RCS-985微机发电机保护.ppt

RCS-985微机发电机保护,一 保护功能配置,RCS985型号及功能配置,RCS-985装置分四个程序版本，分别适用于不同的主接线： RCS-985A适用于标准的发变组单元主接线方式：两圈主变（220KV或500KV出线）、发电机容量100MW及以上、一台高厂变（三圈变或分裂变）、励磁变或励磁机； RCS-985B适用于两台高厂变的发变组主接线方式：两圈主变（220KV或500KV出线）、发电机容量100MW及以上、两台高厂变、励磁变或励磁机； RCS-985C适用于多种发变组主接线方式：两圈或三圈主变、发电机容量小于300MW、一台高厂变（三圈变或分裂变）、分支电缆、励磁变或励磁机； RCS-985G 适用于大型发电机保护，可以满足汽轮发电机、水轮发电机、燃气轮发电机、抽水蓄能机组的保护要求。,1.1 发变组保护相关的技术规定条文摘录,1.1.1 电压在3kV及以上，容量在600MW及以下的发电机，应按本条的规定，对下列故障及异常运行方式，装设相应的保护。容量在600MW以上的发电机可参照执行： (a) 定子绕组相间短路； (b) 定子绕组接地； (c) 定子绕组匝间短路； (e) 发电机外部相间短路； (f) 定子绕组过电压； (g) 定子绕组过负荷； (h) 转子表层（负序）过负荷； (i) 励磁绕组过负荷； (j) 励磁回路接地； (k) 励磁电流异常下降或消失； (l) 定子铁芯过励磁； (m) 发电机逆功率； (n) 低频； (o) 失步； (p) 发电机突然加电压； (q) 发电机起停机； (r) 其他故障和异常运行。,1.1.2 对发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，应按下列规定配置相应的保护作为发电机的主保护： (a) 1MW以上的发电机，应装设纵联差动保护。 (b) 对发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，发电机与主要变压器宜分别装设单独的纵联差动保护；当发电机与变压器之间没有断路器时，100MW及以下发电机，可只装设发电机变压器组共用纵联差动保护，100MW以上发电机，除发电机变压器组共用纵联差动保护外，发电机还应装设单独的纵联差动保护。 (c) 对200MW及以上发电机变压器组，应装设双重快速保护，即装设发电机纵联差动保护、变压器纵联差动保护，发电机变压器组共用纵联差动保护，当发电机与变压器之间有断路器时，宜分别装设双重发电机纵联和差动保护、双重变压器纵联差动保护，不再装设发电机变压器组共用纵联差动保护。 (d) 应对纵联差动保护采取措施，在穿越性短路及自同步或非同步合闸过程中，减轻不平衡电流所产生的影响，以尽量降低动作电流整定值。 (e) 纵联差动保护，应装设电流回路断线监视装置，断线后动作于信号。电流回路断线允许差动保护跳闸。 (f) 本条中规定装设的过电流保护、电流速断保护、低电压保护、低压过流和差动保护均应动作于停机。,1.1.3 各项保护装置，宜根据故障和异常运行方式的性质及热力系统具体条件，按各条的规定分别动作于： a停机: 断开发电机断路器、灭磁，对汽轮发电机，还要关闭主汽门；对水轮发电机还要关闭导水翼； b. 解列灭磁: 断开发电机断路器，灭磁，汽轮机甩负荷； c. 解列: 断开发电机断路器，汽轮机甩负荷； d减出力: 将原动机出力减到给定值； e缩小故障影响范围: 例如双母线系统断开母线联络断路器等； f. 程序跳闸: 对汽轮发电机首先关闭主汽门，待逆功率继电器动作后，再跳发电机断路器并灭磁。对水轮发电机，首先将导水翼关到空载位置，再跳开发电机断路器并灭磁； g减励磁: 将发电机励磁电流减至给定值； h励磁切换: 将励磁电源由工作励磁电源系统切换到备用励磁电源系统； i厂用电源切换: 由厂用工作电源供电切换到备用电源供电； j分出口: 动作于单独回路； k信号: 发出声光信号。,二 硬件平台,装置面板和背面布置图,2.1 机箱结构,2.2 先进的硬件核心 一,高速数字信号处理器DSP 大规模逻辑门阵列FPGA 可编程逻辑门阵列CPLD 并行高精度A/D 32位微处理器CPU 独立的CPU处理显示、键盘等人机对话 大屏幕汉字液晶显示,高速数字信号处理器DSP32位微处理器CPU 双CPU系统：低通、AD采样、保护计算、逻辑输出 1、CPU2作用于启动继电器，CPU1作用于跳闸矩阵 2、启动一致性，CPU1和CPU2的启动元件相同，保护才出口 3、两个CPU系统之间均进行完善的自检和互检，任一CPU板故障，闭锁装置并发报警信号,2.3 先进的硬件核心二,2.4 RCS-985硬件配置示意图,灵活的跳闸矩阵：每一种保护均可经跳闸矩阵整定出口方式,2.5 跳闸矩阵的功能特点,2.6 保护功能压板,三 差动保护,3.1 发电机完全纵差保护,发电机完全纵差方程：,电流参考方向： 规定由发电机机端流向中性点为正，如图所示,保护范围,假设定值单中：,差动方程变换为：,由上式可以看出，差动方程分两段，第一段为抛物线，第二段为直线，在平面图上如下图所示：,发电机变斜率比率差动方程分析,比率差动的动作特性,保护动作分析,区内故障时：如图所示，机端侧短路电流I1由机端流向中性点，为正值。中性点侧电流I2由中性点流向机端，为负值，由差动电流和制动电流公式可以看出： 此时差流很大而制动电流很小，差动方程很容易满足，差动保护动作。,保护动作分析,区外故障时：如图所示，机端侧短路电流I1由机端流向中性点，为正值。中性点侧电流I2也是由机端流向中性点，为正值，并且两 电流大小相等，由差动电流和制动电流公式可以看出： 此时差流为0而制动电流很大，差动方程不满足，差动保护不动作。,发电机差动各侧电流的折算,发电机差动所用电流为发电机机端电流、发电机中性点电流，两侧电流TA变比可能不一至，所以在差动运算前，要对各侧电流进行折算，折算到同一变比。在RCS985中，电流的折算方法是采用标么值。 标么值定义：电流的实际值和基准值的比值，一般选取各侧的额定电流做为基准电流。 对于发电机两侧额定电流的计算公式如下： 1）发电机机端侧： 2）发电机中性点侧： 各参数定义如下： SGN： 发电机视在功率 PGN： 发电机额定有功功率 COS： 发电机额定功率因数 UGN： 发电机机端额定线电压 N1： 发电机机端侧TA变比 N2： 发电机中性点侧TA变比,发电机差动定值,发电机差动逻辑框图,差动试验,3.2 TA饱和对差动保护的影响,1）由磁化曲线，知道一次电流的波形，可以画出磁通的波形。 2）由电磁感应定理： 可由磁通画出e2波形。 3）由于电流互感器二次侧相当于一个纯电阻回路，由：e2=R2i2 可得二次电流i2波形。,发电机差动保护所用的TA饱和问题,以往认为： 发电机差动采用保护级TA，并且TA同型； 区外故障电流倍数小，一次电流完全相同，二次 不平衡差流小； 因此，发电机差动保护不存在TA饱和问题，为提高内部故障灵敏度，可降低差动起始定值和比率制动系数。 实际情况： 发电机差动TA尽管同型，但两侧电缆长度可能不 一致，TA二次负载不同。部分机组TA不是真正同 型TA； 区外故障电流倍数尽管小，但非周期分量衰减慢； 结果，导致TA饱和，不平衡差流增大，差动保护 屡有误动发生；,TA饱和判据的特点,全新的“异步法” TA饱和判据 抗TA饱和算法：利用变压器、发电机差电流中谐波含量和波形特征来识别电流互感器是否饱和。 关键判据：根据TA饱和也是在短路过了一段时间后才饱和的理论先初步判出是区外故障时，再投入抗TA饱和算法。初步判出区外故障的判据为： 制动电流工频变化量 差动电流工频变化量 满足上两判据时间大于一定值初步判为区外故障。,TA保护判据的特点,区内故障时，无论TA是否饱和，制动电流和差电流的工频变化量电流同步出现。,TA保护判据的特点,区外故障时，如果TA饱和，制动电流与差电流的工频变化量电流先后异步出现,TA饱和时波形,TA严重饱和时的主要特征,1）二次电流波形有严重缺损，显著非正弦。 2）在短路后TA很快进入深饱和，以致二次绕组的感应电动势降为零。在相应的一段时间内二次电流为零，此时一次电流全部成为励磁电流。 3）当一次电流全部成为励磁电流后其瞬时值下降时TA逐渐退出饱和，当它下降到零继而改变极性时铁心安全退出饱和，二次绕组的感应电动势增大，二次电流又几乎与一次电流相等，但这时铁心中有相当大的剩磁存在。 4）当一次电流恢复初始的极性又上升时，由于有剩磁存在铁心又很快饱和，二次电流又降为零。 5）在短路开始时铁心要维持磁通不变，或者说励磁回路的电感不允许其电流突变，一次电流全部变换为二次电流，TA无误差。这段时间虽短，一般为38ms ,但可以被差动保护所利用。,TA饱和处理方法(1),为防止在区外故障时TA的暂态与稳态饱和时可能引起的稳态比率差动保护误动作，装置采用各相差电流的综合谐波作为TA饱和的判据，其表达式如下： In Knxb*I1 其中In为某相差电流中的综合谐波，I1为对应相差电流的基波，Knxb为某一比例常数。 故障发生时，保护装置利用差电流工频变化量和制动电流工频变化量是否同步出现，先判出是区内故障还是区外故障，如区外故障，投入TA饱和闭锁判据，可靠防止TA饱和引起的比率差动保护误动。,TA饱和处理方法(2)：高值比率差动,为避免区内严重故障时TA饱和等因素引起的比率差动延时动作，装置设有一高比率和高起动值的比率差动保护，利用其比率制动特性抗区外故障时TA的暂态和稳态饱和，而在区内故障TA饱和时能可靠正确动作。高值比率差动不判TA饱和。稳态高值比率差动的动作方程如下：,高值和低值差动的配合,1）区内轻微故障，短路电流小，TA不饱和： 低值比率差动灵敏动作 2）区内严重故障，短路电流大，TA饱和： 低值闭锁，高值动作 3）区外轻微故障，短路电流小，TA不饱和： 差流为0，低值和高值都不动作 4）区外严重故障，短路电流大， TA饱和： 低值闭锁，高值差动由于定值比较高，差流进入不到动作区，也不会动作。,3.3 差动保护TA断线报警或闭锁,内部故障时，至少满足以下条件中一个： （1）任一侧负序相电压大于2V （2）起动后任一侧任一相电流比起动前增加 （3）起动后最大相电流大于1.2 Ie （4）同时有三路电流比启动前减小 因此，差动保护启动后40ms内，以上条件均不满足，判为TA断线。如此时“TA断线闭锁比率差动投入”置1，则闭锁差动保护，并发差动TA断线报警信号，如控制字置0，差动保护动作于出口，同时发差动TA断线报警信号。,3.3 TA断线报警功能,3.3.1 各侧三相电流回路TA断线报警 动作判据：I2 0.04 Ie + 0.25Imax 式中，Ie：二次额定电流（1A或5A），I2：负序电流，Imax：最大相电流； 满足条件，延时10s后发相应TA异常报警信号，异常消失，延时10S自动返回。 3.3.2 差动保护差流报警 只有在相关差动保护控制字投入时（与压板投入无关），差流报警功能投入，满足判据，延时10S报相应差动保护差流报警，不闭锁差动保护，差流消失，延时10S返回。 为提高差流报警的灵敏度，采用比率制动差流报警判据： dI di_bjzd 及 dI kbj Ires 式中 dI为差电流，di_bjzd为差流报警门槛，kbj为差流报警比率制动系数，Ires为制动电流。 3.3.3 差动保护TA断线报警或闭锁 对于正常运行中TA瞬时断线，差动保护设有瞬时TA断线判别功能。只有在相关差动保护控制字及压板均投入时，差动保护TA断线报警或闭锁功能投入。 内部故障时，至少满足以下条件中一个： （1）任一侧负序相电压大于2V （2）起动后任一侧任一相电流比起动前增加 （3）起动后最大相电流大于1.2 Ie （4）同时有三路电流比启动前减小 而TA断线时，以上条件均不符合。因此，差动保护启动后40ms内，以上条件均不满足，判为TA断线。如此时“TA断线闭锁比率差动投入”置1，则闭锁差动保护，并发差动TA断线报警信号，如控制字置0，差动保护动作于出口，同时发差动TA断线报警信号。 在发出差动保护TA断线信号后，消除TA断线情况，复位装置才能消除信号。 在发电机变压器组未并网前，TA断线报警或闭锁功能自动退出。,3.4 TV断线报警功能,3.4.1 各侧三相电压回路TV断线报警 动作判据： （1）正序电压小于18V，且任一相电流大0.04In； （2）负序电压3U2大于 8V。 发电机机端、主变高压侧TV满足以上任一条件延时10S 发相应TV断线报警信号，异常消失，延时10s后信号自动返回。厂变低压侧TV满足以上任一条件延时10S 发相应TV断线报警信号，异常消失，手动复归。 3.4.2 发电机机端电压平衡功能 发电机机端接入两组电压互感器，比较两组电压互感器的相间电压、正序电压是否一致来判断TV断线。动作判据： |UAB-Uab| 5V |UBC-Ubc| 5V |UCA-Uca| 5V | U1 - U1| 3V 满足以上任一条件延时0.2S发TV断线报警信号、并启动TV切换 某一组TV断线时，失磁、失步、过电压、过励磁、逆功率、频率等相关保护不受影响 如机端只有一组TV输入，本功能可以选择退出。,3.5 发电机不完全纵差保护,如右图所示，差同方程同完全差动保护一样，电流参考方向规定由机端流向中性点为正方向,大于50MW的发电机，每相定子绕组有二分支或二分支以上。可用机端TA和机尾某一分支上的TA组成发电机不完全纵差保护，如上图所示。用TA和TA电流互感器的二次电流构成A相的不完全纵差保护。以此类推可构成B相和C相的不完全纵差保护。以上图中每相两分支为例，当外部短路和正常运行时两分支电流相等，TA的电流是TA电流的两倍。如果TA的变比是TA变比的两倍，那么外部短路和正常运行时TA和TA的二次电流相等，其相量差是零。当然和也可取同一变比，在微机保护软件中进行变比的补偿。 而在定子绕组上发生相间短路时，无论是同一中性点的两相间的短路还是不同中性点的两相间的短路，该两TA二次电流的相量差不再是零。所以不完全纵差保护可以保护相间短路。 当发生匝间短路时，无论匝间短路发生的分支是电流互感器所在分支还是不是电流互感器所在分支，由于定子各分支绕组间互感的影响该两TA二次电流的相量差也不再是零。所以发电机不完全纵差保护也可保护匝间短路。此外不完全纵差保护对分支的开焊故障也能起到保护作用。,3.6 发电机裂相横差保护,如右图所示，差同方程同完全差动保护一样，电流参考方向规定由机端流向中性点为正方向,在一些大型机组上，每相两路分支在中性点的端子全部引出，所以可以装设裂相横差保护，作为内部故障时的另一重要主保护。 裂相横差原理接线图如图所示，当定子绕组发生一分支的匝间短路(K1)、同相不同分支间的匝间短路(K3)和不同相两分支相间短路(K2)时，裂相横差保护均能动作；对于大负荷时一分支开焊(K4)时，裂相横差保护也有反应。因此裂相横差保护也是发电机定子绕组所有内部故障的主保护。RCS-985中，裂相横差保护采用比率制动原理，动作判据和纵差保护一样，具有很高的灵敏度。,发电机裂相差动保护定值,3.7 工频变化量电流差动保护,I=IK-IN,工频变化量的物理解释,线性系统叠加原理的应用,工频变化量差动动作方程,工频变化量动作特性,工频变化量比例差动的优点,1. 只反映故障分量，不受发电机、变压器正常运行时负荷电流的影响过渡电阻影响很小 2. 采用高比率制动系数抗TA饱和 3.提高了发电机、变压器内部轻微故障时保护的灵 敏度，区外故障不会误动,四 发电机匝间保护,4.1 发电机横差保护,当发电机每相绕组为两分支或多分支时，在中心点处如果三相最后构成两个中性点，在这两个中心点的连线上装有一个TA ，反应该TA二次电流的保护就称作单元件的横差保护 当正常运行和绕组的外部发生短路时，各个分支电势相同。两个中性点等电位，两中性点连线上的电流为零，或者说仅为不平衡电流，保护不会动作。当某相上的某一分支发生匝间短路时、当绕组间发生相间短路时、当某一分支绕组开焊时，两中性点出现电位差。在两中性点连线上出现电流。所以该横差保护可以保护绕组的匝间短路、绕组的相间短路和分支开焊的故障。当然对于小匝数的匝间短路保护灵敏度可能不够。,1. 高定值段横差保护 ： 动作方程： 其定值按躲过外部三相短路时的最大不平衡电流整定，建议取为,为发电机一次额定电流， 为横差TA变比,2. 灵敏段横差保护 本保护采用相电流比率制动原理的横差保护。其动作方程为：,式中 为横差保护TA二次电流。 为灵敏段横差保护的电流定值，按躲发电机额定电流下的不平衡电流整定，建议取为 。 为三相电流中的最大相电流。 为发电机的额定电流。 为单元件横差保护电流制动系数，推荐值为1.5。 和 在定值单中需要整定。,灵敏段横差保护的特点： 由于采用了最大相电流比率制动原理，有效地防止了在外部短路时保护的误动，因此灵敏段横差保护的定值可不像高定值段横差保护那样按躲外部三相短路时的最大不平衡电流整定，而只需按躲发电机额定电流下的不平衡电流整定。 在上述动作方程中引入了浮动门槛，所以在正常运行中不平衡电流缓慢增大时保护不会误动。 当励磁回路发生两点接地时由于气隙磁通发生畸变，由于同一相的两个分支并不一定位于同一定子槽中而产生不同的感应电势，产生的环流会使灵敏段与高定值段的横差保护都可能会动作。所以它们可以兼作水轮发电机和大型汽轮发电机的转子两点接地保护。水轮发电机和大型汽轮发电机没有专门的转子两点接地保护。当转子一点接地保护发出信号后，运行人员应设法停机。如果在这期间又发生了转子另外一点短路形成两点接地，本保护可瞬时动作于跳闸。 对于装设有专门的转子两点接地保护的中、小型汽轮发电机，当转子一点接地保护发出信号后应投入转子两点接地保护。此时为避免发生瞬间两点接地时本横差保护误动，本横差保护可切换为带(0.51)秒延时动作于跳闸。,4.2 纵向零序电压保护,纵向零序过电压保护需从装于机端的专用的电压互感器的开口三角处取得零序电压，该TV一次绕组的中性点不是接地而是与发电机的中性点相连，如图所示。所以该TV开口三角处取得的电压实际上反应的是机端T点对发电机中性点N点的零序电压,在正常运行、外部短路时,故开口三角输出电压为：,故纵向零序过电压保护不会误动作,当发电机定子绕组发生单相接地短路时，例如图中C相绕组发生单相接地短路时，由于C相机端对N点的电压不变， ，所以纵向零序电压仍为零。因此该保护不能保护定子接地短路。需要指出，此时机端对地是会出现零序电压的。但本保护不反应机端对地的零序电压。,如果发电机定子绕组发生匝间短路。例如A相某一分支绕组发生匝间短路，如图所示。短路匝数占总匝数的百分数a。此时A相机端对N点电压由于部分匝数被短接故： 而B、C相机端对N点电压不变，电压为： 故开口三角输出电压为：,纵向零序过电压保护可以动作，所以该保护可保护同分支的匝间短路 。同理在同相不同分支绕组间短路时和在绕组内的相间短路时都会造成各相机端对中性点的电压幅值发生变化，从而会出现纵向（机端对中性点）零序电压。所以纵向零序过电压保护也可以保护这些故障类型。,1.高定值段纵向零序过电压匝间短路保护 ：,其动作电压按躲各种情况下的最大不平衡电压整定。建议取为（812）V 。 2.灵敏段纵向零序过电压匝间短路保护 ： UzozoIm/IeUzozd Im = 3I2 Imax Ie Im = (Imax Ie) 3I2 Imax Ie 式中 Uzozd为零序电压定值, Imax为发电机机端最大相电流, I2为发电机机端负序电流，Ie为发电机额定电流, Kzo为制动系数。 电流比率制动原理匝间保护能保证外部故障时不误动, 内部故障时灵敏动作, 由于采用了电流比率制动的判据，零序电压定值只需按躲过正常运行时最大不平衡电压整定，因此提高了发电机内部匝间短路时保护的灵敏度。 匝间保护一般经短延时（0.10S0.20S）出口。,发电机匝间保护定值,发电机匝间保护逻辑框图,发电机横差保护逻辑框图,纵向零序电压保护逻辑框图,五 发电机定子接地保护,当发电机定子绕组与铁芯间的绝缘损坏将引起定子绕组的单相接地短路。如果发电机的中性点是绝缘不接地的，此时接地点的接地电流是发电机电压系统的电容电流。该电流较大时非但烧伤定子绕组的绝缘还会烧损铁芯，还会将多层铁芯叠片烧接在一起在故障点形成涡流，使铁芯进一步加速熔化导致铁芯严重损伤 。 为了确保发电机的安全应不使发电机的单相接地短路发展成相间短路或匝间短路因此应该使单相接地故障处不产生电弧或者使接地电弧瞬间熄灭。这个不产生电弧的最大接地电流被定义为发电机单相接地的安全电流。该电流与发电机的额定电压有关。目前发电机单相接地的安全电流如无制造厂提供的规定值可以下表所列数据作为标准 。 当单相接地电流小于表上的安全电流时，定子接地保护动作后只发信号而不跳闸。调度人员应转移负荷、平稳停机，以免再发生一点接地形成很大的短路电流而烧坏发电机。当单相接地电流大于表上的安全电流时，定子接地保护应动作于跳闸。,5.1 零序电压定子接地保护,假设在右图中F点的A相绕组发生接地短路。F点到中性点的匝数占该相绕组总匝数的百分比为a。此时机端T点各相的对地（对A相的F点）电压为 ：,所以机端T点对地的零序电压为：,零序电压值随短路点位置a的变化而变化的关系如图所示。在机端单相接地时零序电压最大，在中性点处接地时零序电压为零。,基波零序电压保护发电机8595的定子绕组单相接地,在中性点N附近发生接地故障，保护有死区。基波零序电压保护设两段定值，一段为灵敏段，另一段为高定值段。 1. 灵敏段基波零序电压保护，动作于信号时,其动作方程为: Un0 U0zd 式中Un0为发电机中性点零序电压，U0zd为零序电压定值。 灵敏段动作于跳闸时，还需主变高、中压侧零序电压闭锁，以防止区外故障时定子接地基波零序电压灵敏段误动。 对于RCS-985A、RCS-985B、RCS-985G装置，零序电压取自发电机中性点处，灵敏段动作于跳闸时，需经机端开口三角零序电压闭锁，这主要是为了防止在高、中压侧发生接地短路时，高、中压侧的零序电压经过变压器绕组间的耦合电容传递到低压侧，造成灵敏段的零序过电压保护误动。因此当高、中压侧的零序电压大于40V时将灵敏段的零序过电压保护闭锁 2. 高定值段基波零序电压保护，取中性点零序电压为动作量，动作方程为： Un0 U0hzd 高定值段可单独整定动作于跳闸。,5.2 三次谐波电压比率定子接地保护,上述基波零序过电压保护对于中性点附近的单相接地短路是存在死区的。虽然正常运行时中性点的电压很低，发电机的定子绕组又是全绝缘的，中性点附近发生接地短路的几率较少。但是不能完全排除中性点附近发生接地短路的可能性。 因此规程规定对容量小于100MW的发电机变压器组中的发电机定子接地保护中可只装设保护范围不小于90%的基波零序过电压保护。但对容量大于等于100MW的发电机变压器组中的发电机一定要配置能对100%的定子绕组发生接地短路的保护。 100%的定子绕组接地短路保护的一种方案是用三次谐波电压和基波零序过电压两种保护联合构成。三次谐波电压定子接地保护对于中性点附近的单相接地短路有很高的灵敏度，它与基波零序过电压保护正好有互补性。所以可用这两个保护联合构成100%的定子绕组接地短路保护。,正常运行时机端与中性点处的三次谐波电压的特征 ： 发电机每相对地电容Cg各一半分接在机端和中性点处。发电机外接元件的每相对地电容Ct接于机端。发电机三次谐波的相电势为E3。由于正常运行时三相的三次谐波电压的幅值和相位相同，所以在三次谐波等值电路图中机端T处三相可连在一起，中性点N处三相本来就连在一起，构成如图所示三相三次谐波等值电路图。各处的电容是单相电容的三倍。发电机的电阻、电抗、电导相对于电纳来说很小，可忽略不计。,由上图可以得到发电机正常运行时机端和中性点三次谐波电压之比：,定子绕组单相接地短路时机端与中性点处的三次谐波电压的特征 ： 设短路点F到中性点N的匝数占总匝数的百分比为 a，由等效电路得：,据电压公式可画出UT3a ，UN3a的关系曲线如图所示。所以如果以UT3UN3作为动作方程的话，该继电器在金属性短路情况下可保护从中性点起50%的绕组上的单相接地短路。且短路点越近中性点保护越灵敏。,1. 三次谐波电压比率定子接地保护 三次谐波电压比率判据只保护发电机中性点25左右的定子接地，机端三次谐波电压取自机端开口三角零序电压，中性点侧三次谐波电压取自发电机中性点TV。 三次谐波保护动作方程: U3TU3N K3WZD 式中: U3T、U3N为机端和中性点三次谐波电压值,K3wzd为三次谐波电压比值整定值。 机组并网前后，机端等值容抗有较大的变化，因此三次谐波电压比率关系也随之变化，本装置在机组并网前后各设一段定值，随机组出口断路器位置接点变化自动切换。 三次谐波电压比率判据可选择动作于跳闸或信号。,2. 三次谐波电压差动定子接地保护： 三次谐波电压差动判据： 式中U3T和U3N为机端、中性点三次谐波电压向量，Kt为自动跟踪调整系数向量，Kre为三次谐波差动比率定值。本判据在机组并网后且负荷电流大于0.2Ie(发电机额定电流)时自动投入。 三次谐波电压差动判据动作于信号。,5.3 外加电源式发电机定子接地保护,发电机在正常运行时三相定子绕组对地是绝缘的，而在定子绕组发生接地短路时这种对地绝缘性能被破坏，所以如果在定子绕组与大地之间加入一个非50Hz的另一个频率的电源，那么定子绕组接地时，该电源回路就经过大地流过一个该频率的故障电流。 利用该电流增大后该频率的电压和电流的比值（该比值正比于接地电阻的大小）的降低的特征可以构成相应的保护，来检测定子绕组的接地故障。这种保护称作接地电阻定子接地保护，从原理上讲在理想情况下其灵敏度与接地故障在定子绕组上的位置无关，所以可构成100%的定子接地故障保护。而且在发电机开机之前本保护就可检测出定子接地故障。,外加电源式发电机定子接地保护配置示意图： 图中为从中性点接地变压器l、n接入20Hz电源。,1. 接地电阻定子接地判据： 接地电阻判据与定子绕组的接地点无关，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。 接地电阻判据反映发电机定子绕组接地电阻的大小，设有两段接地电阻定值，高定值段作用于报警，低定值段作用于延时跳闸，延时可分别整定。其动作方程为： 报警判据为： 式中 为发电机定子绕组接地电阻， 和 分别为发电机定子绕组接地电阻的高、低定值。,2. 接地电流定子接地判据 ： 考虑到当接地点靠近发电机机端时，检测量中的基波分量会明显增加，导致检测量中低频故障分量的检测灵敏度受到影响。为了提高此种情况下保护的灵敏度，增设接地电流辅助判据。接地电流判据能够反映距发电机机端8090的定子绕组单相接地，而且接地点越靠近发电机机端其灵敏度越高，因此能够很好的与接地电阻判据构成高灵敏的100%定子接地保护方案。 接地电流判据反应发电机定子接地电流的大小，其动作方程为: 式中 为发电机定子接地电流（不经数字滤波）， 为接地电流定值。,发电机定子接地保护定值,发电机定子接地保护逻辑框图,基波零序电压定子接地保护逻辑框图,三次谐波电压定子接地保护逻辑框图,六 发电机转子接地保护,发电机转子接地,当励磁绕组及其相连的直流回路发生一点接地故障时，由于没有形成短路回路，接地点并没有故障电流，所以并不会产生严重的后果。 但是如果继发第二点接地故障时，接地点流过的故障电流将烧伤转子本体。部分转子绕组被短接，励磁绕组中电流增加将因过热而烧伤。 部分励磁绕组被短接以后气隙磁场发生的畸变会造成转子振动的加剧（这一点对于水轮发电机尤其严重）此外两点接地后还可能发生轴系和汽轮机的磁化。这些都将严量威胁发电机的安全。 所以水轮发电机和大型发电机只装设励磁回路一点接地保护，不再装设专门的励磁回路两点接地保护。当励磁回路一点接地保护动作发信号后为了它们的安全应立即转移负荷，实现平稳的停机检修。万一在此期间发生了两点接地，可用高灵敏的单元件横差保护兼顾转子两点接地保护而瞬时跳闸。 中、小型汽轮发电机除装设励磁回路一点接地保护外还需装设专门的转子两点接地保护，保护动作于跳闸。在一点接地保护动作发信号后应立即投入两点接地保护，机组还允许继续运行。为避免发生瞬间的两点接地时不必要地停机，两点接地保护应延时(0.51.0)秒动作于停机。同时高灵敏的单元件横差保护也加一(0.51.0)秒的延时。,6.1 切换采样式（乒乓式）转子一点接地保护,设在转子绕组的K处发生经对地绝缘电阻为Rg的一点接地短路。K点到转子正电压端的绕组匝数占转子总绕组匝数的百分比为a。S1和S2为两个电子开关，由时钟脉冲控制它们轮流导通（约每秒钟一次）。转子绕组上的电压U和S1、S2两端的电压U1、U2为保护装置的测量值。U1的电压上端为正，下端为负。U2的电压下端为正，上端为负。由于短路点位置a和对地绝缘电阻Rg是两个未知数，因而需在下述两种状态下列出两个方程进行联立求解。在立方程式时可把两个接地点直接相连来分析。,在保护装置RCS985内部,状态1：S1断开、S2闭合，测得U1和U。据接点电流定理可得： 状态2：S1闭合、S2断开，测得U2和U。据接点电流定理可得： 联立求解上两式可以求得Rg和a。在这两种状态间隔的短时间内转子绕组两端的电压U认为不变时，求得Rg和a为： 继电器动作方程为： 在RCS-985保护中Rset定值分两段。灵敏段动作于信号，定值一般可整定为20-80K，普通段带延时可动作于信号或跳闸（可选择）。对于水轮发电机和空冷或氢冷的汽轮发电机普通段定值可整定为20K，对直接水冷的汽轮发电机普通段定值可整定为2.5K。,6.2 转子两点接地保护,若转子一点接地保护动作于报警方式，当转子接地电阻Rg小于普通段整定值，转子一点接地保护动作后，经延时自动投入转子两点接地保护，当接地位置改变达一定值时(装置内固定为3%),判为转子两点接地，动作于跳闸。 为提高转子两点接地保护的可靠性，转子两点接地保护可经控制字选择“经定子侧二次谐波电压闭锁”。,发电机转子接地定值,转子一点接地逻辑图,转子二点接地逻辑图,七 发电机失磁保护,发电机的失磁故障是指发电机的励磁全部消失或部分消失的故障。引起发电机失磁的原因是转子绕组的故障、励磁机的故障、自动灭磁开关的误跳闸、半导体励磁系统中某些元件的损坏或回路故障以及误操作。 发电机失磁对电力系统产生的影响: 发电机从原先向系统输出无功功率Q1到需从系统吸收无功功率Q2，系统将出现的无功差额Q1+Q2。发电机的容量在系统中占的比重越大，对系统的影响也越大。如果系统没有足够的无功储备，则无功严重的缺额将造成机端和电力系统中邻近的某些点的电压严重下降甚至可能导致系统因电压崩溃而瓦解。 由于电压下降，系统中其它发电机在自动调整励磁装置的作用下将增加其无功输出，这可能导致发电机、变压器、线路的过电流。如果因此造成它们保护的误动将进一步扩大事故。,失磁对失磁发电机的影响: 在转子回路和转子本体表层将产生频率为fg-fs的差频电流。造成转子的局部过热甚至灼伤。 定子电流的增大将造成定子过热。 在异步力矩的作用下发电机将产生振动。水轮发电机和大型汽轮发电机由于设计的异步平均转矩的最大值较小，纵轴（d）和横轴（q）的不对称程度更大。因而如果在重负荷下失磁会造成机组的严重振动而危及机组的安全。 发电机允许失磁运行的条件: 如果系统有充足的无功储备，失磁后系统电压不致严重下降的话发电机可以不解列。但要将负荷减到4050%的额定负荷，以减小转差率s。这样，允许失磁机组运行1530分钟。,t0: 正常运行 t1: 进入静稳圆 t2:进入异步圆,发电机机端正序测量阻抗失磁后的变化轨迹,（1）定子侧阻抗判据： 阻抗圆：异步阻抗圆或静稳边界圆，阻抗电压量取发电机机端正序电压，电流量取发电机中性点正序电流。动作方程为： XA：对于静稳边界圆，可按系统阻抗整定，对于异步阻抗圆，XA= 0.5 Xd； XB：隐极机一般取Xd 0.5 Xd，凸极机一般取0.5（XdXq）+ 0.5 Xd。 对于阻抗判据，可以选择与无功反向判据结合： Q Qzd 对于静稳阻抗继电器，特性如图1，图中阴影部分为动作区，图中虚线为无功反向动作边界。 对于异步阻抗继电器，特性如图2。 阻抗继电器辅助判据： a.正序电压6V b.负序电压U2 0.1Un（发电机额定电压）。 c.发电机电流 0.1Ie（发电机额定电流）。,图1.静稳阻抗继电器,图2. 异步阻抗继电器,（2）低电压判据： 一般取母线三相电压，也可选择发电机机端三相电压。三相同时低电压判据： Upp Ulezd 对于取自母线电压，TV断线时闭锁本判据。取自机端三相电压，一组TV断线时自动切换至另一组正常TV。,（3）转子侧判据： a. 转子低电压判据： Ur Ur1zd b. 发电机的变励磁电压判据 Ur Krel*Xdz* ( P Pt ) * Uf0 式中Xdz=Xd+Xs，Xd为发电机同步电抗标幺值，Xs为系统联系电抗标幺值。 P为发电机输出功率标幺值 Pt为发电机凸极功率幅值标幺值 对于汽轮发电机Pt=0 对于水轮发电机Pt= 0.5* ( 1/Xqz - 1/Xdz ) Uf0为发电机励磁空载额定电压有名值 Krel为可靠系数 失磁故障时如Ur突然下降到零或负值，励磁低电压判据迅速动作（在发电机实际抵达静稳极限之前），失磁或低励故障时，Ur逐渐下降到零或减至某一值，变励磁低电压判据动作。低励、失磁故障将导致机组失步，失步后Ur和发电机输出功率作大幅度波动，通常会使励磁电压判据、变励磁电压判据周期性地动作与返回，因此低励、失磁故障的励磁电压元件在失步后（进入静稳边界圆）延时返回。,（4）减出力判据： 减出力采用有功功率判据：P Pzd 失磁导致发电机失步后，发电机输出功率在一定范围内波动，P取一个振荡周期内的平均值。,发电机失磁保护定值 1,发电机失磁保护定值 2,失磁保护段,装置设由四段失磁保护功能，失磁保护段动作于减出力，段经母线电压低动作于跳闸，段可动作于信号或跳闸，段经较长延时动作于跳闸。 失磁保护段用于减出力。失磁保护段投入，发电机失磁时，降低原动机出力使发电机输出功率减至整定值。,失磁保护II段,失磁保护段：发电机失磁时，主变高压侧母线电压低于整定值（根据选择，可取机端电压），保护延时动作于跳闸。失磁段判据选择时，除了母线低电压判据外，定子阻抗判据建议投入。不推荐只投母线电压判据和转子电压判据的方式。,失磁保护段,失磁保护段可动作于报警，也可动作于切换备用励磁或跳闸。,失磁保护段,失磁保护段为长延时段，只判定子阻抗元件，在减出力、切换备用励磁等措施无效的情况下，动作于跳闸。,八 发电机失步保护,中、小型的发电机一般不装设失步保护。当机组与系统间发生振荡失步时，由运行人员处理。但对于300MW及以上的大型发电机应装设专门的失步保护和失步预测保护。 一、装设失步保护的必要性： 大型的发电机-变压器组的电抗较大，如果外接系统是一个大系统，在振荡时振荡中心往往在机端或变压器内。振荡中机端电压周期性地大幅度地上、下变化，将导致厂用辅机的工作遭到严重的破坏，甚至导致全厂停机、停炉、停电。 当振荡中心在机端附近时，流过发电机的最大振荡电流接近于机端三相短路电流。如果此电流较长时间的反复出现将使发电机定子绕组发热，电磁力使发电机的端部受机械损伤。 振荡时轴系周期性的扭力将使大轴受到严重扭伤，缩短运行寿命。 滑差周期性的变化使转子绕组中产生差频的感应电流，将造成转子发热。 大型机组与系统的振荡可能导致系统解列甚至崩溃。,第三部分特性是电抗线，图中，它把动作区一分为二，电抗线以上为I段（U），电抗线以下为II段（D）。阻抗轨迹顺序穿过四个区时位于电抗线以下，则认为振荡中心位于发变组内，位于电抗线以上，