电力系统继电保护+发电机的继电保护(1).ppt

第七章,发电机的继电保护,发电机是电力系统中最主要的设备，发电机单机容量不断增大，可以降低单位造价和发电成本，提高劳动生产力。但机组容量过大，发电机的事故停机率增高，可用率随之降低。,600MW=60万KW,平均可用率为77.5%,由于像600MW这样的大机组越来越多地在电力系统中应用，如何保障发电机在电力系统中的安全运行，就显得更加重要。,事故停机率为9.7%,据统计：,4060万KW机组,80万KW以上机组,平均可用率为72.5%,事故停机率为16.2%,一、发电机故障类型,、定子绕组相间短路,、定子绕组一相的匝间短路,、定子绕组单相接地,定子绕组,第一节发电机的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式,转子绕组,、转子绕组一点接地或两点接地短路,、转子励磁回路励磁电流消失,造成的危害：,定子绕组故障时，故障点出现的电弧将烧损定子绕组的绝缘，严重时，电弧使定子铁芯大量熔化或引起火灾。,转子绕组两点接地时，除可能使转子绕组和铁芯损坏外，还因转子磁场不对称，使机组产生剧烈的机械振动。,二、发电机的不正常运行状态,、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和过负荷；,、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。,三、保护方式,对以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差保护,对直接联于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当发电机电压网络的接地电容电流大于或等于时（不考虑消弧线圈的补偿作用），应装设动作于跳闸的零序电流保护，小于时，则装设作用于信号的接地保护,对定子绕组的匝间短路，当绕组接成星形且每相中有引出的并联支路时，应装设单元件式横联差动保护,对发电机外部短路而引起的过电流，可采用下列保护：负序过电流及单相式低电压起动过电流保护，一般用于50MW及以上的发电机；复合电压起动的过电流保护（负序电压及线电压）过电流保护，用于1MW以下的小发电机,对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电流保护(南钢、南化5万kW金山桥热电厂13.5万kW）,对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,对水轮发电机定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护,对于发电机励磁回路的接地故障水轮发电机装设一点接地保护，小容量机组可采用定期检测装置对汽轮机励磁回路的一点接地，一般采用定期检测装置，对大容量机组则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在励磁回路发生一点接地后投入,对发电机励磁消失的故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器，对采用半导体励磁以及100MW以上采用电机励磁的发电机，应增设反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护励磁方式：半导体励磁（ABB、GE）、电机励磁,对转子回路过负荷，在100MW及以上并采用半导体励磁系统的发电机上应装设转子过负荷保护,对汽轮机主汽门突然关闭，为防止汽轮机遭到破坏，对大容量机组可考虑装设逆功率保护,当电力系统振荡影响机组安全运行时，在300MW机组上，应装设失步保护；当汽轮机低频运行造成机械振动，叶片损伤等可装设低频保护；当水冷却发电机断水时，可装设断水保护。,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，必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，以使转子回路电流不会在定子绕组中再感应电势，继续供给短路电流。,第二节发电机定子绕组短路故障的保护,7.2.1发电机纵差保护的整定计算和原理接线,纵差保护是发电机内部相间短路的主保护，因此它能快速而灵敏地切除内部所发生故障，同时，在正常运行及外部故障时，又应保证动作的选择性和工作的可靠性。,发电机纵差保护起动电流有两个不同选取原则，与其对应的接线也有些差别。,1）在正常情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动,TA2,TA1,二次回路断线时的电流分布,假定电流互感器TA2的二次引出线发生断线,则这时在差动继电器中将流过电流,当发电机在额定容量运行时,此电流即为发电机额定电流变换二次侧的数值,可以Ign/nTA表示，为防止差动保护误动作，应整定保护装置的起动电流大于发电机的额定电流，引入可靠系数Krel(一般取1.3),则保护装置和继电器的起动电流分别为：,Iset=KrelIgnIset.K=KrelIgn/nTA,Krel=1.3,这样整定，在正常运行时任一相电流互感器二次侧断线时，保护均不会误动。,若在断线后又发生了外部短路，则继电器回路中要流过短路电流，保护仍要误动，因此一般在差动保护中装设断线监视装置，当断线后它动作于发出信号，运行人员接此信号后即应将差保退出工作。,断线监视继电器的起动电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好，通常选择：,为防止断线监视装置在外部故障时由于不平衡电流的影响而发信号，其动作时限应大于发电机后备保护的时限。,2）保护装置的起动电流按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定,这时，继电器的起动电流应为：,当采用具有速饱和铁芯的差动继电器时Knp=1；当电流互感器型号相同时，Kat=0.5；可靠系数一般取Krel=1.3,对水轮发电机则,对于汽轮发电机，其出口处发生三相短路最大短路电流约为则差动继电器的起动电流为:,7.2.2比率制动式纵差动保护,按照传统的纵差动保护整定方法，为防止纵差动保护在外部短路时误动，其动作电流应躲开最大不平衡电流，因此，纵差动保护的动作电流比较大，降低了保护的灵敏度，考虑到不平衡电流随着流过TA电流（即穿越电流）的增加而增加，从而采用具有比率制动的纵差动保护，使保护的动作值随着外部短路电流的增大而自动增大。,TA2,TA1,设纵差动保护的动作电流为：,纵差动保护的制动电流为：,则比率制动式差动保护的动作方程为：,Id差动电流Ires制动电流Ires.min拐点电流Id.min启动电流K制动线的斜率,它在动作方程中引入了启动电流和拐点电流，制动部分曲线已不再经过原点，从而更加能够拟合TA的误差特性，进一步提高差动保护的灵敏度。,7.2.3标积制动式纵差动保护,标积制动原理也是一种比率制动原理。只不过是制动量变成了两个量的内积，并且反应的是臂电流的大小，同时避免了可能带来的复数运算。它同样具有二部分组成：无制动部分和比率制动部分组成。它具有比比率制动特性高的灵敏度，同时又具有和比率制动特性相同的躲区外故障不平衡电流和抗TA稳态饱和的能力。,令：,则标积制动式纵差动保护的动作判据为：,Ks标积制动系数,是与的夹角,7.2.4纵差动保护接线方式,1.发电机纵差动保护的动作逻辑,当发电机内部发生相间短路时，会有二相或三相差动同时动作。根据这一特点，在保护跳闸逻辑设计时可作相应考虑。当有二相或三相差动继电器动作时，可判断为发电机内部发生短路故障；而仅有一相差动继电器动作时，则可判为TA断线；为了防止一点在区内接地另外一点在区外接地的两点接地故障的发生，当有一相差动继电器动作且同时有负序电压时也出口跳闸。,这样就可使单相TA断线时保护不会误动，省去专用的TA断线闭锁环节，且保护安全可靠。,U2,ad为定子与转子绕组之间的互感电抗；,为反映发电机功率大小的等效电阻；,当发电机失磁后而异步运行时，将对电力系统和发电机产生以下影响：,1）需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。假设失磁前发电机向系统送出无功功率，而在失磁后从系统吸收无功功率，则系统中将出现的无功功率差额。,2）由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，若电力系统的容量较小或无功功率储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压器高压侧的母线电压、或其它邻近点的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。,由于失磁发电机吸收了大量的无功功率，为防止其定子绕组的过电流,发电机所能发出的有功功率将较同步运行时有不同程度的降低，吸收的无功功率越大，则降低的越多。,失磁后的发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路中将产生频率为fg-fs交流电流，因而形成附加的损耗，使发电机转子和励磁回路过热，当转差率越大时，引起的过热就越严重。,因此，需要在发电机上装设失磁保护，以便及时发现失磁故障，采取措施，保障电力系统和发电机的安全。,二、发电机失磁后的机端测量阻抗,以汽轮发电机经一联络线与一无穷大系统并列运行为例：,等值电路,向量图,同步电抗,联系电抗,发电机端的相电压,无穷大系统的相电压,同步电势,受端的功率因数角,功角,为发电机的同步电势；为发电机端的相电压；,为无穷大系统的相电压；为发电机的定子电流；,为发电机的同步电抗；为发电机与系统之间的联系电抗；,为受端的功率因数角,为与间的夹角即功角,其中,根据电机学分析，发电机送到受端的功率S=P-jQ分别为：,受端的功率因数角为:,正常运行时90后发电机失步。发电机从失磁开始到进入稳态异步运行，一般分为三个阶段：,失磁后到失步前,在失磁后到失步前的阶段中，转子电流逐渐衰减，d随之减少，发电机的电磁功率开始减小，由于原动机所供给的机械功率还来不及减小，于是转子逐渐加速，使之间的功角随之增大，又要回升。在这一阶段中，sin的增大与d的减小相补偿，基本上保持了电磁功率不变。,同时无功功率将随着d的减小和的增大而迅速减小，由公式,计算的值将由正变负，即发电机变为吸收无功。在这一阶段中，发电机端的测量阻抗为：,其中US、XS和P为常数，而Q和为变数，故它是一个圆的方程式，其圆心（，Xs）半径为。,发电机失磁以前，向系统送出无功功率，角由正值变为负值，因此测量阻抗也沿着圆周随之由第一象限过渡到第四象限。,由于这个圆是在某一定有功功率不变条件下做出的，故称等有功阻抗圆。机端测量阻抗的轨迹与P有密切关系，对应不同的P值有不同的阻抗圆，且P越大时圆的直径越小。,2临界失步点对汽轮发电机组，当=90时，发电机处于失去静稳定的临界状态，故称为临界失步点。此时输送到受端的无功功率为:,式中Q为负值，表明临界失步时，发电机自系统吸收无功功率，且为一常数，故临界失步点也称为等无功点。此时机端的测量阻抗为:,将代入并化简后可得：,由可知，发电机在输出不同的有功功率P而临界失步时，其无功功率Q恒为常数。因此，在上式中，为变数，也是一个圆的方程，圆心0的坐标为（0，），圆的半径为。这个圆称为临界失步阻抗圆，也称等无功阻抗圆。其圆周为发电机以不同的有功功率P临界失步时，机端测量阻抗的轨迹，圆内为失步区。,jX,jXs,o,R,-jXd,等无功阻抗圆,（0，）,3.失步后的异步运行阶段失步后的异步运行阶段可用右图等效电路来表示，此时按规定的电流正方向，机端测量阻抗应为,当发电机空载运行失磁时，转差s0，此时机端的测量阻抗为最大,当发电机在其他运行方式下失磁时，Zf将随着转差率的增大而减小，并位于第四象限内。极限情况是当ff时:s-，趋近于零，Zf的数值为最小：,三、发电机在其它运行方式下的机端测量阻抗,为了便于和失磁情况下的机端测量阻抗进行鉴别和比较，现对发电机在下列几种运行情况下的机端测量阻抗分析。,1发电机正常运行时的机端测量阻抗,当发电机向外输送有功和无功功率时，其机端测量阻抗Zf位于第一象限，如图中的Zg1所示，它与R轴的夹角为发电机运行时的功率因数角。,Zg1,当发电机只输出有功功率时，测量阻抗位于R轴上的Zg2。,Zg1,Zg2,R,jX,当发电机欠激运行时，它向外输送有功，同时从电网吸收一部分无功功率（Q值变为负），但仍保持同步并列运行，此时，测量阻抗位于第四象限的Zg3点。,Zg3,当发电机失磁后异步运行时，测量阻抗位于第四象限的Zg4点。,Zg4,2发电机外部故障时的机端测量阻抗,当采用0接线方式时，故障相测量阻抗位于第一象限，其大小和相位正比于短路点到保护安装地点之间的阻抗Zk，如图中的Zg5。如继电器接于非故障相，则测量阻抗的大小和相位需经具体分析后确定。,Zg1,Zg2,Zg3,Zg4,Zg5=Zk,R,jX,3发电机与系统间发生振荡时的机端测量阻抗根据其等值电路，当认为EdUS时，振荡中心位于X的中点处。当XS0时，振荡中心即位于Xd处，此时机端测量阻抗的轨迹沿直线00变化，如下图所示，当=180时，测量阻抗的最小值为,O,O,4发电机自同步并列时的机端测量阻抗在发电机接近于额定转速，不加励磁而投入断路器的瞬间，与发电机空载运行时发生失磁的情况实质上是一样的。但由于自同步并列的方式是在断路器投入后立即给发电机加上励磁，因此，发电机无励磁运行的时间极短。对此情况，应该采取措施防止失磁保护的误动作。,四、失磁保护转子判据及其实现,发电机失磁后，转子励磁绕组电压uf都会出现降低，降低的幅度随失磁方式而不同。失磁初期转子励磁绕组电压变化情况:励磁绕组直接短路而失磁时，uf立即降到0；励磁绕组经灭磁电阻短接而失磁时，uf立即变为负值，然后随励磁电流if一同衰减；励磁绕组经整流器闭路而失磁时，uf立即降到很小的负值；灭磁开关误跳闸使励磁回路开路而失磁时，uf则降到很大的负值再衰减。在发电机失步之后，除励磁绕组直接短接者外，各种失磁方式下，uf都要随滑差周期性地波动。,失磁保护的转子判据，就是根据失磁后初期uf下降（以致到负）的特点，来判别失磁故障。,转子判据有两种整定方式：,1.整定值固定的转子判据,整定值固定的转子判据，由转子欠电压继电器来实现，可整定为：,ufset=0.8uf0式中uf0发电机空载励磁电压。,整定值固定方式，在发电机输出有功较大情况下发生部分失磁时，可能已越过静稳边界，但uf仍大于动作值，以致转子判据电路仍未动作。因此，现在趋向于采用按当前有功负荷下静稳边界所对应的励磁电压整定。,2.整定值随有功功率而改变的转子判据,发电机在某一有功负荷P时失磁，其达到静稳边界所对应的励磁电压uf也是某一定值，转子欠电压继电器即按此值整定，当P改变时，整定值跟随改变。,隐极发电机经电抗Xs连接到无穷大电源母线，该母线电压为Us，在该母线处送出的有功功率Ps，亦即发电机有功功率P为：,式中Xd=Xd+Xs,失磁后，uf下降，if衰减，Eq随之衰减，在静稳极限处=90，此时。以标么值表示时，Us=1，与Eq.lim对应的静稳极限励磁电压uf.lim=Eq.lim,故：,根据上式可以画出静稳极限励磁电压uf.lim曲线，当P改变时，计算出uf.lim，转子欠电压继电器的整定值跟随改变。,五、失磁保护的构成方式失磁保护应能正确反应发电机的失磁故障，而在发电机外部故障、电力系统振荡、发电机自同步并列以及发电机低励磁（同步）运行时不误动作。,1.利用自动灭磁开关联锁跳开发电机断路器过去发电机失磁保护都是采用这种方式。但实际上发电机失磁并不都是由于自动灭磁开关跳开而引起的，特别是当采用半导体励磁系统时，由于半导体元件或回路的故障而引起发电机失磁是可能的，而在这种情况下保护将不能动作。因此这种保护方式一般用于容量在100MW以下带直流励磁机的水轮发电机以及不允许失磁运行的汽轮发电机上。,2利用失磁后发电机定子各参数变化的特点构成失磁保护这种方式的保护所反应的发电机定子参数的变化如：机端测量阻抗由第一象限进入第四象限，无功功率改变方向，机端电压下降，功角增大，励磁电压降低等。目前对容量在100MW及以上的发电机和采用半导体励磁的发电机，普遍增设了这种方式的保护。,发电机失磁保护出口逻辑,&1,机端测量阻抗Zg,机端TV断线,&4,&2,t4/0,&3,+,t1/0,励磁电压Uf,&,t2/0,切换励磁,发失稳信号,t3/0,发信号/跳闸,发信号/跳闸,发信号/跳闸,变压器高压侧低电压Uhl,高压侧TV断线,失磁保护由发电机机端测量阻抗判据、转子低电压判据、变压器高压侧低电压判据、定子过流判据构成。,一般情况下阻抗整定边界为静稳边界园，母线低电压元件（Ub）用以监视母线电压，按保证电力系统安全运行所允许的最低电压整定，是失磁故障的另一个主要判别元件；励磁低电压元件（Ufd）用作闭锁元件，一般按躲开空载运行时的最低励磁电压整定，但应考虑在满载运行情况下部分失磁时，继电器可能拒动。,当发电机失磁时，定子静稳判据和励磁低电压判据同时满足，起动与3门，立即发已失步的信号，并经t2延时后，通过或门动作于跳闸。延时t2用以躲开振荡过程中的短时间电压降低或自同步并列时的影响，一般取为0.51s。,&1,机端测量阻抗Zg,机端TV断线,&4,&2,t4/0,&3,+,t1/0,励磁电压Uf,&5,t2/0,切换励磁,发失稳信号,t3/0,发信号/跳闸,发信号/跳闸,发信号/跳闸,变压器高压侧低电压Uhl,高压侧TV断线,由于有Ufd元件的闭锁，因此在短路故障以及电压互感器回路断线时，与1和与2都不可能起动，因而保护装置不会误动作。当电压互感器回路断线时，Ub或Zg误动作后，均可发出电压回路断线信号。当励磁回路电压降低时，Ufd动作，发出信号。,&1,机端测量阻抗Zg,机端TV断线,&4,&2,t4/0,&3,+,t1/0,励磁电压Uf,&,t2/0,切换励磁,发失稳信号,t3/0,发信号/跳闸,发信号/跳闸,发信号/跳闸,变压器高压侧低电压Uhl,高压侧TV断线,填空题,7-1在电力系统中利用发电机固有的_和_可以构成100%定子绕组接地保护，其中前者保护范围为_，而后者保护范围为_7-2对于定子绕组的每一支路中性点侧都有引出端并接成双星形的发电机，可装设单继电器式的_保护，该保护反应发电机定子绕组的_短路。7-3发电机定子绕组靠近机端处单相接地时，故障相对地电压等于_，中性点对地电压_。7-4发电机的完全纵差动保护，反应发电机_及其_的相间短路。,7-5当发电机所在电压网络的电容电流大于或等于5A时，发电机定子绕组单相接地保护应动作于_，小于5A时，保护应动作于_。7-6发电机纵差动保护的断线监视继电器KA，接在_上，为了防止外部短路时断线监视装置误发信号，KA的动作延时应大于发电机_保护的时限。7-7发电机低灵敏度纵差动保护的动作电流，比发电机的额定电流_，但可保证电流互感