葛洲壩大型水電廠繼電保護

工作會議三峽電廠2011年

吳開武

2015年9月大型水力發(fā)電廠繼電保護一.

繼電保護概論；三.

大型水電廠主設(shè)備保護配置；四.

主要保護基本原理介紹；五.“五防”及反措基本知識；二.

高壓斷路器控制回路；一、繼電保護概論繼電保護是研究什么的：繼電保護是研究電力系統(tǒng)故障，和反（電氣）事故措施的一門技術(shù)。繼電保護的任務：1.有選擇性地將（短路或超載性）故障元件從電力系統(tǒng)中快速切除，使故障元件損壞程度降低到最小，保證最大限度地恢復電力系統(tǒng)無故障部分的正常遠行。2.檢測和反應電氣元件的異常運行工況，發(fā)報警信號、跳閘。3.盡快恢復停電部分的供電。電力系統(tǒng)的正常工作狀態(tài)、不正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)正常工作狀態(tài)??電力系統(tǒng)運行狀態(tài)——電力系統(tǒng)在不同運行條件（負荷水平、出力配置、系統(tǒng)接線、故障等）下的系統(tǒng)與設(shè)備的工作狀況。根據(jù)對電力系統(tǒng)正常運行的等式和不等式約束條件的滿足情況，可以分為：1、正常運行狀態(tài)；2、不正常運行狀態(tài)；3、故障狀態(tài)。等式約束條件——由電能性質(zhì)本身決定的，即系統(tǒng)發(fā)出的有功功率和無功功率應在任一時刻與系統(tǒng)中隨機變化的負荷功率（包括傳輸損耗）相等，即

S

P

Gi、QGi--分別為第i個發(fā)電機或其他發(fā)電設(shè)備發(fā)出的有功和無功功率；

P

Dj、QDj--分別為第j個負荷使用的有功和無功功率；△P、△QS--分別電力系統(tǒng)中各種有功功率和無功功率損耗；

正常工作狀態(tài)?

不等式約束條件——涉及供電質(zhì)量和電力設(shè)備安全運行的

某些參數(shù)，它們應處于安全運行的范圍（上限及下限）

內(nèi)，例如Sk、Sk

max表示發(fā)電機、變壓器或用電設(shè)備的功率潮流及其上限；Ui、Ui

max、Ui

min表示母線電壓及其上、下限；

Iij、Iij

max表示輸、配電線路中的電流及其上限；f、fmax、fmin表示系統(tǒng)頻率及其上、下限。常見的不正常工作狀態(tài)及其危害?不正常運行狀態(tài)——所有的等式約束條件均滿足，部分的不等式約束條件不滿足但又不是故障的電力系統(tǒng)工作狀態(tài)。包括：1

因負荷潮流超過電力設(shè)備的額定上限造成的電流升高（又稱為過負荷）；2

系統(tǒng)中出現(xiàn)功率缺額而引起的頻率降低；3

發(fā)電機突然甩負荷引起的發(fā)電機頻率升高；4

中性點不接地和非有效接地系統(tǒng)中單相接地引起非接地相對地電壓的升高；5

電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩；

故障狀態(tài)及其危害?故障狀態(tài)——電力系統(tǒng)的所有一次設(shè)備在運行過程中由于外力、絕緣老化、過電壓、誤操作、設(shè)計制造缺陷等原因而故障，例如短路、斷線、復雜故障等。最常見同時也是最危險的故障是發(fā)生各種類型的短路。各種類型的短路

包括：三相短路、兩相短路、兩相短路接地和單相接地短路。大量的

現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，在高壓電網(wǎng)中，單相短路接地次數(shù)占所有短路次

數(shù)的85%以上。在發(fā)生短路時可能產(chǎn)生以下后果：

1

通過短路點的很大的短路電流和所燃起的電弧，使故障元件損壞。

2

短路電流通過非故障元件，由于發(fā)熱和電動力的作用，引起它們的

損壞或縮短使用壽命。

3

電力系統(tǒng)中部分地區(qū)的電壓大大降低，使大量的電力用戶的正常工

作遭到破壞或產(chǎn)生廢品。

4

破壞電力系統(tǒng)的各發(fā)電廠之間并列運行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)振蕩，

甚至使系統(tǒng)瓦解。

繼電保護的作用?

電力系統(tǒng)自動化（控制）——為保證電力系統(tǒng)

正常運行的經(jīng)濟性和電能質(zhì)量的自動化技術(shù)與

裝備，主要進行電能生產(chǎn)過程的連續(xù)自動調(diào)

節(jié)，動作速度相對遲緩，調(diào)解穩(wěn)定性高，把整

個電力系統(tǒng)或其中的一部分作為調(diào)節(jié)對象。繼電保護的作用?

電力系統(tǒng)繼電保護與安全自動裝置——是當電網(wǎng)或電力設(shè)備發(fā)生故障，或出現(xiàn)影響安全運行的異常情況時，自動切除故障設(shè)備和消除異常情況的技術(shù)與裝備，其特點是動作速度快，其性質(zhì)是非連續(xù)調(diào)節(jié)性的。繼電保護的作用?

電網(wǎng)安全自動裝置——為了在故障后迅速恢復電力系統(tǒng)的正常運行，或盡快消除運行中的異常情況，以防止大面積的停電和保證對重要用戶的連續(xù)供電，常采用以下的自動化措施，如：輸電線路自動重合閘、備用電源自動投入、低電壓切負荷、按頻率自動減負荷、電氣制動、振蕩解列以及為維持系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定而配備的穩(wěn)定緊急控制系統(tǒng)等。繼電保護的作用?

繼電保護裝置——指能反應電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。繼電保護的基本原理?

目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)不同運行狀態(tài)下具有明顯差異的電氣量有：流過電力元件的相電流、序電流、功率及其方向；元件的運行相電壓幅值、序電壓幅值；元件的電壓與電流的比值即“測量阻抗”等。?

發(fā)現(xiàn)并正確利用能可靠區(qū)分三種運行狀態(tài)的可測參量或參

量的新差異，就可以形成新的繼電保護原理。

1、線路電流幅值；2、相間或?qū)Φ仉妷悍担?、線路始端電壓和電流之比（即測量阻抗）4、線路電流相位典型電氣量特征繼電保護裝置主要包括：測量環(huán)節(jié)、判據(jù)環(huán)節(jié)、執(zhí)行環(huán)節(jié)（報警、跳閘）、人機接口和通訊。電力系統(tǒng)繼電保護的工作配合?

主保護——為了最大限度的縮小故障對電力系統(tǒng)正常運行

產(chǎn)生的影響，應保證由主保護快速切除任何類型的故障.電力系統(tǒng)繼電保護的工作配合?

后備保護——保護裝置拒動、保護回路中的其它環(huán)節(jié)損壞、斷路器拒動、工作電源不正常乃致消失等時有發(fā)生，造成主保護不能快速切除故障，這時需要后備保護來切除故障。后備保護由遠后備或近后備加短路器失靈保護構(gòu)成。由后備保護動作切除故障，一般會擴大故障造成的影響，一般后備保護都延時動作，等待主保護確實不動作后才動作。主保護與后備保護之間存在動作時間和動作靈敏度的配合。電力系統(tǒng)繼電保護的工作配合?

遠后備保護——一般下級電力元件的后備保護安裝在上級（近電源側(cè)）元件的斷路器處，稱為遠后備保護。遠后備保護動作將切除所有上級電源側(cè)斷路器，造成事故擴大。同時，其保護范圍覆蓋所有下級電力元件的主保護范圍，它能解決遠后備保護范圍內(nèi)所有故障元件任意原因造成的不能切除問題。電力系統(tǒng)繼電保護的工作配合?

近后備保護（或近后備附加斷路器失靈保護）——在高壓電網(wǎng)中采用遠后備保護往往不能滿足靈敏度的要求，因而采用近后備附加斷路器失靈保護的方案。近后備保護與主保護安裝在同一斷路器處，當主保護拒動時，由后備保護啟動斷路器跳閘；當斷路器失靈時，由失靈保護啟動跳開所有與故障元件相連的電源側(cè)斷路器。電力系統(tǒng)繼電保護的工作配合工作回路工作原理二、高壓斷路器控制回路控制方式現(xiàn)地手動操作遠方自動操作連鎖方式解鎖方式互鎖方式斷路器控制回路要滿足下列基本要求：1、斷路器跳、合閘后應能迅速切換對應的操作回路，避免應跳回路長期通電而燒毀跳閘線圈；2、應能正確指示斷路器位置狀態(tài)；3、有防跳閉鎖功能；4、應能監(jiān)視斷路器控制回路的完好性；5、應能實現(xiàn)各種閉鎖要求；6、控制回路接線應盡可能簡單，可靠；防止“跳躍”閉鎖：1、按下控制開關(guān)SA合后，斷路器就合閘，如果合閘于永久性故障的線路上時，繼電保護裝置會自動跳閘，假如控制開關(guān)“SA合”接觸時間過長、或因機械故障被卡住、或觸電被悍住，則“SA合”一直發(fā)出合閘命令，斷路器事故跳閘后會再次合閘，合閘后又事故跳閘，如此則出現(xiàn)斷路器多次合閘跳閘現(xiàn)象，及“跳躍”，會損害斷路器，必須加以防止。2、方法：控制回路中設(shè)有防跳閉鎖繼電器KCF，電流線圈KCFI串聯(lián)在跳閘回路中，電壓線圈KCFV串聯(lián)在合閘回路中，與合閘線圈并聯(lián)?？刂苹芈繁O(jiān)視：1、跳閘后，跳位繼電器K6和綠燈HG接通，表明合閘回路完好；2、合閘后，合位繼電器K7和紅燈HR接通，表明合閘回路完好；斷路器跳閘和合閘后，斷路器的輔助接點會發(fā)生QF1和QF2會切換；三、大型水電廠主設(shè)備保護配置各電壓等級的繼電保護系統(tǒng)斷路器操

作回路

廠用電備

自投自動

裝置主變冷卻器控制系

統(tǒng)

系統(tǒng)安全

穩(wěn)定監(jiān)測

（PMU）

與控制（

PSS)系統(tǒng)繼電保護維護單位所轄設(shè)備所轄設(shè)備工作會議三峽電廠2011年

保護配置原則：雙重化配置保護配置發(fā)電機組兩套發(fā)電機保護發(fā)電機差動、定子接地、轉(zhuǎn)子接地、失磁、失步、復壓過流、定子過負荷、轉(zhuǎn)子過負荷、。。。。。勵磁變兩套勵磁差動、過流、過負荷主變兩套電氣量+一套非電量電氣量：差動、過流非電量：瓦斯、壓力、密度、溫升。。。GIS兩套電氣量差動、斷路器失靈保護（一套）線路兩套電氣量光線差動、距離、零序、過壓遠跳。。。高抗兩套電氣量+一套非電量電氣量：差動非電量：瓦斯、壓力、溫升、密度。。。廠用電單套三段式電流保護四、主要繼電保護原理簡介三段式電流保護I段：瞬時電流速斷作用：快速切除設(shè)備和線路故障發(fā)電機保護整定原則：躲過本線路某端最大短路電流I段：瞬時電流速斷發(fā)電機保護保護范圍I段：瞬時電流速斷發(fā)電機保護優(yōu)點：反映迅速，不反應下一段線路故障；

缺點：不能保護線路全長，受運行方式、故障形式影響發(fā)電機保護作用：快速切除I段范圍外的線路故障要求：能保護線路全長，動作時間盡量短整定計算：按躲開下級各相鄰元件電流速斷保護的最大動作范圍整定II段：限時電流速斷原理：因為要保護線路全長，所以保護范圍必須延伸到下一級線路去，當下一級線路出口處故障時，他必須要動作，但是這種動作是無選擇性的，為了保證動作的選擇性，就必須加一定時限，時限大小與延伸的范圍有關(guān)。II段：限時電流速斷作用：作為本線路主保護拒動的后備保護；做為下線路或開關(guān)拒動的后備保護；保護范圍：本線路及下線路的全長；整定原則：動作電流必須大于該線路上的最大負荷電流，同時還必須考慮在外部故障切除后電壓恢復，負荷自啟動電流作用下保護必須返回；III段：定時限電流速斷時間整定保護配合瞬時速斷、限時速斷作為線路主保護，定時過流作為線路后備保護發(fā)電機保護1.

大型發(fā)電機的主要故障形式和相應的保護配置(1)

定子繞組相間短路故障：瞬時動作的縱聯(lián)差動保護；(2)

定子繞組匝間短路故障：

瞬時動作的專用匝間短路保護(縱向零序電壓、單元件橫差、裂相橫差、不完全縱差)；(3)

定子繞組單相接地故障：

100％定子繞組接地保護(基波零序電壓、三次諧波零序電壓、外加低頻電源注入式)；(4)

發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組及勵磁回路接地故障

：轉(zhuǎn)子繞組一點接地和

兩點接地保護(乒乓切換式、外加電源注入式)

；(5)

發(fā)電機失磁或部分失磁故障：低勵、失磁保護。發(fā)電機保護2.

各種系統(tǒng)異常工況或調(diào)節(jié)裝置故障和相應的保護配置(1)因負荷不對稱等原因出現(xiàn)的負序電流將引起發(fā)電機轉(zhuǎn)子表層

過熱：定時限及反時限負序電流(不對稱過電流、過負荷)保

護；(2)對稱過負荷（定子繞組過負荷）：定時限及反時限相過電流(對稱過負荷)保護；(3)勵磁回路過負荷：定時限及反時限轉(zhuǎn)子過電流(過負荷)保護(測量直流勵磁電流或勵磁變/機交流電流)；(4)與系統(tǒng)并列運行的發(fā)電機因誤將汽門(水門)關(guān)閉而引起逆功率運行及程跳逆功率：逆功率保護；發(fā)電機保護2.

各種系統(tǒng)異常工況或調(diào)節(jié)裝置故障和相應的保護配置(5)

電壓升高或頻率降低引起過激磁而損壞鐵心

：反映伏特赫茲比的定時限及反時限過激磁保護；(6)

其它異常運行狀態(tài)還有：定子繞組過電壓，低頻運行、失步

運行、外部故障后備（過流、低壓過流、復壓過流、低阻抗

）、非全相（含斷路器或GIS刀閘非全相合閘）運行、誤上

電、斷路器斷口閃絡、軸電流等及其相應的保護；(7)

電壓或電流互感器回路斷線故障

：TV或TA斷線檢測和閉鎖裝置；發(fā)電機保護匝間短路相間短路同相同分支同相不同分支定子繞組內(nèi)部故障可分為三類分支開焊

差動保護原理發(fā)電機保護差動保護原理正常運行以及發(fā)生保護區(qū)外故障時——流入差動繼電器的差動電流為零，電器不動作；當發(fā)生發(fā)電機內(nèi)部故障時——流入差動繼電器的差動電流較大，當其超過整定值時，繼電器判為發(fā)生了發(fā)電機內(nèi)部故障而作用于跳閘。比率制動式縱差動保護

I

&1nTA1nTA2I

&2

I

&2nTA2

I

&1nTA1?發(fā)電機保護差動保護原理折線比率制動特性

制動特性分為兩段直線，AB段與橫軸平行；而BP段與橫軸傾斜。當Ir<Ir0時：動作量Id>Id0即可動作，當Ir>Ir0時：制動量隨Ir增加按比率增加。

因此，外部嚴重故障時，制動量很大，可保證不誤動；內(nèi)部故障時，制動量較小，保證輕微內(nèi)部故障時較高的靈敏性。Id0Ir0發(fā)電機保護差動保護原理發(fā)電機橫差動保護

發(fā)電機裂相橫差保護基本原理?裂相橫差保護——大容量發(fā)電機每相都由兩個或兩個以上并聯(lián)分支繞組組成，正常運行時各繞組中電勢相等，流過相等的負荷電流；當同相內(nèi)非等電位點匝間短路時，各繞組中電勢不再相等，出現(xiàn)因電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，構(gòu)成裂相橫差保護的原理。

發(fā)電機保護差動保護原理同相同分支匝間短路故障

發(fā)電機保護差動保護原理同相不同分支匝間短路故障

發(fā)電機保護差動保護原理單元件橫差動保護基本原理單元件橫差動能反應定子繞組匝間短路、分支線棒開焊及機內(nèi)繞組相間短路。實際發(fā)電機不同中性點間有不平衡電流：（1）定子同相而不同分支的繞組參數(shù)不完全相同，致使兩端的電勢及支路電流有差異；（2）發(fā)電機定子氣隙磁場不完全均勻，在不同定子繞組中產(chǎn)生的感應電勢不同；（3）轉(zhuǎn)子偏心，在不同的定子繞組中產(chǎn)生不同電勢；（4）存在三次諧波電流。.cn發(fā)電機保護差動保護原理?

零序電流型橫差保護的特點是結(jié)構(gòu)簡單、功能全面，反應的是流過中性點連線不平衡電流的基波分量；?

裂相橫差保護比較的是發(fā)電機內(nèi)部故障時一相兩部分之間的不平衡，針對奇數(shù)多分支的水輪發(fā)電機，還出現(xiàn)了不完全裂相橫差保護；?

不完全縱差保護比較的則是機端相電流與中性點側(cè)部分分支電流和的不同，隨著中性點側(cè)接入分支數(shù)的增多，不完全縱差保護對于匝間短路的靈敏性逐漸下降，對于相間短路的靈敏性卻逐漸上升。

發(fā)電機保護定子接地保護

定子單相接地故障是發(fā)電機定子繞組絕緣破壞最常見的故障，對發(fā)電機的危害主要表現(xiàn)為定子鐵心的燒傷和接地故障擴大為相間或匝間短路。

很多大型水電廠采用高阻接地方式（即中性點經(jīng)配電變壓器接地，配電變壓器的二次側(cè)接小電阻），其主要目的是限制發(fā)電機單相接地時的L-C諧振暫態(tài)過電壓，防止暫態(tài)過電壓破壞定子繞組絕緣，但另一方面也人為地增大了故障電流，故障時有可能燒傷定子鐵心甚或發(fā)生災難性事故。因此采用這種方式接地的發(fā)電機定子接地保護應選擇盡快跳閘。?雙頻式定子接地保護（基波零序電壓定子接地保護+三次諧波

電壓定子接地保護）：?注入式定子接地保護（基波零序電壓定子接地保護+低頻注入式定子接地保護）：

發(fā)電機保護定子接地保護發(fā)電機定子繞組單相接地時電氣量的特征?

假設(shè)A相在距離定子繞組中性點α

處發(fā)生金屬性接地故障，

作近似估計時機端各相對地電動勢為發(fā)電機定子繞組單相接地時的電路圖

發(fā)電機保護定子接地保護利用零序電壓構(gòu)成的定子單相接地保護?零序電壓隨故障點位置變化的曲線圖如下所示。越靠近機端，故障點的零序電壓就越高，可以利用基波零序電壓構(gòu)成定子單相接地保護。因考慮發(fā)電機三相電壓不平衡、三次諧波以及外部故障時通過主變高低壓繞組間電容耦合傳遞零序電壓的影響，3U0基波零序定子一點接地保護的保護范圍從機端算起90%-95%的范圍，發(fā)電機中性點有5%-10%的保護死區(qū)。

發(fā)電機保護定子接地保護ZN32Cg32Cg3CtΣE

&3ZN3ZS3U

&S0U

&N0正常運行時的中性點三次諧波電壓正常運行時的機端三次

諧波電壓用集中參數(shù)表示的發(fā)電機三次諧波等效電路

三次諧波電壓構(gòu)成的定子單相接地保護三峽電

發(fā)電機保護定子接地保護?當發(fā)電機定子繞組發(fā)生金屬性單相接地時，設(shè)接地發(fā)生在距中性點α，其等值電路如圖所示，總是有UN3=αE3和US3=(1-α)E3，兩者相比，得（中性點電壓和機端電壓隨故障點的變化曲線）

利用三次諧波構(gòu)成電壓比率判據(jù)的接地保護可以反應發(fā)電機定子繞組中α<0.5

范圍內(nèi)的單相接地故障，并且當故障點越靠近中性點時，保護的靈敏性就越高

；

利用基波零序電壓構(gòu)成的接地保護，則可以反應α>0.15范圍內(nèi)的單相接地故障

，且當故障點越靠近發(fā)電機機端時，保護的靈敏性就越高。發(fā)電機保護定子接地保護?

三次諧波電壓差動判據(jù)：–正常運行時，機端、中性點三次諧波電壓幅值、

相位在一定范圍內(nèi)波動，實時自動調(diào)整系數(shù)kt使

正常運行時差電壓接近為0；–可以保護100％的定子接地

發(fā)電機保護注入式定子接地保護輔助電源裝置將低頻電壓加在負載電阻Rn上，并通過接地變壓器，將低頻電壓信號注入到發(fā)電機定子繞組對地的零序回路中。

帶通濾波器:通過20Hz低

頻電壓信號，防止50Hz

電壓倒灌入電源。

保護裝置檢測注入的電壓

、電流信號，通過計算接

地故障電阻值判斷接地故

障。

GND發(fā)電機 主變G接地變壓器RERn負載電阻CgCbusCtGNDIG0UG0中間CTRCS-985發(fā)電機保護裝置RCS-985U電源裝置分壓器發(fā)電機保護定子接地保護緣。

注入式定子接地保護特點?

保護范圍為100%，靈敏度一致，不受接地位置影響。?

不受發(fā)電機運行工況的影響，在發(fā)電機靜止、起停過程、空載運行、并網(wǎng)運行、甩負荷等各種工況下，均能可靠工作?？杀O(jiān)視定子繞組絕緣的緩慢老化。?

接地電阻的實測結(jié)果、電阻判據(jù)中的電阻定值為一次值，更直觀。?

無需與主變高壓側(cè)接地后備保護配合。?

20Hz信號和工頻、分次諧波、整數(shù)次諧波相差較大，機組正常運行或振蕩時不會影響外加20Hz電阻的計算。?

注入一次繞組電壓僅為1～3％的額定相電壓，不會損壞定子繞組絕發(fā)電機保護轉(zhuǎn)子接地保護

當發(fā)電機勵磁繞組及引線的絕緣嚴重下降或損壞時，會引起勵磁回路的接地故障，最常見的是勵磁回路一點接地故障。

發(fā)生一點接地故障時，由于沒有形成電流回路，對發(fā)電機運行沒有直接影響，但一點接地以后，勵磁回路對地電壓升高，在某些條件下會誘發(fā)第二點接地，而兩點接地故障將嚴重損壞發(fā)電機。因此有關(guān)規(guī)程要求發(fā)電機必須裝有靈敏的勵磁回路一點接地故障保護。?

大型水電機組轉(zhuǎn)子接地保護最優(yōu)方案：–

雙套不同原理配置，一套乒乓式原理，一套注入式原理；–

轉(zhuǎn)子接地保護采用單裝置就地安裝在勵磁系統(tǒng)室內(nèi)，避免高壓

電纜長距離輸送。

發(fā)電機保護轉(zhuǎn)子接地保護乒乓式勵磁回路一點接地保護原理

兩個狀態(tài)對未知參數(shù)

（接地電阻Rk和接地位

置α）求解：

S1導通，S2

斷開

S1斷，S2導通時

發(fā)電機保護轉(zhuǎn)子接地保護發(fā)電機保護轉(zhuǎn)子接地保護低頻電壓注入式勵磁回路

一點接地保護原理圖t50VUm

tUmUm1Um2

tUi

電源電壓Ug和測量電壓Um波形圖(a)

Ug的波形圖；(b)

Rk

→

∞時Um的波形圖；

(c)Rk

=

5kΩ時Um的波形圖

RS

2-

2U

gRmU

m2-U

m1Rk

=注入式勵磁回路一點接地保護的原理

Ug

50V發(fā)電機保護失磁保護????發(fā)電機失磁故障—發(fā)電機的勵磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因

—

轉(zhuǎn)子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關(guān)誤跳閘、半導體勵磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤操作等。失磁故障的形式

—

勵磁繞組直接短路或經(jīng)勵磁電機電樞繞組閉路引起失磁、勵磁繞組開路引起失磁、勵磁繞組經(jīng)滅磁電阻短接而失磁，勵磁繞組經(jīng)整流器閉路（交流電源消失）失磁。

發(fā)電機失磁故障，這是一種常見的故障，特別對于大型機組，勵磁系統(tǒng)環(huán)節(jié)多，更易發(fā)生這種故障。失磁后，發(fā)電機將由同步運行逐漸轉(zhuǎn)入異步運行。在一定條件下，異步運行將破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，并威脅發(fā)電機本身的安全。

發(fā)電機保護失磁保護失磁對電力系統(tǒng)的危害

A.

失磁發(fā)電機由失磁前向系統(tǒng)送出無功功率轉(zhuǎn)為從系統(tǒng)吸收無功功率，尤其是滿負荷運行的大型機組會引起系統(tǒng)無功功率大量缺額，若系統(tǒng)無功功率容量儲備不足，將會引起系統(tǒng)電壓嚴重下降，甚至導致系統(tǒng)電壓崩潰。

B.

失磁引起的系統(tǒng)電壓下降會使相鄰發(fā)電機勵磁調(diào)節(jié)器動作，增加其無功輸出，引起有關(guān)發(fā)電機、變壓器或線路過流，甚至使后備保護因過流而動作，擴大故障范圍。

C.

失磁引起有功功率擺動和勵磁電壓下降，可能導致電力系統(tǒng)某些部分之間失步，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩，甩掉大量負荷。

發(fā)電機保護失磁保護失磁對失磁發(fā)電機本身的危害

A.

由于出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，在轉(zhuǎn)子回路出現(xiàn)差頻電流，在轉(zhuǎn)子回路里產(chǎn)生附加損耗，可能使轉(zhuǎn)子過熱而損壞。

B.

失磁發(fā)電機進入異步運行后，等效電抗降低，定子電流增大。失磁前發(fā)電機輸出有功功率越大，失磁失步后轉(zhuǎn)差越大，等效電抗越小，過電流越嚴重，定子因之過熱。

C.

失磁失步后發(fā)電機有功功率發(fā)生劇烈的周期擺動，變化的電磁轉(zhuǎn)矩(可能超過額定值)周期性地作用到軸系上，并通過定子傳給機座，引起劇烈振動，同時轉(zhuǎn)差也作周期性變化，使發(fā)電機周期性地嚴重超速。這些直接威脅機組安全。

D.

失磁運行時，發(fā)電機定子端部漏磁增加，使端部的部件和邊段鐵心過熱。

發(fā)電機保護失磁保護?

以發(fā)電機完全失去勵磁時為例，發(fā)電機運行狀態(tài)變化如下：發(fā)電機失磁后將從電力系統(tǒng)中吸取感性無功功率;fg

為對應發(fā)電機轉(zhuǎn)速的頻率，fs

為系統(tǒng)的頻率。

發(fā)電機保護失磁保護發(fā)電機保護

2?

發(fā)電機失磁后，Eq↓、

↑、cosδ

↓，使無功持續(xù)下降；?

當EqUS

cos

=US

時，Q=0；?

到達靜穩(wěn)極限時有?

至

=180°有最大反向無功，且失磁前發(fā)電機帶有功負荷越大，失磁后反向無功、定子電流也越大；?

如果系統(tǒng)無功儲備不足，就可能在無功和電壓上將系統(tǒng)拖垮！失磁保護發(fā)電機保護失磁保護?

由于發(fā)電機失磁，機端電壓U持續(xù)下降，但P有一段“等有功過程”，U下降導致電流I逐漸增大，且隨P的小波動而相應變化。?

一旦無功反向，發(fā)電機滑差使其參數(shù)由同步電抗變?yōu)闀簯B(tài)電抗或次暫態(tài)電抗，數(shù)值大大減小，系統(tǒng)向發(fā)電機反送很大的無功電流，使失磁發(fā)電機在失去靜穩(wěn)之后，電流I急劇增大。

發(fā)電機保護失磁保護?發(fā)電機失磁保護常用判據(jù)

系統(tǒng)側(cè)判據(jù)——三相同時低電壓判據(jù)

本判據(jù)主要用于防止由發(fā)電機低勵失磁故障引發(fā)無功儲備不足的系統(tǒng)電壓崩潰，造成大面積停電。

?

取自升壓變壓器高壓母線電壓（保系統(tǒng)）；

?

取自發(fā)電機機端電壓（保廠用電）。

發(fā)電機保護失磁保護X

d

'

2X

dR0XaXb定子側(cè)判據(jù)1——異步邊界阻抗圓

jX

?

能反應失磁發(fā)電機機端的最

終阻抗，但動作可能較晚；對于遠離負荷中心、與系統(tǒng)聯(lián)系薄弱的大型水輪發(fā)電機是不適宜的。?

躲系統(tǒng)振蕩能力強。?

誤動幾率小/短延時0.5s。

發(fā)電機保護失磁保護OT

R

r1

O1?

X

q

?(X

d

+

X

q)/2

r2

O2定子側(cè)判據(jù)2——靜穩(wěn)極限阻抗圓（水輪發(fā)電機）

jX

X

SX

/

p.u.失磁保護RjX?

X

d'd?0.5XX

S.max

+

XT異步邊界阻抗圓C1靜穩(wěn)極限阻抗圓C20U

S

2

/2P等有功圓C0-1-0.5011.522.5-2-1.5

-1-1.5-0.51.5

10.5

0

0.5R

/

p.u.

50%額定負載

75%額定負載100%額定負載

發(fā)電機保護定子判據(jù)選擇?

與系統(tǒng)聯(lián)系緊密（對應的系統(tǒng)等值電抗Xs較?。┑臋C組宜選擇異步邊界阻抗圓；?

遠離負荷中心的發(fā)電機應選擇靜穩(wěn)極限阻抗圓。

發(fā)電機保護?低勵失磁保護的輔助判據(jù)?

延時元件

防止系統(tǒng)振蕩時保護的誤動作。

?

勵磁低電壓元件

轉(zhuǎn)子低電壓是失磁故障的直接反映，合理地使用轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)可加快對

失磁故障的反應速度，改善失磁保護可靠性以及便于在失磁過程中及時

采取必要的控制措施，因此轉(zhuǎn)子電壓判據(jù)通常作為失磁保護的重要的輔

助判據(jù)。

失磁保護發(fā)電機保護發(fā)電機失步保護

為什么要裝設(shè)失步保護？?

當系統(tǒng)發(fā)生振蕩、振蕩中心又落在發(fā)變組內(nèi)部時，機端電壓將隨振蕩作大幅度波動，廠用設(shè)備難以穩(wěn)定運行，嚴重時可能造成停機，所以大型發(fā)電機失步后果嚴重，必須有相應保護。?

失步振蕩電流與三相短路電流可比擬，且在較長時間內(nèi)反復出現(xiàn)，使發(fā)電機遭受熱、力損傷，特別是周期性作用在旋轉(zhuǎn)軸系上的振蕩扭矩，可能使大軸扭傷或縮短運行壽命，所以大型發(fā)電機一旦發(fā)生失步，振蕩次數(shù)或時間應受嚴格限制。?

低勵失磁保護雖然檢測失步故障，但失步故障（單機失步/全廠失步）并非均由低勵失磁引起的，所以失磁保護不能代替失步保護。

發(fā)電機保護發(fā)電機失步保護失步保護主要是檢測振蕩中心位于發(fā)變組內(nèi)部的失步振蕩

?

當振蕩中心落在發(fā)變組內(nèi)部時，機端電壓將隨振蕩作大幅度波動，廠用負

荷難以穩(wěn)定運行，甚至處于制動狀態(tài)，可能造成后果嚴重。

跳閘時機的選擇

?

失步振蕩已持續(xù)達到預定時間或振蕩次數(shù)（系統(tǒng)確定）

?

保證斷路器斷開時的電流不超過斷路器允許開斷電流（兩側(cè)電動勢相角差大于270度

并逐漸變小時）

αRZcφO信號區(qū)Z1Z3

Z2ZstⅠⅡ

ⅢX

d

'跳閘區(qū)

Ⅳ發(fā)電機失步保護

?

由三個阻抗元件構(gòu)成：透鏡、

遮擋器和電抗線。

發(fā)電機保護三阻抗元件型失步保護

jX①

透鏡特性阻抗元件，將阻抗平面分為透鏡內(nèi)動作區(qū)和透鏡外不動作區(qū)；②

遮擋器直線阻抗元件，將阻抗平面分為左半部分和右半部分，其方向與透鏡主軸相同；③

電抗線阻抗元件，垂直于透鏡主軸，其位置由ZC決定，將保護分為信號區(qū)和跳閘區(qū)。

?

X

dαRZcφO信號區(qū)跳閘區(qū)Z1Z3

Z2ZstX

d

'ⅠⅡⅢⅣ

發(fā)電機保護三阻抗元件型失步保護

jX?

透鏡內(nèi)角的整定

α

=120°發(fā)電機失步保護

?

Zst

=

X

S.min

+

XT'?

φ

=85°?

Zc

=

0.9ZT

≈

0.9XT

區(qū)分信號區(qū)和跳閘區(qū)確定透鏡區(qū)域發(fā)電機保護發(fā)電機失步保護X

d

'X

TX

sOE

&

B

BE

&

A

A跳閘區(qū)信號區(qū)αφR發(fā)電機失步（滑極）過程：

jXO信號區(qū)跳閘區(qū)Z1Z3Z2ⅠⅡⅢⅣAB在左圖中將自右至左，從阻抗平面的I區(qū)進入透鏡區(qū)域II，隨后越過遮擋器直線到達透鏡區(qū)域III，最終逸出透鏡到阻抗平面的IV區(qū)，反映了兩側(cè)電勢相角差δ由小到大的全過程。

?

對于上圖所示的簡化兩機系統(tǒng)，

E

&B領(lǐng)先

E

&A

，發(fā)生振蕩并失步，假設(shè)振蕩中心在發(fā)變組內(nèi)，則振蕩阻抗軌跡300ms×

=

50ms發(fā)電機保護發(fā)電機失步保護αR發(fā)電機失步（滑極）過程：

jXO

信號區(qū)跳閘區(qū)Z1Z3Z2ⅠⅡⅢⅣ

AφB依據(jù)電網(wǎng)公司提供的系統(tǒng)振蕩的最短振蕩周期（300ms），失步故障發(fā)生時阻抗軌跡從進入透鏡至到達遮擋器直線所需的最短時間為：

180°-120°

360°

而作為滑極（失步）的一個特征判據(jù)

是振蕩阻抗軌跡穿過透鏡的時間至少是上述時間的兩倍（100ms）；考慮到一個振蕩周期內(nèi)轉(zhuǎn)子的非勻速轉(zhuǎn)動，允許前后半個透鏡的穿越時間不同，但總的時間仍要求大于100ms，否則不判為失步。

X/ohm發(fā)電機保護發(fā)電機失步保護-6-4-2024681012

2

0-2-4-664R/ohmRO電抗線?

振蕩中心在發(fā)電機組內(nèi)部，失步保護跳閘時機端阻抗軌跡從上向下依次穿越了透鏡的4個區(qū)域，且在每個區(qū)域內(nèi)停留了一定的時間，符合區(qū)內(nèi)滑極條件。?

由于區(qū)內(nèi)滑極次數(shù)整定為1次，故滿足區(qū)內(nèi)失步動作條件。

2010年10月，某電廠機組失步保護動作，失步振蕩時發(fā)電機機端阻抗軌跡如下圖所示（南瑞繼保提供）：

機端正序阻抗軌跡

X

遮擋器發(fā)電機保護軸電流

在大型發(fā)電機的軸-軸承-基礎(chǔ)所構(gòu)成的回路中有多種原因可能引起電動勢（軸電壓）。軸電壓的數(shù)值可達數(shù)伏，有時可超過10V。當發(fā)電機軸端的對地絕緣損壞時，在軸電壓的作用下，軸電流可能達到相當大的數(shù)值（幾百安甚至上千安）。

當電機的軸承絕緣擊穿時，軸電流將損壞軸承和其它部件，其損壞程度取決于軸電流的大小和持續(xù)時間的長短。如果軸電流密度超過0.2A/cm2，發(fā)電機轉(zhuǎn)軸軸領(lǐng)的滑動表面和軸瓦可能被損壞。軸電流引起的磁場還會引起大軸磁化。因此，在必要時可以裝設(shè)軸電流保護。

軸電流保護由套裝在大軸上的專用軸電流互感器和靈敏的過電流保護構(gòu)成。軸電流保護通常延時動作于告警和跳閘。

發(fā)電機保護軸電流軸電流保護由套裝在大軸上的專用軸電流互感器和靈敏的過電流保護構(gòu)成。軸電流互感器為兩瓣穿心式，固定于組合軸承蓋板的支架上（不隨大軸旋轉(zhuǎn)），軸電流保護通常延時動作于告警和跳閘。

發(fā)電機保護軸電流實際運行中，因軸電流互感器安裝處的磁場較復雜，會給軸電流監(jiān)測帶來不小的干擾，嚴重時甚至影響保護的可靠測量。其具體測量原理如圖。當檢測到絕緣電阻。值小于某值時，測量系統(tǒng)輸出報警信號至保護系統(tǒng)。

變壓器保護變差保護變壓器故障類型和不正常工作狀態(tài)及其保護方式：

變壓器保護變差保護變壓器故障類型和不正常工作狀態(tài)及其保護方式：

變壓器保護變差保護變壓器故障類型和不正常工作狀態(tài)及其保護方式：

變壓器保護變差保護變壓器故障類型和不正常工作狀態(tài)及其保護方式：

變壓器保護變差保護

變壓器縱差保護的特殊問題

變壓器縱差與發(fā)電機縱差保護一樣，也都是采用比率制動方式達到外部短路不誤動和內(nèi)部短路靈敏動作的目的，但它在以下幾方面存在顯著不同：1、三相變壓器連接組產(chǎn)生的不平衡差流一般情況下，變壓器高、低壓側(cè)三相繞組的連接方式可能不同（譬如Y,

d11或Y0,

d11連接組），使其兩側(cè)對外引出線同名相一次電流之間存在較大相位差，這種相位差會在差動電流中出現(xiàn)很大的不平衡電流。裝置內(nèi)要進行相位補償。

變壓器保護變差保護2、變壓器各側(cè)電流互感器變比不匹配產(chǎn)生的不平衡差流因為電流互感器變比按標準變比設(shè)計，難于恰好與變壓器變比相匹配，因而有可能產(chǎn)生不平衡電流。在微機數(shù)字式保護中，可以由軟件通過計算來實現(xiàn)此種電流平衡的精確自動調(diào)整。3、調(diào)壓頭調(diào)整產(chǎn)生的不平衡電流4、變壓器各側(cè)電流互感器特性不一致而產(chǎn)生的不平衡差流構(gòu)成差動電流的各側(cè)電流互感器因特性不一致而造成傳變誤差不同，從而引起附加的不平衡電流，尤其當外部短路故障時，因電流暫態(tài)分量（主要是非周期分量）及TA飽和等原因，有可能造成很大的不平衡電流。工程設(shè)計應盡量選擇同型同特性的差動保護專用電流互感器，盡量減小電流互感器二次負荷等；另一方面是在差動保護動作特性上的措施。譬如：廣泛使用的具有比率制動特性的差動保護原理，利用穿越電流的大小自動改善制動特性，具有良好的對付TA暫態(tài)特性不一致（如飽和）的影響；在有可能引起TA嚴重飽和的場合，還需要專門判據(jù)來予以對付。

變壓器保護變差保護5、變壓器勵磁涌流引起的暫態(tài)不平衡差流當變壓器空載投人或者外部故障切除后電壓恢復過程中，因電壓突然升高，勵磁電流將突然大大增加，這種由電壓突升引起的巨大的暫態(tài)勵磁電流稱為勵磁涌流。由于勵磁涌流是單側(cè)注入性電流，其幅值又很大，因此會造成比率制動判據(jù)誤判而引起差動保護誤動作。

勵磁涌流產(chǎn)生的根本原因是鐵心的嚴重飽和，由可能出現(xiàn)的最大磁通

和鐵心磁化曲線來決定勵磁涌流的最大值

ie.max

，是一個非線性問題。

變壓器保護變壓器保護變差保護一般情況，三相變壓器勵磁涌流有以下特點：①

由于三相電壓之間有120°

(2π/3)的相位差，因而

三相勵磁涌流不會相同，任何情況下空載投入

變壓器，至少在兩相中要出現(xiàn)不同程度的勵磁

涌流。②

某相勵磁涌流(iμ-B-r)可能不再偏離時間軸的一側(cè)

，變成了對稱性涌流。其他兩相仍為偏離時間

軸一側(cè)的非對稱性涌流。對稱性涌流的數(shù)值比

較小。非對稱性涌流仍含有大量的非周期分量

，但對稱性涌流中無非周期分量。③

三相勵磁涌流中有一相或兩相二次諧波含量比

較小，但至少有一相比較大。④

勵磁涌流的波形仍然是間斷的，但間斷角顯著

減小，其中又以對稱性涌流的間斷角最小。但

對稱性涌流有另外一個特點：勵磁涌流的正向

最大值與反向最大值之間的相位相差120°。這個

相位差稱為‘波寬’，顯然穩(wěn)態(tài)故障電流的波寬為

180°。

變壓器保護變差保護6、變壓器過勵磁運行工況引起的穩(wěn)態(tài)不平衡差流變壓器的過勵磁——對于有些工況，例如超高壓遠距離輸電線路由于突然失去負荷而造成變壓器的過電壓時，會造成鐵芯飽和，使勵磁電流大大增加。變壓器過勵磁時鐵芯的飽和是對稱的，勵磁電流沒有間斷現(xiàn)象，也沒有偶次諧波分量。對于有可能產(chǎn)生過勵磁的大型變壓器，通常根據(jù)過勵磁引起的勵磁電流中含有大量五次諧波分量的特征，采用五次諧波制動的方法，來防止縱差動保護的誤動，其實現(xiàn)方法與二次諧波制動方法類似。

變壓器保護零序電流保護變壓器零序保護的作用和要求???單相接地故障幾率最高，而接地故障要求較高的保護靈敏度，通常采用零序保護作為專用的接地保護；零序保護用作變壓器及相鄰元件接地故障的后備保護。超高壓變壓器采用分級絕緣，中性點絕緣水平較低，較易于發(fā)生接地故障，500kV變壓器通常直接接地。

變壓器保護過激磁保護過激磁現(xiàn)象及危害

1.現(xiàn)象：變壓器鐵心因磁通密度超過飽和限制而使鐵心嚴重過熱，同時

引起勵磁電流猛增并嚴重畸變，引起進一步附加發(fā)熱。

2.原因：

(1)發(fā)變組并列之前，因操作錯誤，誤加大勵磁電流引起過激磁。

(2)發(fā)電機啟動過程中，轉(zhuǎn)子在低速下預熱時，

若誤將電壓升至額定值

，則因發(fā)電機和變壓器低頻運行造成過激磁。

(3)

運行中，當系統(tǒng)過電壓及頻率降低時也會發(fā)生過激磁。

3.危害：過激磁將使發(fā)電機、變壓器的溫度升高，若過激磁倍數(shù)高，持

續(xù)時間長，可能使發(fā)電機、變壓器的絕緣因過熱而遭受破壞。

(1)現(xiàn)代大型變壓器額定工作磁密(1.7～1.8)T，飽和磁密僅為(1.9～

2.0)T，兩者很接近；(2)冷軋硅鋼片，它的磁化特性曲線很“硬”

。

變壓器保護變差保護過激磁保護基本原理通常用相對于額定狀態(tài)的過激磁倍數(shù)來反映過激磁狀況，即

在發(fā)生過激磁后，發(fā)電機、變壓器并不會立即損壞，有一個熱積累過程。對于某一過激磁倍數(shù)，均有對應的允許運行時間。研究表明，過激磁倍數(shù)與允許運行時間之間的關(guān)系為一條反時限特性曲線。

U*

f*

UTU

NTN

U

/

fU

N

/

fN

BBN===M

=變壓器保護瓦斯保護

油浸變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴重漏油或小匝數(shù)匝間短路以及繞組斷線故障時，差動保護等反應電量的保護因靈敏度不夠而不能動作，而瓦斯保護卻能動作，因此瓦斯保護是變壓器內(nèi)部故障的重要的保護裝置。

瓦斯保護分為輕、重瓦斯保護，裝于油箱與油枕之間的導管上。

瓦斯保護與差動保護特點互補，共同構(gòu)成變壓器主保護。

線路保護距離保護???距離保護-利用短路發(fā)生時電壓、電流同時變化的特征，測量電壓與電流的比值，反應故障點到保護安裝處的距離而工作的保護。定距離Lset-與距離保護的范圍相對應的距離。工作原理大致如下：

線路保護距離保護在線路阻抗的方向上，比較測量阻抗Z

m和整定阻抗Z

set

就可以實現(xiàn)

Lk與

Lset的比較

Zm<Z

set

時，說明

Lk<Lset，故障在保護區(qū)內(nèi)；

Zm

>Z

set

時，說明

Lk>Lset，故障在保護區(qū)之外。

線路保護距離保護線路保護距離保護線路保護縱聯(lián)保護?輸電線路的縱聯(lián)保護——將線路一側(cè)電氣量信息傳到另一側(cè)去，兩側(cè)的電氣量同時比較、聯(lián)合工作，也就是說在線路兩側(cè)之間發(fā)生縱向的聯(lián)系，以這種方式構(gòu)成的保護稱之為輸電線路的縱聯(lián)保護。以兩端輸電線路為例，一套完整的縱聯(lián)保護其一般構(gòu)成如右圖所示：TV

——

電壓互感器TA

——

電流互感器

縱聯(lián)方向保護

線路保護方向縱聯(lián)和距離縱聯(lián)保護???兩側(cè)保護繼電器僅反應本側(cè)的電氣量，利用通道將繼電器對故障方向判別的結(jié)果傳送到對側(cè)，每側(cè)保護根據(jù)兩側(cè)保護繼電器的動作過程邏輯判斷區(qū)分是區(qū)內(nèi)還是區(qū)外故障。通道傳送的只是邏輯信號。傳輸通道：電力線載波通道光纖通道（OPGW架空地線復