發(fā)電機繼電保護

1、 7 發(fā)電機繼電保護 #內容提要：1、發(fā)電機繼電保護配置2、發(fā)電機定子相間、匝間短路保護3、發(fā)電機定子、轉子接地故障保護4、發(fā)電機低勵失磁保護 1 發(fā)電機繼電保護配置 配置原則：盡量完善、合理。100MW以上發(fā)電機03年年故障率為3.91次/百臺.年,其中相間故障7.14%,匝間9.51%,鐵芯28.57%,定子接地30.95%. 正確動作率97.02% 1.1、主保護：通常采用雙重快速保護 1.2、后備保護 ：阻抗、復合過流、序電壓電流、諧波電壓等。 例如某600MW發(fā)電機繼電保護配置: (1) 發(fā)電機比率制動差動保護。 (2) 發(fā)電機勵磁機(或勵磁變)差動保護。 (3) 發(fā)電機匝間短路保護

2、。 (4) 發(fā)電機定子接地保護。 (5) 定子電流保護和負序電流保護。作為雙重化快速主保護的后備保護，反應發(fā)電機繞組及引出線的相間故障和不對稱故障。 (6)定子反時限過負荷保護和負序反時限過負荷保護。 (7) 發(fā)電機低勵失磁保護。 (8)轉子一點接地、兩點接地保護 (9)阻抗保護。作為相間故障的后備保護。 (10) 過勵磁保護。 （11）發(fā)電機逆功率保護。 （12）振蕩失步保護。 2 發(fā)電機的相間短路和匝間短路保護2.1發(fā)電機縱差保護原理及整定計算原則2.1.1 定子電流縱差保護原理 圖8-2 發(fā)電機差動保護原理接線示意圖 圖8-3 發(fā)電機差動保護邏輯框圖 參考方向分別指向發(fā)電機母線為正,發(fā)電

3、機正常運行或外部故障時，電流的實際方向與參考方向相同，作用于繼電器的電流為， 繼電器不動作。若當發(fā)電機內部故障時，則實際方向與參考方向相反，即 ，繼電器因大于整定值而動作跳閘，切除機組。2.1.2 發(fā)電機電流縱差保護整定計算 1、小容量發(fā)電機的一般性原則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根據(jù)對不平衡電流的分析，則 當采用措施去掉非周期分量影響時，Knp1；當電流互感器型號相同時Ksam0.5；可靠系數(shù)一般取為Krel1.3 (2)靈敏度校驗： 其中Ik.min為發(fā)電機內部故障時流過保護裝置的最小短路電流. Ik.min的計算應考慮以下兩因素： 發(fā)電機與系統(tǒng)并列運行以前，在其

4、出線端發(fā)生兩相短路，此時，差動回路中只有由發(fā)電機供給的短路電流。 發(fā)電機采用自同期并列時(此時發(fā)電機先不加勵磁，因此，發(fā)電機的電勢)，在系統(tǒng)最小運行方式下，發(fā)電機出線端發(fā)生兩相短路，此時，差動回路中只有由系統(tǒng)供給的短路電流。 對靈敏系數(shù)的要求一般不應低于2。 2發(fā)電機比率制動縱差動保護 根據(jù)接線方式和位置的不同縱差保護又可分為完全縱差和不完全縱差 . (a)中性點側引出6個端子 (b)中性點側引出4個端子 圖8-5 發(fā)電機比率制動縱差保護特性曲線 (1) 比率制動差動原理：差動動作方程如下： 不完全比率制動差動電流、制動電流及動作方程 ， 式中：I1，I2分別為機端，中性點電流或中性點側分支繞

5、組電流，Kb為分支平衡系數(shù)Kb1.0 。 (2) 定值取值范圍： 發(fā)電機差動保護最小動作電流可?。?.10.3）In，發(fā)變組差動保護一般為(0.30.5)In 。 最小制動電流（拐點電流）一不般取發(fā)電機(0.81.0) In。 比率制動特性斜率一般取0.30.5。3、標積制動差動原理 判據(jù)： 為標積制動系數(shù)。 標積制動原理與比率制動一樣。區(qū)外故障時的制動效果與比率制動相同。區(qū)內故障時，由于標積反應電流間相位的余弦，當相位大于90度時，右邊為負值，提高了內部故障時的靈敏度。2.2 發(fā)電機匝間保護 發(fā)電機匝間保護有多種方案。2.2.1 橫差保護 大容量發(fā)電機，每相都是由兩個及以上并聯(lián)的繞組組成，任

6、一個繞組中發(fā)生匝間短路時，兩個繞組中的電勢就不相等，產生環(huán)流。反應兩個支路電流之差的原理 叫橫差動保護。 (b) (c) 1)、電機電器式橫差保護 只用一個電流互感器1裝于發(fā)電機兩組星形中性點的聯(lián)線上。實質是把一半繞組的三相電流之和與另一半繞組三相電流之和進行比較. 注意：三次諧波的不平衡電流 ,當轉子回兩點接地時，橫差動保護可能誤動作，應用延時躲開。 橫差保護動作值：2)、 微機保護橫差單元簡介a保護原理 保護檢測發(fā)電機定子多分支繞組的不同中性點連線電流（即零序不平衡電流）I0中的基波成份。 b定值整定計算 動作電流設計值可初選為0.05IN.G ，Krel為可靠系數(shù)，取1.31.5；Kap

7、er為暫態(tài)系數(shù)取2；Idsq.1.max為外部短路時基波零序電流最大值（不平衡電流）；Idsq.3.max為外部短路時流過電流互感器的三次諧波電流最大值； K3為三次諧波濾過比， 80。 2.2.2 故障分量負序方向（ ）保護 該方案不需引入發(fā)電機縱向零序電壓。 故障分量負序方向（ ）保護主要裝在發(fā)電機端，作為發(fā)電機內部匝間短路的主保護和內部相間短路及定子繞組開焊的保護，也可裝設于主變高壓側使保護范圍擴大到整個發(fā)變組。 保護原理 不對稱故障時，負序源在故障發(fā)生點，系統(tǒng)側是對稱的，則必有負序功率由發(fā)電機流出。則負序功率的故障分量為： 為 的共軛相量， 為故障分量負序方向繼電器的最大靈敏角，一般在

8、7585之間（ 滯后 的角度）。近似計算其中 =實際應用動作判據(jù)可綜合為： 式中 ， ， 分別為故障分量負序電壓，負序電流，負序功率門檻值。三式同時成立才跳閘。 保護定義的負序功率并非發(fā)電機機端故障前后負序功率之差。注意：發(fā)電機突然失去輸入的負序功率保護裝置將誤判為發(fā)電機內部故障。應用頻率跟蹤技術消除誤差。 定值建議 根據(jù)經(jīng)驗，建議 1%， 3%。， 可固定選取0.1%（以發(fā)電機額定容量為基準）。 2.2.3 發(fā)電機縱向零序過電壓匝間保護 保護原理 發(fā)電機定子繞組發(fā)生內部短路，三相機端對中性點的電壓不再平衡。 接線方式： 電壓互感器中性點與發(fā)電機中性點直接相連且不接地，開口三角繞組輸出縱向3U

9、0作為保護判據(jù)： 為防止外部短路時縱向零序不平衡電壓增大造成保護誤動。須增設故障分量負序方向元件為選擇元件,為防止暫態(tài)干擾造成誤動，一般還應增加一較短延時t（一般整定50100ms）。并網(wǎng)前由低電流判據(jù)做出選擇，基波零序電壓應濾出三次諧波電壓。 縱向基波零序電壓保護動作電壓設計值可初選為23V，以躲過外部短路時的不平衡電壓；整定同前。 3 發(fā)電機的定子單相接地保護 接地電容電流等于或大于5A時，動作于跳閘，小于5A時作用于信號。 3.1發(fā)電機定子繞組單相接地的特點 故障點電壓為： 故障點總的接地電流即為 ： 發(fā)電機外部單相接地的零序等效網(wǎng)絡 發(fā)電機內部單相接地時，機端的電壓向量圖 機端的零序電

10、壓為：與故障點電壓相同。 3. 2利用零序電壓構成的定子接地保護 過電壓繼電器連接于發(fā)電機TV二次側開口三角的輸出電壓上。繼電器起動電壓一般整定為1530V左右。缺點：整定值較高，當中性點附近發(fā)生接地時出現(xiàn)死區(qū)。 3.3、基波零序電壓和三次諧波電壓構成100%接地保護 (1) 發(fā)電機正常運行時三次諧波電勢的分布特點三次諧波電勢和對地電容的等值電路圖 發(fā) 電機中性點接有消弧線圈時, 中性點不接地時三次諧波電壓為： 機端的三次諧波電壓為： 機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓之比為： 1）正常運行時，中性點側三次諧波電壓總是大于機端三次諧波電壓。 中性點經(jīng)消弧線圈接地，假設基波電容電流得到完全補償

11、，機端三次諧波電壓和中性點三次諧波電壓之比仍滿足機端側小于中性點側的結論。 2）當定子繞組接地故障。 若接地點到中性點的距離為 時，不管發(fā)電機中性點是否接有消弧線圈，恒有 ：其中 ， 。 當 50V起動保護判斷程序， 當Rg小于或等于接地電阻整定值時，發(fā)出信號或作用于跳閘。 定值整定計算 接地電阻整定值取決于正常運行時轉子回路的絕緣水平；當接地電阻高,定值整定為10k時，延時（410s）動作于發(fā)信號；當接地電阻低,定值整定為10k時，延時（14s）動作于跳閘。應注意，轉子接地保護不能與其它勵磁回路絕緣監(jiān)視裝置共同使用，以免互相影響。 (2) 轉子兩點接地保護 轉子兩點接地后短路電流大，勵磁電流

12、增加，可能燒壞繞組；氣隙磁通失去平衡，而使機組劇烈振動，同時還會使軸系和汽機磁化等嚴重后果。 保護原理 在一點接地故障后，保護裝置繼續(xù)測量接地電阻的接地位置，若再發(fā)生轉子另一點接地故障，則已測得 的值將變化 。保護判據(jù)為： 定值整定 接地位置變化動作值一般可整定為5%10%U（U發(fā)電機勵磁電壓）；動作時限按躲過瞬時出現(xiàn)的兩點接地故障整定，一般為0.51.0s。 4 發(fā)電機的失磁保護 4.1發(fā)電機的失磁原因及其產生的影響 失磁原因：轉子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關誤跳閘、勵磁系統(tǒng)中元件或回路發(fā)生故障及誤操作等。危害：發(fā)電機的功角增大。發(fā)電機與系統(tǒng)失去同步；系統(tǒng)中將出現(xiàn)的無功功率差額；電壓崩

13、潰而使系統(tǒng)瓦解；有功功率將降低 ；形成附加的損耗，使發(fā)電機轉子和勵磁回路過熱；對水輪發(fā)電機，機組振動較大，一般不允許在失磁以后繼續(xù)運行。4.2發(fā)電機失磁后的機端測量阻抗 (1) 在失磁后到失步前的階段基本上保持了電磁功率不變，測量阻抗為： 式中的 、 和P為常數(shù)， 為正數(shù)，因此它是一個圓的方程式，這個圓是在某有功功率P不變的條件下做出的，因此稱為等有功阻抗圓。測量阻抗也沿著圓周隨之由第一象 限過渡到第四象限。(2) 臨界失步點 對汽輪發(fā)電機組，當 時， 發(fā)電機處于失去靜穩(wěn)定的臨界狀態(tài)， 故稱為臨界失步點。Q為負值，表明臨界失步時，發(fā) 電機自系統(tǒng)吸收無功功率，且為一常數(shù)， 臨界失步阻抗圓臨界失步

14、點也稱為等無功點。 圓心的坐標為 ，圓的半徑為 。這個圓稱為臨界失步阻抗圓，也稱等無功阻抗圓， 圓周為發(fā)電機在以不同的有功功率P運行下臨界失步時，機端測量阻抗的軌跡，圓內為失步區(qū)。(3) 失步后的異步運行階段機端測量阻抗應為 異步發(fā)電機的等效電路圖 為定子繞組漏抗； 為轉子繞組漏抗； 為轉子繞組電阻； 為轉差率 ； 為反映發(fā)電機功率大小的等效電阻； 為定子轉子繞組之間的互感電抗?？蛰d運行失磁時 ，測量阻抗為最大。隨著轉差率S的增大而減小，并位于第四象限內,極限情況當 時， 的數(shù)值為最小 失磁以后，測量阻抗沿等有功阻抗圓向第四象限移動,當它與臨界失步圓相交時，表明機組運行處于靜穩(wěn)定的極限。越過此

15、點以后，轉入異步穩(wěn)定運行，此時，平均異步功率與調節(jié)后的原動機輸入功率相平衡。 發(fā)電機端測量阻抗在失磁后的變化軌跡4.3發(fā)電機在其它運行方式下的機端測量阻抗 (1) 發(fā)電機正常運行時的機端測量阻抗 當發(fā)電機向外輸送有功和無功功率時，其機端測量阻抗位于第一象限。 (2) 發(fā)電機外部故障時的機端測量阻抗 當采用零度接線方式時，故障相測量阻抗位于第一象限 。 (3) 發(fā)電機與系統(tǒng)間發(fā)生振蕩時的機端測量阻抗當 時，測量阻抗的最小值為發(fā)電機在各種運行情況下的機端測量阻抗 系統(tǒng)振蕩時機端測量阻抗的變化軌跡 4.4低勵失磁保護的構成方式 原則：失磁保護應能正確反應發(fā)電機的失磁故障，而在發(fā)電機外部故障、電力系統(tǒng)

16、振蕩、發(fā)電機自同步并列以及發(fā)電機低勵磁(同步)運行時不誤動作。 靜穩(wěn)邊界阻抗判據(jù)采用0接線方式（Uab、Iab），發(fā)電機失磁失步時，機端測量阻抗由第I象限進入第 象限。經(jīng)延時t3（11.5s）發(fā)失磁信號或壓出力，經(jīng)長延時t5(15s)動作于跳閘 異步邊界阻抗動作判據(jù) 失磁保護的阻抗繼電器將位于平面的第III、第IV象限，沒有第I、第II象限的動作區(qū)，有利于減少非失磁故障時的誤動機率。該判據(jù)的優(yōu)點是在系統(tǒng)振蕩狀況下，若兩側電動勢相等，則此動作判據(jù)的失磁保護不會誤動。 動作特性園與靜穩(wěn)邊界阻抗扇形園均相切于xd。 靜穩(wěn)極限勵磁電壓U(P)判據(jù) 優(yōu)點是它的整定值隨發(fā)電機有功 P的增大而增大，可靈敏反

17、應 發(fā)電機在各種負荷狀態(tài)下的失磁 故障，凡是能導致失步的失磁初 始階段，U(P)可快速動作發(fā)出預告并使發(fā)電機減載。 ， 定勵磁低電壓判據(jù) 保證機組空載運行及PPt的輕載運行情況下全失磁時保護能可靠動作，所以附加整定值為固定值的勵磁低電壓判據(jù)，簡稱為“定勵磁低電壓判據(jù)” 一般取U.set=0.2 U0 。U(P)判據(jù)和定勵低電壓判據(jù)共作用，二條件滿足后，經(jīng)較短延時(0.10.2s)發(fā)失磁信號、壓出力或跳閘。 并網(wǎng)以前的升速過程中，為了保證勵磁低電壓判據(jù)不誤出口，該判據(jù)還應采取有功閉鎖，即當有功P0.01SN時閉鎖。 機端電壓判據(jù) 機端電壓判據(jù)作為強行減磁時閉鎖及閉鎖“定勵磁低電壓判據(jù)”的輔助判據(jù)

18、， 。 機端電壓整定值，一般可?。?.151.25）。保持時間一般取26s。 合理選擇動作判據(jù)，組成不同保護方案。 低勵失磁保護方案一 該方案以機端視在阻抗反映低勵失磁故障，不需引入轉子電壓 。 低勵失磁保護方案二 該方案只在方案一的基礎上，增加U(P)判據(jù)，經(jīng)延時t4快速動作于跳閘。失磁保護方案五邏輯框圖 5、發(fā)電機逆功率保護 誤關主汽門會造成有功倒送而形成逆功率運行，逆功率保護作為汽輪發(fā)電機出現(xiàn)有功功率倒送的保護。殘留在汽輪機尾部的蒸汽與長葉片摩擦，使葉片過熱受損，一般規(guī)定逆功率不能超過3分鐘。也可用于程序跳閘的啟動元件。 5.1 保護原理 逆功率保護反應發(fā)電機從系統(tǒng)吸收有功功率的大小。電壓取自發(fā)電機機端TV；電流取自發(fā)電機機端（或中性點）TA。保護按0接線。主汽門完全關閉時，動作判據(jù)為： ，否則動作判據(jù)為： (p的正方向指向母線) 。 5.2定值整定計算 (1) 動作功率Pset的計算式中，Krel可靠系數(shù)，取0.50.8；P1汽輪機在逆功率運行時的最小損耗，一般取額定功率的24%；P2發(fā)電機在逆功率運行時的最小損耗，一般取P2 。 （2) 動作時限經(jīng)主汽門關閉觸點時，延時1.01.5s。不經(jīng)主汽門關閉觸點時，延時15s動作于信號。根據(jù)汽輪機允許的逆功率運行時間，動作于解列，一般取23min。 (3) 用于程序跳閘的逆功率繼電器作為閉鎖元件，其