7.2發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的保護(hù)詳解課件

1、7.2 發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的保護(hù)發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的特點(diǎn)比率制動(dòng)式縱差動(dòng)保護(hù)標(biāo)積制動(dòng)式縱差動(dòng)保護(hù)發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)的接線方式發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)整定與靈敏度發(fā)電機(jī)橫差動(dòng)保護(hù)縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護(hù) 發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障主要是指定子的各種相間和匝間短路故障，短路故障時(shí)在發(fā)電機(jī)被短接的繞組中將會(huì)出現(xiàn)很大的短路電流，嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)電機(jī)本體，甚至使發(fā)電機(jī)報(bào)廢，危害十分嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)恢復(fù)的費(fèi)用也非常高。7.2.1 發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的特點(diǎn) 發(fā)電機(jī)定子單相接地不會(huì)引起大的短路電流，不屬于嚴(yán)重短路性故障。發(fā)電機(jī)定子的短路性故障歸納起來(lái)主要有五種情況：1 單相接地，再由電弧引發(fā)故障點(diǎn)處相間短路；2 直

2、接發(fā)生線棒間絕緣擊穿形成相間短路；3 發(fā)生單相接地，再由于電位變化引發(fā)其他地點(diǎn)發(fā)生另一點(diǎn)的接地，從而構(gòu)成兩點(diǎn)接地短路；4 發(fā)電機(jī)端部放電構(gòu)成相間短路；5 定子繞組同一相的匝間短路故障。7.2.2 比率制動(dòng)式縱差動(dòng)保護(hù) 如圖所示，圖中以一相為例，規(guī)定一次電流以流入發(fā)電機(jī)為正方向：當(dāng)正常運(yùn)行以及發(fā)生保護(hù)區(qū)外故障時(shí)流入差動(dòng)繼電器的差動(dòng)電流為零，繼電器不動(dòng)作；當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)流入差動(dòng)繼電器的差動(dòng)電流較大，當(dāng)其超過(guò)整定值時(shí)，繼電器判為發(fā)生了發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障而作用于跳閘。 按照傳統(tǒng)的縱差動(dòng)保護(hù)整定方法，為防止縱差動(dòng)保護(hù)在外部短路時(shí)誤動(dòng)，繼電器動(dòng)作電流應(yīng)躲過(guò)最大不平衡電流，這樣一來(lái)，縱差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流將

3、比較大，降低了保護(hù)的靈敏度，甚至有可能在發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路時(shí)拒動(dòng)。 為了解決這個(gè)問題，考慮到不平衡電流隨著流過(guò)TA電流的增加而增加的因素，提出了比率制動(dòng)式縱差動(dòng)保護(hù)，使動(dòng)作值隨著外部短路電流的增大而自動(dòng)增大。設(shè)比率制動(dòng)方程為： 根據(jù)比率制動(dòng)特性曲線分析：當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行，或區(qū)外較遠(yuǎn)的地方發(fā)生短路時(shí)，差動(dòng)電流接近為零，差動(dòng)保護(hù)不會(huì)誤動(dòng)。而在發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障時(shí)，差動(dòng)電流明顯增大，兩側(cè)電流相位接近相同，減小了制動(dòng)量，從而可靈敏動(dòng)作。當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)內(nèi)部輕微故障時(shí)，雖然有負(fù)荷電流制動(dòng)，但制動(dòng)量比較小，保護(hù)一般也能可靠動(dòng)作。ABC 以上動(dòng)作方程可用如圖所示的比率制動(dòng)特性圖表示，它在動(dòng)作方程中引入了啟動(dòng)

4、電流和拐點(diǎn)電流，制動(dòng)線BC 一般已不再經(jīng)過(guò)原點(diǎn)，從而能夠更好地?cái)M合TA的誤差特性，進(jìn)一步提高差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。仍以電流流入發(fā)電機(jī)為正方向，令：動(dòng)作判據(jù)為：7.2.3 標(biāo)積制動(dòng)式縱差保護(hù)原理1 發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作邏輯7.2.4 發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)的接線方式發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)非直接接地有二相或三相繼電器同時(shí)動(dòng)作當(dāng)兩相或兩相以上差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)判定為發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生短路故障當(dāng)僅有一相差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作時(shí)判定為TA斷線1 發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作邏輯7.2.4 發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)的接線方式 為了對(duì)付發(fā)生一點(diǎn)在區(qū)內(nèi)而另外一點(diǎn)在區(qū)外接地引起的同相短路故障，當(dāng)有一相差動(dòng)繼電器動(dòng)作且同時(shí)有負(fù)序電壓時(shí)也判定為發(fā)

5、電機(jī)內(nèi)部短路故障。 這種動(dòng)作邏輯的特點(diǎn)：?jiǎn)蜗郥A斷線時(shí)不會(huì)誤動(dòng)，因此可省去專用的TA斷線閉鎖環(huán)節(jié)，且保護(hù)安全可靠。2 發(fā)電機(jī)不完全縱差動(dòng)保護(hù)接線 常規(guī)縱差動(dòng)保護(hù)引入發(fā)電機(jī)定子機(jī)端和中性點(diǎn)的全部相電流，在定子繞組發(fā)生同相匝間短路時(shí)兩電流仍然相等，保護(hù)將不能動(dòng)作。通常大型的汽輪或水輪發(fā)電機(jī)每相定子繞組均為兩個(gè)或者多個(gè)并聯(lián)分支，如圖所示。2 發(fā)電機(jī)不完全縱差動(dòng)保護(hù)接線 不完全縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)僅引入發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)側(cè)部分分支電流來(lái)構(gòu)成差動(dòng)保護(hù)，行及外部故障狀態(tài)時(shí)無(wú)差流，而發(fā)電機(jī)發(fā)生相間與匝間短路時(shí)會(huì)形成差流，當(dāng)超過(guò)定值時(shí)可切除故障。2 發(fā)電機(jī)不完全縱差動(dòng)保護(hù)接線 不完全縱差保護(hù)可按此原則選擇配置中性點(diǎn)TA的

6、個(gè)數(shù)： N中性點(diǎn)側(cè)每相接入縱差動(dòng)保護(hù)的分支數(shù)； a發(fā)電機(jī)每相的并聯(lián)的支路數(shù)。 由于發(fā)電機(jī)不完全縱差動(dòng)保護(hù)僅引入了中性點(diǎn)的部分分支電流，因此在應(yīng)用時(shí)要注意以 下問題： （1）TA的誤差。發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)TA的變比不再相等，不可能再使用同一型號(hào)的TA，因此TA引起的不平衡電流將會(huì)增加。 （2）誤差源增加。除了通常的誤差以外，不完全差動(dòng)還會(huì)存在一些特別的誤差源：如各分支之間的參數(shù)的一些微小差異（氣隙不對(duì)稱，電機(jī)振動(dòng)等引起的不平衡）。 （3）整定值。相對(duì)于發(fā)電機(jī)完全縱差保護(hù)而言，由于不完全差動(dòng)保護(hù)的誤差增加，在整定時(shí)應(yīng)該考慮適當(dāng)提高縱差保護(hù)的動(dòng)作門檻和比率制動(dòng)系數(shù)。 （4）靈敏度。不完全差動(dòng)保護(hù)的靈

7、敏度與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)分支上TA的布置位置及TA的多少有密切的關(guān)系。在應(yīng)用不完全差動(dòng)前應(yīng)考慮進(jìn)行必要的發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障靈敏度分析與計(jì)算。1 差動(dòng)保護(hù)靈敏度系數(shù)的定義與校驗(yàn)7.2.5 發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)整定與靈敏度 根據(jù)規(guī)程規(guī)定，發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的靈敏度是在發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生兩相金屬性短路情況下差動(dòng)電流和動(dòng)作電流的比值，要求Ksen1.5。2 縱差動(dòng)保護(hù)的整定 由圖可見，具有比率制動(dòng)特性的差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性可由A、B、C三點(diǎn)決定。對(duì)差動(dòng)保護(hù)的整定計(jì)算實(shí)質(zhì)上就是對(duì)Id.min、Ires.min及K的整定計(jì)算。ABC（1）啟動(dòng)電流Id.min的整定整定原則躲過(guò)發(fā)電機(jī)額定工況下差動(dòng)回路中的最大不平 衡電流。 對(duì)

8、于不完全縱差保護(hù)，考慮到發(fā)電機(jī)每相各分支電流差異，應(yīng)適當(dāng)提高啟動(dòng)電流的整定值可靠系數(shù)，取1.51.2保護(hù)兩側(cè)TA變比誤差產(chǎn)生的差流，取0.6Ign保護(hù)兩側(cè)的二次誤差，取0.1Ign（2）拐點(diǎn)電流Ires.min的整定 拐點(diǎn)電流的大小，決定保護(hù)開始產(chǎn)生制動(dòng)作用的電流的大小。由圖可知，在啟動(dòng)電流及動(dòng)作特性曲線的斜率保持不變的情況下，拐點(diǎn)電流越小，差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作區(qū)越小，而制動(dòng)區(qū)增大；反之亦然。因此，拐點(diǎn)電流的大小直接影響差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作靈敏度。通常拐點(diǎn)電流整定計(jì)算式為：（3）比率制動(dòng)特性的制動(dòng)系數(shù)和制動(dòng)線斜率的整定 發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)比率制動(dòng)特性的制動(dòng)線斜率K決定于圖中夾角。拐點(diǎn)電流確定后，夾角決定于C點(diǎn)

9、。而特性曲線上的C點(diǎn)又可近似由發(fā)電機(jī)外部故障時(shí)最大短路電流與差動(dòng)回路中的最大不平衡電流確定。由此制動(dòng)系數(shù) （即OC的斜率）可以用下式表示：（3）比率制動(dòng)特性的制動(dòng)系數(shù)和制動(dòng)線斜率的整定制動(dòng)線線斜率可以用下式表示：影響差動(dòng)回路中的最大不平衡電流的因素：1 總差動(dòng)保護(hù)用兩側(cè)TA的10%誤差；2 二次回路參數(shù)差異及差動(dòng)保護(hù)測(cè)量誤差；3 總差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)TA暫態(tài)特性?？煽肯禂?shù)，取1.31.5；暫態(tài)特性系數(shù)，取0或0.050.1；最大動(dòng)作電流1 發(fā)電機(jī)裂相橫差保護(hù)基本原理7.2.6 發(fā)電機(jī)橫差動(dòng)保護(hù) 裂相橫差保護(hù)大容量發(fā)電機(jī)每相都由兩個(gè)或兩個(gè)以上并聯(lián)分支繞組組成，正常運(yùn)行時(shí)各繞組中電勢(shì)相等，流過(guò)相等的負(fù)荷

10、電流；當(dāng)同相內(nèi)非等電位點(diǎn)匝間短路時(shí)，各繞組中電勢(shì)不再相等，出現(xiàn)因電勢(shì)差而在各繞組間產(chǎn)生的環(huán)流。利用這個(gè)環(huán)流可以實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路的保護(hù)，構(gòu)成裂相橫差保護(hù)的原理。 以一個(gè)每相具有兩個(gè)并聯(lián)分支繞組的發(fā)電機(jī)為例，發(fā)生不同性質(zhì)的同相內(nèi)部短路時(shí)，裂相橫差動(dòng)保護(hù)的原理可由下圖表示。動(dòng)作 當(dāng)環(huán)流大于啟動(dòng)電流時(shí)，保護(hù)可靠動(dòng)作，但是當(dāng)短路匝數(shù)較小時(shí)，環(huán)流也較小，有可能小于啟動(dòng)電流，所以保護(hù)有死區(qū)。 以一個(gè)每相具有兩個(gè)并聯(lián)分支繞組的發(fā)電機(jī)為例，發(fā)生不同性質(zhì)的同相內(nèi)部短路時(shí)，裂相橫差動(dòng)保護(hù)的原理可由下圖表示。動(dòng)作 只要有兩個(gè)分支繞組短路點(diǎn)存在電勢(shì)差（12），就會(huì)分別產(chǎn)生環(huán)流，保護(hù)動(dòng)作。7.2.6 發(fā)電機(jī)橫

11、差動(dòng)保護(hù)2 單元件橫差動(dòng)保護(hù)基本原理 單元件橫差動(dòng)保護(hù)適用于具有多分支的定子繞組且有兩個(gè)以上中性點(diǎn)引出端子的發(fā)電機(jī)，能反應(yīng)定子繞組匝間短路、分支線棒開焊及機(jī)內(nèi)繞組相間短路。動(dòng)作7.2.6 發(fā)電機(jī)橫差動(dòng)保護(hù) 理想發(fā)電機(jī)正常時(shí)中性點(diǎn)連接線上不會(huì)有電流產(chǎn)生，實(shí)際上發(fā)電機(jī)有不同中性點(diǎn)之間存在不平衡電流，可能的原因有:（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(shì)及支路電流有差異；（2）發(fā)電機(jī)定子氣隙磁場(chǎng)不完全均勻，在不同定子繞組中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)不同；（3）轉(zhuǎn)子偏心，在不同的定子繞組中產(chǎn)生不同電勢(shì)； （4）存在三次諧波電流。7.2.6 發(fā)電機(jī)橫差動(dòng)保護(hù) 因此，單元件橫差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作電流必須克

12、服這些不平衡電流，整定式為：1 縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護(hù)基本原理7.2.7 縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護(hù) 縱向零序電壓發(fā)電機(jī)定子繞組在其同一分支匝間或同相不同分支間發(fā)生短路故障時(shí)，均會(huì)出現(xiàn)縱向不對(duì)稱（即機(jī)端相對(duì)于中性點(diǎn)出現(xiàn)不對(duì)稱），從而產(chǎn)生所謂的縱向零序電壓。 該電壓由專用電壓互感器（互感器一次中性點(diǎn)與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過(guò)高壓電纜連接起來(lái)，而不允許接地）的開口三角形繞組兩端取得。當(dāng)測(cè)量到縱向零序電壓超過(guò)定值時(shí)，保護(hù)動(dòng)作。2 縱向零序電壓的整定 對(duì)縱向零序電壓式匝間短路保護(hù)進(jìn)行整定計(jì)算的步驟：1） 對(duì)發(fā)電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，并估算發(fā)生最少匝數(shù)匝間短路時(shí)的最小縱向零序電壓值；2 ）據(jù)此進(jìn)行整定和靈敏度校核；3 ）考慮躲開各種因素引起的不平衡電壓。 實(shí)用中，縱向零序電壓式匝間短路保護(hù)的動(dòng)作電壓可按下式進(jìn)行整定： 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，縱向零序電壓式匝間短路保護(hù)動(dòng)作電壓一般可取2.53V。需要指出，縱向零序電壓式匝間短路保護(hù)也需要具有性能良好的濾除三次諧波的濾波器。3 負(fù)序功率方向元件 為防止區(qū)外故障時(shí)匝間短路保護(hù)誤動(dòng)作，可以增設(shè)負(fù)序功率方向元件。同樣，負(fù)序功率方向元件的動(dòng)作方向，應(yīng)根據(jù)不同發(fā)電機(jī)的定子繞組