發(fā)電機繼電保護

第7章發(fā)電機繼電保護第七章發(fā)電機的繼電保護基本要求學習內容習題與思考題2本章基本要求掌握發(fā)電機的縱差動和橫差動保護；掌握單相接地保護；掌握發(fā)電機的負序過電流保護；掌握發(fā)電機的失磁保護；了解發(fā)電機-變壓器組繼電保護的特點返回3第一節(jié)

發(fā)電機的故障類型、不正常運行狀態(tài)及其相應的保護方式（1）發(fā)電機故障發(fā)電機由定子繞組和轉子繞組兩部分構成。定子繞組故障①定子繞組相間故障②定子繞組接地故障③定子繞組一相匝間故障轉子繞組故障①轉子繞組一點或兩點接地故障②勵磁消失4故障與保護配置：5故障與保護配置：6故障與保護配置：7故障與保護配置：8故障與保護配置：9(二)發(fā)電機不正常運行狀態(tài)：外部短路引起的定子繞組過電流負荷超過發(fā)電機額定容量引起的三相對稱過負荷外部不對稱短路或不對稱負荷引起的發(fā)電機負序過電流由于突然甩負荷引起的定子繞組過電壓勵磁回路故障或強勵時間過長引起的轉子繞組過負荷由于汽輪機主氣門突然關閉引起的發(fā)電機逆功率運行失步運行10不正常運行狀態(tài)的繼電保護：11不正常運行狀態(tài)的繼電保護：12不正常運行狀態(tài)的繼電保護：13對于300MW及以上發(fā)電機，應裝設過勵磁保護其他保護：14內部短路故障主要是指定子的各種相間和匝間短路故障，短路故障時被短接的繞組中將會出現(xiàn)很大的短路電流，嚴重損傷發(fā)電機本體，甚至使發(fā)電機報廢，危害十分嚴重，發(fā)電機修復費用非常高。(二)定子繞組短路故障的特點：15定子短路故障種類：單相接地相間短路（電弧）（線棒間絕緣擊穿）（端部放電）兩點接地短路匝間短路16第二節(jié)

發(fā)電機的縱差動保護和橫差動保護1.發(fā)電機的縱差動保護的整定計算和原理接線內部故障：快速而靈敏地切除故障外部故障：保證動作的選擇性和工作的可靠性17縱差動保護接線方式(1)完全差動保護

特點：差動電流取自發(fā)電機機端和中性點引出端可以反映定子繞組各種類型的相間故障不能反映定子繞組匝間故障18縱差動保護接線方式(2)不完全差動保護

特點：差動電流取自發(fā)電機機端和定子繞組中性點側部分分支可以反映定子繞組各種類型的相間故障可以反映定子繞組匝間故障19(1)在正常情況下，電流互感器二次回路斷線時保護不應誤動。保護裝置和繼電器的啟動電流分別為斷線后發(fā)生外部短路，則繼電器中流過短路電流，保護仍要誤動。20應裝設斷線監(jiān)視裝置：按躲開正常運行時的不平衡電流整定21在縱差動保護中，不平衡電流的穩(wěn)態(tài)值為(2)啟動電流按躲開外部故障時的最大不平衡電流整定，此時繼電器的整定電流應為由上式可得22出口處發(fā)生三相短路的最大短路電流約為對于汽輪發(fā)電機差動繼電器的啟動電路為23出口處發(fā)生三相短路的最大短路電流約為對于水輪發(fā)電機差動繼電器的啟動電路為24

按躲開不平衡電流條件整定的差動保護，其啟動值都遠較按躲開電流互感器二次回路斷線的條件為小，因此，保護靈敏性就高。但在正常運行時情況下發(fā)生電流互感器二次回路斷線時，在負荷電流的作用下，差動保護就有可能誤動作。25當差動保護的整定值小于額定電流時，可不裝設電流互感器回路斷線的監(jiān)視裝置。當采用帶有速飽和和變流器的差動繼電器時，亦可利用差動線圈和平衡線圈的適當組合和聯(lián)接，構成高靈敏度的縱差動保護。26(3)對100MW及以上大容量發(fā)電機，采用具有比率制動特性的差動繼電器，即利用外部故障時的穿越電流實現(xiàn)制動。27

發(fā)電機縱差動保護的靈敏性(靈敏系數(shù))Idmin為內部故障時流過保護裝置的最小短路電流，應考慮以下兩種情況：發(fā)電機與系統(tǒng)并列運行以前，在其出線端發(fā)生兩相短路，此時，差動回路中只有有發(fā)電機供給的短路電流I1”，而I1’=0：發(fā)電機采用自同期并列時，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I1’，而I1”=0。282.發(fā)電機匝間短路的橫差動保護大容量發(fā)電機內部接線對發(fā)電機定子繞組匝間短路的保護，即橫差動保護29利用因電勢差在各繞組間產(chǎn)生的環(huán)流來實現(xiàn)(1)繞組內部發(fā)生匝間短路匝數(shù)a越多，則環(huán)流越大。a=0時，環(huán)流較小，保護有死區(qū)。30(2)在同相的兩個繞組間發(fā)生匝間短路利用兩個分支繞組短路點存在電勢差而產(chǎn)生的環(huán)流來實現(xiàn)a1=a2時，環(huán)流較小，保護有死區(qū)。31橫差動保護之一：兩個電流互感器和一個繼電器兩個電流互感器和一個繼電器32橫差動保護之二：單繼電器式33橫差動保護之二：單繼電器式實際發(fā)電機不同中性點之間存在不平衡電流的原因：定子同相而不同分支的繞組參數(shù)不完全相同，致使兩端的電動勢及分支電流有差異

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)生的感應電動勢不同轉子偏心，在不同的定子繞組中產(chǎn)生不同電動勢存在三次諧波電流34橫差動保護之二：單繼電器式三次諧波過濾器沒有因互感器的誤差所產(chǎn)生的不平衡電流三次諧波電動勢35(3)縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護按躲開區(qū)外不對稱短路時的最大不平衡電壓整定，一般取2.5-3V。需要性能良好的三次諧波濾波器防止TVN1一次斷線而引起保護誤動作防止區(qū)外故障時匝間短路保護誤動作36第三節(jié)

發(fā)電機的單相接地保護原因：定子繞組絕緣破壞而引起。占70%~80%影響：故障點引起電弧，使繞組的絕緣和定子鐵芯燒壞，發(fā)展成相間短路。措施：接地電容電流大于5A時，跳閘；反之作用于信號。371.發(fā)電機定子繞組單相接地的特點由中性點到故障點的繞組占全部繞組匝數(shù)的百分數(shù)38

故障點各相電動勢為、、

各相對地電壓分別為

因此故障點的零序電壓為39發(fā)電機的零序電容電流和網(wǎng)絡的零序電容電流為則故障點的接地電流為其有效值為。40發(fā)電機額定電壓(kV)發(fā)電機額定容量(MW)接地電流允許值(A)6.3<50410.550-100313.8-15.75125-200218-203001發(fā)電機單相接地電流允許值41發(fā)電機內部故障發(fā)電機外部故障42發(fā)電機內部單相接地時，機端各相的對地電壓分別為

機端的零序電壓為43中性點不接地發(fā)電機等值零序網(wǎng)絡故障點零序電流44中性點經(jīng)消弧線圈接地發(fā)電機等值零序網(wǎng)絡故障點零序電流452.利用零序電流構成的定子接地保護對直接連接在母線上的發(fā)電機，在實現(xiàn)接地保護時，應做到一次側的接地電流（即零序電流）大于允許值時即動作跳閘。對零序電流互感器的要求：正常運行時，在三相對稱負荷電流的作用下，在二次側的不平衡輸出應該能很??；接地故障時，在很小的零序電流作用下，在二次側應有足夠大的功率輸出，以使保護裝置能夠動作。46當一次電流I’1一定時，電流互感器的輸出視在功率為最大視在功率為Z2=Z’L時,Smax最大。盡量提高零序電流互感器的勵磁阻抗。47接于零序電流互感器上的發(fā)電機零序電流保護，其整定原則：躲過外部單相接地時，發(fā)電機本身的電容電流以及由于零序電流互感器一次側三相導線排列不對稱，而在二次側引起的不平衡電流。保護裝置的一次動作電流應小于表7.1規(guī)定的允許值。為防止外部相間短路產(chǎn)生的不平衡電流引起接地保護誤動作，應在相間保護動作時將接地保護閉鎖。保護裝置一般帶有1-2s的時限，以躲開外部單相接地瞬間，發(fā)電機暫態(tài)電容電流的影響。483.利用零序電壓構成的定子接地保護（用于發(fā)電機-變壓器組）發(fā)電機-變壓器電壓系統(tǒng)的對地電容分布49零序電壓獲取方法：機端電壓互感器的開口三角輸出中性點電壓互感器二次輸出中性點接地變二次輸出零序電壓獲取中的不平衡輸出互感器傳變誤差三次諧波由高壓側通過電容耦合的零序電壓保護判據(jù)：50中性點三次諧波電壓機端三次諧波電壓三次諧波電壓比（4）利用三次諧波電壓構成的定子繞組單相接地正常運行時定子繞組三次諧波分布51單相接地時定子繞組三次諧波分布中性點三次諧波電壓機端三次諧波電壓三次諧波電壓比52保護范圍：靠近中性點側50%的定子繞組接地故障，可靠反映利用零序電壓和三次諧波電壓構成100%定子接地保護保護判據(jù)：保護判據(jù)：53發(fā)電機-變壓器組單相接地信號裝置接線：中性點附近有死區(qū)加裝三次諧波過濾器對于高壓側中性點直接接地電網(wǎng)，利用保護裝置的延時躲開高壓側的接地故障。對于高壓側非中性點直接接地電網(wǎng)，利用高壓側的零序電壓將發(fā)電機保護閉鎖或利用它對保護實現(xiàn)制動。54發(fā)電機100%定子繞組單相接地保護：55第四節(jié)

發(fā)電機的負序過電流保護1.負序過電流保護的作用負序電流不對稱短路負荷不平衡發(fā)熱振動負序電流與轉子過熱量的關系：56負序電流與持續(xù)時間的關系：結論：發(fā)電機負序過電流保護是對定子繞組電流不平衡而引起轉子過熱的一種保護。57負序電流的危害定子繞組中的負序電流將在轉子繞組中感應出100Hz的高頻分量。該分量會在轉子鐵芯中產(chǎn)生渦流，導致轉子發(fā)熱負序氣隙旋轉磁場與轉子電流之間以及正序氣隙旋轉磁場與定子負序電流之間所產(chǎn)生的100Hz交變電磁轉矩，將同時作用在轉子大軸和定子機座上，從而引起100Hz的振動，威脅發(fā)電機安全負序電流保護的作用作為防止發(fā)電機過熱外部不對稱故障的后備保護58發(fā)電機的負序電流及單相式低電壓啟動的過電流保護反應于三相對稱短路反應于負序過電流592.定時限負序過電流保護低電壓起動過電流保護，反應于三相對稱短路整定值較大轉子過熱或后備保護整定值較小發(fā)出不對稱負荷信號60負序過電流保護的整定原則：按照躲開電機長期允許的負序電流值和最大負荷下負序過濾器的不平衡電流來整定。一般情況下動作時限則應保證外部不對稱短路時動作的選擇性，一般采用5~10s。61負序過電流保護的整定原則：按照發(fā)電機短時間允許的負序電流來整定。對表面冷卻的發(fā)電機組62發(fā)電機和變壓器都有負序電流后備保護，則高壓母線上發(fā)生不對稱短路時，發(fā)電機負序過電流保護的靈敏系數(shù)應較變壓器為低。I2js為發(fā)生外部故障且流過升壓變壓器的負序電流正好與其負序電流保護的起動電流相等時，流過被保護發(fā)電機的負序短路電流。動作時限仍按后備保護的原則逐級配合，一般取為3~5s。63(1)ab段：保護裝置的動作時限(4s)大于發(fā)電機允許的時間，因此可能出現(xiàn)發(fā)電機已被破壞而保護尚未動作。64(2)bc段：保護裝置的動作時限小于發(fā)電機的允許時間，從發(fā)電機繼續(xù)安全運行的角度來看，在不該切除的時候就它切除了，因此沒有充分利用發(fā)電機本身所具有的承受撫恤電流的能力。65(3)cd段：靠保護裝置動作發(fā)出信號，然后由值班人員來處理的時間。當負序電流靠近c點附近時，發(fā)電機所允許的時間與保護裝置的時間實際相差很小，因此有可能發(fā)生保護給出信號后，值班人員還未來得及處理，而發(fā)電機受害已超過允許時間。663.負序反時限過電流保護保護跳閘特性與負序電流曲線的配合67負序反時限過電流保護及負序過負荷信號保護：開放反時限部分的計時回路開放反時限部分的跳閘回路68第五節(jié)

發(fā)電機的失磁保護1.發(fā)電機的失磁運行及其產(chǎn)生的影響發(fā)電機失磁故障是指發(fā)電機的勵磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因：轉子繞組故障勵磁機故障自動滅磁開關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。69勵磁電流↓失磁感應電動勢Ed↓原動機轉矩>電磁轉矩轉子速度↑功角↑>靜態(tài)穩(wěn)定極限角失去同步超過同步轉速轉子回路中感應出電流異步制動轉矩(fg–fs)異步轉矩=原動機轉矩異步發(fā)電機穩(wěn)定運行70異步運行時對電力系統(tǒng)和發(fā)電機產(chǎn)生影響：從電網(wǎng)中吸收很大的無功功率以建立發(fā)電機的磁場。從電網(wǎng)中吸收無功功率將因此電網(wǎng)的電壓下降。由于失磁發(fā)電機吸收大量的無功功率，因此為了其定子繞組的過電流，發(fā)電機所能發(fā)出的有功功率將較同步運行時有不同的降低。71異步運行時對電力系統(tǒng)和發(fā)電機產(chǎn)生影響：失磁后發(fā)電機的轉速超過同步轉速，因此在轉子及勵磁回路中將產(chǎn)生頻率為ff-fs的交流電流（差頻電流），因而形成附加的損耗，使發(fā)電機轉子和勵磁回路過熱。當超速運行后，調速器立即關小汽門，使汽輪機的輸出功率與發(fā)電機的異步功率很快達到平衡，在轉差率小于0.5%的情況下即可穩(wěn)定運行。722.發(fā)電機失磁后的機端測量阻抗等值電路向量圖汽輪發(fā)電機-聯(lián)絡線的無窮大系統(tǒng)：73發(fā)電機送到受端的功率分別為正常運行時741）失磁后到失步前電磁功率無功功率↓發(fā)電機變?yōu)槲崭行缘臒o功功率。75發(fā)電機端的測量阻抗為76等有功阻抗圖772）臨界失步點：(功角為90°)輸送到受端的無功功率為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。78發(fā)電機端的測量阻抗為79臨界失步阻抗圓（靜態(tài)阻抗圓、無功阻抗圓）803）失步后的異步運行階段發(fā)電機端的測量阻抗為異步電機等效圖為81當發(fā)電機空載運行失磁時極端測量阻抗為最大，發(fā)電機失磁時，Zf將隨著轉差率的增大而減小，并位于第四象限內。82當ff→∞時，S→∞，R2/S趨近于零，Zf的數(shù)值為最?。?3843.發(fā)電機在其他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向外輸出有功功率和無功功率向外只輸出有功功率向外輸出有功功率和從電網(wǎng)吸收無功功率852）發(fā)電機外部故障時的機端測量阻抗大小和相位正比于短路點到保護安裝點之間的阻抗863）發(fā)電機與系統(tǒng)間發(fā)生振蕩時的機端測量阻抗874）發(fā)電機自同步并列時的機端測量阻抗

在發(fā)電機接近于額定轉速，不加勵磁而投入斷路器的瞬間，與發(fā)電機空載運行時發(fā)生失磁的情況實質上是一樣。

由于自同步并列的方式是在斷路器投入后立即給發(fā)電機加上勵磁，因此發(fā)電機無勵磁運行的時間極短。884.失磁保護的構成方式

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)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。1）利用自動滅磁開關聯(lián)鎖跳開發(fā)電機斷路器2）利用失磁后發(fā)電機定子各參數(shù)變化的特點構成失磁保護失磁保護的方式：89

機端測量阻抗（第一象限→第四象限）發(fā)電機定子各參數(shù)變化：

無功功率改變方向（輸出→吸收）

發(fā)電機端電壓下降

功角增大

勵磁電壓降低，等90發(fā)電機失磁保護判據(jù)：1）主判據(jù)2）輔助判據(jù)靜態(tài)邊界阻抗圓判據(jù)異步阻抗圓判據(jù)無功方向判據(jù)系統(tǒng)三相電壓降低勵磁電壓下降不出現(xiàn)負序分