发电机保护类型及原理介绍

一、发电机相间短路的纵联差动保护作用:反映发电机定子绕组及其引出线相间短路故障的主保护发电机纵差保护的接线方式完全纵差动保护不完全纵差动保护发电机完全纵差保护和不完全纵差保护均是比较发电机两侧同相电流的大小和相位而构成发电机完全纵差动保护图9—1发电机纵差保护原理接线示意图G●●●●发电机不完全纵差动保护（a）中性点侧引出6个端子（b）中性点侧引出4个端子不同之处：完全纵差保护是比较每相定子首末两端的全相电流，不完全纵差动保护是比较机端每相定子全相电流和中性点侧每相定子的部分相电流而构成。发电机纵差保护的原理1．比率制动式发电机纵差保护原理发电机纵差保护原理接线示意图G●●●●（1）动作电流opI和制动电流resI的定义动作电流：12opbIIKI－制动电流：1212resbIIKI式中：12,1bbIKKI，当1bK时为完全纵差保护接线方式；1bK时为不全纵差保护接线方式。(2)动作特性曲线图9－3比率制动式发电机纵差保护的动作特性Iop.min.Ires.min.IresK动作区制动区IK（3）纵差保护的动作判据op.minres.minop.minres.minres.minopresopresresresIIIIIIKIIII.minopI：一般取（0.3～0.5）nI.minresI：一般取（0.8～1.0）nIresK：一般取0.3～0.5发电机纵差保护的原理2.标积制动式发电机纵差动保护原理动作电流、制动电流及其动作判据：动作电流：12opIII－制动电流：resIcos21IIS动作判据：1212cosIISII式中：为21II和之间的相位差；S为标积制动系数，通常取1.01）当发电机正常运行或保护区外短路时：021＝＝II；制动量最大，动作量最小，保护可靠不动。2）当保护区内短路时：021180＝＝－II制动量为负值，呈现动作作用，动作量最大，保护动作，且灵敏。显然：采用标积制动式差动保护，可以大大提高反应发电机内部故障的灵敏度。二、发电机定子绕组的匝间短路保护匝间短路:每个分支的匝间或分支之间的短路内容:单元件式横联差动保护纵向零序电压原理的匝间短路保护(一)单元件式横联差动保护1．保护的接线方式见下图（a）UVW横差TA纵差TA·····纵差TA纵差TA机壳（b）·UVW横差TA纵差TA·····纵差TA纵差TA·机壳2．保护的原理分析1）当定子绕组的同分支匝间短路时：2）定子绕组不同分支间发生短路时：3)保护的接线2图9－6单元件式横联差保护原理接线图1-三次谐波滤过器；2－横差保护t跳闸4)评价：保护接线较简单，灵敏度较高。保护存在死区：当很小时或者不同分支间的短路匝数相同时,保护不能动作。3．保护的整定原则动作电流.(0.2~0.3)opgnII需增设0.5～1秒的延时，以躲过转子回路的瞬时两点接地故障。(二)纵向零序电压原理的匝间短路保护适用于中性点侧没有6个或4个引出端子的发电机定子匝间短路。该保护利用发电机定子绕组发生匝间短路时，机端三相对发电机中性点出现的零序电压而构成。保护的构成原理图9—9零序电压匝间短路保护原理接线图1）当发电机正常运行时：0TV的第三绕组没有输出电压，即030U，保护不动作。2）当发电机内部或外部发生单相接地故障时：0TV开口三角形绕组也不会出现零序电压，保护不会动作。3）当发电机定子绕组发生匝间短路时：三相一次对中性点的电压不再平衡，030U，使零序电压匝间短路保护动作。在构成零序电压匝间短路保护时，需设置三次谐波滤过器，以提高保护的灵敏度。4)零序电压匝间保护原理方框图图9－10负序功率闭锁的零序电压匝间保护原理方框图l－三次谐波滤过器；2－断线闭锁保护；3－跳闸出口三发电机定子绕组的单相接地保护（一）、发电机定子绕组单相接地故障的分析1.定子绕组单相接地故障的零序电压0UVW11U(UUU)()33VWUUUU显然：发电机机端一相金属性接地时，机端零序电压的大小等于发电机故障前的相电压。1)当机端单相接地时:2)接地发生在定子绕组距中性点处电压相量图为:各相机端对地电压分别为：UKU(1)UUUEEEVKUVUEEwkUWUEE机端零序电压为：0UKVKWK11U(UUU)()33UVWUUEEEEE可见：发电机零序电压的大小等于故障前相电压的倍。2．发电机三次谐波电压的分布（1）正常运行时三次谐波电压分布S图9－13发电机三次谐波电势及对地电容的等值电路N3NU3SU12gC12gCC3E机端等值电容为：2//222ggfCCCCCC机端的三次谐波电压3SU与中性点的3NU的比值为：3312gSNgCUUCC即：3SU3NU可见：正常运行时，3SU总是小于3NU。（2）距中性点处发生单相接地时三次谐波电压的分布图9－15发电机内部单相接地时等值电路3E3NU3SU2gC2gCCN31E）－（12gC－S此时恒有：33EUN33S-1EU）（-133NSUU可见：0时，30NU、33SUE1时，33NUE、30SU0.5时，33SNUU图9－163SU与3NU随变化曲线机端3NU3SU3E3E001中性点0.5（二）反应基波零序电压的定子接地保护图9—17发电机零序电压保护接线示意图过电压元件检测发电机机端电压互感器二次侧开口三角形的输出电压，当检测的电压大于保护的动作整定值时，过电压元件动作发出信号。保护装置的整定值应避开正常运行时的不平衡电压。根据运行经验，保护的起动电压一般整定为15～30V左右。考虑采用性能良好的三次谐波滤过器后，其动作值可降至5～10V。保护在中性点附近有5％～10％的死区。（三）、基波零序电压和三次谐波电压构成的100％定子接地保护1．保护的工作原理100％定子接地保护由两部分组成：基波零序电压保护:反应机端附近的85％～95％的定子绕组单相接地三次谐波电压保护:反应中性点附近定子绕组的单相接地。零序电压保护三次谐波保护图9－18100％定子接地保护的保护范围示意图三次谐波保护部分原理：利用3SU作为动作量，3NU作为制动量，以33SNUU为保护的动作条件。该保护的动作判据为：00.333.3/setSNsetUUUUK保护的逻辑框图:333.SNsetUUK00.3setUU1t2t机端TV中性点TV信号信号或跳闸图9－19100％定子接地保护保护逻辑框图四、发电机转子回路接地保护转子回路一点接地保护-----信号转子两点接地保护-----跳闸一、转子绕阻绝缘破坏的故障形式及其危害1．转子绕组一点接地对发电机并未造成直接危害。1．1正常时正极对地电压负极对地电压加在绝缘介质上的电压为励磁电压的一半。1．2一点接地时设：正极接地，，则：另一端对地电压上升为Ｅ，如某点绝缘比较薄弱，则有可能被击穿，造成两点接地故障。2222ERRREU2EU0UEU转子绕阻绝缘破坏的故障形式及其危害2．转子绕组两点接地2．1部分绕阻被短接，使励磁电流增大，转子绕阻因过热而烧伤；2．2故障点流过短路电流，烧伤转子本体；2．3部分绕阻被短接，使气隙磁通失去平衡，引起机体振动。2．4对汽轮发电机，还可能使轴系和汽机磁化。二、转子回路一点接地保护主要有以下几种：（1）电桥式；（2）叠加直流电压式；（3）叠加交流电压式；（4）切换采样式等。大型发电机装设一点接地保护，动作于信号，应转移负荷，尽快安排停机。转子回路一点接地保护原理（切换采样式转子一点接地保护）（1－a）EaES1S2RRRRR1RfaU1,U2I1I2图9－20切换采样式转子一点接地保护原理接线接地点位置为：1133UU接地电阻fR为：12133fRRaRRU正常运行时:四4个电阻R对称，U1＝U2，ΔU＝0，fR＝；转子绕组一点接地时：U1≠U2,当.ffsetRR时，经延时发出信号三、转子两点接地保护转子两点接地保护共享一点接地时测得接地位置的数据。再发生转子另一点接地故障，则已测得的值将变化。当其变化值△超过整定值时，确认为转子两点接地故障，发电机被立即跳闸。保护判据为：set动作时限按避开瞬时出现的两点接地故障整定，一般为0.5～1.0秒。电桥式转子两点接地保护DK1DK1DK2D1D2Rf’RfRf’’RL’RL’’ANmV保护五、发电机的失磁保护发电机失磁运行及其产生的影响1.失磁的原因转子绕组故障、励磁回路开路、励磁机故障、半导体励磁系统故障、自动调节励磁装置故障、灭磁开关误跳闸、运行人员误操作等。2.失磁运行对发电机的影响转子过热、定子过热、铁芯过热、机械冲击。3.发电机失磁运行对电力系统的影响无功缺额、有功缺额、电压下降。二、发电机失磁保护的配置大型发电机通常装设专门的失磁保护，动作于信号、减负荷、或停机。三、发电机的机端测量阻抗1．等值电路2.发电机失磁后的机端测量阻抗ggrIUZ＝1.发电机从失磁到失步前（）09022s222jssggrePUjXPUIUZ）＋＝（＝该式为一圆的方程，该圆称为等有功阻抗圆。2.临界失步点（）090222jsdsdggreXXjXXjIUZ＋＝－＝该式为一圆的方程，该圆称为临界失步圆或等无功阻抗圆。3.失步后（）0903.失步后（）0904．其它情况下的机端测量阻抗4.1发电机外部短路时4.2发电机采用自同期并列时4.3系统振荡时六、发电机的过负荷保护一、发电机允许过负荷的特性及其判据1．发电机允许过负荷的特性（1）发电机的热容量常数A发电机正常运行的条件是：AtI22IAt（2）发电机允许过负荷的特性在不考虑导体散热的情况下I－是以额定电流为基准的电流的标幺值。发电机允许过负荷的特性考虑了发电机的散热条件后，厂家还给出了发电机的定子绕组、转子绕组、转子表层的持续允许电流常数（а值）。设：－是以额定电流为基准的，在能够保证发电机长期正常运行情况下，所允许的最大电流的标幺值。则：1I21I＝（2）发电机允许过负荷的特性图9－28发电机的允许过负荷特性曲线示意图1－考虑散热条件下；2－不考虑散热条件下21考虑了发电机的散热条件后，发电机能够正常运行的条件：AttI2－－2IAt即：二、定子绕组的过负荷保护接成三相式，取其中最大的相电流进行判别。小型发电机采用定时限过负荷保护；大中型发电机由定时限过负荷保护和反时限过电流保护两部分组成。用于反映发电机定子绕组的对称过负荷或外部故障引起的定子绕组过电流。二、定子绕组的过负荷保护1.定时限过负荷保护动作后延时发信号或减负荷。动作电流：按在发电机长期允许的负荷电流下，能可靠返回的条件整定。ngrerelopIKKI.1.二、定子绕组的过负荷保护2.反时限过电流保护启动电流取1.15～1.2倍的额定电流反时限动作判据：－＝2IAt保护动作后作用于解列或程序跳闸。Ｐ174七、转子绕组的过负荷保护对于300MW以下的发电机，只装设定时限过负荷保护，延时动作于发信号和降低励磁电流。对于300MW及以上的发电机组，由定时限过负荷和反时限过流保护两部分组成。用来作为转子励磁回路的过流、过负荷保护；兼作交流励磁机的后备保护。定时限部分经延时动作于信号；反时限部分动作于解列灭磁。1、转子绕组的过负荷保护定时限过负荷保护的动作电流，按正常运行最大励磁电流下，能可靠返回的条件整定。反时限过流保护的动作判据于定子绕组反时限过流保护相同。－＝2IAtI－应取以额定转子电流为基准的转子电流标幺值。2、转子表层负序过流、过负荷保护当不对称短路或负荷不对称时，定子绕组中的负序电流将产生一个与转子转动方向相反的旋转磁场，此时转子相对于负