电力系统继电保护-7 发电机保护

电力系统继电保护7发电机保护7.1发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式发电机的故障类型与不正常运行状态•发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、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消失等。•发电机的不正常运行状态主要有：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；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而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。发电机的故障装设的保护：•对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于表7.1规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护装置。•对于发电机—变压器组，对容量在100MW以下的发电机，应装设保护区不小于定子绕组串联匝数90%的定子接地保护，对容量在100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护，保护带时限动作于信号，必要时也可以动作于切机。发电机的故障装设的保护：•对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差动保护。•对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形接线、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护。200MW及以上的发电机有条件时可装设双重化横差保护。•对于发电机励磁回路的一点接地故障，对1MW及以下的小型发电机可装设定期检测装置；对1MW以上的发电机应装设专用的励磁回路一点接地保护装置。•对于发电机励磁消失故障，在发电机不允许失磁运行时，应当在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；对于采用半导体励磁以及100MW及以上采用电机励磁的发电机，应该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。发电机的不正常运行状态装设的保护：•对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：•1）负序过电流及单元件低电压启动过电流保护，一般用于50MW及以上发电机；•2）复合电压（包括负序电压及线电压）启动的过电流保护，一般用于1MW以上的发电机；•3）过电流保护，用于1MW及以下的小型发电机；•4）带电流记忆的低压过流保护，用于自并励发电机。发电机的不正常运行状态装设的保护：•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。•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过电流保护。•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。发电机的不正常运行状态装设的保护：•对于转子回路的过负荷，在100MW及以上，并且采用半导体励磁系统的发电机上，应装设转子过负荷保护。•对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护。•对于汽轮发电机主汽门突然关闭而出现的发电机变电动机运行的异常运行方式，为防止损坏汽轮机，对200MW及以上的大容量汽轮发电机宜装设逆功率保护；对于燃汽轮发电机，应装设逆功率保护。发电机的不正常运行状态装设的保护：•其它保护：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；当汽轮机低频运行会造成机械振动，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，使定子绕组中不再感应出电势，继续供给短路电流。（图解：海雾对发电厂的影响）7.2发电机定子绕组短路故障的保护7.2.1发电机定子绕组短路故障的特点•发电机内部短路故障-主要是指定子的各种相间和匝间短路故障，短路故障时在发电机被短接的绕组中将会出现很大的短路电流，严重损伤发电机本体，甚至使发电机报废，危害十分严重，发电机修复的费用也非常高。•由于发电机定子单相接地并不会引起大的短路电流，不属于严重的短路性故障。•发电机定子的短路故障形成比较复杂，大体归纳起来主要有五种情况：1.单相接地，再由电弧引发故障点处相间短路；2.直接发生线棒间绝缘击穿形成相间短路；3.发生单相接地，再由于电位变化引发其他地点发生另一点的接地，从而构成两点接地短路；4.发电机端部放电构成相间短路；5.定子绕组同一相的匝间短路故障。（一台660MW发电机内部图）7.2.2比率制动式纵差动保护•如图7-1所示，图中以一相为例，规定一次电流以流入发电机为正方向：当正常运行以及发生保护区外故障时——流入差动继电器的差动电流为零，电器不动作；当发生发电机内部故障时——流入差动继电器的差动电流较大，当其超过整定值时，继电器判为发生了发电机内部故障而作用于跳闸。•为了解决这个问题，考虑到不平衡电流随着流过TA电流的增加而增加的因素，提出了比率制动的纵差动保护，使动作值随着外部短路电流的增大而自动增大。（图7-1：发电机纵差动保护原理图）7.2.2比率制动式纵差动保护设12dIII，122resIII，比率制动式差动保护的动作方程为minminminminmin(),,dresresdresresddresresIKIIIIIIIII（7-1）式中Id—差动电流或称动作电流；Ires—制动电流；Id·min—拐点电流；Ires·min—启动电流；K—制动线斜率（即图7.2中斜线BC的斜率）在动作方程中引入了启动电流和拐点电流，制动线BC一般已不再经过原点，从而能够更好地拟合TA的误差特性，进一步提高差动保护的灵敏度。注意，以往传统保护中常使用过原点的OC连线的斜率表示制动系数（记为Kres，后面说明），而在这里比率制动线BC的斜率是K（K=tgα）。（图7-2：比率制动特性曲线）当发电机正常运行，或区外较远的地方发生短路时，差动电流接近为零，差动保护不会误动。在发电机内部发生短路故障时，差动电流明显增大，1I和2I相位接近相同，减小了制动量，从而可灵敏动作。当发生发电机内部轻微故障时，虽然有负荷电流制动，但制动量比较小，保护一般也能可靠动作。7.2.3标积制动式纵差保护原理仍以电流流入发电机为正方向，令12dIII12cos(180),cos(180)0,cos(180)00resIII当当标积制动式纵差动保护的动作判据为式（7.4）或式（7.1），则mindsresddIKIII式中Ks—标积制动系数；θ—1I和2I的夹角。7.2.4发电机纵差动保护的接线方式•1发电机纵差动保护的动作逻辑•为了对付发生一点在区内而另外一点在区外接地引起的同相短路故障，当有一相差动继电器动作且同时有负序电压时也判定为发电机内部短路故障。•这种动作逻辑的特点：单相TA断线时不会误动，因此可省去专用的TA断线闭锁环节，且保护安全可靠。（SEL-300G发电机保护继电器图）7.2.4发电机纵差动保护的接线方式•2发电机不完全纵差动保护接线•不完全纵差动保护可按下列原则选择配置中性点TA的个数•a/2≤N≤(a/2)+1（7.5）•式中N—中性点侧每相接入纵差动保护的分支数；a—发电机每相的并联的分支总数。•式（7.5）简单地取分支总数的一半，如果分支总数是奇数，则取一半多1。由于存在N选多时相间短路灵敏度高但匝间短路灵敏度下降，N选少时匝间短路灵敏度提高而相间短路灵敏度会下降的问题，式（7.5）选取的N是一种偏于安全的TA配置方式。对于具体一台发电机，上述TA的个数选取方法并不一定是最理想的，灵敏度也不一定最高，它只是不完全纵差动保护的一种简单的应用方法。•由于发电机不完全纵差动保护仅引入了中性点的部分分支电流，因此在应用时要注意以下问题。•（１）TA的误差。发电机机端和中性点TA的变比不再相等，不可能使用同一型号的TA，因此TA引起的不平衡电流将会增加。•（２）误差源增加。除了通常的误差以外，不完全纵差动保护还会存在一些特别的误差源，如各分支参数的一些微小差异（气隙不对称，电机振动等）引起的不平衡。•（３）整定值。相对于发电机完全纵差动保护而言，由于不完全纵差动保护的误差增加，在整定时应该考虑适当提高纵差动保护的动作门槛和比率制动系数。•（４）灵敏度。不完全纵差动保护的灵敏度与发电机中性点分支上TA的布置位置及TA的个数有密切的关系。在应用不完全纵差动保护前应考虑进行必要的发电机内部短路故障灵敏度分析与计算。通常大型的汽轮或水轮发电机每相定子绕组均为两个或者多个并联分支，如图7.3所示。若仅引入发电机的中性点侧部分分支电流2I来构成纵差动保护，选择适当的TA变比，也可以保证正常运行及区外故障时没有差流，而在发生发电机相间与匝间短路时均会形成差流，当超过定值时，可切除故障。图7-3：发电机不完全纵差动保护原理接线（以A相为例）7.2.5发电机纵差动保护整定与灵敏度•1差动保护灵敏度系数的定义与校验•根据规程规定，发电机纵差动保护的灵敏度是在发电机机端发生两相金属性短路情况下差动电流和动作电流的比值，要求Ksen≥1.5。随着对发电机内部短路分析的进一步深入，对发电机内部发生轻微故障的分析成为可能，可以更多地分析内部发生故障时的保护动作行为，从而更好地选择保护原理和方案。7.2.5发电机纵差动保护整定与灵敏度•2纵差动保护的整定•由图7.2可以看出，具有比率制动特性的纵差动保护的动作特性可由A、B、C三点决定。对纵差动保护的整定计算，实质上就是对Id.min、Ires.min及K的整定计算。•Id.min整定原则——躲过发电机额定工况下差动回路中的最大不平衡电流：•Id.min=Krel(Ier1+Ier2)（7.6）•式中Krel—可靠系数，取1.5~2；•Ier1—保护两侧的TA变比误差产生的差流，取0.06Ign（Ign为发电机额定电流）；•Ier2—保护两侧的二次误差（包括二次回路引线差异以及纵差动保护输入通道变换系数调整不一致）产生的差流，取0.1Ign。•代入式（7.6）得Id.min＝(0.24~0.32)Ign，通常取0.3Ign。•对于不完全纵差动保护，尚需考虑发电机每相各分支电流的差异，应适当提高Id.min的整定值。在数字保护中，由于可由软件对纵差动保护两侧输入量进行精确地平衡调整，可有效地减小上述稳态误差，因此发电机正常平稳运行时，在数字保护中引起的差电流很小，启动电流的不平衡更多的是指暂态不平衡量。（图7-2：比率制动特性曲线）7.2.5发电机纵差动保护整定与灵敏度•2纵差动保护的整定•由图7.2可以看出，具有比率制动特性的纵差动保护的动作特性可由A、B、C三点决定。对纵差动保护的整定计算，实质上就是对Id.min、Ires.min及K的整定计算。•Ires.min的整定。拐点电流Ires.min的大小，决定保护开始产生制动作用的电流的大小。由图7.2可以看出，在启动电流Id.min及动作特性曲线的斜率犓保持不变的情况下，Ires.min越小，差动保护的动作区越小，而制动区增大；反之亦然。因此，拐点电流的大小直接影响差动保护的动作灵敏度。通常拐点电流整定计算式为Ires.min＝(0.5~1.0)Ign（图7-2：比率制动特性曲线）7.2.5发电机纵差动保护整定与灵敏度•2纵差动保护的整定•由图7.2可以看出，具有比率制动特性的纵差动保护的动作特性可由A、B、C三点决定。对纵差动保护的整定计算，实质上就是对Id.min、Ires.min及K的整定计算。（图7-2：比率制动特性曲线）发电机纵差动保护比率制动特性的制动线斜率犓，决定于夹角α（见图7.2）。可以看出，当拐点电流确定后，夹角α决定于C点。而特性曲线上的C点又可近似由发电机外部故障时最大短路电流Ik.max与差动回路中的最大不平衡电流Iunb.max确定。由此制动系数Kres（即OC连线的斜率）可以表示为.max.maxunbreskIKI而制动线斜率K则可表示为.max.min.max.minunbdreskr