电力系统继电保护~习题解答

电力系统继电保护习题解答 (7-10 章)刘学军编著电力系统继电保护习题解答（7-10 章） - 86 -第 7 章同步发电机的继电保护思考题与习题解答71 发电机有哪些故障类型？应该装设哪些反应故障的保护？ 答：发电机应装设下列保护：发电机故障类型主要有各种短路故障。各种故障包括相间短路、接地短路和输电线路断线。应装设的保护有：（1）对于发电机定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵联差动保护。（2）对于定子绕组单相接地故障，应装设零序保护。当发电机电压回路的接地电容电流（未经消弧绕组）大于或等于 5A 时，保护应动作于跳闸，当接地电容电流小于 5A 时保护应动作于信号。对容量是 100MW 及以上的发电机应尽量装设保护范围为 100%的接地保护。（3）对于定子绕组匝间短路，当绕组接成双星形，且每一分支都有引出端时，应装设横联差动保护。（4）对于外部短路引起的过电流，一般应装设低电压启动的过电流保护或复合电压启动的过电流保护。对于容量为 50MW 及以上的发电机，一般装设负序过电流及单相低电压启动的过电流保护。负序过电流保护同时用作外部不对称短路或不对称负荷引起的负序过电流保护。（5）对于由对称过负荷引起的定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护。（6）对于水轮发电机及其某些大容量汽轮发电机定子绕组的过电压，应装设带延时的过电压保护。（7）对于励磁回路的接地故障，水轮发电机一般应装设一点接地保护。对汽轮发电机的励磁回路一点接地，一般采用定期检测装置，对大容量机组，可装设一点接地保护，对两点接地故障，应装设两点接地保护。（8）对于发电机的励磁消失，当 100MW 以下不允许失磁运行的发电机，应在自动灭磁开关断开时应联动断开发电机断路器；当采用半导体励磁系统时，应装设专用的失磁保护。对于 100MW 以下但对电力系统有重大影响的发电机和100MW 及以上的发电机应装设专用的失磁保护。（9）对于发电机转子回路过负荷，在容量为 100MW 以上并采用半导体励磁的发电机，可以装设转子回路过负荷保护。（10）对于大容量汽轮发电机的逆功率运行，可以装设逆功率保护。72 试分析发电机纵差保护的作用及保护范围答：发电机纵差保护是反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，保护无死区动作时限短。它作为发电机相间短路的主保护。其保护范围包括发电机定子绕组及引出线，即装设发电机定子绕组两侧 TA 之间的范围。电力系统继电保护习题解答 (7-10 章)刘学军编著电力系统继电保护习题解答（7-10 章） - 87 -73 试说明如图 71 具有断线监视装置的发电机纵差保护装置，在内部故障、电流互感器二次回路断线情况下的动作过程。当发生二次回路断线时的外部故障，保护将如何反应？答：如图 71 所示具有断线监视的发电机纵差保护装置，在发生内部故障时，电流互感器 2TA 二次回路断线，则差动继电器通过 1TA 反应的短路电流要大于继电器动作电流，继电器动作。当发生外部故障时，2TA 断线流KTAI过继电器电流仍为 ，保护要误动作，但因为装设了断线监视装置，发生KTAI断线后，它发出信号，运行人先接到信号后即将差动保护退出，防止误动作。图 71 题 7-3 具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线图74 零序电压匝间短路保护，能否保护单相接地？答：不能，如图 72 所示为零序电压匝间短路保护原理接线图，图中把发电机中性点与发电机出口端电压互感器的中性点连在一起，当发电机内部发生匝间短路或者中性点不对称的相间短路时，破坏了三相中性点的对称，产生了对中性点的零序电压即 ，使零序电压匝间短路保护正常动作。03U当发电机内部或外部发生单相接地时，虽然电压互感器 TV 的一次系统出现了零序电压，即一次侧三相对地电压不平衡，中性点电位升高为 ，但 TV0U一次侧的中性点并不接地，所以即使它的中性点电位升高，三相对地中性点的电压仍对称，所以开口三角形绕组输出电压 =0。保护不会动作。为防止03U1TV 一次熔断器熔断引起保护误动作，设置了电压闭锁装置，为防止低定值零序电压匝间短路保护在外部短路时误动作，设置了负序功率方向闭锁元件。电力系统继电保护习题解答 (7-10 章)刘学军编著电力系统继电保护习题解答（7-10 章） - 88 -图 72 题 7-4 零序电压匝间短路保护原理接线图75 为什么反应零序电压的定子绕组匝间短路保护要采用负序功率方向闭锁？答：零序电压的定子绕组匝间短路保护采用负序功率方向闭锁元件。在正常运行时，系统振荡或三相对称短路时，发电机定子绕组三相电流对称，转子回路不出现 2 次谐波电流，保护不会动作。当发电机不对称运行或发生不对称短路时，定子绕组的负序分量电流也将在转子回路中感应出 2 次谐波电流。为防止在这些情况下保护误动作，可加设起闭锁作用的负序功率方向闭锁，因为匝间短路时的负序功率方向与不对称运行或发生不对称接地短路时的负序功率方向相反。这样，不对称情况下的负序功率方向元件使保护闭锁，匝间短路时便能使保护开放。76 为什么发电机定子绕组单相接地的零序电流保护存在死区，如何减小死区？答：当发电机定子绕组的中性点附近接地时，由于接地电流很小，采用零序电流保护可能不能动作，有 15%30%的死区。为减小死区可采取下列措施：（1）加装三次谐波滤过器；（2）对于高压侧是中性点直接接地电网，可利用保护装置延时来躲过高压侧接地短路故障，其动作时限应与变压器的零序保护相配合；（3）对于高压侧是中性点非直接接地电网，可利用高压侧的零序电压将发电机的接地保护闭锁或实现制动。采用上述措施后，继电器动作值可取 510 伏，保护范围可提高到 90%以上，但是在中性点附近仍有 5%10%的死区。7-7 大容量发电机为什么要采用 100%定子接地保护？利用发电机定子绕组三次谐波电压和零序电压构成的 100%定子接地保护的原理是什么？答：在大型机组中水内冷机组占有一定的比例。对于水内冷发电机来说，由于机械损伤或发生漏水等原因，导致中性点附近的定子绕组发生接地故障是完全可能的。如果这种故障没有及时发现并处理，势必会发展成匝间短路，相间短路或两点接地短路，以致造成发电机严重损坏。因此，对这种大容量发电机，电力系统继电保护习题解答 (7-10 章)刘学军编著电力系统继电保护习题解答（7-10 章） - 89 -有必要装设能保护 100%定子绕组的接地保护。下面说明利用三次谐波电压构成的 100%定子接地保护。该保护由两部分组成，一部分为零序电压保护，它可以保护 85%90%定子绕组。另一部分利用发电机三次谐波电压构成，它用来消除零序电压保护的死区，从而实现保护 100%定子绕组的接地保护。为了可靠起见，两部分保护区有段重叠。第二部分的工作原理是利用发电机中性点和出线端的三次谐波电压在正常运行和接地故障时变化相反的特点构成。正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端的三次谐波电压大。利用其变化特点，使发电机出口的三次谐波电压成为动作量，从而使中性点的三次谐波电压成为制动量，利用绝对值比较原理，当发电机出口三次谐波电压大于中性点三次谐波电压时，继电器动作，这种保护在正常时制动，在定子绕组接地时动作。三次谐波电压保护原理如下，由于发电机转子和定子之间的气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在发电机定子绕组感应电势中存在三次谐波分量，其值不超过基波电势的 10%。正常运行时，中性点绝缘的发电机端电压与中性点三次谐波电压分布如图7-3（a ）所示，其中 为每相三次谐波电势， 为每相对地电容， 为机3E OGCOSC端其它各连接元件每相的对地电容，中性点三次谐波电压 和机端三次谐波3NU电压 分别为：3SU（71）32OGSNCE（7-2）3SOGS（7-3）312SNSCU上式说明在正常情况下，机端三次谐波电压小于中性点三次谐波电压，若发电机经消弧绕组接地，上述结论也成立。电力系统继电保护习题解答 (7-10 章)刘学军编著电力系统继电保护习题解答（7-10 章） - 90 -（c） (d)图 73 题 7-7 发电机端和中性点三次谐波电压（a）正常运行时发电机三次谐波电压的等值电路；（c ）发电机定子绕组单相接地时三次谐波电压的等值电路；（c） 、 随接地点位置 a 变化的曲线3SUN图 74 发电机零序电压和三次谐波电压相结合构成 100定子绕组单相接地保护原理接线图设发电机定子绕组距中性点 a 处发生单相接地，如图 7-3(b)所示，无论中性点是否接消弧绕组都有 = , ,且 与 的比值为3NUE331SESU3N(7-4)31Sa与 随 a 而变化，其变化曲线如图 7-3（d）所示，当 a3SUN 3SU。有以上分析可知，正常情况下， ，利用 作为动作量，利用 作为制动量，构成接地保3SN3S3护，可以反应 0，执行元件动作，调节电位器 1RP 可以改变保3SN护的整定值。电压变换器 UV 直接接于机端电压互感器 1TV 的开口三角形侧，反映基波零序电压。基波零序电压经整流器 3U 整流和经 ， ， 组成滤波器滤波后，7C3R8加于执行元件，调节电位器 2RP 滑动端位置，可以改变基波零续电压部分的整定值。7-8 发电机失磁后，发电机机端测量阻抗如何变化，什么是等有功阻抗圆，等无功阻抗圆?答：失磁后，发电机机端测量阻抗的变化是，失磁保护的重要判据，下面以汽轮发电机经线路与无穷大系统并列运行为例分析失磁后发电机机端测量阻抗的变化情况。如图 7-5（a ）所示为系统的等值电路，图 7-5（b）为系统正常运行时各电气量的相量图。由电机理论可知，发电机送到受端的有功功率和无功功率为：(7-6)sindEUPX(7-7)2codssQ(7-8)artnP式中 发电机电势，系统电压；,dsEU 发电机同步电抗与系统及发电机之间联系电抗之和；XdsX 与 之间的夹角，称为功角；dS电力系统继电保护习题解答 (7-10 章)刘学军编著电力系统继电保护习题解答（7-10 章） - 92 -受端功率因数角图 7-5 题 7-8 发电机与无限大系统并列运行（a）等值电路；（b）相量图在正常运行时， ,发电机失步.下面分三个阶段分析发电机从失磁到稳定异步运行。901.失磁开始到失步前为等有功阶段在这个阶段中， 随励磁电流逐渐减小而下降，根据公式 11-6 可知发电机dE送出功率 P 减小，但原动机输入功率没有减小，转子出现剩余功率使转子加速， 增大，sin 增大，由于 减小和 增大相互补偿，故 P 的平均值保持dsin不变，这一过程称为等有功过程。根据式（7-7）无功功率 Q 随 增大而降低，而且从正值变为负值，即发电机变为从系统吸收感性无功功率。发电机从失磁到失步前，机端测量阻抗为： 22GSGSSSSUIjXUPZjjXjXIP 2 21S SSPjQj jQ（11-9）22jSSUjXe式中 , 和 P 均为常数 , =arctan（Q/P） ，随 Q 变化而变化，式（11-9）表S电力系统继电保护习题解答 (7-10 章)刘学军编著电力系统继电保护习题解答（7-10 章） - 93 -示以 为圆心，半径为 的圆,如图 7-6 所示，称为等有功阻抗圆。2,SUjXP2SUP图 7-6 题 7-8 等有功阻抗圆 图 7-7 题 7-8 等无功阻抗圆上述分析可知，失步前机端测量阻抗在阻抗复平面第一象限，失磁开始到失步前，随着 Q、 减小，机端测量阻抗的端点沿着等有功圆向第 IV 象限移动。2.临界失步点当 增加到 ，汽轮发电机处于静态极限，此时失磁发电机送至系统无功功90率，根据式（7-7）应为 =常数 (7-10）2SUX式中 Q 为负值，表明发电机从系统吸收感性无功功率，这种情况下，机端测量阻抗为22GSS SPjQjZj XIPj（7-11） 22jSSUjjXeQ将式（1110）代入（1011）可得式（7-12）21122jGSdSdZjjXe式中，仅 为变量，所以式（7-12）也是一个圆方程，其圆心坐标为（0，）,半径为 ，如图 7-7 所示。该图称临界失步阻抗圆或SdjXSd称为等无功阻抗圆。电力系统继电保护习题解答 (7-10 章)刘学军编著电力系统继电保护习题解答（7-10 章） - 94 -3失步后的异步运行状态发电机失步稳定运行在第 IV 象限，其等值电路如图 7-8 所示。按图中规定电流正方向，机端测量阻为：（7-13）21 2adGRjXjsUZI当发电机在空载下失磁，转差率 S=0， ,此时机端测量阻抗最大，2Rs即 （7-14）1GaddZjXj当发电机失磁前带有很大的有功功率，失磁后进入稳态异步时转差率很高，极限情况是 S， 0，此时 有最小值，即2RsGZ（7-15） 21adGdXZjj由上述分析可见，如图 7-9 所示，发电机在正常运行时，其机端测量阻抗按所带有功负荷不同（P1 或 P2） ，位于阻抗复平面第一象限（a 和 点） 。失磁a后，机端测量阻抗沿等有功圆向第 IV 象限变化，当它与临界失步阻抗圆相交时（b 或 点） ，表明机组处于静态稳定的极限。越过静态边界后，机组转入异步运行，最后稳定运行在第 IV 象限 与 之间的范围（c 或 点附近） 。djXajc图 7-8 发电机异步运行时的等值电路 定子绕组漏电抗； 归算至定子侧转子回路电阻及漏电抗；1X2,RX定、转子绕组间互感抗； 转差率；ads电力系统继电保护习题解答 (7-10 章)刘学军编著电力系统继电保护习题解答（7-10 章） - 95 -图 7-9 发电机失磁后机端测量阻抗的变化7-9 为什么大容量发电机采用负序电流保护，其动作值是按什么条件