发电机继电保护.ppt

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1、发电机保护,发电机继电保护 同步发电机是电力系统最重要和昂贵的设备，它的安全运行直接影响到电力系统的安全。然而，在发电机运行过程中，其定子绕组和转子回路都可能出现故障和异常情况。当故障发生后，对系统的影响较大，同时修复工作复杂且工期长，经济损失也较大。因此，发电机必须装设专门的、性能完善的继电保护装置。一旦发生故障，保护装置能快速而有选择性地将发电机从系统中切除，并进行灭磁。同步发电机处于不正常运行状态时，保护装置应能及时发出信号，以便运行人员进行处理。,一、故障类型及异常工况状态,故障类型,定子绕组,相间短路:破坏绝缘，烧坏铁芯,匝间短路:破坏纵绝缘，进而发展为单相接地或相间短路,单相接地:

2、铁芯局部熔化,转子绕组,一点接地或两点接地:两点接地时烧坏励磁绕组和铁芯，破坏转子磁通对称性，引起发电机振动，对于水轮发电机和同步调相机，危害更大,励磁电流急剧下降或消失:发电机要从系统吸取大量的无功功率，引起定子过电流，同时发电机可能失去同步而进入异步运行，若系统无功储备不足，将引起电压下降，严重时会危机系统的稳定运行。,异常工况状态,定子绕组过电流,过负荷,负序过电流和过负荷,定子绕组过电压,转子绕组过负荷,逆功率,二 . 大容量发电机组的特点,大容量发电机组指的是容量在200MW以上汽轮发电机和容量在125MW以上的水轮发电机。大容量发电机组有如下特点。1.短路比减小(短路比意义是对应于

3、空载额定电压的励磁电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比) 、电抗增大2.惯性时间常数降低3.热容量降低 4.时间常数增大此外，大容量发电机组采用直接冷却方式，绝缘水平相对有所降低，且冷却系统较复杂，发生故障的几率相对增多；由于单机容量增大，机组轴向长度与直径之比增大，容易引起气隙不均匀，使振动加剧。,三 . 发电机的继电保护配置,根据GB/T 14285-2006继电保护和安全自动装置技术规程的要求，发电机应装设以下继电保护装置。,发电机保护,纵联差动保护,接地保护,接地电容电流5A时动作于跳闸的零序电流保护,接地电容电流U3N保护范围：反应定子绕组中性点侧约50范围内的接地故障。,三

4、次谐波定子接地保护交流接入回路,绝对值比较式定子接地保护的动作方程为,K1、K3三次谐波式定子接地保护调整系数定值 浮动电压门坎。三次谐波式定子接地保护的逻辑框图如图下。,定子接地保护逻辑框图,2、基波零序电压和三次谐波电压构成的定子单相接地保护(1)保护原理 基波零序电压保护：发电机距机端95范围内定子绕组单相接地故障（中性点附近有5%的死区）； 三次谐波电压保护：发电机中性点附近定子绕组的单相接地。动作判据为,Uset为实测基波不平衡电压。 当UOP10V时，应校验高压系统接地短路时传递到机端的基波零序电压，以免误动。2)三次谐波电压比的整定。 若实测发电机正常运行时的最大三次谐波电压比值

5、设为K0，则取K(1.051.15)K0。,取1.21.3,若发电机机端电压互感器变比为 不管发电机中性点接地方式如何，中性点电压互感器变比应满足,八、发电机相间短路的后备保护发电机相间短路的后备保护，应在下列情况下动作：1)发电机外部故障，而故障元件的保护或断路器拒动时。2)发电机电压母线上发生短路、而该母线又末装设专用保护时3)发电机内部发生相间短路，纵差动保护拒动时。,1、同步发电机复合电压过流保护保护构成原理及逻辑框图,（0.70.75）UN,（8%10%） UN,图4.19发电机复合电压过电流保护出口逻辑框图,2、阻抗保护（包括发电机、变压器）,发电机变压器低阻抗保护，主要作为发电机

6、及变压器相间短路的后备保护，有时还兼作相邻设备（母线、线路等）相间短路的后备保护。该保护主要由三个相间阻抗元件构成。阻抗元件的接入电压和接入电流，可以取自机端TV及TA的二次，也可以取自主变高压侧或中压侧TV及TA二次。,图4.20发电机低阻抗保护动作逻辑框图,发电机过负荷及过电流保护保护反映发电机定子电流的大小。当发电机定子电流超过额定电流值（过负荷）或很大时（系统故障引起过电流），经延时动作于信号（过负荷）或作用于切机（过电流）。保护引入发电机电流（TA二次值）。保护可引入三相电流、或只一相电流，在保护定义时确定。引入一相电流的保护，一般为过负荷保护。引入三相电流的保护，一般为过流保护。,

7、3、发电机反时限对称过负荷保护,作用：是发电机定子的过热保护，主要用于内冷式大型汽轮发电机。 构成原理：保护反映发电机定子电流的大小，其输入电流同发电机定时限过负荷及过电流保护，即可为发电机TA二次某一相电流，或者为三相电流。该保护由定时限和反时限两部分构成。,动作方程,定时限部分：反时限部分,动作特性当发电机的电流大于定时限动作整定值时，经延时发信号；而大于反时限启动电流值时，保护的动作时间与电流大小成反比，出口作用于解列或程序跳闸。保护的反时限特性曲线由三部分构成：上限短延时、反时限及下限长延时。其特性曲线如图所示。,逻辑框图发电机反时限对称过负荷保护的逻辑框图如下。Ig1、t11定时限动

8、作电流、时间；Is、ts下限电流、长延时； Iup、tup上限电流、时间,4、 发电机反时限不对称过负荷保护发电机反时限不对称过负荷保护，适用于大型内冷式汽轮发电机。是发电机的转子过热保护，也叫转子表层过热保护。保护反应发电机定子电流中的负序分量。其输入电流为发电机TA二次三相电流。保护由定时限和反时限二部分构成。 当发电机负序电流大于定时限动作整定值时，经延时发信号；大于反时限启动电流值时，保护按反时限作用于切除发电机。保护的反时限特性曲线由三部分构成：上限短延时、反时限及下限长延时。其特性曲线如下。,动作方程,定时限部分：反时限部分,5 、发电机转子绕组过负荷及过流保护,发电机转子绕组过负

9、荷及过电流保护，用于保护转子绕组及作为励磁机的后备保护。,九、发电机转子回路接地保护1、发电机励磁回路故障原因及危害 发电机转子励磁绕组的接地故障包括一点接地和两点接地。所谓接地是指励磁绕组绝缘损坏或击穿而使励磁绕组导体与转子铁芯相接触。励磁回路一点接地故障对发电机并不造成危害，但若再相继发生第二点接地将严重威胁发电机的安全。当发生两点接地故障时，由于故障点流过相当大的故障电流将烧伤转子本体；由于绕组部分短接，励磁绕组中电流增加，可能因过热而烧伤；由于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡，从而引起振动，特别是多极机会引起更加严重的转动，甚至会因此造成灾难性后果。此外，汽轮发电机励磁回路两点接地，

10、还可能使轴系和汽机磁化。因此，励磁回路两点接地故障的后果是严重的。,2、发电机励磁回路接地保护现状 对于1MW以上的水轮发电机，都装设一点接地保护，动作于信号，不装设两点接地保护。中小型汽轮发电机，只装设可供定期检测用的绝缘检查电压表和正常不投入运行的两点接地保护，不装设一点接地保护。当用绝缘检查电压表检出一点接地故障后，再把两点接地保护装置投入。转子水内冷汽轮发电机和100MW及以上汽轮发电机，应装设一点接地保护，并根据情况可装设两点接地保护装置。通常在大型发电机组上都要求装设转子一点接地保护，动作于信号；同时，也投入两点接地保护，以防可能发生的两点同时接地及匝间短路故障。,3、转子一点接地

11、故障保护 励磁回路的一点接地保护，除简单、可靠这些一般要求之外，还要求能够反应在励磁回路中任一点发生的接地故障，并且要求有足够的灵敏度。在评价励磁回路一点接地保护时，灵敏度是用故障点对地之间的过渡电阻大小来定义，若过渡电阻为Rg，保护装置处于动作边界上，则称保护装置在该点的灵敏度为Rg（）。 转子一点接地故障保护的方式很多，如绝缘监视、电桥式、迭加直流电压式，迭加交流电压式等。在微机保护装置中，转子一点接地保护常采用的是注入式直流电源，该电源系装置自产。因此，在发电机运行及不运行时，均可监视发电机励磁回路的对地绝缘。该保护动作灵敏、无死区。,(1)励磁回路一点接地检查装置励磁回路绝缘完好时，U

12、1=U2=U/2；若正极接地，则U1=0，U2=U；若接地点靠近负极，则U1U/2，U250k。利用微机智能化测量，克服了传统保护中绕组正负极灵敏度不均匀的缺点，能准确地计算出转子对地的绝缘电阻值，范围可达200k。转子分布电容对测量无影响。发电机启动过程中，转子无电压时，保护并不失去作用，保护引入转子负极与大轴接地线。,图4.25叠加直流式转子一点接地保护原理图,（3）外加交流电压式一点接地保护 经辅助电压互感器TVA将一交流电压U0，经过一普通电流继电器K和一隔直耦合电容C，叠加到励磁绕组的一端与地之间，就构成了简单的叠加交流电压式一点接地保护。继电器的动作电流，要躲过正常情况下流过继电器

13、的不平衡电流。当励磁绕组上某一点经过渡电阻Rf接地时，流过继电器的电流大于整定值时，继电器动作。,（4）微机型切换采样式一点接地保护基于切换采样原理的励磁回路一点接地微机保护原理如图所示。接地故障点k将转子绕组分为和1-两部分（为转子绕组的百分数），Rg为故障点过渡电阻，由四个电阻R和一个信号电阻R1组成两个网孔的直流电路。如图所示，两个电子开关S1和S2轮流接通。,3、励磁回路两点接地保护1）利用切换采样原理当再发生第二点接地时判发生了两点接地。该原理两点接地有死区。2）二次谐波式保护构成原理当发电机转子绕组两点接地时，其气隙磁场将发生畸变，在定子绕组中将产生2次谐波负序分量电势。转子两点接

14、地保护即反应定子电压中2次谐波“负序”分量。动作方程：,（2） 逻辑框图在转子一点接地保护动作后，自动投入转子两点接地保护。转子两点接地保护的逻辑框图如图,十发电机失磁保护（阻抗原理）,发电机失磁保护1、发电机的失磁运行及其产生的影响 失磁故障指励磁突然全部消失或部分消失（低励）励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流） 失磁原因：三种（1）励磁回路开路，励磁绕组断线 灭磁开关误动作，励磁调节装置的自动开关误动，可控硅励磁装置中部分元件损坏（2） 励磁绕组由于长期发热，绝缘老化或损坏引起短路（3） 运行人员调整等。发电机失磁后，它的各种电气量和机械量都会发生变化，且将危及发电机和系统的安全。2、发

15、电机失磁后的机端测量阻抗 按失磁的物理过程的三个阶段，分别为等有功阶段、临界失步点、异步运行阶段。对应这三个阶段，其机端测量阻抗分别为：等有功阻抗圆，临界失步阻抗圆，异步运行时的测量阻抗。,3、失磁保护构成方式的特点 引起失磁的原因很多，失磁后会引起许多参数变化，但每一个参数的变化都不能唯一表征失磁故障。故失磁保护的判据通常不至一个，而是由至少一个主判据和二个辅助判据构成。失磁保护的主判据主要有： 1）机端测量阻抗是否进入静稳边界阻抗圆（临界失步阻抗圆） 2）机端测量阻抗是否进入异步阻抗圆 3）无功方向由正变负 4）机端三相电压或变压器高压侧三相电压降低失磁保护的辅助判据主要有： 1）发电机的

16、励磁电压降低 2）是否有负序分量出现 3）用延时躲过振荡的影响 4）电压互感器二次断线闭锁,4、发电机失磁保护（阻抗原理） 微机型发电机失磁保护一般提供了两种原理的保护：阻抗原理失磁保护 和新型逆无功原理失磁保护 （特别适合于无刷励磁的发电机 ）。 正常运行时，若用阻抗复平面表示机端测量阻抗，则阻抗的轨迹在第一象限（滞相运行）或第四象限（进相运行）内。发电机失磁后，机端测量阻抗的轨迹将沿着等有功阻抗园进入异步边界园内。 阻抗型失磁保护，通常由阻抗判据（Zg）、转子低电压判据（Vfd）、机端低电压判据（Ug）、系统低电压判据（Un）及过功率判据（P）构成。保护输入量有：机端三相电压、发电机三相电

17、流、主变高压侧三相电压（或某一相间电压）、转子直流电压。,阻抗型失磁保护的逻辑框图如下：,失磁保护动作过程： 当发电机失磁导致机端低电压动作时，经延时t4发出信号并作用于出口（如切换励磁或切换厂用电源等措施）； 当发电机失磁导致机组功率超过整定值时，经延时t5发出信号并作用于出口（如降出力）； 当发电机失磁并导致系统低电压动作时，经延时t3发出信号并作用于跳闸； 当发电机失磁阻抗元件满足，或同时转子低电压也满足时，经t1延时或t2延时发出信号并作用于出口（如解列灭磁）。,十一、 发电机失步保护,反应电机机端测量阻抗的变化轨迹，动作特性为双遮挡器的失步保护,可以看出：电阻线R1、R2、R3、R4

18、及电抗线,将阻抗复平面分成04共5个区,测量阻抗依次穿过五个区后记录一次滑极。当滑极次数累计达到整定值时，便发出跳闸命令。,失步保护逻辑框图,开断电流,所谓开断电流，系指断路器断开时，流过开关触点的电流。该电流不能大于开关允许的额定遮断电流。,十二、发电机逆功率保护 如果出现系统向发电机倒送有功，即发电机变成电动机运行，这就是逆功率的异常工况。 并网运行的汽轮发电机，在主汽门关闭后，便作为同步电动机运行。从电网中吸收有功，拖着汽轮机旋转。由于汽缸中充满蒸汽，它与汽轮机叶片磨擦产生热，使汽轮机叶片过热。长期运行，损坏汽轮机叶片。 逆功率保护：主要由逆功率继电器组成。发-变组保护装置中一般有两只逆

19、功率继电器，其一用于程序跳闸方式，即当过负荷保护、过励磁保护、低励失磁保护等动作后，应保证先关主汽门等列出现逆功率状态时就确信主汽门已经经关闭，这时逆功率继电器动作，允许主断路器跳闸，这种程序跳闸就可避免因主汽门末关而断路器先断开引起灾难性“飞车”事故。这一逆功率继电器整定值为:P1.set=（13）%PN.G程序跳闸方式下：要先关主气门再跳闸其目的是为了防止出现飞车事故。 另一种逆功率保护是防止由于主气门误关闭出现逆功率异常运行方式对发电机的危害：,我国目前在20万kw及以上汽轮发电机组上装设逆功率保护，燃气轮发电机组也安装设此保护。对于其它发电机组，有关继电保护技术规程尚未作出装设逆功率保

20、护的规定。 汽轮发电机逆功率保护的动作功率一般可取为P2.set=（0.51.0）% PN.G（COS=1.0时） 其延时分两段，短延时1.0-1.5s动作于信号,长延时23min动作于跳间。（1）保护原理： 当主汽门误关闭或机组保护动作于关闭主汽门而出口断路器未跳闸时，发电机将变为电动机运行 ,吸收有功功率.逆功率保护原理就是反应发电机从系统中吸收有功功率的大小而动作.电压取自机端，电流取中性点或机端。,构成原理及逻辑框图逆功率保护的输入量为机端TV二次三相电压及发电机TA二次三相电流。当发电机吸收有功功率时动作。构成框图如下。由图可以看出，当发电机吸收的有功功率大于整定值时，经短延时t1发

21、信号，经长延时t2作用于出口。图中 P发电机有功功率计算值 Pl、t1、t2逆功率保护整定值,九、发电机（变压器）过励磁保护 过励磁的危害：发电机或变压器过励磁运行时，由于励磁阻抗减小电流会很大，电流波形将发生严重畸变，漏磁大大增加，长时间运行损坏发电机或变压器。因此，对于大容量发电机及变压器，装设过励磁保护非常必要。发电机（变压器）的感应电势为,（1）保护的原理 过励磁保护反映的是过激磁倍数，而过励磁倍数等于电压与频率标幺值之比。发电机或变压器的电压升高或频率降低，可能产生过励磁。（2）保护的组成过励磁保护由定时限段和反时限段组成。通常，定时限用于发信号，或发信号并减励磁，反时限用于切除发电机或变压器。,