂相横差保护应用：在国内外大型水轮发电机上广为采用，它与不完全纵差、零序横差共同组成多分支分布中性点接线方式水轮发电机的综合差动保护。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。裂相横差保护采用比率制动特性时，其整定计算方法如下：1．最小动作电流式中─可靠系数，Krel＝1.3～1.5；Iunb·1─负荷状态下，两个电流互感器的幅值误差的不平衡电流，一般可选取Iunb·1=0.06I`2N，I`2N为互感器二次额定电流；Iunb·2─水轮发电机各相并联分支配置在不同的定子槽中，各槽对应的定、转子间气隙磁场大小不同，由此产生的第二种不平衡电流。Iunb·1＋Iunb·2可在发电机满