發(fā)電機及變壓器保護原理

1、發(fā)電機及變壓器保護原理一、發(fā)電機的故障異常運行狀態(tài)及其保護方式由于發(fā)電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運行中可能發(fā)生故障和異常狀 態(tài)，這樣會對發(fā)電機造成危害，同時，由于系統(tǒng)故障也可能 損傷發(fā)電機，特別是現(xiàn)代的大中型發(fā)電機，由于單機容量大 對系統(tǒng)影響大，出了故障維修困難，因此要對發(fā)電機可能發(fā) 生的故障類型及不正常運行狀態(tài)進行分析，并有針對性地設(shè) 置相應(yīng)的保護。應(yīng)根據(jù)發(fā)電機可能發(fā)生的故障裝設(shè)相應(yīng)的保 護裝置，綜述如下：1. 定子繞組相間短路，會引起巨大的短路電流，嚴重?zé)?壞發(fā)電機，需裝設(shè)瞬時動作的縱聯(lián)差動保護。2. 定子繞組的匝間短路（分為同相一分支繞組的匝間短 路和同相異分支繞組的匝間短路 ），同樣會產(chǎn)生巨大的短

2、路 電流而燒壞發(fā)電機，需裝設(shè)瞬時動作的專用的匝間短路保護。3. 定子繞組的單相接地。這是發(fā)電機容易發(fā)生的一種故障，通常是因絕緣破壞使其繞組對鐵芯短路，雖然此種故障 瞬時電流不大，但接地電流會引起電弧灼傷鐵芯，同時破壞 繞組的絕緣，從而發(fā)展為匝間短路或相間短路，因此應(yīng)裝設(shè) 靈敏的反應(yīng)全部繞組任一點接地故障的100 %定子繞組接地保護。4. 發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組一點接地和兩點接地。轉(zhuǎn)子繞組一點接地后雖然對發(fā)電機運行無影響，但若再發(fā)生另一點接地，則轉(zhuǎn)子繞組一部分被短接造成磁勢不平衡而引起機組劇烈 振動，產(chǎn)生嚴重后果，因此需同時裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組一點接地保 護和兩點接地保護。5. 發(fā)電機失磁。發(fā)電機失磁分完全失磁

3、和部分失磁，它 是發(fā)電機的常見故障之一，失磁故障不僅對發(fā)電機造成危 害，而且對系統(tǒng)安全也會造成嚴重影響，因此需裝設(shè)失磁保 護。6. 定子繞組負荷不對稱運行，出現(xiàn)負序電流可能引起發(fā)電機轉(zhuǎn)子表層過熱，需裝設(shè)定子繞組不對稱過負荷保護（轉(zhuǎn)子表層過熱保護）。7. 定子繞組對稱過負荷，裝設(shè)對稱過負荷保護（一般采用反時限特性）。8. 轉(zhuǎn)子繞組過負荷，裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組過負荷保護。9. 并列運行的發(fā)電機可能因機爐的保護動作等原因?qū)⒅髌y關(guān)閉，而導(dǎo)致逆功率運行，使汽輪機葉片與殘留尾氣 劇烈摩擦過熱，而損壞汽輪機葉片，因此需裝設(shè)逆功率保護。10. 為防止過激磁引起發(fā)熱而燒壞鐵芯，應(yīng)裝設(shè)過激磁保 護。11. 系統(tǒng)振蕩而引

4、起發(fā)電機失步異常運行，危及發(fā)電機和 系統(tǒng)運行安全，需裝設(shè)失步保護。12. 其他保護。定子繞組過電壓、低頻運行、非全相運行及與發(fā)電機運行直接有關(guān)的熱工方面保護，對水內(nèi)冷發(fā)電機 還應(yīng)裝設(shè)斷水保護等。另外，還應(yīng)裝設(shè)發(fā)電機的后備保護，如電流、電壓保護、阻抗保護等。二、變壓器的故障異常運行狀態(tài)及其保護方式電力變壓器是電力系統(tǒng)的重要組成元件，它的故障將對 供電可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴重的影響。電力變壓器 的故障分為油箱內(nèi)部故障和油箱外部故障。油箱內(nèi)部故障包 括繞組的相間短路，中性點直接接地側(cè)的接地短路和匝間短 路。變壓器油箱內(nèi)部故障的危害很大，故障處的電弧不僅會 燒毀繞組及鐵芯的絕緣，而且使絕緣材料和

5、變壓器油強烈氣 化，可能會引起油箱爆炸。油箱的外部故障，主要是絕緣套 管和引出線上發(fā)生的相間短路和中性點直接接地側(cè)的接地 短路。變壓器的異常運行狀態(tài)主要有：過負荷外部短路引起 的過電流、外部接地短路引起的中性點過電壓、油面下降及 過電壓或頻率降低引起的過勵磁現(xiàn)象等。為了保證電力系統(tǒng) 的安全可靠性運行，針對上述故障和異常運行狀態(tài)，電力變 壓器應(yīng)裝設(shè)如下的保護：1. 防止變壓器繞組和引出線相間短路，直接接地系統(tǒng)側(cè)繞組和引出線的單相接地短路及繞組匝間短路的（縱聯(lián)）差動保護。2. 防止變壓器油箱內(nèi)部各種短路或斷線故障及油面降低的瓦斯保護。3. 防止直接接地系統(tǒng)中變壓器外部接地短路并作為瓦 斯保護和差動

6、保護后備的零序電流保護、零序電壓保護以及 變壓器接地中性點有放電間隙的零序電流保護。4. 防止變壓器過勵磁保護。5. 防止變壓器外部相間短路并作為瓦斯保護和差動保 護后備的過電流保護和阻抗保護。6. 防止變壓器對稱過負荷的過負荷保護。7. 反應(yīng)變壓器溫度及油箱內(nèi)壓力升高和冷卻系統(tǒng)故障 的相應(yīng)保護。三、發(fā)電機、變壓器組保護原理現(xiàn)代大型汽輪發(fā)電機組通常采用的是發(fā)電機、變壓器組 單元接線方式，發(fā)電機與主變壓器、廠用變壓器之間采用封 閉母線直接相連接（如果采用機端自并勵時，發(fā)電機與勵磁 變壓器之間也直接連接），因此當(dāng)發(fā)電機、變壓器、廠用變 壓器、勵磁變壓器及其相互連接的封閉母線發(fā)生故障時，任 何元件保

7、護裝置動作都應(yīng)作用于所有設(shè)備（發(fā)電機、變壓器、廠用變壓器、勵磁變壓器）全停。下面介紹發(fā)變組系統(tǒng)各種 保護裝置的基本原理。1.相間短路的縱聯(lián)差動保護TACJ縱差保護的基本原理是比較發(fā)電 機兩側(cè)電流的大小和相位，它是反應(yīng)發(fā)TAe12_ n TAe電機及其引出線的相間短路故障的主要保護。如圖（8-1 ）所示，為發(fā)電機縱聯(lián)差動保護原理，將發(fā)電機兩側(cè)變比和型 號相同的電流互感器兩側(cè)同極性端縱向連接起來，差動繼電 器CJ接于其差回路中。當(dāng)正常運行或外部故障 （fl）時，I】與12大小相等，反向 流入發(fā)電機，CJ的電流為：I：i.2ntai - nta2 0,故差動繼電器 CJ 不會動作。圖8-1當(dāng)在保護區(qū)

8、內(nèi)f2點故障時，1與2同相流入發(fā)電機，CJ 的電流為：I 1I 2 If 2nTA1 - nTA2 = nTAIf 2|f 2當(dāng)nTA大于CJ的整定值I act時，即nTA > I act , CJ動作。以上情況是一種理想情況，實際上兩側(cè)TA的特性不可能完全一相，誤差也不一樣，即nTA1z nTA2,正常運行時，|1 I 2不-阪工0,總有一定量的電流流入 CJ,此電流稱為不平衡 電流，用Iunb表示，在發(fā)電機正常運行時，此電流很小，當(dāng) 外部故障時，由于短路電流的作用，TA的誤差增大，差動保護就有可能發(fā)生誤動作。為使CJ在發(fā)電機正常運行及外部故障時不發(fā)生誤動作，CJ的整定電流值必須大于可

9、能的最大 不平衡電流。這樣使得發(fā)電機內(nèi)部故障時保護的靈敏度就降 低了。為了既不降低發(fā)電機內(nèi)部故障時保護的靈敏度，又要不 使發(fā)電機正常運行和外部故障時發(fā)生保護誤動作，現(xiàn)常采用 的是具有比率制動特性的差動保護，其算法如下：動作量 I D=1 / -12 /制動量 Iz= 2( I.i / +I2 / )當(dāng)發(fā)電機正常運行或外部故障時 ，11 / =2 /I D= 11 / - I 20 很小,1丄IZ= Iz= 2( I1/ +I2/)=nA,很小(等于發(fā)電機兩側(cè)短路電流差的一半)特別是當(dāng)I】/ =I 2/時,Iz=0。可見保護能可靠動作， ( If2 1 / +12/ )二nTA較大(I為發(fā)電機正

10、常電流或外 部故障電流)所以保護不會動作。當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部故障時：I，=I 2 /If1I D= I 1 / - I 2 / = nTA，很大且動作靈敏度大提高了以上所講的是發(fā)電機的差動保護，變壓器及輸電線路的 差動保護原理也是如此，只是主變壓器的差動保護還引入了 高廠變和勵磁變分支的電流量。2.95%定子接地保護和100%定子接地保護發(fā)電機定子繞組接地危害：為了提高發(fā)電機運行可靠 性，發(fā)電機定子繞組中性點一般不接地，所以定子單相接地 并不構(gòu)成短路。但發(fā)電機定子繞組對鐵芯之間有一定的電 容，若電容值較大，貝U發(fā)生一相接地后會出現(xiàn)相當(dāng)大的接地 電流，當(dāng)接地電流不大于 11.5A時，可以認為是一種異常

11、 狀態(tài)，此時，要求繼電保護動作于信號；而當(dāng)接地電流大于 5A時，產(chǎn)生的電弧將灼傷鐵芯，甚至進一步發(fā)展成相間或匝間短路。一旦鐵芯熔化到一定程度就很難修復(fù)，而造成發(fā)電 機報廢。此外，巨大的短路電流會發(fā)展成兩相接地短路，造 成發(fā)電機進一步損壞。為了補償發(fā)電機定子電壓回路的電容 電流使之不超過規(guī)定值，為防止發(fā)電機定子單相接地故障 時，電容電流形成的電弧對發(fā)電機的定子鐵芯造成嚴重損 傷，所以發(fā)電機中性點經(jīng)接地變壓器接地。定子接地(單相)保護組成和工作原理：(1) 95%定子接地保護：發(fā)電機正常運行時，其三相定子電壓平衡，中性點電壓 為零，但如果發(fā)電機某相定子出口接地時，發(fā)電機中性點電壓會發(fā)生位移，發(fā)電機

12、出口 PT開口三角形可以檢測出這一 零電壓3U0=1OOV,可見，可以用發(fā)電機出口PT開口三角形電壓來反映發(fā)電機定子接地故障。但發(fā)電機正常運行時，其 三相電壓是不可能絕對平衡的，這樣在PT開口三角形上也會有較小的不平衡電壓約為1530V,通過三次諧波濾過器后，其值約為510V,因此，定子單相接地保護整定值必須 大于510V,以防止保護誤動作，所以這種保護存在5%10%的死區(qū)，因此常稱為 95%定子接地保護。(2) 100%定子接地保護：如圖(8-2 )所示，為發(fā)電機機端及中性點的三次諧波 電勢等效圖。發(fā)電機正常運行時，發(fā)電機機端及中性點的三 次諧波電勢為：CmEs1UsEsCmCtUTICMC

13、mC- Ct. . _2中 性 點 ： Un = EsC- Ct所以Un>Us圖8-2當(dāng)發(fā)電機中性點經(jīng)高阻抗接地時，上式仍成立。當(dāng)發(fā)電機某相在離中性點a%處發(fā)生單相接地時，三次諧波電壓等效圖如圖(8-3 )所示。a E?(1- a)Es此時：Us=( 1-a ES(1- a)ESa) Es-tAAUN5牛 Q土 US(1- aUN = a Es|aG(1- a)密圖(8-3)Us|Un|=當(dāng) a> 50%時，Un > Us當(dāng) aW 50%時，Un < Us如果以此關(guān)系作為動作條件，則這種原理的保護“死區(qū)”為a> 50%,但若將這種保護與基波零序電壓保護共同組合 起

14、來，就可以構(gòu)成保護區(qū)為100%的定子繞組單相接地保護。3.轉(zhuǎn)子接地保護發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地危害:發(fā)電機勵磁回路是不接地的，在正常運行情況下，繞組各部分對地電壓由絕緣電阻分配，如電阻為均勻的，繞組最 大電壓為勵磁電壓的一半。如轉(zhuǎn)子回路發(fā)生一點接地，雖不 會出現(xiàn)大的接地電流，但改變了繞組對地電壓的分配，如接 地點偏向勵端，則另一端對地電壓升高， 容易引發(fā)兩點接地， 引起以下嚴重后果：（1）轉(zhuǎn)子磁場發(fā)生畸變，不僅使發(fā)電機電壓和電流的波 形發(fā)生畸變，而且引起機械振動。（2）勵磁電流經(jīng)部分鐵芯而形成回路，在接地點處產(chǎn)生直流電弧。如產(chǎn)生電弧，則在高溫作用下，會燒壞勵磁繞組甚至使轉(zhuǎn)子鐵芯局部熔化，造成永久性損傷，

15、使轉(zhuǎn)子報廢。（3 ）巨大的勵磁電流雜散流過汽輪機外殼，可使汽缸磁化。（4）由于短路后勵磁回路電阻減小，結(jié)果勵磁電流增大，如短路匝數(shù)過多，會使勵磁回路過電流。轉(zhuǎn)子接地保護組成、工作原理：注入波幅為50V左右、頻率為12.5Hz的方波電壓，通過 測量轉(zhuǎn)子回路對地電阻來判斷轉(zhuǎn)子繞組接地故障。Ur=50 XRerRer R轉(zhuǎn)子，Rer=1 k Q,而正常情況下 R轉(zhuǎn)子很大，故Ur很 小，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點接地時， R轉(zhuǎn)子大幅降低，故Ur很大。 經(jīng)微機保護裝置內(nèi)部換算后，即可判斷出轉(zhuǎn)子絕緣降低程度。轉(zhuǎn)子絕緣降到5k Q時報警，報警延時 0.5S。轉(zhuǎn)子絕緣降到500 Q時跳閘，跳閘延時 2.5S。4低頻保

16、護頻率高或低對發(fā)電機本身危害：頻率增高，主要是受轉(zhuǎn)子機械強度的限制，頻率高就是電機的轉(zhuǎn)速高， 而轉(zhuǎn)速高， 轉(zhuǎn)子上的離心力就增大，這就易使轉(zhuǎn)子的某些部件損壞，頻 率最高不應(yīng)超過52.5HZ，這是考慮到雖然發(fā)電機的轉(zhuǎn)子在出 廠時，經(jīng)受過超出額定值 20%的超速試驗，但汽機的危急保 安器是整定在超過額定轉(zhuǎn)速的10%左右，而實際運行時再留一點余度。頻率降低對發(fā)電機有以下各方面的影響：（1）頻率降低引起轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速降低，使兩端風(fēng)扇鼓進的 風(fēng)量降低，其后果是使發(fā)電機的冷卻條件變壞，各部分的溫 度升高。（2） 由于發(fā)電機的電勢和頻率磁通成正比，若頻率降低， 必須增大磁通才能保持電勢不變。這就要增加勵磁電流，致

17、 使發(fā)電機轉(zhuǎn)子線圈的溫度增加。（3）頻率降低時，為了使機端電壓保持不變，就得增加 磁通，這就容易使定子鐵芯飽和，磁通逸出，使機座的某些 結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生局部高溫，有的部位甚至冒火星。(4) 頻率降低還可能引起汽機斷葉片，因為頻率低，轉(zhuǎn)速也低，當(dāng)該轉(zhuǎn)速引起葉片振動的頻率接近或等于葉片的固 有振動頻率時，便可能因共振而使葉片折斷。汽輪機的葉片都有一個自然振蕩頻率，如果發(fā)電機運行頻率低于或高于額定值，在接近或等于葉片自振頻率時，將f OT.CHii 北.LHi導(dǎo)致共振，使材料疲勞。達到 材料不允許的程度時，葉片就 有可能斷裂，造成嚴重事故。 材料的疲勞是一個不可逆的 積累過程，所以汽輪機給出了 在規(guī)定頻

18、率下允許的累計運 行時間。低頻運行多發(fā)生在重 負荷下，對汽輪機的威脅將更 為嚴重，另外對極低頻工況，還將威脅到廠用電的安全，因此發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)頻率異常保 護。頻率降低還有一個嚴重的后果，就是廠用電動機的轉(zhuǎn)速 降低，這可能造成一系列的惡性循環(huán)， 如給水泵的壓力不足， 致使鍋爐的汽壓不足，循環(huán)水泵、凝結(jié)水泵的出力不足，影 響汽機真空等。這一切又會影響電機的出力并直接威脅著發(fā) 電機甚至整個電廠和系統(tǒng)的安全運行。尤其是頻率對電壓也 有影響，往往頻率低，使電壓也低，這是因為感應(yīng)電勢的大小與轉(zhuǎn)速有關(guān)的緣故。對發(fā)電機頻率異常運行保護有如下要求：（1） 具有高精度的測量頻率的回路。圖8-4 低頻保護邏輯圖（2）具有頻率分段啟動回路，自動累積各頻率段異常運行時間，并能顯示各段累計時間，啟動頻率可調(diào)。（3）