电力系统继电保护第七章+发电机的继电保护(1)

第七章发电机的继电保护发电机是电力系统中最主要的设备，发电机单机容量不断增大，可以降低单位造价和发电成本，提高劳动生产力。但机组容量过大，发电机的事故停机率增高，可用率随之降低。600MW=60万KW平均可用率为77.5%由于像600MW这样的大机组越来越多地在电力系统中应用，如何保障发电机在电力系统中的安全运行，就显得更加重要。事故停机率为9.7%据统计：40－60万KW机组80万KW以上机组平均可用率为72.5%事故停机率为16.2%一、发电机故障类型１、定子绕组相间短路２、定子绕组一相的匝间短路３、定子绕组单相接地定子绕组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转子绕组４、转子绕组一点接地或两点接地短路５、转子励磁回路励磁电流消失造成的危害：定子绕组故障时，故障点出现的电弧将烧损定子绕组的绝缘，严重时，电弧使定子铁芯大量熔化或引起火灾。转子绕组两点接地时，除可能使转子绕组和铁芯损坏外，还因转子磁场不对称，使机组产生剧烈的机械振动。二、发电机的不正常运行状态１、由于外部短路引起的定子绕组过电流；２、由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；３、由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、由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；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；６、由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。三、保护方式①对１ＭＷ以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差保护②对直接联于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当发电机电压网络的接地电容电流大于或等于５Ａ时（不考虑消弧线圈的补偿作用），应装设动作于跳闸的零序电流保护，小于５Ａ时，则装设作用于信号的接地保护③对定子绕组的匝间短路，当绕组接成星形且每相中有引出的并联支路时，应装设单元件式横联差动保护④对发电机外部短路而引起的过电流，可采用下列保护：负序过电流及单相式低电压起动过电流保护，一般用于50MW及以上的发电机；复合电压起动的过电流保护（负序电压及线电压）过电流保护，用于1MW以下的小发电机⑤对由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在50MW及以上的发电机上装设负序电流保护(南钢、南化5万kW金山桥热电厂13.5万kW）⑥对由对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护⑦对水轮发电机定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护⑧对于发电机励磁回路的接地故障水轮发电机装设一点接地保护，小容量机组可采用定期检测装置对汽轮机励磁回路的一点接地，一般采用定期检测装置，对大容量机组则可装设一点接地保护，对两点接地故障，应装设两点接地保护在励磁回路发生一点接地后投入⑨对发电机励磁消失的故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器，对采用半导体励磁以及100MW以上采用电机励磁的发电机，应增设反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护励磁方式：半导体励磁（ABB、GE）、电机励磁⑩对转子回路过负荷，在100MW及以上并采用半导体励磁系统的发电机上应装设转子过负荷保护⑾对汽轮机主汽门突然关闭，为防止汽轮机遭到破坏，对大容量机组可考虑装设逆功率保护⑿当电力系统振荡影响机组安全运行时，在300MW机组上，应装设失步保护；当汽轮机低频运行造成机械振动，叶片损伤等可装设低频保护；当水冷却发电机断水时，可装设断水保护。为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，以使转子回路电流不会在定子绕组中再感应电势，继续供给短路电流。第二节发电机定子绕组短路故障的保护7.2.1发电机纵差保护的整定计算和原理接线纵差保护是发电机内部相间短路的主保护，因此它能快速而灵敏地切除内部所发生故障，同时，在正常运行及外部故障时，又应保证动作的选择性和工作的可靠性。发电机纵差保护起动电流有两个不同选取原则，与其对应的接线也有些差别。1）在正常情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动''12KIII～I-I1I2I'2I'2I10ITA2TA1二次回路断线时的电流分布假定电流互感器TA2的二次引出线发生断线,则这时在差动继电器中将流过电流,当发电机在额定容量运行时,此电流即为发电机额定电流变换二次侧的数值,可以Ign/nTA表示，为防止差动保护误动作，应整定保护装置的起动电流大于发电机的额定电流，引入可靠系数Krel(一般取1.3)10I'2I则保护装置和继电器的起动电流分别为：Iset=KrelIgnIset.K=KrelIgn/nTAKrel=1.3这样整定，在正常运行时任一相电流互感器二次侧断线时，保护均不会误动。若在断线后又发生了外部短路，则继电器回路中要流过短路电流，保护仍要误动，因此一般在差动保护中装设断线监视装置，当断线后它动作于发出信号，运行人员接此信号后即应将差保退出工作。断线监视继电器的起动电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好，通常选择：0.2setgnII为防止断线监视装置在外部故障时由于不平衡电流的影响而发信号，其动作时限应大于发电机后备保护的时限。2）保护装置的起动电流按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定这时，继电器的起动电流应为：maxsetrelunbIKI.max.max0.1unbnpatkIKKI当采用具有速饱和铁芯的差动继电器时Knp=1；当电流互感器型号相同时，Kat=0.5；可靠系数一般取Krel=1.3对水轮发电机则max5kgnII0.3~0.4setgnII总结：方式2）灵敏性高（整定值小）；可靠性低，当TA二次侧断线时，可能误动。0.5~0.6setgnIImax8kgnII对于汽轮发电机，其出口处发生三相短路最大短路电流约为则差动继电器的起动电流为:7.2.2比率制动式纵差动保护按照传统的纵差动保护整定方法，为防止纵差动保护在外部短路时误动，其动作电流应躲开最大不平衡电流，因此，纵差动保护的动作电流比较大，降低了保护的灵敏度，考虑到不平衡电流随着流过TA电流（即穿越电流）的增加而增加，从而采用具有比率制动的纵差动保护，使保护的动作值随着外部短路电流的增大而自动增大。～I-I1I2I''12II'2I1ITA2TA1设纵差动保护的动作电流为：..''12dIII纵差动保护的制动电流为：..''122resIII则比率制动式差动保护的动作方程为：.min.min.min(),dresresdresresIKIIIII.min.min,ddresresIIIIdI.mindI.minresIresIABCId――差动电流Ires――制动电流Ires.min――拐点电流Id.min――启动电流K――制动线的斜率它在动作方程中引入了启动电流和拐点电流，制动部分曲线已不再经过原点，从而更加能够拟合TA的误差特性，进一步提高差动保护的灵敏度。.min.min()resresdKIII7.2.3标积制动式纵差动保护标积制动原理也是一种比率制动原理。只不过是制动量变成了两个量的内积，并且反应的是臂电流的大小，同时避免了可能带来的复数运算。它同样具有二部分组成：无制动部分和比率制动部分组成。它具有比比率制动特性高的灵敏度，同时又具有和比率制动特性相同的躲区外故障不平衡电流和抗TA稳态饱和的能力。令：..''12dIII..''0012cos(180),cos(180)0IIresI00,cos(180)0则标积制动式纵差动保护的动作判据为：.min()()dsresddIKIIIKs—标积制动系数是与的夹角.'1I.'2I7.2.4纵差动保护接线方式1.发电机纵差动保护的动作逻辑当发电机内部发生相间短路时，会有二相或三相差动同时动作。根据这一特点，在保护跳闸逻辑设计时可作相应考虑。当有二相或三相差动继电器动作时，可判断为发电机内部发生短路故障；而仅有一相差动继电器动作时，则可判为TA断线；为了防止一点在区内接地另外一点在区外接地的两点接地故障的发生，当有一相差动继电器动作且同时有负序电压时也出口跳闸。这样就可使单相TA断线时保护不会误动，省去专用的TA断线闭锁环节，且保护安全可靠。U2&&t/0+TA断线TV断线跳闸出口A相差动B相差动C相差动A相差动B相差动C相差动一相差动动作至少两相差动动作仅一相差动动作而无负序电压时即认为TA负序电压长时间存在而同时无差电流时，为TV当负序电压达到定值，允许一相差动动作出口跳闸。2.发电机不完全纵差动保护不完全差动保护是一种新的保护连接方式。它使用的保护原理仍然是比率制动差动保护和标积制动差动保护原理，不完全差动保护是相对于传统的差动保护连接方式而言的。将传统的差动保护连接方式称之为完全差动保护。不完全差动保护和完全差动保护的差别在于引入到保护装置的电流量不一样。完全差动保护，发电机中性点电流的引入量为相电流。不完全差动保护，发电机中性点电流的引入量为单个分支或其组合的电流量。不完全差动保护需要根据TA变比自动调整差流平衡。该原理也适用于发变组不完全纵差保护（变压器）CBA.'1I.'2I.dI由于在发电机中性点不再引入全电流，那么究竟应该引入什么样的电流，即各分支的电流如何组合成了运用不完全纵差的最大障碍。显然组合的方式不同，得到的故障电流也不同。同时由于发电机定子绕组的分布性，不同的TA安装方式，差动保护的灵敏度也不完全一样，有时还相差较大。因此，选择正确合理的TA安装位置，显得非常重要。通常可按下列原则选择中性点TA的个数：a/2Na/2+1N:中性点侧每相接入的分支数a：发电机每相的并联的分支总数上式是简单地取分支总数的一半，如果分支总数是奇数，则取一半多1。当N选多时，反应相间短路的灵敏性高，但反应匝间短路的灵敏度下降。当N选少时，反应匝间短路的灵敏性提高而反应相间短路的灵敏度下降。由于不完全差动保护只引入了中性点的部分电流，因此，在整定不完全差动保护时，可参考整定发电机差动或变压器差动的整定原则进行，且要注意更多的问题。1TA的误差由于发电机机端和中性点TA的变比不再相等，不可能再使用同一型号的TA，因此TA的误差增加了。2误差源增加除了常规的误差以外，不完全差动会增加一些误差源：例如，如果各分支之间的参数有一些微小差异，那么在区外发生短路时，就会引起额外的不平衡。3整定值由于误差的增加，不完全差动保护的启动电流应该比完全差动保护的启动电流要大。4灵敏度不完全差动保护的灵敏度和发电机中性点分支上TA的布置位置和TA的多少有密切的关系。最好应经过两套以上不同原理的发电机内部故障分析软件分别进行计算。7.2.5纵差动保护整定与灵敏度1.纵差动保护灵敏度系数的定义与校验发电机纵差动保护的灵敏度是在发电机机端发生两相金属性短路情况下差动电流与动作电流的比值，要求Ksen≥1.5。随着对发电机内部短路分析的深入，对发电机内部发生轻微故障的分析成为可能，可以更多的分析内部发生故障时的保护动作行为，从而选择更好的保护原理及保护方案。2.纵差动保护的整定dI.mindI.minresIresIABC具有比率制动特性的差动保护的动作特性，可由A、B、C三点决定。A点或B点的纵坐标电流Id.min为差动保护的启动电流。B点的横坐标电流Ires.min称之为拐点电流，它等于差动保护开始出现制动作用的最小电流。直线BC与横坐标夹角α的正切（即tgα）称之为动作特性曲线的斜率，近似称之为比率制动系数K。Id.min、Ires.min及K为具有比率制动特性差动保护的三要素。对该型差动保护的整定计算，实质上就是对Id.min、Ires.min及K的整定计算。启动电流拐点电流Ktg比率制动系数⑴启动电流Id.min的整定启动电流Id.min的整定原则是躲过发电机额定工况下