第7章發(fā)電機保護

1、第七章 發(fā)電機保護 Generator Protection,7.1發(fā)電機的故障、不正常運行狀態(tài)及其保護方式,交流同步發(fā)電機原理 發(fā)電機的故障類型主要有： (1)定子繞組相間短路。 (2)定子一相繞組內(nèi)的匝間短路。 (3)定子繞組單相接地。 (4)轉(zhuǎn)子繞組一點接地或兩點接地。 (5)轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流異常下降 或完全消失。,7.1發(fā)電機的故障、不正常運行狀態(tài)及其保護方式,發(fā)電機的不正常運行狀態(tài)主要有： (1)由于外部短路引起的定子繞組過電流； (2)由于負荷超過發(fā)電機額定容量而引起的三相對稱過負荷； (3)由外部不對稱短路或不對稱負荷（如單相負荷、非全相運行等）而引起的發(fā)電機負序過電流和過負

2、荷； (4)由于突然甩負荷而引起的定子繞組過電壓； (5)由于勵磁回路故障或強勵時間過長而引起的轉(zhuǎn)子繞組過負荷； (6)由于汽輪機主汽門突然關(guān)閉而引起的發(fā)電機逆功率等。,7.1發(fā)電機的故障、不正常運行狀態(tài)及其保護方式,發(fā)電機的繼電保護的要求：,7.1發(fā)電機的故障、不正常運行狀態(tài)及其保護方式,發(fā)電機保護的種類： （1）縱差動保護：定子繞組及其引出線的相間短路保護 （2）橫差動保護：定子繞組一相匝間短路的保護 （3）單相接地保護：對發(fā)電機定子繞組單相接地短路的保護 （4）過電流保護：反應(yīng)外部短路引起的過電流，同時兼作縱差動保護的后備保護 （5）負序電流保護：反應(yīng)不對稱短路或三相負荷不對稱時，發(fā)電機

3、定子繞組中出現(xiàn)的負序電流 （6）過負荷保護：發(fā)電機長時間超過額定負荷運行時作用于信號的保護 （7）過電壓保護：反應(yīng)突然甩負荷而出現(xiàn)的過電壓，應(yīng)用于水輪發(fā)電機,7.1發(fā)電機的故障、不正常運行狀態(tài)及其保護方式,發(fā)電機保護的種類： （8）勵磁回路接地保護：勵磁回路的一點接地（信號）和兩點接地保護（跳閘）： （9）失磁保護：反應(yīng)轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流急劇下降或消失 （10）轉(zhuǎn)子過負荷保護：對半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng) （11）逆功率保護：當(dāng)汽輪機主汽門誤關(guān)閉而發(fā)電機出口斷路器未跳閘，發(fā)電機失去原動力而變?yōu)殡妱訖C運行，從電力系統(tǒng)中吸收有功功率。危害：汽輪機尾部葉片有可能過熱而造成事故 （12）過勵磁保護： （13）其

4、他：失步保護、低頻保護、斷水保護。,7.2發(fā)電機定子繞組短路故障的保護,7.2.1 發(fā)電機定子繞組短路故障的特點 (1)發(fā)電機中性點一般不直接接地，定子單相接地不會引起大的短路電流，不屬于嚴重故障； （2）定子繞組相間和匝間短路則危害嚴重，其保護歷來是發(fā)電機保護的研究重點。 （3）發(fā)電機及其機端引出線的故障中相間短路是最多的，是發(fā)電機保護考慮的重點； （4）定子繞組匝間短路發(fā)生的概率較少，但也需要配置保護。,反應(yīng)發(fā)電機定子繞組及其引出線的相間短路的保護-縱差動保護， 是發(fā)電機的主要保護。,7.2發(fā)電機定子繞組短路故障的保護,傳統(tǒng)縱差動保護整定方法,按照以下兩個原則來整定：,(1) 在正常情況下

5、，電流互感器二次回路斷線時保護不應(yīng)誤動。,保護裝置和繼電器的起動電流分別為,(2) 保護裝置的起動電流按躲開外部故障時的最大不平衡電流整定，此時起動電流應(yīng)整定為,再根據(jù)前面章節(jié)對不平衡電流的分析，有,7.2.2 比率制動式差動保護,為保證在區(qū)外短路時保護可靠不誤動，按以上方法Iset 比較大，保護的靈敏度較低。 考慮到不平衡電流隨著流過電流互感器TA電流的增加而增加的因素，提出了比率制動式縱差動保護，使其動作值隨著外部短路電流的增大而自動增大（即利用外部故障時的穿越電流實現(xiàn)制動）。,比率制動式差動繼電器原理接線圖,7.2.2 比率制動式差動保護,動作區(qū),制動區(qū),動作方程：,整定設(shè)置見后,7.2

6、發(fā)電機定子繞組短路故障的保護,7.2.4 發(fā)電機縱差保護的接線方式 1、發(fā)電機縱差保護的動作邏輯 內(nèi)部相間短路，兩相以上差動繼電器動作；僅一相動作判斷為TA斷線。當(dāng)一點內(nèi)，一點外時，加上負序電壓判斷。 2、發(fā)電機不完全縱差保護接線 在發(fā)電機相間與匝間短路時 會形成差流。解決了同相匝 間短路的保護問題。,7.2.5 發(fā)電機比率制動式差動保護的整定與靈敏度,1、靈敏度要求： 2、整定： （1）啟動電流的整定。 Krel=1.5-2, Ier1反映TA變比誤差取0.06Ign Ier2反映二次誤差取0.1Ign 通常： (,7.2.5 發(fā)電機比率制動式差動保護的整定與靈敏度,(2)拐點電流的整定。

7、大小影響動作靈敏度 (3)比率制動特性的制動系數(shù)和 制動線斜率的整定 。,7.2發(fā)電機定子繞組短路故障的保護,7.2.6 發(fā)電機橫差動保護 1、裂相橫差動保護的基本原理 在大容量發(fā)電機中，由于額定電流很大，其每相都是由兩個或多個并聯(lián)的繞組組成。在正常運行的時候，各繞組中的電動勢相等，流過相等的負荷電流。 而當(dāng)任一繞組發(fā)生匝間短路時，繞組中的電動勢就不再相等，因而會出現(xiàn)因電動勢差而在各繞組間產(chǎn)生的環(huán)流。利用這個環(huán)流，可以實現(xiàn)對發(fā)電機定子繞組匝間短路的保護，即裂相橫差動保護。,7.2.6 發(fā)電機橫差動保護,以一個每相具有兩個并聯(lián)分支繞組的發(fā)電機為例，發(fā)生不同性質(zhì)的同 相內(nèi)部短路時裂相橫差動保護的原

8、理：,圖7.5 同相不同繞組匝間短路的 橫差動保護,圖7.4 一個繞組內(nèi)部匝間短路 的橫差動保護,三相共需要六個互感器和三個繼電器。這種方式接線復(fù)雜，保護中的不平衡電流較大。,7.2.6 發(fā)電機橫差動保護,2、單元橫差動保護的基本原理 如圖7.6，其本質(zhì)是把一半繞組的三相電流之和去與另一半繞組三相電流之和進行比較。 這種接線方式?jīng)]有由于互感器誤差所引起的不平衡電流，其起動電流比較小，靈敏度高，且接線非常簡單。,圖7-6 單元橫差動保護接線原理圖,動作電流需要克服的是：同相不同分支的參數(shù)差異，氣隙磁場的不均勻，轉(zhuǎn)子偏心，三次諧波（過濾）,7.3 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,7.3.1 定子繞組單

9、相接地時電氣量的特征 中性點都是不接地的發(fā)電機，當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時，流經(jīng)接地點的電流仍為發(fā)電機所在電壓網(wǎng)絡(luò)對地電流的總和。 大型發(fā)電機容量的增大使得其接地故障電流也隨之增大，為了防止故障電流燒壞鐵芯，需要裝設(shè)消弧線圈，把定子繞組單相接地電容電流限制在規(guī)定的允許值之內(nèi)。,圖7-7發(fā)電機定子繞組單相接地電路,圖7-7發(fā)電機內(nèi)部單相接地時機端電壓相量圖,當(dāng)中性點不接地時，故障點的接地電流為,當(dāng)中性點經(jīng)消弧線圈接地時，故障點的接地電流為,圖7-8 發(fā)電機定子繞組單相接地時的零序等效網(wǎng)絡(luò) (a)中性點不接地；(b)中性點經(jīng)消弧線圈接地,當(dāng)中性點經(jīng)消弧線圈接地時，采用欠補償?shù)姆绞剑▎卧獧C組總電

10、容為定值）,7.3.2利用零序電壓構(gòu)成的發(fā)電機定子繞組單相接地保護,按 得圖7.9曲線，越近機端，故障點零序電壓越高。Uop為零序電壓定子接地保護的動作電壓。見圖7.11，獲得的基波零序電壓為X100V.,目前100%定子繞組接地保護一般由兩部分組成：一部分是零序電壓保護，保護定子繞組的85%以上；另一部分需由其他原理（如利用發(fā)電機三次諧波原理或疊加電源方式原理）的保護共同構(gòu)成100%定子繞組的接地保護。 利用發(fā)電機三次諧波電壓構(gòu)成的部分，其原理是利用發(fā)電機中性點和出線端的三次諧波電壓在正常運行和接地故障時變化相反的特點構(gòu)成。,7.3.3 利用三次諧波電壓構(gòu)成的發(fā)電機定子繞組單相接地保護,正常

11、運行時，發(fā)電機中性點的三次諧波電壓比發(fā)電機出線端的三次諧波電壓大，按圖7.12等值電路，推得： 1）中性點不接地時: 2)中性點經(jīng)消弧線圈接地時:,7.3.3 利用三次諧波電壓構(gòu)成的發(fā)電機定子繞組單相接地保護,而在發(fā)電機內(nèi)部定子接地時，按圖7.13的等值電路推導(dǎo)，有： 結(jié)果曲線7.14所示。,7.3.3 利用三次諧波電壓構(gòu)成的發(fā)電機定子繞組單相接地保護,按圖7.14，在發(fā)電機內(nèi)部定子接地時，利用 這個特點，使發(fā)電機出口的三次諧波電壓成為動作分量，而使中性點的三次諧波分量成為制動分量，讓繼電器動作，可以反映距中性點約50%范圍內(nèi)的接地故障。,7.3.3 利用三次諧波電壓構(gòu)成的發(fā)電機定子繞組單相接

12、地保護,動作,制動,結(jié)論：發(fā)電機100%定子繞組單相接地保護,動作,制動,1)利用三次諧波電壓構(gòu)成的接地保護可以反映發(fā)電機定子繞組中0.15范圍內(nèi)的單相接地故障，且當(dāng)故障點越靠近機端保護的靈敏度越高。 -組合構(gòu)成了發(fā)電機100%定子繞組單相接地保護。,動作區(qū),7.4 發(fā)電機負序電流保護,7.4.1負序電流保護的作用 不對稱短路或三相負荷不平衡，產(chǎn)生負序電流。 危害：定子中負序旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子2倍的同步轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)子及其鐵芯中感應(yīng)出100Hz的倍頻電流。該電流在電流密度大的對方會灼傷部件，引起更大事故。另外100Hz的倍頻，會引起振蕩，威脅發(fā)電機安全。 由于大容量機組的額定電流很大，而在相鄰元件

13、末端發(fā)生兩相短路時的短路電流可能較小，此時采用復(fù)合電壓啟動的過電流保護往往不能滿足作為相鄰元件后備保護時對靈敏性的要求。 采用負序過電流保護作為后備保護，就可以提高不對稱短路時的靈敏性。由于負序過電流保護不能反應(yīng)于三相短路，因此，當(dāng)用它作為后備保護時，還需要附加裝設(shè)一個單相式的低電壓啟動過電流保護，以專門反應(yīng)三相短路。(見下圖）,7.4 發(fā)電機負序電流保護,7.4.2 定時限負序過電流保護 圖7.17，KA3小整定值發(fā)過負荷信號，KA2大整定值動作于跳閘，加裝設(shè)一個單相式的低電壓啟動過電流保護KA1、KV，以專門反應(yīng)三相短路。,7.4 發(fā)電機負序電流保護,7.4.2 定時限負序過電流保護 整定

14、： 1）KA3小整定值，發(fā)過負荷信號： 2）KA2大整定值動作于跳閘（A=30-40的情況)： 動作特性見圖7.16,7.4 發(fā)電機負序電流保護,7.4.2 定時限負序過電流保護 看圖7.16，兩段式定時限負序過電流保護的動作特性與發(fā)電機允許的負序電流曲線的配合情況-結(jié)論不能很好的配合。 因此在100MW及以上，A10的發(fā)電機上需安裝能模擬發(fā)電機允許負序電流曲線的反時限負序過電流保護。,7.4 發(fā)電機負序電流保護,7.4.3 反時限負序過電流保護,三部分：上限定時限、反時限、下限定時限。 能真實地模擬轉(zhuǎn)子的熱積累過程。,7.5 發(fā)電機的失磁保護,過程：當(dāng)發(fā)電機失磁后，其感應(yīng)電動勢減小，電磁轉(zhuǎn)矩

15、也將減小，轉(zhuǎn)子加速，功角增大至超過極限時，發(fā)電機與系統(tǒng)失去同步。 不利影響： 1）這時需要從電力系統(tǒng)中吸收很大的無功功率以建立發(fā)電機的磁場；2）由于從電力系統(tǒng)中吸收無功功率將引起電力系統(tǒng)電壓下降，從而破壞了負荷與各電源間的穩(wěn)定運行，甚至可能因電壓崩潰而使系統(tǒng)瓦解； 3）失磁后發(fā)電機轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生差頻電流，產(chǎn)生損耗過熱。,7.5.1 發(fā)電機失磁運行及后果,7.5 發(fā)電機的失磁保護,圖7.25：正常時機端測量阻抗位于第一象限，失磁后向第四象限移動。 圖7.26： 1）正常：Zg1、Zg2、Zg3 2）外部故障： Zg5； 3）失磁后： Zg4。,7.5.2 發(fā)電機失磁后的機端測量

16、阻抗,7.5 發(fā)電機的失磁保護,7.5.4失磁保護的構(gòu)成方式，圖7.29 機端阻抗判據(jù) 作為失磁保護 的主判據(jù)。,對于中小機組，通常都不裝設(shè)失步保護。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，由運行人員來判斷，然后利用人工增加勵磁電流、增加或減少原動機出力、局部解列等方法來處理。 對于大機組，這樣處理將不能保證機組的安全，通常需要裝設(shè)用于反應(yīng)振蕩過程的專門的失步保護。,7.6 發(fā)電機的失步保護,實用的失步保護主要基于反映發(fā)電機機端測量阻抗變化軌跡的原理。下圖:1）測量阻抗永久停留在任一區(qū)內(nèi)，為短路；2）測量阻抗軌跡部分穿越這些區(qū)域后以相反方向返回，則判斷為可恢復(fù)的搖擺。,7.6 發(fā)電機的失步保護,7.7 發(fā)電機勵磁回路接地保護,發(fā)電機勵磁回路一點接地故障，對發(fā)電機不會造成大的危害，如果發(fā)生兩點接地故障，則將嚴重威脅發(fā)電機的安全。故障電流會燒壞勵磁繞組和轉(zhuǎn)子本體。同時部分繞組被短接后，使得氣隙磁通失去平衡，引起振動等等。 7.7.1勵磁回路一點接地保護 首先要有一點接地保護， 以避免引起兩點接地故障。 1、直流電橋式 圖7.31 （Ry勵磁繞組對地絕緣電阻）,7.7 發(fā)電機勵磁回路接地保護,7.7.2 反映發(fā)電機定子電壓二次諧波分量的勵磁回路兩點接地保護 通過分析可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)生兩點接地或匝間短路故障在定子側(cè)形成的二次諧波電壓的相序和發(fā)電機外部不對稱