发电机保护整定计算

发电机保护一、发电机故障及其保护配置（一）发电机的故障和异常运行状态1．发电机的故障：•定子绕组及引出线相间短路•定子绕组单相匝间短路和分支开焊•定子绕组单相接地•转子绕组一点或两点接地•励磁回路励磁电流消失2．发电机异常运行状态•外部相间短路引起的定子绕组过电流•外部不对称短路或不对称负荷引起的负序过电流和负序过负荷••定子绕组三相对称过负荷•突然甩负荷引起的定子绕组过电压•励磁回路故障或强励时间太长引起的转子绕组过负荷•汽轮机主气门突然关闭引起的发电机逆功率（二）发电机的保护配置（与容量相关）1.定子绕组及其引出线相间短路保护•纵联差动保护是发电机的主保护•1MW以上的发电机应装设纵联差动保护••发变组–当发电机与变压器之间有断路器时，设单独的纵差保护–当发电机与变压器之间没有断路器时•100MW以下的发电机，设发变组共用纵差•100MW以上的发电机设单独的纵差保护，与发变组共用纵差构成双重主保护2.定子绕组单相接地短路保护•接地电容电流5A,动作于跳闸•接地电容电流5A,动作于信号•100MW及以上发电机，设保护区为100%的单相接地短路保护3.定子绕组单相匝间短路•对有六个引出端的双绕组发电机，应设置简单、灵敏的单元件横差保护4.发电机外部故障引起的定子过流(1)过流保护用于1WM以下的小容量发电机保护(2)复压启动的过流保护用于过流保护灵敏度不足的发电机保护(3)负序过电流及单相低电压起动的过流保护用于用于50WM及以上的发电机保护5.发电机的其它保护•定子绕组过负荷/过电压•发电机失磁保护•发电机失步保护二、发电机纵差/横差保护（一）不带制动的纵差保护1.保护动作值整定(1).正常运行时,LH二次回路断线时保护不误动Iop=KrelIgn/nL–Ign：发电机额定电流–Krel：可靠系数，取Krel=1.3•为防止在LH二次回路断线、同时区外故障导致保护误动，另需设置LH二次回路断线监视装置发出告警信号,由运行人员退出保护Iop=0.2Ign(躲开正常运行时的不平衡电流)(2).躲开外部短路时的最大不平衡电流Iop=KrelIunb.max=KkelKerKapKccId.max–Krel：可靠系数，取Krel=1.3–Kap：非周期分量影响系数。使用BLH时，Kap=1，否则Kap=1.31.5–Kcc:LH同型系数。发电机差动采用同型LH，Kcc=0.5(相对误差5%)–Ker=0.1:满足10%误差曲线要求时LH最大误差–Id.max:取外部短路K(3)，Zs.min时计算•按条件(2）整定，有：Iop=（0.40.6)Ign动作更灵敏；但LH二次回路断线、同时区外故障将导致保护误动•IopIgn(如上)不使用1)中的LH二次回路断线闭锁:保护定值不能躲过•断线故障机率很小,且加强运行维护,可大大降低断线的可能性:倾向于条件(2）整定保护定值•微机保护具有更强的装置故障监测手段,可按条件2）整定保护定值,辅以下述条件区分故障或断线:–任意一相电压工频变化量元件起动–任意一相正、负、零序电压元件起动–起动后任意一相电流大于1.1Ign满足任一条件为故障2.灵敏度校验Ksen=Id.min/Iop2•Id.min为内部故障时流过保护的最小短路电流•校验条件（1）发电机与系统并列运行前，机端两相短路故障：发电机单独供给的短路电流（2）发电机无励磁、与最小运行方式的系统自同期并列时机端两相短路故障：系统单独供给的短路电流（二）带制动的纵差保护•一定满足灵敏度要求，无需校验(1)最小动作电流大于正常运行时最大不平衡电流Iop.0=（0.10.2)Ign(2)制动特性拐点对应的制动电流Ires.0=Ign(3)制动系数Iop.max=KkelKerKapKccId.maxIres.max=Iunb.maxKres=Iop.max/Ires.max=KkelKerKapKcc(推荐取0.3)(4)斜率S=(Iop.max–Iop.0)/(Ires.max-Ires.0)（三）定子绕组匝间短路的保护1.横差保护•大容量发电机额定电流很大，各相以两个绕组(或更多绕组)并联工作•同相同绕组或同相不同绕组匝间短路时，两绕组的电势不再相等•绕组电势差将在绕组内产生很大环流而不被纵差保护反应•对有六个引出端的双绕组发电机，应设置简单、灵敏的单元件横差保护(1)利用两绕组电流之差即可构成三元件横差保护•三元件横差保护接线复杂，可靠性低(2)单元件横差保护–将一半绕组与另一半绕组的三相电流和比较–各种单相匝间短路时，通过两组绕组的中性点连接线构成短路环流通路–也可反应定子绕组相间不对称短路：相间短路时，一般两组绕组三相不对称，可形成环流•发电机正常运行和外部短路时，有较大三次谐波不平衡电流通过中性点连接线，需滤波处理•转子永久性两点接地时气隙磁通畸变，也有较大不平衡电流通过中性点连接线，可使横差误动•畸变气隙磁通导致发电机异常震动，需转子永久性两点接地保护动作跳闸，因此不闭锁横差保护•为防止转子瞬时两点接地时横差误动，在转子一点接地后，横差切换至0.51s延时跳闸回路•整定计算–当单元件横差保护使用的三次谐波滤过器滤除三次谐波的滤过比大于或等于15时，动作电流初设可选为Iop.0=(0.2~0.3)Ign–对使用LMZ型LH且三次谐波滤过器滤除三次谐波的滤过比大于或等于80的高灵敏单元件横差保护，动作电流初设可选为Iop.0=0.05Ign–实际整定按躲过外部故障最大三相短路电流时的基波和三次谐波不平衡电流计算：2max.3.2max.1.0.unbunbaprelopIIKKI(2)转子二次谐波电流保护(负序功率方向闭锁)用于有三个引出端的单绕组发电机：横差无效•定子绕组部分绕组匝间(或相间)短路出现负序电流分量，气隙必有负序(逆转)磁场,在转子绕组中感应出二次谐波电流，以此起动保护跳闸•增设负序功率方向闭锁，防止外部故障误动–当发电机内部不对称短路时，故障点负序电压最大，负序功率由发电机流出–当外部不对称运行或短路时，负序功率流入发电机，将保护闭锁•整定：动作电流大于正常运行允许的定子绕组最大负序电流(5~8%)Ign对应的转子二次谐波电流三、发电机定子绕组单相接地短路的保护•根据安全要求，发电机的外壳接地•定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍，且接地电流为电容电流•接地电流能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定子铁心损坏，也容易发展成相间短路，造成更大的危害•当接地电容电流等于或大于允许值时，应装设动作于跳闸的接地保护•当接地电流小于允许值时，—般装设作用于信号的接地保护（一）定子绕组单相接地短路的特点•发电机中性点采用不接地或经消弧线圈接地方式，单相接地短路电流为三相对地电容电流之和•接地点对地零序电压与接地点位置有关–设：A相绕组中性点到接地点间的短路匝数与A相绕组匝数比为，接地点各相电压为：UAD=EA–EA=0UBD=EB–EAUCD=EC–EAUd0=（UAD+UBD+UBD)/3=–EA•考虑发电机内部对地电容为C0f，外部对地电容为C0l，则电流分布如图所示•作出零序等效网络,求得3I0f=j3C0fUd03I0l=j3C0lUd0Id0=–j3(C0f+C0l)Ud0–发电机内部故障流过LH0的电流为3I0l–发电机外部故障流过LH0的电流为3I0f•接地电流比较大、超过允许值时，应使发电机中性点经消弧线圈接地•电感电流补偿使Id0降低Id0=j[(1/L)–3(C0l+C0l)]Ud0•根据发电机工作方式选择保护方式–发电机直接连接在电压母线上•与发电机直接联系的元件较多，C0l较大•3I0l较大，可用零序电流保护跳闸–发电机–变压器单元接线•无其它与发电机直接联系的元件，C0l较小•3I0l较小，可用零序电压保护动作于信号（二）零序电流保护–C0lC0f，内部故障时，3I0l3I0f，动作灵敏–正常运行时，一次侧电流很大，LH0不平衡电流很大，应使用特别设计的LH0–整定：(1)躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流以及由于零序电流互感器一次侧三相导线排列不对称在二次侧引起的不平衡电流(2)为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起接地保护误动作，在相间保护动作时保护闭锁(3)保护装置带有l～2s的时限，以躲开外部单相接地瞬间发电机暂态(大于稳态)电容电流的影响（三）零序电压保护–当接地电流小于允许值时，—般装设作用于信号的零序电压接地保护–整定：(1)躲过正常运行时PT开口三次谐波不平衡电压(2)躲过外部接地短路时产生的零序电压经变压器绕组分布电容藕合到发电机侧的零序电压–提高动作灵敏度措施•采用三次谐波滤波器•延时躲开外部接地短路故障时的零序电压（四）无死区100%定子绕组接地短路的保护•零序分量构成的定子绕组接地保护存在动作死区：较小时零序分量保护不能动作（保护范围小于85%）•死区内故障可使接地故障发展为匝间、相间故障，严重损坏发电机•需使用无死区100%定子绕组接地短路的保护•类型–附加信号电源（需附加信号电源，略）–增加三次谐波电压保护•三次谐波电压保护–正常运行时，发电机含三次谐波电压–以等效电路分析三次谐波电压分布情况–正常运行时三次谐波电压分布（不带消弧线圈）12)(2)(220003330003300003lffNllffllflfNCCCUUECCCUECCCCU•类似分析带消弧线圈时三次谐波电压分布情况•当单相接地、短路匝数与绕组匝数比为时，无论有无消弧线圈，都有UN3=E3Ul3=(1–)E3Ul3/UN3=(1–)/•当50%时，有|Ul3|–|UN3|0为50%时定子绕阻单相接地故障的动作判据•为防止高阻接地故障拒动，使用高灵敏判据K=|UN3–kpUl3|–|UN3|0–选择适当kp，正常运行时使（UN3–kpUl3）0–选择1（减少制动量），有•正常运行时K0,保护不动作；•区内故障时，K0,保护灵敏动作•100%定子绕组接地短路的保护四、定子、转子绕组的电流保护包括：•定子、转子绕组过负荷保护•发电机的负序过电流保护对于大容量发电机，由于热容量降低，过负荷能力下降，需考虑反时限动作特性：动作时间与故障电流成反比（一）定子、转子绕组过负荷保护（1）中小机组：单相定时限过电流保护（2）大型机组：•发电机的热容量显著下降，过负荷能力随之下降•发电机过电流倍数越大，允许运行时间越短：过负荷能力具有反时限特性•应使用具有反时限特性的过负荷保护t=K/[(I/Ign)2–(1+)]K:与发电机热容量相关的常数=0.010.02,修正系数（二）发电机的负序过电流保护•不对称负荷或短路时，在定子绕组中出现负序电流•对应的负序旋转磁场相对转子为2倍同步转速，使转子绕组、铁芯感应倍频电流•铁芯电流密度大的转子端部、护环等部位局部灼伤，使转子表层过热•倍频电磁转矩同时引起100Hz的机械震动•负序过电流保护实际是发电机转子表层过热保护（1）发电机的过热时间常数•负序过电流时，发电机允许的发热量正比与过热时间常数A(I2*)2•t=(I2/Ign)2•t=A•发电机的过热时间常数与发电机类型和冷却方式相关•过热时间常数参考值–凸极发电机：A=40–气冷隐极发电机：A=30–直冷汽轮发电机：A=6~15（100~300MW)A=4(600MW)(2)负序过电流保护•作转子表层过热主保护•如果复压过流保护在作相邻元件后备时灵敏度不满足要求，也以负序过电流保护作相邻元件后备•动作时间不能与相邻元件保护配合，直接采用以过热时间常数表达的反时间特性t=A/[(I2*)2–(0.8I2*)]I2*=I2/Ign为发电机长期允许的负序电流标么值，一般为0.050.08五、发电机的失磁保护•失磁：发电机的励磁部分或全部消失•大中型发电机发生部分或全部失磁的异常运行状态超过总事故次数的50%•故障原因–转子绕组故障–励磁机故障–灭磁开关误跳闸–运行人员误操作（一）发电机