电气系统继电保护第7章发电机的保护

第7章发电机的继电保护1、发电机的故障类型7.1发电机的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式定子绕组相间短路；定子绕组一相的匝间短路；定子绕组单相接地；转子绕组一点接地或两点接地；转子励磁回路励磁电流异常下降或完全消失。由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷，非全相运行等）而引起的发电机负序过电流和过负荷；由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。2、发电机的不正常运行状态主要有：(l）对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵联差动保护。(2）对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当发电机电压网络的接地电容电流大于或等于5A时（不考虑消弧线圈的补偿作用），应装设动作于跳闸的零序电流保护；当接地电容电流小于5A时，则装设作用于信号的接地保护。对于发电机变压器组，一般在发电机电压侧装设作用于信号的接地保护；当发电机电压侧接地电容电流大于5A时，应装设消弧线圈。容量在10OMW及以上的发电机，应装设保护区为100％的定子接地保护）(3）对于发电机定子绕组的匝间短路，当绕组接成星形且每相中有引出的并联支路时，应装设单继电器式的横联差动保护。3、发电机可能发生的故障和相应的继电保护装置：(4）对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：l）负序过电流及单相式低电压起动过电流保护，一般用于50MW及以上的发电机；2）复合电压（负序电压及线电压）起动的过电流保护；3）过电流保护，用于1MW以下的小发电机。(5）对于由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在50MW及以上的发电机上装设负序电流保护。(6）对于由对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护。(7）对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护。(8）对于发电机励磁回路的接线故障：l）水轮发电机一般装设一点接地保护，小容量机组可采用定期检测装置；2）对汽轮发电机励磁回路的一点接地，一般采用定期检测装置，对大容量机组则可以装设一相接地保护。对两点接地故障，应装设两点接地保护，在励磁回路发生一点接地后投入。(9）对于发电机励磁消失的故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；对采用半导体励磁以及100MW及以下采用电机励磁的发电机，应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护。(10）对于转子回路的过负荷，在100MW及以上并采用半导体励磁系统的发电机上，应装设转子过负荷保护。(11）对于汽轮发电机主汽门突然关闭，为防止汽轮机遭到损坏，对大容量的发电机组可考虑装设逆功率保护。（12）其他：如当电力系统振荡影响机组安全运行时，在300MW机组上，宜装设失步保护；当汽轮机低频运行造成机械振动，叶片损伤对汽轮机危害极大时，可装设低频保护；当水冷却发电机断水时，可装设断水保护等。为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，以使转子回路电流不会在定子绕组中再感应电动势，继续供给短路电流。7.2发电机相间短路的纵联差动保护7.2.1基本原理发电机纵联差动保护的基本原理是比较发电机两侧电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间短路故障。发电机纵联差动保护的构成如图7.1所示，将发电机两侧变比和型号相同的电流互感器二次侧图示极性端纵向连接起来，差动继电器KD接于其差回路中，当正常运行或外部故障时，与反向流入，KD的电流为，故KD不会动作。当在保护区内K2点故障时，与同向流入，KD的电流为：1I2I1212120TATAIIIInn1I2I1221212KTATATAIIIIInnn图7.1纵差保护原理示意图当大于KD的整定值时，即,KD动作。这里需要指出的是：上面的讨论是在理想情况下进行的，实际上两侧的电流互感器的特性（励磁特性、饱和特性）不可能完全一致，误差也不一样，即nTA1≠nTA2，正常运行及外部故障时，，总有一定量值的电流流入KD,此电流称为不平衡电流，用Iunb表示。通常，在发电机正常运行时，此电流很小，当外部故障时，由于短路电流的作用，TA的误差增大，再加上短路电流中非周期分量的影响，Iunb增大，一般外部短路电流越大，Iunb就可能越大，其最大值可达：式中：Kst——同型系数，取0.5；Kunp——非周期性分量影响系数，取为1～1.5；fi——TA的最大数值误差，取0.1。2KTAIn2KsetTAIIn120II(3)maxmax/unbstunpiKTAIKKfIn为使KD在发电机正常运行及外部故障时不发生误动作，KD的动作值必须大于最大平衡电流Iunb.max，即Iop=KrelIunb.max(Krel为可靠系数，取1.3）。Iunb.max越大，动作值Iop就越大，这样就会使保护在发电机内部故障的灵敏度降低。此时，若出现较轻微的内部故障，或内部经比较大的过渡电阻Rg短路时，保护不能动作。对于大、中型发电机，即使轻微故障也会造成严重后果。为了提高保护的灵敏系数，有必要将差动保护的动作电流减小，要求最小动作电流Iop.min=(0.1-0.3)IN（IN为发电机额定电流），而在任何外部故障时不误动作。显然，图7.1所示的差动保护整定的动作电流已大于额定电流，无法满足这种要求。7.2.2具有比率制动特性的差动保护(l）保护的作用原理保护的作用原理是基于保护的动作电流Iop随着外部故障的短路电流而产生的Iunb的增大而按比例的线性增大，且比Iunb增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作。这是把外部故障的短路电流作为制动电流Ibrk,而把流入差动回路的电流作为动作电流Iop。比较这两个量的大小，只要IOP≥Ibrk，保护动作；反之，保护不动作。其比率制动特性折线如图7.2所示。动作条件：分两段式中，K为制动特性曲线的斜率（也称为制动系数）。.min.min.min.min.min(7.1)()opopbrkbrkopbrkbrkopbrkbrkIIIIIKIIIII图7.2折线比率制动特性在图7.3(a）中，选取W1=W2=0.5W3,DKB1、DKB2二次绕组匝数相同。制动电流：差动回路动作电流：当外部短路时，，制动电流为动作电流为，保护不动作。当正常运行时，则:121()(7.2)2brkIII12()(7.3)opIII12KTAIIIn121()2KbrkTAIIIIn12DIII1212.min(7.4)1()(7.5)2NTANbrkbrkTAIIInIIIIIn图7.3比率制动式纵差保护继电器原理图当Ibrk≤Ibrk.min，可以认为无制动作用，在此范围内有最小动作电流为Iop.min，而此时，保护不动作。当内部故障时，反向且，则为两侧短路电流之差，数值小，而大，保护能动作。特别是当时，Ibrk=0，此时，只需Iop.min(Iop.min取0.2～0.3）保护就能动作，保护灵敏度大大提高了。当，保护也能动作。120opIII2I12II121()2brkIII1211opKTAIIIIn12II21110,,2brkopIIIII(2）制动特性的实现方法在图7.3(b）中，制动电压，并由U1产生I1（制动电流）；动作电压，并由U2产生I2（动作电流）；R3表示为保护执行元件的输入电阻（如触发器），设R3的动作电流为I△，保护执行元件动作条件为：I2-I1≥I△。从图中可得到制动电压与动作电压的关系（暂不考虑Wy)，即制动电压：动作电压：用式（7.7）乘R1，减去式（7.6）乘R2得：112UII212UII1113(7.6)UIRIR2223(7.7)UIRIR12231322111(7.8)RRRRRRRUIURR121341图7.3比率制动式纵差保护继电器原理图当U1=0时，得为最小动作电压；当U1≠0时，U2则随着U1的增加而以R2/R1为斜率的直线的方向增加，从而改变Rl或R2，可改变直线的斜率（直线的斜率应根据最大外部故障的短路电流所产生的最大不平衡电流来确定直线的一点）；同理，改变执行元件的电阻，可改变△I，即可改变U20，即图7.4中a点的位置，由于VDZ存在，当即Ibrk较小时，如小于负荷电流，则U1＜VDZ（击穿电压）制动回路不通，I1=0，无制动作用，动作特性只由最小动作电压U20决定。VDZ的击穿电压越高，制动特性的水平部分越长，如图7.4所示，一般VDZ的击穿电压取对应于IN的那个电压。1223312201RRRRRRUUIR12II图7.4制动特性（不考虑VDZ时）7.3发电机定子绕组匝间短路保护7.3.1发电机定子绕组的横联差动电流保护对于定子绕组为双“Y”或多“Y”型接线的发电机，广泛采用横联差动保护。横联差动保护的原理如图7.5。图中画出了各种匝间短路时电流的方向，即当发生任何一种定子绕组的匝间短路时，有一短路电流流进两中性点连线00′上，这是由于A、B、C三相对中性点之间的电势平衡被破坏，则两中性点的电位不等之缘故。利用流入两中性点连线的零序电流，构成单继电器式横联差动保护。即在两分支绕组的中性点的连线上装一只电流互感器，保护就装在此电流互感器的二次侧。7.3.1发电机定子绕组的横联差动电流保护当正常运行时，每个并联分支的电势是相等的，三相电势是平衡的，则两中性点无电压差，连线上无电流流过（或只有数值较小的不平衡电流），保护不会动作。当发生任何一种类型的匝间短路时，两中性点的连线有零序电流通过，保护反应于这一电流而动作。这就是发电机横联差动保护的原理。由于发电机电流波形即使是在正常运行时也不是纯粹的正弦波，尤其是当外部故障时，波形畸变较严重，从而在中性点的连线上出现以三次谐波为主的高次谐波分量，给保护的正常工作造成影响，为此，保护装设了三次谐波滤过器，消除其影响，从而提高保护的灵敏度。图7.5横联差动保护原理图在转子回路发生两点接地故障时，转子回路的磁势平衡被破坏，则在定子绕组并联分支中所感应的电势不同，三相电势平衡被破坏，从而使并联分支中性点连线上通过较大的电流，造成横差动保护误动作。若此两点接地故障是永久性的，则这种动作是允许的（最好是由转子两点接地保护切除故障，这有利于查找故障），但若两点接地故障是瞬时性的，则这种动作瞬时切除发电机是不允许的。因此，需增设0.5～1s的延时，以躲过瞬时两点接地故障。也就是当出现转子一点接地时，即将切换至延时回路，为转子永久性两点接地故障做好动作准备。根据运行经验，保护的动作电流为：式中：IN——发电机的额定电流。这种保护的灵敏度是较高的。在切除故障时有一定的死区，即：①单相分支匝间短路的α较小时，即短接的匝数较少时；②同相两分支间匝间短路，且α1=α2，或αl与α2差别较小时。对于单“Y”接线的发电机，宜采用下列保护。(0.20.3)/opNTAIIn7.3.2负序功率方向闭锁的转子二次谐波电流匝间短路保护当发电机定子绕组匝间短路时，定子绕组产生负序电流。负序电流将产生的负序旋转磁场相对于转子以两倍同步速度旋转，此旋转磁场将在转子绕组感应出二次谐波电流（倍频电流），保护即可反应于此电流而动作。但当发电机外部故障时，也会在转子绕组感应出二次谐波电流，保护也可能动作。利用发电机外部故障所产生的负序功率的方向与定子绕组匝间短路所产生负序功率方向的不同来区分这些故障。(l）故障时的负序功率方向以单“Y”接线发电机为例进行分析，系统接线如图7.6（a）所示，以判断与的夹角来确定负序功率的方向。①发电机外部横向不对称短路时（如发