第二十一讲发电机失磁保护

1、第二十一讲第二十一讲 发电机的负序过电流保护发电机的负序过电流保护 失磁保护和母线保护失磁保护和母线保护 主要内容主要内容 1.1.掌握发电机负序过电流保护的作用掌握发电机负序过电流保护的作用 2.2.掌握发电机失磁进入异步运行时，对电力系统和发电掌握发电机失磁进入异步运行时，对电力系统和发电 机的危害机的危害 3.3.掌握发电机失磁机端测量阻抗的变化轨迹掌握发电机失磁机端测量阻抗的变化轨迹 4 4、什么是失磁发电机的等有功阻抗园、等无功阻抗园、什么是失磁发电机的等有功阻抗园、等无功阻抗园 和临界失步园和临界失步园 5 5、简述母线常见的故障类型及相应的保护方式、简述母线常见的故障类型及相应的

2、保护方式 6 6、掌握母线完全差动保护和相位差动保护的基本原理、掌握母线完全差动保护和相位差动保护的基本原理 发电机的负序过电流保护发电机的负序过电流保护 一、负序电流保护的作用一、负序电流保护的作用 在电力系统中发生不对在电力系统中发生不对 称短路或正常运行情况下三称短路或正常运行情况下三 相负荷不平衡时，在发电机相负荷不平衡时，在发电机 绕组中将出现负序电流，该绕组中将出现负序电流，该 电流将在转子回路中感应出电流将在转子回路中感应出 倍频电流引起转子过热，危倍频电流引起转子过热，危 害发电机安全。为使转子不害发电机安全。为使转子不 致过热，负序电流与允许它致过热，负序电流与允许它 通过过

3、发电机的时间的关系通过过发电机的时间的关系 为为 at 2 2 i t 发电机负序电流与允许它通过发电机负序电流与允许它通过 的时间关系曲线的时间关系曲线 i i2 2* *-为以发电机额定电流倍数表示的负序电流的标幺为以发电机额定电流倍数表示的负序电流的标幺 值值; ; a a 允许过热时间常数允许过热时间常数 曲线表明发电机允许负序电流持续的时间曲线表明发电机允许负序电流持续的时间t t是随大小而变是随大小而变 化的。化的。i i2 2* *大时，允许的时间短，大时，允许的时间短，i i2 2* *小时，允许的时间长。小时，允许的时间长。 这种变化的特性称为反时限特性。这种变化的特性称为反

4、时限特性。 为此发电机应装设负序过电流保护为此发电机应装设负序过电流保护。 ef i5 . 0i2op 二、负序定时限过电流保护二、负序定时限过电流保护 段：段： 经经t t1(4s)(4s)延时动作于跳闸。延时动作于跳闸。 段：段： ef i1 . 0i2op 经经t t2 2(5-10)s(5-10)s延时动作于序信号延时动作于序信号 两段负序定时限过电流保护动作特性与发电机两段负序定时限过电流保护动作特性与发电机 允许负序电流曲线的配合情况允许负序电流曲线的配合情况 分析：分析： （1 1）在）在abab段内：段内： t1tt1t允许，对发电机允许，对发电机 不安全；不安全； （2 2）

5、在）在bcbc段内：段内： t1t,t1t,可保证发电机可保证发电机 安全，但没有充分利安全，但没有充分利 用发电机承受负序电用发电机承受负序电 流的能力。流的能力。 （3 3）在）在cdcd段内，保护装置段内，保护装置段不会动作，只能由段不会动作，只能由 段动作于发信号，靠运行人员去处理。在靠近段动作于发信号，靠运行人员去处理。在靠近c c 点部分，允许时间较短，实际上来不及处理，所以点部分，允许时间较短，实际上来不及处理，所以 在此区段内，对发电机是不安全的。在此区段内，对发电机是不安全的。 （4 4）在）在dcdc段内，保护不反应。段内，保护不反应。 结论：两段式负序定时限过电流保护的动

6、作特性与结论：两段式负序定时限过电流保护的动作特性与 发电机允许的负序电流曲线不能很好配合，且不能发电机允许的负序电流曲线不能很好配合，且不能 反应负序电流变化时发电机转子的热积累过程。反应负序电流变化时发电机转子的热积累过程。 三、负序反时限过流保护三、负序反时限过流保护 反时限过电流保护是一种动反时限过电流保护是一种动 作时间随通过电流的增大而减小作时间随通过电流的增大而减小 的保护。反时限过电流保护的特的保护。反时限过电流保护的特 性与发电机允许的负序电流曲线性与发电机允许的负序电流曲线 相配合，如图所示。即动作特性相配合，如图所示。即动作特性 在运行负序电流曲线的上面，这在运行负序电流

7、曲线的上面，这 样可避免在发电机还没有达到危样可避免在发电机还没有达到危 险状态时就被切除。次时保护的险状态时就被切除。次时保护的 动作特性可表示为动作特性可表示为 2 2 i a ttat 2 2 i 式中式中 与发电机转子的温升特性，温升裕度等与发电机转子的温升特性，温升裕度等 因素有关的常数。因素有关的常数。 发电机反时限负序电流保发电机反时限负序电流保 护的特性护的特性 t i2 发电机的失磁运行及其产生的影响发电机的失磁运行及其产生的影响 一、失磁的原因：一、失磁的原因： （1 1）励磁回路开路、励磁绕组断线、灭磁开关误动作、励磁调节）励磁回路开路、励磁绕组断线、灭磁开关误动作、励磁

8、调节 装置的自动开关误动、可控硅励磁装置中部分元件损坏；装置的自动开关误动、可控硅励磁装置中部分元件损坏； （2 2）励磁绕组由于长期发热，绝缘老化或损坏引起短路；）励磁绕组由于长期发热，绝缘老化或损坏引起短路； （3 3）运行人员误调整等。）运行人员误调整等。 发电机失磁后，它的各种电气量和机械量都会发生发电机失磁后，它的各种电气量和机械量都会发生 变化。将危及发电机的安全。变化。将危及发电机的安全。 发电机的失磁保护发电机的失磁保护 系统等值电路系统等值电路 功角特性关系：功角特性关系： ds s ds sd ds sd xx u xx ue q xx u cos sin e p 2 2

9、dt d p pt t原动机功率；原动机功率；p p同步功率；同步功率；p pm m异步功率；异步功率； 转子运动方程：转子运动方程： )(t 2 2 mtj ppp dt d -电气角加速度；电气角加速度；t tj j机组的惯性时间常数机组的惯性时间常数 发电机从失磁到进入稳态的异步运行，一般可分为三个阶段：发电机从失磁到进入稳态的异步运行，一般可分为三个阶段： （一）失步前（一）失步前（ 9090） i ilc减小，减小，e ed减小，减小， 增大；增大； 维持维持p=pt;p=pt; 定子电流随定子电流随的增大而增大；的增大而增大； q q缓慢减小。缓慢减小。 当当 =90=90时，时，

10、 sd xx 2 s u q 即从系统吸收无功功率。机端电压下降。即从系统吸收无功功率。机端电压下降。 （二）开始失步（二）开始失步（ 9090 180180 在在较大时，由于转子相对速度很大，发电机调较大时，由于转子相对速度很大，发电机调 速器必然动作，关小汽门或水门，减小原动机输速器必然动作，关小汽门或水门，减小原动机输 入的功率，使转子减慢。入的功率，使转子减慢。 当当p+pp+pac=p=pt时，发电机运行在稳定的异步状态。同步时，发电机运行在稳定的异步状态。同步 功率随着功率随着 的变化将呈周期振荡状态，各电气量也的变化将呈周期振荡状态，各电气量也 都相应地将周期性的摆动。都相应地将

11、周期性的摆动。 （四）失磁后的影响（四）失磁后的影响 对电力系统：对电力系统： （1 1）发电机失磁后，不但不能向系统送出无功功率，而）发电机失磁后，不但不能向系统送出无功功率，而 且还要从系统吸收无功功率。将造成系统电压下降；且还要从系统吸收无功功率。将造成系统电压下降； （2 2）为了供给失磁发电机无功功率，可能造成系统中其）为了供给失磁发电机无功功率，可能造成系统中其 它发电机过电流；它发电机过电流； （3 3）发电机失磁失步后，将造成系统振荡，甩掉大量负）发电机失磁失步后，将造成系统振荡，甩掉大量负 荷。荷。 对发电机：对发电机： （1 1）发电机失磁后，转子和定子磁场间出现了速度）发

12、电机失磁后，转子和定子磁场间出现了速度 差，则在转子回路中感应出转差频率的电流，引起转差，则在转子回路中感应出转差频率的电流，引起转 子局部过热。子局部过热。 （2 2）发电机受交变的异步电磁力矩的冲击而发生振）发电机受交变的异步电磁力矩的冲击而发生振 动，转差率越大，振动越厉害。动，转差率越大，振动越厉害。 可见，失磁后，若不失步，无直接危害。失步后，对可见，失磁后，若不失步，无直接危害。失步后，对 发电机及系统有不利影响。故应装设失磁保护。发电机及系统有不利影响。故应装设失磁保护。 等有功阻抗图等有功阻抗图( (9090) ) 系统等值电路图系统等值电路图 二、失磁发电机机端测量阻抗的变化

13、轨迹二、失磁发电机机端测量阻抗的变化轨迹 等有功阻抗圆等有功阻抗圆 结论：结论： （1 1）园的大小与有功功率的大小有关，功率越小，）园的大小与有功功率的大小有关，功率越小， 园的直径越大；园的直径越大； （2 2）失磁前，发电机向系统送有功功率和无功功率，）失磁前，发电机向系统送有功功率和无功功率， 为正，测量阻抗在第一象限；失磁后，无功功率为正，测量阻抗在第一象限；失磁后，无功功率 由正变负，由正变负， 角由正值向负值变化，测量阻抗也逐角由正值向负值变化，测量阻抗也逐 渐向第四象限过渡，失磁前，发电机送出的有功功渐向第四象限过渡，失磁前，发电机送出的有功功 率越大，进入第四象限的时间越短。

14、率越大，进入第四象限的时间越短。 （3 3）等有功阻抗园的圆心坐标与联系阻抗）等有功阻抗园的圆心坐标与联系阻抗x xs有关。有关。 可见，失磁后，可见，失磁后，z zj向第四象限移动，且最终将稳定向第四象限移动，且最终将稳定 在第四象限内。在第四象限内。 等无功阻抗圆等无功阻抗圆( (=90=90) ) 临界失步临界失步( (或静稳极限或静稳极限) )阻抗圆阻抗圆 临界电压值（临界电压值（临界电压园临界电压园） 发电机失磁后，系统某一点电压下降到使机发电机失磁后，系统某一点电压下降到使机 组不能稳定运行，此为临界电压值组不能稳定运行，此为临界电压值 22 22 )( )( )( )()(u s

15、b s sb b s b bbfb sbsbfs xxxr xxr xxjz jxz u u x i jizx i juu xxi jizxxi ju 整理后：整理后： 2 22 2 2 bs 2 2 2 )1 ( )x-x m-1 m (xr s x m m 临界电压阻抗园临界电压阻抗园 三、失磁保护的主要判据三、失磁保护的主要判据 1.1.主要判据主要判据 现在大型同步发电机的失磁保护都是利用定子回现在大型同步发电机的失磁保护都是利用定子回 路参数变化来检测失磁故障。可作为失磁保护的判据路参数变化来检测失磁故障。可作为失磁保护的判据 有：有： （1 1）无功功率改变方向；）无功功率改变方向

16、； （2 2）机端测量阻抗超越静稳边界阻抗园的边界；）机端测量阻抗超越静稳边界阻抗园的边界； （3 3）机端测量阻抗进入异步边界阻抗园。）机端测量阻抗进入异步边界阻抗园。 可作为失磁保护的定子判据，还有反应发电机感应电可作为失磁保护的定子判据，还有反应发电机感应电 势衰减及消失、功角增大等。势衰减及消失、功角增大等。 2.2.辅助判据辅助判据 为了保证保护动作的选择性，还需要用非正常为了保证保护动作的选择性，还需要用非正常 运行状态下的某些特征，作为辅助判据如下：运行状态下的某些特征，作为辅助判据如下： （1 1）励磁电压下降；）励磁电压下降； （2 2）不出现负序分量；）不出现负序分量； （

17、3 3转子电流减小）；转子电流减小）； （4 4）用延时躲振荡。）用延时躲振荡。 3.3.失磁保护的构成方案失磁保护的构成方案 （1 1）以失磁阻抗继电器作主要判据而构成失磁保护）以失磁阻抗继电器作主要判据而构成失磁保护 程度方案程度方案 发电机失磁保护方案图发电机失磁保护方案图 （2 2）整定值能自动随有功功率）整定值能自动随有功功率p p变化的转子低电压失变化的转子低电压失 磁继电器作主要判据而构成失磁保护的方案磁继电器作主要判据而构成失磁保护的方案 （3 3）稳态异步运行阻抗圆稳态异步运行阻抗圆 发电机异步运行等值电路发电机异步运行等值电路 异步运行阻抗圆异步运行阻抗圆 母线保护母线保护

18、 一、装设母线保护的基本原则一、装设母线保护的基本原则 1.1.利用供电元件的保护装置切除母线故障。利用供电元件的保护装置切除母线故障。 利用发电机的过电流保护切除母线故障利用发电机的过电流保护切除母线故障 利用变压器的过电流保护切除低压母线故障利用变压器的过电流保护切除低压母线故障 在双电源网络上，利用电源侧的保护切除母线故障在双电源网络上，利用电源侧的保护切除母线故障 2.2.装设专门的母线保护。装设专门的母线保护。 电力系统继电保护及自动装置技术规程电力系统继电保护及自动装置技术规程规定下列情况应装规定下列情况应装 设专门的母线保护：设专门的母线保护： （1 1）在）在110kv110k

19、v及以上的双母线和分段单母线上，为保证有选择性及以上的双母线和分段单母线上，为保证有选择性 地切除任一组（或段）母线上所发生的故障，而另一组（或段）地切除任一组（或段）母线上所发生的故障，而另一组（或段） 无故障的母线仍能继续运行，应装设专门的母线保护。无故障的母线仍能继续运行，应装设专门的母线保护。 （2 2） 110kv110kv及以上的单母线，主要发电厂的及以上的单母线，主要发电厂的35kv35kv母线或高压侧母线或高压侧 位位110kv110kv及以上的重要降压变电所的及以上的重要降压变电所的35kv35kv母线，按照装设全线速母线，按照装设全线速 动保护的要求必须快速切除母线上的故障

20、时，应装设专门的母线动保护的要求必须快速切除母线上的故障时，应装设专门的母线 保护。保护。 1.1.在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线所在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线所 有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等；有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等； 2.2.当母线上发生故障时，所有与电源有连接元件都当母线上发生故障时，所有与电源有连接元件都 向故障点供给短路电流，而在供电给负荷的连接元向故障点供给短路电流，而在供电给负荷的连接元 件中电流等于零；件中电流等于零； 3.3.从相位来看，在正常运行以及外部故障时，至少从相位来看，在正常运行以及外部故障时，至少 有一个元件中的电

21、流相位和其余元件中的电流相位有一个元件中的电流相位和其余元件中的电流相位 相反。而当母线故障时除电流等于零的元件以外，相反。而当母线故障时除电流等于零的元件以外， 其它元件中的电流则是同相位的。其它元件中的电流则是同相位的。 二、实现母线差动保护的基本原则二、实现母线差动保护的基本原则 三、几种常用的母线差动保护三、几种常用的母线差动保护 1.1.母线完全电流差动保护母线完全电流差动保护 整定计算：按躲过外部故障最大不平衡电流整定整定计算：按躲过外部故障最大不平衡电流整定 takrelset nik/1 . 0i max. k krel-可靠系数，取可靠系数，取1.31.3 灵敏度灵敏度2k

22、max. sen set k i i 2.2.电流比相式母线保护电流比相式母线保护 工作原理工作原理 正常运行或外部故障时正常运行或外部故障时内部故障时内部故障时 利用比相元件比较各元件中电流的相位，判断区利用比相元件比较各元件中电流的相位，判断区 内外故障，从而构成保护。内外故障，从而构成保护。 保护的构成：保护的构成： 电流比相式母线保护只与电流的相位有关，二与电流的幅值电流比相式母线保护只与电流的相位有关，二与电流的幅值 大小无关。因此大小无关。因此 不须考虑不平衡电流的影响，提高了保护的灵敏度；不须考虑不平衡电流的影响，提高了保护的灵敏度； 不要求采用型号和同变比的电流互感器，增加了使

23、用的灵活性。不要求采用型号和同变比的电流互感器，增加了使用的灵活性。 由于每条母线都装设这种保护，从而克服了一般母线差动保护由于每条母线都装设这种保护，从而克服了一般母线差动保护 不适应母线运行方式改变的缺点。不适应母线运行方式改变的缺点。 3.3.双母线固定连接的母线差动保护双母线固定连接的母线差动保护 组成：组成： 第一组：由电流互感器第一组：由电流互感器1 1、 2 2、5 5和差动继电器和差动继电器1cj1cj组组 成，用以选择第成，用以选择第组母组母 线上的故障。线上的故障。 第二组：由电流互感器第二组：由电流互感器3 3、 4 4、6 6和差动继电器和差动继电器2 2cjcj组组

24、成，用以选择第成，用以选择第 组母组母 线上的故障。线上的故障。 第三组：由电流互感器第三组：由电流互感器 1616和差动继电器和差动继电器3cj3cj组组 成的完全电流差动保护，成的完全电流差动保护， 作为整套保护的起动元作为整套保护的起动元 件。件。 组成：组成： 第一组：由电流互感器第一组：由电流互感器1 1、 2 2、5 5和差动继电器和差动继电器1cj1cj组成，组成， 用以选择第用以选择第组母线上的组母线上的 故障。故障。 第二组：由电流互感器第二组：由电流互感器3 3、 4 4、6 6和差动继电器和差动继电器2cj2cj组成，组成， 用以选择第用以选择第 组母线上的组母线上的 故

25、障。故障。 第三组：由电流互感器第三组：由电流互感器1616 和差动继电器和差动继电器3cj3cj组成的完组成的完 全电流差动保护，作为整全电流差动保护，作为整 套保护的起动元件。套保护的起动元件。 正常运行或外部故障正常运行或外部故障 时，流入时，流入1cj1cj、2cl2cl、3cj3cj的的 电流均为不平衡电流，保电流均为不平衡电流，保 护不会动作。护不会动作。 组成：组成： 第一组：由电流互感器第一组：由电流互感器1 1、2 2、5 5和和 差动继电器差动继电器1cj1cj组成，用以选择第组成，用以选择第 组母线上的故障。组母线上的故障。 第二组：由电流互感器第二组：由电流互感器3 3

26、、4 4、6 6和和 差动继电器差动继电器2cj2cj组成，用以选择第组成，用以选择第 组母线上的故障。组母线上的故障。 第三组：由电流互感器第三组：由电流互感器1616和差动和差动 继电器继电器3cj3cj组成的完全电流差动保组成的完全电流差动保 护，作为整套保护的起动元件。护，作为整套保护的起动元件。 当第当第组母线故障时组母线故障时 继电器继电器1cj1cj、3cj3cj流入全部短路电流入全部短路电 流，故流，故1cj1cj、3cj3cj起动，使断路器起动，使断路器 1dl1dl、2dl2dl、5dl5dl跳闸，切除跳闸，切除母线母线 故障。继电器故障。继电器2cj2cj流入不平衡电流，

27、流入不平衡电流， 不会动作，不会动作， 母线继续运行。母线继续运行。 组成：组成： 第一组：由电流互感器第一组：由电流互感器1 1、2 2、5 5 和差动继电器和差动继电器1cj1cj组成，用以选组成，用以选 择第择第组母线上的故障。组母线上的故障。 第二组：由电流互感器第二组：由电流互感器3 3、4 4、6 6 和差动继电器和差动继电器2cj2cj组成，用以选组成，用以选 择第择第 组母线上的故障。组母线上的故障。 第三组：由电流互感器第三组：由电流互感器1616和差和差 动继电器动继电器3cj3cj组成的完全电流差组成的完全电流差 动保护，作为整套保护的起动元动保护，作为整套保护的起动元

28、件。件。 当第当第 组母线故障时组母线故障时 继电器继电器3cj3cj、4cj4cj流入全部短路电流入全部短路电 流，故流，故3cj3cj、4cj4cj起动，使断路器起动，使断路器 3dl3dl、4dl4dl、5dl5dl跳闸，切除跳闸，切除 母母 线故障。继电器线故障。继电器1cj1cj流入不平衡流入不平衡 电流，不会动作，电流，不会动作， 母线继续母线继续 运行。运行。 组成：组成： 第一组：由电流互感器第一组：由电流互感器1 1、2 2、5 5 和差动继电器和差动继电器1cj1cj组成，用以选组成，用以选 择第择第组母线上的故障。组母线上的故障。 第二组：由电流互感器第二组：由电流互感器

29、3 3、4 4、6 6 和差动继电器和差动继电器2cj2cj组成，用以选组成，用以选 择第择第 组母线上的故障。组母线上的故障。 第三组：由电流互感器第三组：由电流互感器1616和差和差 动继电器动继电器3cj3cj组成的完全电流差组成的完全电流差 动保护，作为整套保护的起动动保护，作为整套保护的起动 元件。元件。 当固定连接破坏时，区外故障，当固定连接破坏时，区外故障， 继电器继电器1cj1cj、2cj2cj都将流入较大都将流入较大 的差电流而误动。但继电器的差电流而误动。但继电器3cj3cj 仍流过不平衡电流，但它不会仍流过不平衡电流，但它不会 动作，可以保证保护不会误跳动作，可以保证保护

30、不会误跳 闸。闸。 组成：组成： 第一组：由电流互感器第一组：由电流互感器1 1、2 2、5 5和和 差动继电器差动继电器1cj1cj组成，用以选择第组成，用以选择第 组母线上的故障。组母线上的故障。 第二组：由电流互感器第二组：由电流互感器3 3、4 4、6 6和和 差动继电器差动继电器2cj2cj组成，用以选择第组成，用以选择第 组母线上的故障。组母线上的故障。 第三组：由电流互感器第三组：由电流互感器1616和差动和差动 继电器继电器3cj3cj组成的完全电流差动保组成的完全电流差动保 护，作为整套保护的起动元件。护，作为整套保护的起动元件。 当固定连接破坏时，第当固定连接破坏时，第母线

31、故障母线故障 继电器继电器1cj1cj、2cj2cj和和3cj3cj都有短路电都有短路电 流流入，都可能动作，两组母线都流流入，都可能动作，两组母线都 可能被切除。为此，当固定连接破可能被切除。为此，当固定连接破 坏时，保护可以连接片坏时，保护可以连接片lp,lp,从而只从而只 要继电器要继电器3cj3cj动作就直接跳开所有动作就直接跳开所有 断路器。断路器。 组成：组成： 第一组：由电流互感器第一组：由电流互感器1 1、2 2、5 5和和 差动继电器差动继电器1cj1cj组成，用以选择第组成，用以选择第 组母线上的故障。组母线上的故障。 第二组：由电流互感器第二组：由电流互感器3 3、4 4、6 6和和 差动继电器差动继电器2cj2cj组成，用以选择第组成，用以选择第 组母线上的故障。组母线上的故障。 第三组：由电流互感器第三组：由电流互感器1616和差动和差动 继电器继电器3cj3cj组成的完全电流差动保组成的完全电流差动保 护，作为整套保护的起动元件。护，作为整套保护的起动元件。 固定连接双母线的电流差动保护固定连接双母线的电流差动保护 的优点是能快速而有选择性