技能培训专题 电力系统继电保护 发电机定子绕组短路故障的保护

7.2.1发电机定子绕组短路故障的特点发电机内部短路故障——主要是指定子绕组的各种相间和匝间短路故障，短路故障时在发电机被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，甚至使发电机报废，危害十分严重，发电机修复的费用也非常高。发电机定子单相接地不会引起大的短路电流，不属于严重短路性故障。发电机定子的短路性故障归纳起来主要有五种情况：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他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故障。7.2发电机定子绕组短路故障的保护7.2.2比率制动式纵差动保护如图所示，图中以一相为例，规定一次电流以流入发电机为正方向：当正常运行以及发生保护区外故障时——流入差动继电器的差动电流为零，继电器不动作；当发生发电机内部故障时——流入差动继电器的差动电流较大，当其超过整定值时，继电器判为发生了发电机内部故障而作用于跳闸。按照传统的纵差动保护整定方法动作电流应躲过最大不平衡电流发电机内部相间短路时可能拒动灵敏度降低保护动作电流将比较大为了解决这个问题，考虑到不平衡电流随着流过TA电流的增加而增加的因素，提出了比率制动的差动保护，使动作值随着外部短路电流的增大而自动增大。设纵差动保护的动作电流为：..''12dIII..''122resIII.min.min.min(),dresresdresresIKIIIII.min.min,ddresresIIII纵差动保护的制动电流为：则比率制动式差动保护的动作方程为：Id――差动电流Ires――制动电流Ires.min――拐点电流Id.min――启动电流k――制动线的斜率发电机正常运行或区外较远处发生短路时——差动电流接近为零，差动保护不会误动；发电机内部发生短路故障时——差动电流明显增大，I1和I2相位接近相同，减小了制动量，从而可灵敏动作。7.2.3标积制动式纵差动保护原理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发电机纵差动保护的接线方式1发电机纵差动保护的动作逻辑发电机内部相间短路有两相或三相继电器同时动作判为发电机内部发生短路故障判为TA断线发电机中性点非直接接地当两相或两相以上差动保护动作时当仅有一相差动保护动作时为了对付发生一点在区内而另外一点在区外接地引起的同相短路故障，当有一相差动继电器动作且同时有负序电压时也判定为发电机内部短路故障。这种动作逻辑的特点：单相TA断线时不会误动，因此可省去专用的TA断线闭锁环节，且保护安全可靠。2发电机不完全纵差动保护接线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。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差动回路中的最大不平衡电流。在发电机额定工况下，在差动回路中产生不平衡电流的原因，主要由差动保护两侧TA的变比误差、两侧二次回路的参数及测量误差等组成。因此启动电流为：.min12drelererIKIIKrel—可靠系数，取1.5～2；Ier1—两侧TA变比不同产生的差流，取0.06Ign；Ier2—保护两侧的二次误差产生的差流，取0.1Ign。代入上式得：Id.min＝（0.24～0.32）Ign通常取0.3Ign。对于不完全纵差保护，尚需考虑发电机每相各分支电流的差异，应适当提高Id.min的整定值。⑵拐点电流Ires.min拐点电流Ires.min的大小，决定保护开始产生制动作用的电流的大小。在初始动作电流Id.min及动作特性曲线的斜率K相同的情况下，Ires.min越小，差动保护的动作区越小，而制动区增大；反之亦然。因此，拐点电流的大小，直接影响差动保护的动作灵敏度。在大型发电机变压器保护整定计算导则中，建议Ires.min取（0.8～1.0）Ign，其理由是：当发电机的电流小于或等于额定电流时，差动保护不必具有制动特性。当故障点距离发电机较远时，发电机提供的短路电流可能小于或等于额定电流。但在远处故障或故障切除的暂态过程中，由于差动保护两侧TA及回路的暂态特性差异，可能在差动保护中短时出现较大的差流，致使差动保护误动。对于不完全差动保护，由于两侧TA变比、型号的不同，由上述原因产生的不平衡电流将增大。因此建议减小拐点电流，整定为：Ires.min＝（0.5～0.7）Ign⑶比率制动系数Kres与制动线斜率K发电机差动保护的比率制动系数，决定于夹角α。可以看出，当拐点电流确定后，夹角α决定于C点。而特性曲线上的C点近似决定于发电机外部故障时最大短路电流Ik.max与差动回路中的最大不平衡电流Iunb.max的比值。即.max.maxunbreskIKI而制动线斜率K则可表示为：.max.min.max.minunbdkresIIKII差动回路中的最大不平衡电流，除与差动两侧TA的10％误差及调整误差有关外，尚与差动两侧TA暂态特性有关。考虑到上述情况，外部故障时，为躲过差动回路中的最大不平衡电流，C点的纵坐标电流应为：.max.max0.10.1drelfkIKKIKrel—可靠系数，取1.3～1.5；Kf—暂态特性系数，当两侧TA变比、型号完全相同且二次回路参数相同时，Kf≈0。而当两侧TA变比、型号不相同时，Kf可取0.05～0.1；Id.max—最大动作电流。将以上数据代入公式得：Id.max≈（0.26～0.45）Ik.max将Id.max代入制动斜率计算公式，可得：Kres≈（0.26～0.45）因此:对于发电机完全纵差保护，Kres可取0.3；对于不完全纵差保护，Kres可取0.3～0.4。7.2.6发电机横差动保护1基本原理在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或两个以上并联的分支绕组组成的，在正常情况下，各个绕组中的电势相等，流过相等的负荷电流，而当任一个绕组中发生匝间短路时，各个绕组中的电势就不再相等，因而会由于出现电势差而产生一个均衡电流，在各个绕组中环流。因此，利用反应各个支路电流之差的原理，即可实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，即横差保护。CBA双星形结构1）在某一个绕组内部发生匝间短路，由于故障支路和非故障支路的电势不相等，故有一个环流产生。这时在差动回路中将流有电流.2ddrTAIIndI当此电流大于继电器的起动电流时，保护即可动作于跳闸，短路匝数α越多时，则环流越大，而当α较小时，保护就不能动作，故保护是有死区的。2)在同一相的两个不同绕组间发生匝间短路，当α1≠α2时，由于两个支路的电势差，将分别产生两个环流：dIdI和此时流过继电器的电流为:，当α1－α2之差很小时，也将出现保护的死区，例如当α1＝α2时，'.2ddrTAIIn'0dI这种横差保护的接线方式需要在每相装设两个电流互感器和一个电流继电器做成单独的保护，三相共需６个互感器和三个电流继电器，由于接线复杂，且保护中的不平衡电流也大，故很少采用。只用一个电流互感器装于发电机两组星形中性点的联线上，把一半绕组中三相电流之和与另一半绕组中三相电流之和进行比较，当发生各种匝间短路时，此中性点联线上就有环流，故继电器３动作。2.单元件横差动保护理想发电机正常运行时中性点连线上不会有电流产生，实际上发电机不同中性点之间存在不平衡电流，主要原因是：（I）定子绕组同相而不同分支绕组的参数不完全相同，致使两端的电势及支路电流有差异；（II）发电机定子气隙磁场不完全均匀，在不同定子绕组中产生的感应电势不同；（III）系统发生不对称故障或发电机异常运行时（例如失磁失步运行）造成转子偏心，在不同的定子绕组中产生不同电势。（Ⅳ）存在三次谐波电势。单元件横差保护动作电流的整定单元件横差保护的动作电流应按下式计算：123setrelunbunbunbIKIIIIunb1—额定工况下，同相不同分支绕组由于绕组之间参数的差异产生的不平衡电流。由于是三相之和，取3×2％Ign；Iunb2—磁场气隙不平衡产生的不平衡电流，取5％Ign；Iunb3—异常工况下转子偏心产生的不平衡电流，取10％Ign；Krel—可靠系数，取1.2～1.5。将各参数代入上式中，得：Iset=（0.25～0.31）Ign。一般可选取经验数据（0.2-0.3）Ign微机型单元件横差保护均具有性