第7章发电机保护

机械工业出版社教材配套电子教案电力系统继电保护刘学军编制第7章发电机的保护机械工业出版社同步发电机是电力系统中最重要的设备，它的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用。同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。7.1发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式机械工业出版社7.1.1发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式发电机的故障类型主要有：（1）定子绕组相间短路定子绕组间的相间短路对发电机的危害最大。产出很大的短路电流使绕组过热，故障点的电弧将破坏绝缘，烧坏铁芯和绕组、甚至导致发电机着火。（2）定子绕组匝间短路定子绕组匝间短路时，被短路的部分绕组内将产生大的环流，从而引起故障处温度升高，绝缘破坏，并有可能转变成单相接地和相间短路。（3）定子绕组单相接地发生这种故障时，发电机电压网络的电容电流将流过故障点，当电流较大时，会使铁芯局部溶化，给修理工作带来很大的困难。（4）励磁回路一点或两点接地当励磁回路一点接地时，由于没有构成接地电流通路，因此对发电机没有直接的危害。如果再发生另一点接地，就会造成励磁回路两点接地短路，可能烧坏励磁绕组和铁芯。此外，由于转子磁通的对称性破坏，还会引起机组的强烈震动。机械工业出版社7.1.1发电机的故障、不正常运行状态发电机的不正常运行状态主要有：（1）励磁电流急剧下降或消失发电机励磁系统故障或自动灭磁开关误跳闸，引起励磁电流急剧下降或消失。在此情况下，发电机由同步转入异步运行状态，并从系统吸收无功功率。系统无功不足时，将引起电压下降，甚至使系统崩溃。同时，引起定子电流增加和转子过热，威胁发电机安全。（2）外部短路引起定子绕组过电流（3）负荷超过发电机额定容量而引起的过负荷以上（2）（3）两种不正常运行状态都将引起发电机定子绕组温度升高，加速绝缘老化，缩短机组寿命，也可能发展成为发电机内部故障。机械工业出版社7.1.1发电机的故障、及不正常运行状态（4）转子表层过热电力系统发生不对称短路或发电机三相负荷不对称时，将有负序电流流过定子绕组，在发电机中产生对转子的两倍同步转速旋转的磁场，从而在转子中感应出倍频电流。此电流可能造成转子局部灼伤，严重时会使保护环受热松脱。特别是大型机组，这种威胁更加突出。（5）定子绕组过电压调速系统惯性较大的发电机（如水轮发电机）因突然甩负荷，转速急剧上升，发电机电压迅速升高，造成定子绕组绝缘击穿。此外，发电机异常运行状态还有发电机失步、发电机逆功率、非全相运行以及励磁回路故障或强励磁时间过长而引起的转子绕组过负荷等。机械工业出版社7.1.2发电机的保护措施1）发电机定子绕组相间短路定子绕组相间短路会产生很大的短路电流，严重损坏发电机。应装设纵联差动保护。2）发电机定子绕组匝间短路匝间短路将出现很大的环流，使绝缘老化，甚至击穿绝缘发展为单相接地或相间短路，扩大发电机损坏范围。机械工业出版社3）发电机定子绕组单相接地定子绕组单相接地是易发生的一种故障。单相接地后，其电容电流流过故障点的定子铁芯，当此电流较大或持续时间较长时，会使铁芯局部熔化。因此，应装设灵敏的反应全部绕组任一点接地故障的100%定子绕组单相接地保护。7.1.2发电机的保护措施机械工业出版社4）发电机转子绕组一点接地两点接地转子绕组一点接地，由于没有构成通路，对发电机没有直接危害。再发生另一点接地，则转子绕组一部分被短接，会烧毁转子绕组，由于部分绕组短接，破坏磁磁路的对称性，造成磁势不平衡而引起机组剧烈振动，产生严重后果。应装设转子绕组一点接地保护和两点接地保护。7.1.2发电机的保护措施机械工业出版社5）发电机失磁造成危害：失磁原因转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误动等。不仅对发电机造成危害，而且对电力系统安全也会造成严重影响。装设失磁保护。7.1.2发电机的保护措施机械工业出版社7.1.2发电机的的保护措施不正常工作状态负荷超过发电机额定值、负序电流超过发电机长期允许值外部短路、非周期合闸以及系统振荡等。发电机突然甩负荷主汽门突然关闭而发电机断路器未断开过电流保护过负荷保护过电压保护逆功率保护机械工业出版社过电流保护过负荷保护作为外部短路和内部短路的后备保护。50MW及以上的发电电机，应装设负序过电流保护。对称过负荷，应装设只接于一相的过负荷保护。不对称过负荷，一般在50MW及以上发电电机应装设负序过负荷保护。7.1.2发电机的的保护措施机械工业出版社过电压保护逆功率保护特别是水轮发电机，在突然甩负荷时，转速急剧上升从而引起过电压。在水轮发电机和大型汽轮发电机上应装设。主汽门突然关闭而发电机断路器未断，发电机变为从系统吸收无功，对汽轮发电机叶片特别是尾叶，可能过热而损坏。发电机保护动作跳开发电机断路器的同时，还应断开发电机励磁电流。7.1.2发电机的保护措施机械工业出版社7.2发电机的纵差保护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，它应能快速而灵敏地切除内部所发生的故障。同时，在正常运行及外部故障时，又应保证其动作的选择性和工作的可靠性。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。一般中、小型机组的纵差保护采用带速饱和变流器的电磁型差动继电器BCH-2构成，大容量的发电机采用带比率制动特性的差动继电器BCH-1构成。用BCH-2（BCH-1）型继电器构成的发电机纵差保护机械工业出版社7.2.1用DCD-2型继电器构成的发电机纵联差动保护发电机的纵差保护是利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成的，因此在发电机中性点侧和引出线侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差保护。两组电流互感器之间为纵差保护的保护范围。电流互感器二次按照循环电流法接线，即如果两组电流互感器一次侧的极性分别以中性点侧和母线侧为正极性，则二次侧同极性相连接。差动继电器和两侧电流互感器的二次绕组并联。保护的单相原理接线图如图7－1所示7.2发电机的纵差保护机械工业出版社1、发电机的纵差保护原理及接线图11-1发电机纵差保护单相原理接线图（a）内部故障情况；（b）正常运行及外部故障情况机械工业出版社1、正常运行及外部故障时：12120rTATAIIIIIKK1212.maxrunTATAIIIIIIKK理想情况：实际情况：1、差动保护原理及接线机械工业出版社保护区内故障：2/KrTATAIIIKK121212KrTATATAIIIIIIKKK单侧电源：双侧电源：1、差动保护原理及接线机械工业出版社2）具有断线监视装置的发电机纵差保护的原理接线如图7－2所示。保护装置采用三相式接线（1～3KD为差动继电器），在差动回路的中线上接有断线监视的电流继电器KA，当任何一相电流互感器回路断线时，它都能动作，经过时间继电器KT延时发出信号。另外，为了使差动保护的范围能包括发电机引出线（或电缆）在内，所使用的电流互感器应装在靠近断路器的地方。图7-2具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线图机械工业出版社2、差动保护整定计算1、按电流互感器二次断线条件：oprelNIKI2、按最大不平衡电流条件：max.max.1kerrssnprelunbrelopIKKKKIKI两条件取较大值为整定值。reloprNTAKIIK差动继电器动作电流：3、断线监视继电器启动电流:.0.2oprNTAIIK1,0.5,1.3npstrelKKK对于汽轮发动机IK.max=8IN，继电器启动电流为：.0.50.6/oprNTAIIK对于水轮发电机，IK.max=5IN,Iop.r=(0.3-0.4)IN/KTA(7-1)(7-2)机械工业出版社灵敏度：2)2(min.opksenIIK：发电机出口短路时，流经保护最小的周期性短路电流。)2(min.kI断线监视动作电流一般按20%额定电流整定，为了防止断线监视装置误发信号，KV动作后应延时发出信号。3）差动保护整定计算(7-3)机械工业出版社结论1）当过渡电阻为零时，三相短路电流随的减小而增大，如图曲线1所示只要发电机出口短路时灵敏度满足要求，则内部金属性短路时保护灵敏度必然满足要求。2）当过渡电阻不为零时，在靠近中性点附近短路时，短路电流很小，如图曲线2。当短路电流小于动作电流（图曲线3）时，保护不能动作，出现动作死区。死区的大小与保护的动作电流大小有关。3）差动保护整定计算222)3().()()(XRREIFk图7-3发电机内部三相短路电流与短路位置的关系机械工业出版社2、差动保护整定计算•纵差保护虽然是发电机内部相间短路最灵敏的保护，但是在中性点附近经过渡电阻相间短路时，仍存在一定的死区。由于定子绕组的电动势和匝数成正比，靠近中性点短路时，定子电动势随定子绕组匝数的减少而减少，虽然定子绕组的电抗和匝数平方成正比，比定子电动势减少得更快，但是当经过渡电阻短路时，短路电流可能很小，使保护不能动作。机械工业出版社7.2.2具有比率制动特性的差动保护基本原理：是基于保护的动作电流随着外部故障的短路电流而产生的最大不平衡电流的增大而按比例的线性增大，且比最大不平衡电流增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作。制动电流：将外部故障的短路电流作为制动电流。差动电流：把流入差动回路的电流作为动作电流。机械工业出版社7.2.2比率制动式发电机纵差保护图7-4比率制动差动继电器纵差保护单相原理接线图及特性曲线（a）原理接线图；（b）制动特性；（c）比较电路图机械工业出版社制动电流：121()2resrIII差动电流：12oprIII2opresNN7.2.2比率制动式发电机纵差保护GI1I2IOPNres1Nres2NOP图7-4比例差动继电器纵差保护原理接线图机械工业出版社1）正常运行时制动电流12.min1()2resresTAIIIIIK2）外部短路时制动电流为外部短路电流数值大、差动电流数值小，保护不动作。12.maxopunIIII差动电流121()2KOresTAIIIIK制动电流7.2.2比率制动式发电机纵差保护12.max0opunIIII差动电流差动电流小于制动电流，保护不动作。机械工业出版社3）内部故障时制动电流为两侧电流之差，其值较小：121()2resTAIIIK内部短路电流。差动电流为内部短路电流，差动电流大大于制动电流，故保护动作：121.KoprTATAIIIIKK发电机未并列时制动电流为：212resII差动电流为：1opII7.2.2比率制动式发电机纵差保护1KI机械工业出版社继电器制动特性继电器制动特性用图7-4（b）中折线PQS表示。OP表示制动电流为零时继电器最小动作电流为：，此后，随制动电流增大，动作电流增大。在外部最大短路电流下，最大为：由于TA饱和出现不平衡电流用KT表示。OT表示在不同制动电流时的不平衡电流。OT低于制动特性PQS保证在穿越性短路时继电器不误动。定义制动系数为：maxresKTAIIKresoprresKII0oprINPQTS0KresIoprImaxKI0resI继电器制动特性机械工业出版社7.2.2比率差动保护的整定计算1、确定比例制动特性PQS（1）最小动作电流按大于最大负荷时的不平衡电流确定（2）比率制动特性拐点Q。一般取发电机的额定电流即。TAKunbKII/)15.0~10.0(maxmax0resNGPQII（3）制动特性的最高点S。S点由最大外部短路电流的最大不平衡电流决定。一般：TAKunbKII/)15.0~10.0(maxmaxP、Q、S三点确定之后，连QS直线，其斜率即为制动系数min0.1~0.2/OPrNGTAIIKmaxmaxmax(0.1~0.15)KoprelunbrelTAIIKIKK机械工业出版社(4)保