第二十讲发电机保护.

第二十讲发电机保护主要内容1、了解发电机常见的故障类型和不正常运行状态及装设保护的原则2、了解发电机横差动保护的工作原理3、掌握发电机定子单相零序电流和零序电压的分布特点4、了解发电机100%定子接地保护5、掌握发电机失磁对电力系统和发电机的影响6、掌握发电机失磁机端测量阻抗的变化轨迹Ⅰ发电机常见的故障不正常运行状态及相应的保护方式一、发电机常见的故障类型(1)定子绕组相间短路。(2)定子一相绕组内的匝间短路。(3)定子绕组单相接地。(4)转子绕组一点接地或两点接地。(5)转子励磁回路励磁电流异常下降或完全消失。二、发电机不正常运行状态(1)由于外部短路引起的定子绕组过电流；(2)由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；(3)由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；(4)由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；(5)由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负；(6)由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。三、发电机的保护类型对于发电机可能发生的各种和不正常运行状态，应根据发电机的容量有选择的装设以下保护：1.发电机的纵差动保护：作为定子绕组及引出线的相间短路保护。2.横差动保护：作为定子绕组一相匝间短路的保护。3.单相接地保护：作为发电机定子绕组单相接地保护。4.发电机的失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失的保护。5.过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同样兼作纵差动保护的后备保护。6.负序过电流保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中出现的负序电流。7.过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护。8.过电压保护：反应突然甩负荷而引起的过电压保护。9.转子一点接地或两点接地保护：励磁回路的接地故障保护。10.转子过负荷保护：反应转子回路过负荷。11.逆功率保护：当汽轮机主汽门误关闭而发电机出口断路器未跳闸，发电机失去动力而变为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率。危害：汽轮机尾部叶片有可能过热而造成事故。Ⅱ发电机定子绕组短路故障的动保护一、发电机纵差保护作用保护基本原理：比较发电机两侧的电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间故障。发电机纵联差动保护的构成的两侧电流互感器同变比、同型号。发电机纵差动保护的原理接线反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。1.正常运行及外部故障时：1ITAnI1TAnI22I发电机纵差动保护外部故障示意图02121IInInITATAmax21un.TATAInInI2.保护区内故障：2K1ITAnI1TAnI22I发电机纵差动保护内部故障示意图TAkTATAnIIIKIKI22122113.纵差动保护整定计算按以下两个原则整定：①在正常情况下，电流互感器二次回路断线时保护不误动。保护装置动作电流②保护装置的动作电流应躲开外部故障时的最大不平衡电流整定，其动作电流为gNrelsetIKImax.IunbrelsetIKTAkstnprelsetnIKK/K1.0Imax.二、比率制动式纵差动保护整定方法对于大容量的发电机（100MW及以上），为了减少故障发生于发电机中性点附近而出现的纵差动保护的死区，要求将纵联保护的动作电流降低，提高保护动作的灵敏性，并要保证在区外短路时保护可靠不误动。考虑到不平衡电流随着流过电流互感器TA电流的增加而增加，往往采用性能更好的比率制动式纵差动保护，使其动作值随着外部短路电流的增大而自动增大（即利用外部故障时的穿越电流实现制动，其原理接线如右图所示。带有比率制动的发电机纵差动保护原理接线图基本原理：是基于保护的动作电流随着外部故障的短路电流而产生的最大不平衡电流的增大而按比例的线性增大，且比最大不平衡电流增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作。制动电流：将外部故障的短路电流作为制动电流。差动电流：把流入差动回路的电流作为动作电流。1.动作电流d.minI2.拐点电流的整定。3.比率制动特性的制动系数制动线斜率的整定。带有比率制动的差动的差动继电器制动特性示意图d.minreler1er2()IKIIres.mingN(0.5~1.0)IIunb.maxresk.maxIKIunb.maxd.mink.maxres.minIIKII三、发电机匝间短路的横差动保护在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或多个并联的绕组组成。在正常运行的时候，各绕组中的电动势相等，流过相等的负荷电流。而当任一绕组发生匝间短路时，绕组中的电动势就不再相等，因而会出现因电动势差而在各绕组间产生均衡电流。利用这个环流，可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，即横差动保护。以一个每相具有两个并联分支绕组的发电机为例，发生不同性质的同相内部短路时横差动保护的原理可由以下两图说明。在某一绕组内部匝间短路横差动保护在同相不同绕组匝间短路横差动保护1.发电机裂相横差动保护目前广泛应用的接线方式如图3所示，这种接线方式只用一个互感器装于发电机两组星形中点的连线上，其本质是把一半绕组的三相电流之和去与另一半绕组三相电流之和进行比较。这种接线方式没有由于互感器误差所引起的不平衡电流，其起动电流比较小，灵敏度高，且接线非常简单。发电机匝间保护示意图2.单元件横差动保护单元件横差动保护的动作电流321IunbunbunbrelsetIIIK式中Iunb---额定工况下，同相不同分支绕组由于绕组之间参数的差异产生的不平衡电流，由于是三相之和，一般取3×2%IgN；Iunb2---磁场气隙不平衡产生的不平衡电流，一般可取5%IgN；Iunb3---转子偏心产生的不平衡电流，一般可取10%IgN；Krel---可靠系数。取1.2-1.3gNsetI31.0~25.0I得gNsetI3.0~2.0I一般取Ⅲ发电机定子绕组单相接地保护一、发电机定子绕组单相接地的特点发电机定子绕组单相接地电路目前发电机中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，当发电机内部发生单相接地故障时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络对地电流的总和。大型发电机由于造价昂贵，结构复杂，检修困难，且容量的增大使得其接地故障电流也随之增大，为了防止故障电流烧坏铁芯，大型发电机有的装设了消弧线圈，通过消弧线圈的电感电流与接地电容电流的相互抵消，把定子绕组单相接地电容电流限制在规定的允许值之内。发电机内部单相接地时电流分布发电机内部单相接地时电流分布当中性点不接地时，故障点的接地电流为当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流为发电机内部单相接地机端电压向量示意图ADABKBACKCA(1)UEUEEUEE0kαADBKCKA1()3UUUUEkafwA3()IjCCEkafwA13()IjCCEL发电机内部单相接地等值电路图2、利用零序电压构成的发电机定子绕组接地保护零序电压构成的发电机定子绕组接地保护原理图（1）利用基波零序电流的定子单相接地保护发电机直接连在发电机电压母线上通常采用零序电流保护利用基波零序电流的定子单相接地保护原理接线图为了提高保护的灵敏度，即减小死区，对保护装置采取了如下措施：a将零序电流互感器LH0装设于发电机端部出口处；b采用交流电压助磁式零序电流互感器；c采用相间短路后备保护的过电流继电器来闭锁；d保护带有0.5-1s延时。通常保护带时限动作于信号，但当消弧线圈退出运行或由于其它原因使残余电流大于接地电流允许值时，保护应切换为动作于停机。（2）利用基波零序电压构成发电机定子单相接地保护当采用发电机和变压器组成单元接线时，通常采用零序电压保护。反应基波零序电压的定子单相接地保护带有三次谐波过滤器，因此其整定值应躲开正常运行时的不平衡电压，以及变压器高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压整定。根据运行经验，继电器的整定值一般为5-10V.保护范围可达90-95%，死区为1-10%。保护装置的动作时间一般取1.5s，作用于信号。当高压系统中性点为直接地方式使，保护的动作时间应大于变压器高压侧接地保护动作时间。一般高压侧保证灵敏度的接地保护的动作时间小于1.5s，故保护装置的动作时间去2s.3、发电机100%定子绕组单相接地保护的基本原理100%的定子接地保护有附加直流电压方式、附加低频电源方式和三次谐波电压构成。（1）附加直流电压的保护方式附加直流电压的保护方式原理接线图保护动作作用于信号优点：间单灵敏，能反应定子绕组中任一点的接地故障。缺点：电压互感器一次侧的中性点不能直接地，因而这一组电压互感器不能用来测量相对低电压。对于中性点经消弧线圈接地的发电机也不适用。（2）附加低频电源的保护方式附加低频电源的发电机定子接地保护原理接线图20Hz低频电源一方面通过20Hz带通滤波器T1接入电压互感器YH的开口三角绕组，并经中间变压器B和20Hz带通滤波器T2加入整流桥ZL2;另一方面经可调电阻R1加入整流桥ZL1。正常运行时，低频电源经ZL1整流后，产生制动电流Iz,另外由发电机定子对地电容形成的负载，在中间变压器B原、副边产生电流，经ZL2整流后产生工作电流Ig.调整电阻R1使Ig=Iz，故J2不动作。发电机定子接地短路时，发电机对低容抗变小，从而使Ig增大，但Iz保持不变，因而IgIz，J2动作。不论接地点在定子的任何位置，J2均能动作。因此这种保护没有死区。由于在靠近发电机出口接地短路时，反应基波3U0的零序电压保护J1有较高的灵敏度，所以仍采用它作为发电机的辅助接地保护，J1接于YH的开口三角形侧。带通滤波器T1和T2将阻止基波3U0通过。优点：灵敏度比较高，没有死区。它能用于任何发电机。缺点：需要附加低频电源，投资较大，接线复杂，可靠性也受低频电源的影响。（3）利用三次谐波电压构成100%定子接地保护假定：①把发电机每相绕组对地电容Cg分成相等的两部分，每部分Cg/2等效低分别集中在发电机的中性点N和机端S；②将发电机端部引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容CS也等效地集中放在机端。(a)当发电机中性点绝缘时，发电机在正常运行情况下，机端S和中性点N处三次谐波电压之比为1233SGGNsCCCUU1)29(2C-7S33SGGNsCCCUU3S3E1U）（(b)当发电机中性点经取消弧线接地时，若基波电容电流被完全补偿，发电机正常运行情况下，机端S和中性点N处三次谐波电压之比为(c)不论发电机中性点是否接有消弧线圈，当在距发电机中性点α处发生定子绕组金属性单相接地时，机端S和中性点N处三次谐波电压分别为3N3EU可见，当时；当时，。5.05.0N3S3UUN3S3UU综上所述，用Us3作为的作为动作量，UN3作为制动量构成发电机定子接地保护，当时保护动作。发电机正常运行时保护不会误动作，在中性点附近发生接地时，保护具有很高的灵敏度，从而构成了发电机100%的发电机定子绕组接地保护N3S3UU作业与思考题1、发电机定子单相接地零序电压、零序电流的分布特点；2、发电机匝间保护的特点；2.什么叫同步发电机的失磁？发电机失磁对电力系统和发电机油哪些危害?4.什么叫反时限电流保护？它与定时限电流保护的不同之处在哪里？5、发电机失磁机端测量阻抗的变化轨迹如何变化的？