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1/60,第六章 发电机保护,2/60,6.1 发电机的故障、不正常工作状态 及保护方式,3/60,一、发电机的故障类型 1、发电机定子绕组相间短路（K1故障）； 最常发生的故障之一 2、发电机定子绕组匝间短路 （1）绕组同相同分支匝间短路（K2故障）； （2）绕组同相不同分支匝间短路（K3故障）；,消弧 线圈,4/60,一、发电机的故障类型 3、发电机定子绕组单相接地短路（K4故障）； 4、发电机转子励磁回路一点（K5） 或两点接地（K5与K6 ） ； 5、失磁（低励）故障，等等。,5/60,二、发电机的不正常工作状态 1、定子绕组过负荷。 2、转子表层过热。由于外部不对称短路或系统非 全相运行出现负序电流引起。 3、定子绕组过电压。 4、发电机逆功率运行（主汽门突然关闭，转为电 动机）。 5、励磁回路过负荷、过励磁。 6、发电机频率上升或下降。 7、发电机与系统之间失步。,6/60,三、发电机保护配置 1、纵联差动保护反应发电机定子绕组及引 出线的相间短路 2、定子绕组匝间短路保护 3、定子单相接地保护(接地电流超过允许值时) 4、负序过电流保护 5、对称过负荷保护 6、励磁回路一点或两点接地保护 7、失磁保护 8、失步保护 种类很多，只能介绍基本原理和主要的保护。,7/60,三、发电机保护配置 9、转子过负荷保护 10、逆功率保护 11、定子绕组过电压保护 12、发电机过励磁保护。,8/60,6.2 发电机的纵差和横差保护,保护范围：发电机定子绕组及引出线的相间短路。 （作为主保护）,与变压器差动保护相似。 通常采用比率制动式纵差保护。,一、纵差保护,9/60,归纳：差动保护的基本原理都是基尔霍夫电流定律。 1）正常运行和外部短路电流和0； 2）内部“横向”短路电流和短路电流。 3）几乎不反应纵向故障。 线路差动、变压器差动、发电机差动等。,10/60,归纳：差动保护的基本原理都是基尔霍夫电流定律。 1）正常运行和外部短路电流和0； 2）内部“横向”短路电流和短路电流。 3）几乎不反应纵向故障。 线路差动、变压器差动、发电机差动等。,差动保护均需要研究：TA饱和、断线的影响； 制动方式。,纵差保护常用的制动方式： 比率制动、标积制动等。,11/60,纵差保护整定,1.启动电流整定,2.拐点电流整定,躲过额定工况下的最大不平衡电流,决定保护开始产生制动的电流大小,1.52,一次误差0.06Ign,二次误差0.1Ign,12/60,纵差保护整定,1.制动系数整定,差动回路的最大不平衡电流,1.3-1.5,10%误差+二次误差,暂态特性0或0.05-0.1,制动系数（与直线斜率稍微有差异）,13/60,保护的动作逻辑： 纵差保护并不是满足动作方程就动作，为防止TA 断线引起保护的误动，还需要加入其他判别逻辑。,14/60,不完全纵差保护 应用条件：每相定子绕组为两个或多个并联分支。 绕组仅接入部分的分支电流，机端接入全部电流，通过选择不同的电流互感器变比，构成纵差动保护。,15/60,不完全纵差保护 应用条件：每相定子绕组为两个或多个并联分支。 绕组仅接入部分的分支电流，机端接入全部电流，通过选择不同的电流互感器变比，构成纵差动保护。,当发电机发生相间、匝间短路和分支开焊故障时，差动电流超过动作电流，不完全纵差保护动作。,16/60,正常及外部短路的特征：,设法构成环流应用电流和定律,二、发电机横差保护 发电机定子绕组 匝间短路 的主保护。 1、裂相横差保护,17/60,二、发电机横差保护 1、裂相横差保护,正常及外部短路的特征：,设法构成环流应用电流和定律,18/60,二、发电机横差保护 1、裂相横差保护 （1）同相同分支发生匝间短路, 出现死区,19/60,二、发电机横差保护 1、裂相横差保护 （2）同相不同分支发生匝间短路, 出现死区,20/60,二、发电机横差保护 发电机定子绕组 匝间短路 的主保护。 1、裂相横差保护 缺点： 1）装设6个TA； 2）接线复杂； 3）不平衡电流大。,21/60,二、发电机横差保护 2、单元件横差保护 优点：接线简单，不平衡电流小， 灵敏性高，反应定子绕组匝 间、相间及分支开焊故障。,动作电流按躲过区外短路时最大 不平衡电流整定。 （运行经验：0.20.3额定电流） 注意：需滤除三次谐波电流引起的 不平衡电流结构产生,22/60,6.3 发电机定子绕组单相接地保护,大型发电机组定子绕组对地电容较大，发生接地故障时，接地电容电流比较大，可能使定子铁芯烧坏，故障点会出现局部弧光过电压，可能导致发电机绕组的多点绝缘损坏，使得故障扩展成为危害更大的相间或匝间短路故障。,一般是由定子线圈与铁芯之间的绝缘损坏引起的。,定子绕组单相接地故障占定子故障的7080%。,23/60,6.3 发电机定子绕组单相接地保护,中性点不接地，接地电容电流应在规定允许值之内。（如300600 MVA:允许电流14A）,大型发电机组采用中性点经消弧线圈接地，通过消弧线圈的电感电流补偿电容电流。(欠补偿，因C固定.),中性点采用高阻接地（经二次侧接小电阻的配电变压器接地(限制暂态电压，但增大故障电流)。,24/60,6.3 发电机定子绕组单相接地保护,故障接地电容电流大于允许值，接地保护动作于跳闸。,发生单相接地（一点接地）故障，接地电容电流大于允许值时，保护发出接地故障信号，同时转移负荷，实现平稳停机、检修。,25/60,1）正常时，基波零序电压3U0很小； 2）接地故障时,出现3U0,大小与故障点位置有关。,发电机端各相对地电势： （近似估计）,接地示意图,26/60,一、基波零序电压定子绕组单相接地保护,确定动作门槛(判据)：,获得动作区域，如左图的红色域,27/60,一、基波零序电压定子绕组单相接地保护,确定动作门槛(判据)：,躲过最大不平衡电压，较多的情况取为：5V。,优点：简单、可靠，一般 能够保护9095% (靠近机端)的定子 接地故障。 缺点：在靠近中性点附近 ，有一定的保护死 区。,28/60,二、利用三次谐波电压的定子绕组单相接地保护,理论分析表明，在正常运行情况下，发电机中性点不接地或经消弧线圈接地时，可以获得如下的等值电路：,由容抗比确定，存在这样的关系：UN 3 US 3,29/60,二、利用三次谐波电压的定子绕组单相接地保护,当定子绕组在距中性点处发生金属性单相接地时（无论中性点是否接消弧线圈），等值图近似如下：,30/60,二、利用三次谐波电压的定子绕组单相接地保护,31/60,二、利用三次谐波电压的定子绕组单相接地保护,32/60,三、100定子绕组单相接地保护,对大型发电机组，应装设能反应 100% 定子绕组接地的保护。 目前 100% 定子接地保护一般由两部分组成： 1）基波零序电压保护。它能反应从机端到中性点 间 85% 范围内的定子绕组接地故障。 2）由三次谐波电压或外加交流电源的原理等构成，用来消除零序电压保护的死区。,另外，还有外加交流电源式（注入交变信号）的100定子绕组单相接地保护（可自学）。,33/60,6.4 发电机励磁回路接地保护,发电机励磁回路的绝缘破坏会造成励磁回路的接地故障。 当励磁回路发生一点接地时，并未形成电流回路，对发电机不会造成直接危害 发信号。 但如果再发生第二点再接地故障时，形成了短路电流的通路，不仅可能烧伤励磁绕组和转子本体，还可能引起机组剧烈振动，严重威胁发电机的安全。,34/60,6.4 发电机励磁回路接地保护,保护配置： 对于 100MW及以上汽轮发电机，均装设一点接 地保护，发现转子一点接地后，保护方式有两种情 况： 1、保护动作于发信或跳闸； 2、投入两点接地保护，两点接地保护动作于跳闸。 进口发电机组一般不装两点接地保护。,35/60,一、直流电桥式发电机励磁回路一点接地保护,转子对地分布电阻 当作集中电阻 Rg,利用电桥平衡原理， 1）正常时，I=0。 2）接地时，电桥平衡 被破坏，I0 ， 动作。,36/60,一、直流电桥式发电机励磁回路一点接地保护,缺点：当接地点在励磁绕组中点附近时，保护存在 一定的死区。,转子对地分布电阻 当作集中电阻 Rg,利用电桥平衡原理， 1）正常时，I=0。 2）接地时，电桥平衡 被破坏，I0 ， 动作。,37/60,二、切换采样式励磁回路一点接地保护 克服电桥式的缺陷（下图为一种方式）。,(1)正常时，无论S闭 合与否，均有： I0。,(2)接地时,a）S闭合期间，有：,b）S打开期间，有：,38/60,二、切换采样式励磁回路一点接地保护 联立求解2个方程,不受接地位置、分布电容的影响，同时，在启、停机时，也能够实施保护功能。,39/60,三、叠加方波电压式励磁回路一点接地保护,方波电压U0经耦合电容C和测量电阻RM加到励磁回路两端，当发生励磁绕组接地故障时，对地电阻 Rg下降，电阻RM上的电压UM随之增大，检测UM波形的变化来反映励磁回路的一点接地故障.,40/60,还有其他的切换方式，如：乒乓开关切换式。 以及注入交变信号方式，等。,41/60,四、励磁回路两点接地保护 1、检测定子电压二次谐波的两点接地保护 当励磁绕组发生两点接地或匝间短路时，气隙磁场的对称性受到破坏，在定子绕组中感应出二次谐波及其它偶次谐波电压，利用定子电压二次谐波含量，可实现转子两点接地及匝间短路的保护 。 2、切换采样原理 在发生一点接地后，可以通过计算得到一点接地的 Rg 和 k，此后，保护继续按照原方法进行计算，当检测到 Rg 和 k有变化时，根据其变化大小确认为两点接地故障。,42/60,四、励磁回路两点接地保护 目前，还没有十分有效的方案，都有死区，或性能不够理想。 同学们可以设法思考、研究。,43/60,6.5 发电机失磁保护,发电机失磁通常是指：发电机励磁异常下降或励磁完全消失的故障。 发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零，发电机感应电动势随之减小，其电磁转矩将小于原动机转矩，引起转子加速，使发电机功角增大，当其超过静态稳定极限角时，发电机与系统失去同步。,44/60,发电机失磁的危害： 1、从系统中吸收大量的无功功率，引起电力系统电压降低，甚至造成系统电压崩溃，并因过电流而使定子过热； 2、发电机转速超过同步转速，在转子和励磁回路中将产生差频电流，形成附加损耗，使转子过热； 3、发电机的转矩和有功功率将发生周期性摆动，并通过定子传到机座上，引起机组振动，威胁机组安全； 4、低励或失磁运行时，定子端部漏磁增加，将使端部和边缘铁芯过热，发生故障。,45/60,规程规定： 对于不允许失磁运行的发电机及失磁对电力系统有重大影响的发电机，应装设专用失磁保护。 1、对于汽轮发电机，其异步功率较大，调速器比较 灵敏，可在较小的转差下异步运行一段时间。 2、对于水轮发电机，由于其异步功率较小，调速器 不灵敏，失磁异步运行吸收无功功率大，机组振 动大，所以，水轮发电机失磁后一般不允许继续 运行。,46/60,失磁保护的主判据 一、低励磁电压判据,测量励磁电压，低于某个数值时，动作。,47/60,失磁保护的主判据 二、逆无功判据,失磁到失步前的表征：1)发电机发出的有功功率基本不变；2)Ed减小，增大；3)无功功率Q随着Ed的减小和功角增大而减小，Q值由正变为负，发电机吸收感性的无功功率。,48/60,失磁保护的主判据 二、逆无功判据,定子侧会同时出现：逆无功和过电流 可构成以逆无功判据为主的失磁保护。,49/60,失磁保护的主判据 三、机端测量阻抗判据,失磁后，随着功角的不断增大，发电机处于失去静态稳定的临界失步点（对汽轮发电机组90），此时，汽轮发电机的机端测量阻抗为一个圆方程，称为静稳边界阻抗圆。,圆周为发电机以不同有功功率临界失稳时的机端测量阻抗轨迹，圆内为失步区 。,50/60,6.6 发电机失步保护,发电机输出功率的变化较大，或系统中出现大扰动，或励磁调节不当，使发电机与系统间的功角 大于静稳极限，将出现静稳破坏而失步。,发电机失步运行时，电流、电压、有功功率和无功功率均出现大幅度波动。大型发电机变压器组的阻抗相对增加，因此振荡中心常落在发电机附近或升压变压器范围内。振荡中机端电压周期性下降，严重影响厂用电及厂用机械的稳定运行，甚至导致停机事故。,规程规定：300MW及以上发电机宜装设失步保护。,51/60,设置电阻线R1、R2、R3、R4，将阻抗平面分为05区。,双遮挡器特性失步保护原理,1)正常运行时，机端测量阻抗较大，通常设计为： 且不会顺序经过14区。,52/60,双遮挡器特性失步保护原理,2)短路时，机端测量阻抗会突然落入某个位置，但依然不会顺序经过14区。,53/60,双遮挡器特性失步保护原理,3)振荡时，机端测量阻抗会顺序地经过0、1、2、3、4、5区。,54/60,双遮挡器特性失步保护原理,电阻线R1、R2、R3、R4将阻抗平面分为04（共5个区）。 1)正常运行时，机端测量阻抗较大，且不会顺序经过04区。 2)加速失步时，测量阻抗从+R向R方向变化，从右至左依次穿过电阻线；减速失步时测量阻抗轨迹从 R 向 +R 方向变化，从右至左依次穿过 。,55/60,3)失步中发信号，原动机出力变化，若振荡未平息，则失步周期计数，累计达到一定的值，认为失步。,1)阻抗轨迹穿越后以反方向范围，则判断为可恢复的摇摆。,2)阻抗轨迹在任一区域内停留，判断为短路。,56/60,6.7 转子表层负序过电流保护,电力系统中发生不对称短路或三相负荷不对称时，将有负序电流流过发电机的定子绕组，它所产生的旋转磁场与转子运动方向相反，以两倍同步转速切割转子，从而在转子中产生倍频电流，引起转子发热；同时负序电流产生的倍频交变电力力矩，还可能引起转子大轴和机座的振动，造成发电机的严重损坏。,发电机组承受负序电流的能力主要由转子表层发热情况来决定，大型发电机组要求转子表层过热保护与发电机承受负序电流的能力相适应。可分为长期和短期承受负序电流的能力。,57/60,由转子的材料和结构决定的，通过稳态负序试验可以测定其大小。通常规定在额定负荷下，,与负序电