发电机原理.doc

发电机保护功能及其原理一、基本概念发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该征各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。故障类型及不正常运行状态故障类型包括定子绕组相间短路、定子绕组一相的闸间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷；由于突然甩负荷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；由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功等。二、发电机可能发生的故障和相应的保护装置定子绕组相间短路定子绕组相间短路会引起巨大的短路电流，严重烧坏发电机，需装设瞬时动作的纵联差动保护。定子绕组的匝间短路 定子绕组的匝间短路分为：同相同分支的匝间短路和同相异分支的匝间短路，同样会产生世大的短路电流而烧坏发电机，需要装设瞬时动作的专用的匝间短路保护。定子绕组的单相接地 定子绕组的单相接地是发电机易发生的一种故障。通常是因绝缘破坏使其绕组对铁芯短接，虽然此种故障瞬时电流不大，但接地电流会引起电弧灼伤铁芯，同时破坏绕组的绝缘，有可能发展为匝间短路或相间短路。因此，应装设灵敏的反映全部绕组任一点接地故障的100%定子绕组接地保护。发电机转子绕组一点接地和两点接地转子绕组一点接地后虽对发电机运行无影响，但若再发生另一点接地，则转子绕组一部分被短接造成磁势不平衡而引起机组组剧烈振动，产生严重后果。因此，需同时装设转子绕组一点接地保护和两点接地保护。发电机失磁发电机失磁分为：完全失磁和部分失磁，是发电机的常见故障之一，失磁故障不仅对发电机造成危害，而且对系统安全也会造成严重影响，因此需装设失磁保护。发电机的异常运行状态的危害不如发电机故障严重，但危及发电机的正常运行，特别是随着时间的增长，可能会发展成故障。因此为防患于未然也要装设相应的保护。定子绕组负荷不对称运行，会出现负序电流可能引发电机转子表层过热，XU装设定子绕组不对称负荷保护（转子表层过热保护）。定子绕组对称过负荷，装设对称过负荷保护（一般采用反时限特性）。转子绕组过负荷，装设转子绕组过负荷保护。并列运行的发电机可能因机炉的保护动作等原因将主气阀关闭，从而导致逆功率运行，使汽轮机叶片与残留尾气剧烈磨擦过热而损坏汽轮机，因此要装设逆功率保护。为防止过激磁引起发热而烧坏铁蕊，应装设过激磁保护。因系统振荡而引起发电机失步异常运行，危及发电机和系统运行安全，要装设失步保护。其他保护：定子绕组过电压、低频运行、非全相运行及与发电机运行直接有关的热工方面的保护，对水内冷发电机还应装设断水保护等。另外，还应装设发电机的后备保护，如电流、电压保护、阻抗保护等。三、发电机保护原理1、发电机相间短路的纵联差动保护发电机纵联差动保护的基本原理是比较发电机两侧电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间短路故障。2、发电机差动保护2.1 保护原理发电机差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护，它反应发电机中性点和机端侧差动电流的大小，采用比率制动特性，动作判据如下： （1）式中： 、 分别为动作电流和制动电流，且有 ， ； 、 分别为差动最小动作电流和制动特性的拐点电流值，拐点电流 固定为 ， 为发电机二次额定电流； 为比率制动系数。其中： 、 分别为发电机机端和中性点的电流相量，其正方向均为指向系统为正，也即两侧电流互感器（TA，以下同）为零度接线。图5带比率制动特性的发电机差动保护动作特性装置设置有差动TA断线判断功能，判据为有且只有一相的一侧（机端或中性点）电流为零，判为TA断线。当检测出差动TA断线时，由控制字选择是否闭锁单相差动保护。为了提高可靠性，当判为单相差动动作时，若有负序电压或电流较大时，开放差动保护。为了在轻负荷下提前发现差动回路的异常，装置还具有差流越限功能，差流越限的定值固定为差动最小动作电流的80%，当判出差流越限且经过10s发差流越限告警信号。2.2 启动为了保证差动保护的可靠性，一方面采用启动插件闭锁（C型和D型），另一方面结合后备电流有突变或后备电流越限以及差动电流辅助起动作为差动的综合启动方式。2.3 说明机端和中性点电流互感器必须同型号、同变比，而且为零度接线。2.4 发电机差动保护逻辑框图图6 发电机差动保护原理框图3、发电机变压器组差动保护3.1 保护原理发电机变压器组差动保护（简称大差）是发电机内部相间短路和变压器内部故障的主保护，它反应发电机中性点电流和主变高压侧电流，适用于发电机出口不带断路器的场合。发变组差动保护包括差动速断、比率制动差动、差流越限、TA断线判别、涌流判别等模块。比率制动特性动作判据如式（2）所示，比率制动特性如图（4）所示。 （2）式中： 、 分别为动作电流和制动电流，且有 ， ； 、 分别为差动电流最小动作电流和制动特性的拐点电流值，拐点电流 固定为 ， 为主变高压侧二次额定电流； 为比率制动系数。其中： 为经过平衡后的主变高压侧电流相量， 为发电机中性点的电流相量，其正方向均为指向发变组为正，也即两侧电流互感器（TA，以下同）为180度接线。发变组差动保护包括差动速断、比率制动差动、差流越限、TA断线判别、涌流判别等模块。比率制动特性动作判据如式（2）所示，比率制动特性如图（5）所示。励磁涌流判据采用二次谐波制动特性，当有一相差流的二次谐波制动比（差流的二次谐波与基波的比值）大于定值，一般为8%20%，即闭锁差动保护。TA断线后发出告警信号，TA断线后是否闭锁差动保护由控制字选择。发变组中的主变一般为Y0/接线型式，需要对主变高压侧的电流进行相位差和平衡补偿。对Y/11接线，校正方法如下： （3）对Y/1接线，校正方法如下： （4）式中： 、 、 分别为主变高压侧TA二次电流， 、 、 为校正后的各相电流。装置中对常见的几种接线方式进行了相位校正，由用户自行选择（见定值KMD）。发电机侧电流互感器二次电流平衡补偿由软件完成，发电机中性点侧平衡补偿均以主变高压侧二次电流不变为基准，平衡系数计算如下： （5）式中： 为平衡系数定值， 、 分别为主变高压侧和发电机中性点侧二次额定电流。补偿时分别将发电机中性点侧的各相电流与相应的平衡系数相乘。差动电流 与制动电流 的有关运算均是在电流相位校正和平衡补偿后的基础上进行的。3.2 启动为了保证差动保护的可靠性，采用后备电流无流，后备电流突变，后备电流越限与差动电流辅助起动相结合作为差动启动方式。3.3 发变组差动保护逻辑框图4、复合电压过流保护（电流可带记忆）4.1 保护原理复合电压过流保护作为发电机、变压器、高压母线及相邻线路故障的后备保护。对于自并励发电机，在短路故障后电流衰减变小，故障电流在过流元件动作出口前就可能已经返回，因此，在复合电压过流保护起动后，过流元件需带记忆功能，使保护能可靠动作出口，电流是否带记忆功能可通过控制字选择。复合电压过流保护由负序电压或线电压启动的过电流元件组成，复合电压过流保护设两段定值，第I段通常动作于缩小故障范围，第II段动作于全停，也可以通过控制字将两段定值都设置为全停。每段的复合电压元件可分别投退。电流取自后备用TA，电压取自机端TV。当TV断线时可选择是否退出复压元件。4.2 复合电压过流保护逻辑框图图8复合电压过流保护逻辑框图4.3负序过电流保护4.3.1 保护原理负序过电流保护设两段定值，第I段动作于缩小故障范围，第II段全停，也可以通过控制字将两段定值都设置为全停。负序电流保护用的负序电流元件取自后备用电流互感器，负序电压元件取自机端TV。该保护可以和4.3节的低压过流组成复合过电流保护，即负序过流用于保护不对称短路故障，低压过流保护用于保护三相短路故障。4.3.2 保护动作逻辑框图图9负序过电流保护原理框图4.4定子过负荷和负序过负荷保护4.4.1 保护原理定子过负荷保护反应发电机定子绕组的平均发热状况，以保护发电机定子绕组以免过热，电流取自后备TA和机端TA三相电流的最大值。发电机负序过负荷保护反应定子绕组的负序电流大小，保护发电机转子以防表面过热。电流取自发电机后备TA和机端TA负序电流的最大值。4.4.2 保护动作逻辑框图图10发电机定子过负荷和负序过负荷保护原理框图4.5电压保护4.5.1 过电压保护原理发电机过电压保护用于保护发电机各种运行工况下引起的定子绕组过电压。保护反应发电机机端电压大小。保护设一段一个时限定值。4.5.2 欠电压（调相失压）保护原理发电机欠电压保护反应三相相间电压的降低，并经外部触点（一般为自动操作装置触点）闭锁。保护设一段一个时限定值。4.5.3 保护动作逻辑框图图11 电压保护原理框图4.6定子接地保护4.6.1 保护原理定子接地保护反应发电机定子一点接地故障，针对不同的主接线形式，有两种不同的原理：一种是基波零序电流定子接地保护，一种是基波零序电压定子接地保护。保护设一段延时，出口方式可以通过控制字选择既可以是发信，也可以是全停。对于基波零序电流定子接地保护，其零序电流选择为发电机定子接地专用零序电流互感器；对于基波零序电压定子接地保护，其零序电压选择为发电机机端零序电压互感器。为了提高三次谐波的滤过能力，采用零点滤过器叠加付氏算法，三次谐波滤过比大于100倍以上。保护还设置有机端TV断线闭锁基波零序电压定子接地保护功能。4.6.2 保护动作逻辑框图图12定子接地保护原理框图4.7转子一点接地保护4.7.1 保护原理转子一点接地保护主要反应转子对大轴绝缘电阻的下降。采用“乒乓”式变电桥原理，其设计思想是：通过电子开关S1、S2轮流切换，改变电桥两臂电阻值的大小，通过求解三种状态下的回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置。保护的动作判据为： （6）式中： 为转子对地测量电阻， 为整定的接地电阻值。保护对S1和S2开关有良好的自检功能。此外变电桥式转子一点接地保护与接地点的位置和励磁电压无关，在转子绕组任何地点发生接地故障时，均具有很高的灵敏度。4.7.2 保护动作逻辑框图图13转子一点接地保护原理框图4.8转子两点接地保护4.8.1 保护原理当转子一点接地动作后，装置自动投入转子两点接地保护。保护采用机端电压的二次谐波正序分量作为判别量，保护经延时发出跳闸（全停）命令。保护的动作判据为： （7）式中： 、 分别为机端正序电压的二次谐波分量和整定定值。4.8.2 保护动作逻辑框图图14转子两点接地保护原理框图4.9失磁保护4.9.1 失磁保护开入判据失磁保护采用直流励磁电压低外部开入（采用三取二方式）保护原理，为了提高失磁保护的可靠性，结合逆无功元件识别失磁故障。保护动作于停机。直流励磁电压低外部开入除了常规的开入监视外，增加当直流励磁电压低开入三取二动作时，但逆无功元件不动作时，表明直流励磁回路出现异常，给出告警信息。4.9.2 失磁保护低励判据失磁保护低励判据主判据采用转子励磁电压。为了提高失磁保护的可靠性，结合逆无功元件识别励磁故障。保护动作于停机。装置具有直流励磁回路正常与否的监视功能，即判别直流励磁电压低于8V，但无功不反向，经延时10s报直流励磁电压回路异常告警，提醒运行人员处理。4.9.3 失磁保护阻抗判据失磁保护阻抗特性可选为园特性或苹果园特性。阻抗特性在复平面上的位置可任意，用户可根据静稳边界或异步边界进行整定。阻抗动作方程为： （8）式中：Xm、Rm分别为机端测量阻抗的电抗和电阻分量；X0、R0分别为圆心向量；R为圆半径。为了防止在其他非失磁情况下的测量阻抗进入动作特性内造成失磁保护误动，设有相应的闭锁措施。为躲过系统振荡的影响，设有t6时限。4.9.4 失磁保护原理逻辑框图图15失磁保护原理框图4.10开入闭锁低压过流（水车停机闭锁）保护4.10.1 开入闭锁低压过流（水车停机闭锁）保护原理保护取发电机中性点或后备侧电流和机端电压。保护设一段一个时限定值。4.10.2 保护动作逻辑框图图16开入闭锁低压过流（水车停机闭锁）保护原理框图4.11 逆功率保护4.11.1 保护原理逆功率保护是作为汽轮机突然停机的保护，逆功率运行对机组的主要危害是汽轮机尾部长叶片的过热，一般规定逆功率运行的时间不得超过3min。对于燃气轮机、柴油发电机也有装设逆功率保护的需要，目的在于防止未燃尽物质有爆炸和着火的危险。逆功率保护的电压取自发电机机端TV，电流取自专用测量TA。功率的计算采用两表法，即： （9）逆功率保护包括一段两时限，其中第一时限动作后作用于信号，第二时限动作后作用于跳闸。4.11.2 保护动作逻辑框图图17逆功率保护原理框图四、各种保护的主要性能1、发电机差动保护发电机差动保护的主要性能为：a) 具有防止区外故障误动的制动特性；b) 具有电流互感器（TA，以下同）断线判别功能，能选择闭锁差动，当断线时能发断线信号；c) 当出现两点接地故障（一点区内、一点区外）时，可动作出口；d) 差动速断动作时间（2倍整定电流时）不大于30ms；e) 两相比率制动动作时间（2倍整定电流时）不大于30ms；f) 单相比率制动动作时间（2倍整定电流时）不大于60ms；g) 整定值允差5%。2、发变组差动保护发变组差动保护的主要性能为：具有防止区外故障误动的制动特性；a) 具有防止励磁涌流期间引起误动的措施；b) 具有电流互感器（TA，以下同）断线判别功能，能选择闭锁差动，当断线时能发断线信号；c) 差动速断动作时间（2倍整定电流时）不大于30ms；d) 比率制动动作时间（2倍整定电流时）不大于40ms；e) 整定值允差5%。3、过电流保护过电流保护的主要性能为：1) 过电流保护a) 固有延时（1.2倍整定值时）不大于70ms；b) 定值误差不大于5%。2) 低电压闭锁过电流保护（电流可带记忆）a) 过电流技术条件同2.11.3第1）款；b) 电流记忆时间不小于100ms，最大为30s（可整定）；c) 电流为1.2倍整定值和低电压为0.8倍整定值时，不大于70ms。d) 低电压定值误差不大于5%。3) 复合电压闭锁过电流保护（电流可带记忆）a) 过电流技术条件同2.11.3第1）款；b) 电流记忆时间不小于100ms，最大为30s（可整定）；c) 低电压技术条件同2.11.3第2）款；d) 固有延时：电流为1.2倍整定值，且负序电压为1.2倍整定值或低电压为0.8倍整定值时，不大于70ms；e) 负序电压定值误差不大于5%。4、负序过电流保护负序过电流保护的主要性能为：a) 固有延时（1.2倍整定值时）不大于70ms；b) 定值误差不大于5%。5、定子接地保护定子接地保护的主要性能为：a) 可选择为零序电压原理或零序电流原理，当选择为零序电压原理时，具有TV断线闭锁功能；当选择为零序电流原理时，具有过电流闭锁功能；b) 三次谐波滤过比大于100；c) 固有延时（1.2倍整定值时）不大于70ms；d) 定值误差不大于2.5%。6、转子一点接地保护转子一点接地保护的主要性能为：a) 适用于转子回路对地分布电容小于8F的各种非旋转励磁方式的发电机励磁回路；b) 整定范围：汽轮发电机为120k，水轮发电机为110k；c) 在同一整定值下，转子绕组不同地点发生一点接地时，其动作值误差为：当整定值为1k5k时允差0.5k，当整定值为5k50k时允差10%。7、转子两点接地保护转子两点接地保护的主要性能为：a) 具有转子一点接地后自动投入保护功能；b) 固有延时（1.2倍整定值时）不大于70ms；c) 定值误差不大于10%。8、过电压保护过电压保护的主要性能为：a) 固有延时（1.1倍整定值时）不大于70ms；b) 返回系数不小于0.95；c) 定值允差2.5%。9、定子过负荷和负序过负荷保护定子过负荷和负序过负荷保护的主要性能为：a) 固有延时（1.2倍整定值时）不大于70ms；b) 返回系数不小于0.95；c) 定值允差2.5%。10、失磁保护失磁保护的主要性能为：a) 提供三种原理供选择，即：失磁开入判据、转子低励判据、低阻抗判据，各判据增加逆无功启动元件，既防止机组正常进相运行时失磁保护误动，也提高了失磁保护的可靠性；b) 具有机端低电压加速跳闸功能；c) 阻抗判据具有TV断线和电压切换过程中不误动；d) 系统故障、故障切除过程中及系统振荡时保护不误动；e) 具有励磁电压通道检测功能；f) 固有延时不大于70ms；g) 阻抗定值误差不大于5%，其它定值误差不大于2.5%。11、欠电压保护欠电压保护的主要性能为：a) 固有延时（0.8倍整定值时）不大于70ms；b) 返回系数不小于1.05；c) 定值允差2.5%。12、逆功率保护逆功率保护的主要性能为：a) 固有延时（1.2倍整定值时）不大于70ms；b) 返回系数不小于0.95；c) 定值允差2.5%。13、启动元件启动元件的主要性能为：1) 突变量启动元件a) 动作时间(1.2倍整定值时)不大于20ms；b) 定值误差不大于10。2) 稳态量启动元件a) 动作时间(1.2倍整定值时)不大于20ms；b) 定值误差不大于5。1 、发电机失磁保护失磁保护作为发电机励磁电流异常下降或完全消失的失磁故障保护。由整定值自动随有功功率变化的励磁低电压Ufd(P)、系统低电压、静稳阻抗、TV断线等判据构成，分别动作于发信号和解列灭磁。励磁低电压Ufd(P)判据和静稳阻抗判据均与静稳边界有关，可检测发电机是否因失磁而失去静态稳定。静稳阻抗判据在失磁后静稳边界时动作。TV断线判据在满足以下两个条件中任一条件：Ua+Ub+Uc-3U0Uset(电压门坎)或三相电压均低于8V，且0.1A在电力系统短路或短路切除等非失磁因素引起系统振荡时，保护采取措施闭锁Ufd(P)，可防止保护误出口。 励磁低电压Ufd(P)判据动作后经t1(2s)发出失磁信号。励磁低电压Ufd(P)判据、静稳阻抗判据均满足且无TV二次回路断线时经t2(6s)发出跳闸指令。励磁低电压Ufd(P)判据、静稳阻抗、系统低电压判据均满足且无TV二次回路断线时经t3(1s)发出跳闸指令。2 、发电机过激磁保护过激磁保护是反应发电机因频率降低或者电压过高引起铁芯工作磁密过高的保护。过激磁保护分高、低两段定值，低定值经固定延时5s发出信号和降低励磁电压(降低励磁电压、励磁电流的功能暂未用)，高定值经反时限动作于解列灭磁。反时限延时上限为5秒，下限为200秒。3、发电机定子接地保护发电机定子接地保护作为发电机定子单相接地故障保护，由基波零序电压部分和三次谐波电压两部分组成，基波零序电压保护机端至机尾95%区域的定子绕组单相接地故障，由反映发电机机端零序电压原理构成，经时限t1(3s)动作于解列灭磁;三次谐波电压保护机尾至机端30%区域的定子绕组单相接地故障，由发电机中性点和机端三次谐波原理构成，经时限t2(5s)动作于信号。二者组成100%的定子接地保护。保护设有PT断线闭锁。4 、发电机定子匝间保护保护由纵向零序电压和故障分呈负序方向判据构成,设置PT断线闭锁措施，作为发电机内部匝间、相间短路以及定子绕组开焊的主保护.故障分量负序方向判据通过检测流出发电机的负序功率实现纵向零序电压判据通检测中性点与发电机中性点直接相连但不接地的3PT开口三角绕组所输出的纵向3U0实现。保护动作于全停。 0 w& n+ H2 N: C2 Z. X5、 失步保护保护采用三阻抗元件，通过阻抗的轨迹变化来检测滑极次数并确定振荡中心的位置。在短路故障、系统振荡、电压回路断线等情况下，保护不误动作。保护一般动作于信号;当振荡中心在发电机-变压器组内部，保护I段启动经t1(0.5s)发跳闸命令,动作于解列灭磁;当振荡中心在发电机-变压器组外部，保护II段启动经t2(2s)发信号。保护装设有电流闭锁装置，用以保证在断路器断开时电流不超过断路器额定失步开断电流。6、 低频累加保护低频累加保护反应系统频率降低对汽轮机影响的累积效应，保护由灵敏的频率继电器和计数器组成，经出口断路器辅助接点闭锁(即发电机退出运行时低频累加保护也退出运行)，累计系统频率低于频率定值47.5Hz的时间，当累计时间达到整定值3000秒时，经延时30秒动作于发信号。装置在运行时可实时监视：定值，频率f及累计时间的显示。发变组差动保护、变压器差动保护及高变差动保护是被保护元件内部相间短路故障的主保护，采用比率制动式原理。区外故障时可靠地躲过各侧CT特性不一致所产生的不平衡电流，区内故障保护灵敏地动作。为避免在变压器励磁涌流作用下保护误动，保护采用二次谐波闭锁。保护设有不经二次谐波闭锁差流速断功能，当差动电流达到整定值时瞬间切除故障。保护具有CT断线闭锁功能(实际未用)。CT断线判别与发电机差动保护相同。7、 励磁回路过负荷保护