发电机保护原理讲义

发电机保护原理电气二次宋涛我厂发电机保护使用的是美国GE公司的G60保护我厂发电机保护及出口方式：发电机差动保护-K87全停负序电流保护-K46定时限发信反时限全停失磁保护-K40T1程序跳闸500kV系统低电压+T2全停T3程序跳闸逆功率程序保护-K32-1T1+主汽门关闭全停逆功率保护-K32-2T2全停电压闭锁过电流保护-K51/27T全停定子100%接地保护-K64TN基波–K64G1全停三次谐波–K64G3程序跳闸低频保护-K81程序跳闸过激磁保护-K24定时限发信反时限全停发电机过电压保护-K59全停发电机突加电压保护+（非门）发变组500kV在线状态（保持1S）-K50/27全停失步保护-K78T全停发电机定子匝间保护-K58全停定子过负荷保护-K49定时限发信反时限全停电压断线保护（PT1）闭锁逆功率、失步、失磁、三次谐波定子接地、低频、电压限制过流电压断线保护（PT3）闭锁匝间一、发电机差动保护。1、原理：差动保护为定子绕组及其引出线相间短路的主保护，采用比率制动原理。所谓比率制动原理，即是根据发电机正常运行时的不平衡电流曲线，作出一条躲过不平衡电流的动作边界曲线，这条曲线叫做比率制动曲线，在短路电流小于起始制动电流时，保护装置处于无制动状态，其动作电流很小（小于额定电流），保护具有较高的灵敏度。当外部短路电流增大时，保护的动作电流又自动提高，使其可靠不动作。它反应了保护的比率制动特性，发电机差动方程即是以此为依据写出来的。IdIsd比率制动曲线Iq不平衡电流曲线IgIz比率制动特性曲线动作方程：‖Id—Iq‖≥Kz‖Iz—Ig‖式中Id――动作电流（即差流），TNdIIIIZ――制动电流，2TNzIII差流为两侧电流的差值（数值差），制动电流为两侧电流的和值的一半。IT——发电机机端TA三相二次电流；IN——发电机中性点TA三相二次电流；我厂则使用了G60特有的双斜率制动特性曲线，在两个斜率的斜线之间有一条平滑过渡的变斜率曲线。该曲线更负荷实际的不平衡电流曲线的变化，如图所示：2、国产保护与GE保护逻辑框图原理比较：以南瑞DGT801为例，保护采用比率制动原理，出口设置为循环闭锁方式。因为发电机中性点一般不直接接地，当发电机差动区内发生相间短路故障时，有两相或三相差动同时动作出口跳闸；而当发电机发生一相在区内接地另一相在区外同时接地故障，只有一相差动动作，但同时有负序电压，保护也出口跳闸。如果只有一相差动动作无负序电压，判断为TA断线。differentialrestrainingAB1K2K1B2拐点1拐点2陡度2陡度1光滑过渡差动电流制动电流U2&&+TA断线出口跳闸单相差动动作至少两相差动动作A相差动B相差动C相差动A相差动B相差动C相差动图：南瑞循环闭锁出口方式逻辑框图G60保护逻辑中不判TA断线图：GE保护差动逻辑框图结论：不判TA断线，是基于发电机TA断线后产生高电压对人身和设备带来威胁，有可能破坏一次绝缘，修复时间长的考虑。所以南瑞保护的TA断线也通常选择不闭锁保护。3、整定值（经验值）（1）比率制动系数Kz（曲线斜率）Kz应按躲过区外三相短路时产生的最大暂态不平衡差流来整定通常，对发电机完全纵差A相差动B相差动C相差动≥Kz=0.3~0.5。（2）启动电流Iq按躲过正常工况下最大不平衡差流来整定。不平衡差流产生的原因：主要是差动保护两侧TA的变比误差，保护装置中通道回路的调整误差。一般Iq=（0.3~0.4）Ie。（3）拐点电流IgIg的大小，决定保护开始产生制动作用的电流大小，建议按躲过外部故障切除后的暂态过程中产生的最大不平衡差流整定。一般Ig=（0.8~1.0）Ie。二、发电机定子匝间保护1、原理：匝间为发电机定子匝间短路及定子绕组分支开焊故障的主保护。该保护反映的是发电机纵向零序电压的基波分量。为防止专用TV一次断线时保护误动，引入TV断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他原因（例如，专用TV回路有问题）产生的纵向零序电压使保护误动，引入负序功率方向闭锁。负序功率方向判据采用开放式（即允许式）闭锁，其三相电流必须取自发电机机端侧。纵向零序电压取自机端专用TV的开口三角输出端。TV应全绝缘,其一次中性点不允许接地，而是通过高压电缆与发电机中性点联接起来。如图所示：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。保护动作逻辑图如下：出口跳闸2、整定(经验值)（1）动作值动作电压的整定原则是：能可靠躲过正常工况下由发电机纵向不对称及专用TV三相参数不一致产生的零序电压，而在定子绕组发生最小匝间短路时能可靠动作，一般约3V左右。（2）动作延时t0纵向零序电压式匝间保护，应带一个小延时动作，以确保在专用TV一次断线时能可靠不动作。运行实践表明：t0=0.15~0.2秒是合理的。（3）负序功率方向负序功率的动作方向应指向机内。即当发电机内部发生短路时，其输出的负序功率为正，负序功率方向元件动作并开放匝间保护出口；反之则闭锁。工程应用注意事项3U0回路应满足有关“反措”要求：回路中不能有保险及辅助接点；不能有多点接地；更3U03U0.dz专用PT断线&负序功率方向T0不能与TV二次的B相（指B相接地系统）公用电缆芯连。若有负序功率方向判据，在机组起动试验过程中，应校验TA、TV的极性是否正确。可模拟机端外部发生二相短路故障，装置计算出的负序功率应为负，从而闭锁匝间保护。而当机组内部发生匝间短路时，保证计算出负序功率为正，开放匝间保护。三、定子匝间保护出口逻辑1．发电机定子接地保护。大型发电机定子接地保护应该满足以下三个基本要求：（1）故障点电流不应超过安全电流，出口电压18KV及以上的发电机安全电流为1A。（2）有100%保护区。（3）保护区内任一点发生接地故障时保护应有足够的灵敏度。保护采用由3U0定子接地保护和3W定子接地保护共同构成的100%定子接地保护。基波零序电压保护：设在距中性点（占绕组全长的百分比）处发生定子接地，如图：如图所示：基于这种原理，3U0基波定子接地保护反应发电机的零序电压大小，保护具有三次谐波滤除功能，灵敏度很高，零序电压取自发电机中性点压变电压，保护范围是自机端向机尾侧85%~95%的定子绕组。我厂基波零序电压保护设了三段定时限，动作逻辑如下图：跳闸3U03U01t1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。跳闸信号基波电压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。三次谐波定子接地：在靠近发电机中性点处发生接地，接近零，基波零序电压3U0非常小，保护不够灵敏，出现死区，此时就需要靠机端和中性点的三次谐波电压来构成三次谐波定子接地保护。机端三次谐波电压US3与中性点三次谐波电压UN3的比例关系随接地点变化而变化的曲线图如图所示：根据这个原理可以使用Us3/Un3K或Us3-Un3/Un3K或Un3/Us3+Un3K确保反映的接地点在距发电机中性点15%处左右来构成保护，我厂的三次谐波定子接地投信号，逻辑如3U03U02t23U03U03T3图9－163SU与3NU随变化曲线机端3NU3SU3E3E001中性点0.5图：信号四、发电机失磁保护。发电机失磁时，吸收无功，测量阻抗由第一象限向第三、四象限移动，严重时会导致发电机异步运行，机端电流上升，甚至造成系统电压崩溃，同时机端电压下降，无论对系统还是发电机都将带来不利影响。根据这些特征，发电机失磁保护由发电机机端测量阻抗判据、转子低电压判据、变压器高压侧低电压判据、定子过流判据、机端电压判据等构成。一般阻抗圆整定为静稳边界圆，为躲过发电机进相运行和防止短路时误动，将静稳极限阻抗圆下移，避开一、二象限，按异步边界阻抗圆整定。失磁前有功越大，进入异步边界阻抗圆就越快。除了异步边界园还可来用以下方法躲开进相运行区：1)采用过原点的两根直线，将进相区躲开。此时，进相深度可整定、2)采用包含可能的进相区(圆形特性)挖去将进相区躲开。我厂G60采用双下抛园式失磁保护，按异步边界园整定，发电机重负荷失磁时机端测量阻抗由第一象限落入小圆内，轻负荷时落入大圆内，大圆动作时限大于小圆。如图所示：Un3/Us3+Un3KT逻辑如图：出口出口出口2重负荷轻负荷按异步边界整定阻抗圆PT断线&T3T1&&机端低电压系统低电压T2负序电压动作发电机失磁保护出口逻辑五、发电机反时限对称过流1、保护原理保护反应发电机定子的负序电流大小，是发电机的转子过热保护，也叫转子表层过热保护。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，此时转子相对于负序旋转磁场有两倍的同步转速。将在转子表层感生出100Hz的倍频电流，使转子表层局部过热，将转子灼伤；如转子本体与护环的温差过大，还将导致护环松脱，造成机组严重损坏。转子表层负序过流、过负荷保护，用来作为发电机不对称故障或不对称运行时，负序电流引起转子表层过热的保护。还可兼作系统不对称故障的后备保护。保护引入发电机三相电流（TA二次值），最好取自发电机中性点侧。2、动作方程定时限部分I2*＞I2g1（我厂整定为8%）反时限部分I2*＞I2g2（我厂整定为11%）且A/I2*2＞T式中I2*——发电机负序电流标么值（以发电机额定电流为基准值）；T——反时限保护的动作延时；A——根据厂家提供值整定的负序容量系数(我厂整定为10)3、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如图所示：4、保护逻辑框图保护逻辑框图见图：t11tuptS+信号出口信号负序电流I2计算122gIIupII22sII22I2sI2I2up图10-2发电机反时限过负荷（过流）保护逻辑图5、整定：（1）定时限整定值I2g1及t11电流整定值I2g1按发电机长期允许的负序电流I2∞来整定。即式中：Krel——可靠系数，取1.2；I2∞——发电机长期运行允许的负序电流。通常I2g1取（8~10）%Ie。动作时间t11，一般取6~9秒。（2）反时限下限启动电流I2S及延时ts反时限下限启动电流I2S，可按定时限动作电流的1.05~1.1倍来整定，动作时间ts一般取300~600S。（3）热值系数A热值系数A，应按发电机制造厂家提供的转子表层允许的负序过负荷能力确定。若无厂家提供的数据，可按发电机的容量取值。对于容量为200~300MW的内冷式汽轮发电机，可取K=8~10（通常取K=10）。对于容量为300~600MW的汽轮发电机，可取K=6~8。容量越大，A取值应越小。六、发电机低压制动过流1、原理：低压制动过流是发电机主保护及区外保护的后备保护，采用低压制动使发电机过流定值随机端电压值变化，从而提高保护灵敏度。当发电机为自并励方式时，过流元件应有电流记忆功能。动作条件：电压值与过电流动作值成正比关系，电压值越小如图：当根据上图曲线由电压值锁定某个过流定值后，发电机电流必须达到此值，并且与动作时间成反时限曲线关系：IEEEExtremelyInv.如图：TT=TDM*(28.2+0.1217)(I/Ipickup)²-1其中我厂计数器TDM整定为3、启动值Ipickup整定为1.155倍的额定值。2、逻辑：出口≥IbIgIEEE反时限IaIgIcIg&专用PT断线低压值正比