电力系统继电保护07.ppt

1 发电机保护 2 第1节发电机的故障 不正常运行状态及保护方式 发电机在运行过程中要承受短路电流和过电压的冲击 同时发电机本身又是一个旋转的机械设备 它在运行过程中还要承受原动机械力矩的作用和轴承摩擦力的作用 发电机在运行过程中出现故障及不正常运行情况就不可避免 3 发电机的内部故障 内部故障主要是由定子绕组及转子绕组绝缘损坏引起的 常见的故障有 1 定子绕组相间短路 2 定子绕组单相匝间短路 3 定子绕组单相接地 4 转子绕组一点接地或两点接地 5 转子励磁回路电流消失 4 发电机的不正常运行状态 不正常运行状态主要有 1 外部短路引起的定子绕组过电流 2 负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷 3 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 4 突然甩负荷而引起的定子绕组过电压 5 励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷 6 汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行等 5 发电机保护装设的原则 一般发电机应装设以下继电保护装置 1 对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路 应装设纵差保护装置 2 对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障 当单相接地故障电流大于规定的允许值时 应装设有选择性的接地保护装置 3 对于发电机定子绕组的匝间短路 当定子绕组星形连接 每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时 应装设横差保护 对200MW及以上的发电机 有条件时可装设双重化横差保护 6 发电机保护装设的原则 4 对于发电机外部短路引起的过电流 可采用下列保护方式 负序过电流及单元件低电压启动的过电流保护 对于由不对称负荷或外部不对称短路所引起的负序过电流 装设负序过电流保护 直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护 对于转子回路的过负荷 装设转子过负荷保护 对于300MW及以上的发电机 装设过励磁保护 其他保护 7 第2节发电机定子绕组短路故障的保护 发电机定子绕组短路故障的特点发电机定子绕组中性点一般不直接接地 定子绕组都设计为全绝缘 发电机定子单相接地并不会引起大的短路电流 不属于严重的短路性故障 发电机内部短路故障主要是指定子的各种相间和匝间短路故障 短路故障时在被短接的绕组中将会出现很大的短路电流 严重损伤发电机本体 甚至使发电机报废 发电机定子绕组的短路故障保护历来是发电机保护的研究重点之一 8 比率制动式纵差动保护 这种保护是利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成 因此在发电机中性点侧和引出线侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差动保护 两组电流互感器之间为纵差动保护的范围 当正常运行以及区外故障时 流入差动继电器的差动电流为零 继电器不动作 当发生发电机内部故障时 流入差动继电器的差动电流将会出现较大的数值 当差动电流超过整定值时 继电器判为发生了内部故障而作用于跳闸 9 比率制动式纵差动保护 为防止纵差动保护在外部短路时误动 继电器动作电流应躲过最大不平衡电流 考虑到不平衡电流随着流过TA电流的增大而增加 提出比率制动式纵差动保护 使动作值随着外部短路电流的增大而自动增大 10 发电机纵差动保护的接线方式 发电机纵差保护的动作逻辑由于发电机中性点非直接接地 当发电机内部相间短路时 会有两相或三相的差动继电器同时动作 据此 当两相或两相以上差动继电器动作时 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 则判为TA断线 为了应对发生一点在区内接地而两外一点在区外接地引起短路故障 当有一相差动继电器动作且同时有负序电压时也判定为发电机内部故障 这种动作逻辑的特点是单相TA断线不会误动 因此可省去专用的TA断线闭锁环节 且保护安全可靠 11 发电机横差动保护 大容量发电机中 每相都是由两个或两个以上并联分支绕组组成的 正常运行时 各绕组电动势相等 流过相等的负荷电流 当同相内非等电位点发生匝间短路时 各绕组中电动势就不再相等 因而各绕组间产生环流 利用环流 可以构成发电机定子绕组短路保护 构成裂相横差动保护 短路匝数较小时 环流较小 可能小于起动电流 所以保护有死区 12 第3节发电机定子绕组单相接地保护 发电机定子绕组单相接地时电气量特征现代的发电机 其中性点都是不接地或经消弧线圈接地的 因此 当发电机内部单相接地时 流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络 即与发电机有直接电联系的各元件 对地电容电流之和 不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变 13 利用三次谐波电压构成发电机定子绕组单相接地保护 由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响 在定子绕组中感应的电动势除基波分量外 还含有高次谐波分量 其中三次谐波电动势虽然在线电动势中可以将它消除 但在相电动势中依然存在 因此 每台发电机总有约百分之几的三次谐波电动势 14 利用三次谐波电压构成发电机定子绕组单相接地保护 利用三次谐波电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中 50 范围内的单相接地故障 且当故障点愈接近中性点 保护的灵敏性愈高 而利用基波零序电压构成的保护 则可以反应 15 以上范围的单相接地保护 且当故障点愈接近发电机出线端时 保护的灵敏性愈高 因此 利用三次谐波电压比值和基波零序电压的组合 构成了100 的定子绕组接地保护 15 第4节发电机负序电流保护 负序电流保护的作用电力系统发生不对称短路或在正常情况下三相负荷不平衡时 在发电机定子绕组中将出现负序电流 此电流在发电机定子气隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为2倍的同步转速 因此将在转子绕组 阻尼绕组以及转子铁芯等部件上感应出100Hz的倍频电流 该电流使得转子上电流密度很大的某些部位 可能出现局部灼伤 从而导致发电机重大事故 此外正负序气隙旋转磁场与转子电流 负序电流之间产生100Hz交变电磁转矩 从而引起100Hz的振动 威胁发电机安全 16 发电机负序电流保护 目前对表面冷却的汽轮发电机和水轮发电机 大都采用两段式定时限过电流保护 负序电流接入两个电流继电器 其中一个继电器具有较大的整定值 经时间继电器延时后动作于跳闸 以防止转子过热和后备保护之用 17 发电机负序电流保护 另一继电器具有较小的整定值 当负序电流超过发电机长期允许值时 经时间继电器的延时后 发出发电机的不对称过负荷信号 接于相电流上的单相式低电压启动过电流保护与负序过电流保护并联工作 经延时后动作于跳闸 18 第5节发电机的失磁保护 发电机失磁是指发电机的励磁突然全部或部分消失 引起失磁的主要原因有 转子绕组故障 励磁机故障 自动灭磁开关误跳闸 半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等 当发电机完全失去励磁时 励磁电流将逐渐衰减至零 由于发电机的感应电动势Ed随着励磁电流的减小而减小 因此 其电磁转矩也将小于原动机的转矩 因而引起转子加速 使发电机的功角 增大 当 超过静态稳定极限角时 发电机与系统失步 发电机失磁后将从电力系统中吸收感性无功功率 供给转子励磁电流 在定子绕组中感应出电动势 在发电机超过同步转速后 转子回路中将感应出频率为fG fS 其中fG为对应发电机转速的频率 fS为系统频率 的电流 此电流产生异步制动转矩 当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时 即进入稳定的异步运行 19 发电机的失磁保护 当发电机进入异步运行时 将对电力系统和发电机产生以下影响 1 需要从电力系统中吸取大量的无功功率以建立发电机的磁场 所需无功功率的大小主要取决于发电机的参数及实际运行时的转差率 假设失磁前发电机向系统送出无功功率Q1 而在失磁后从系统吸收无功功率Q2 则系统中将出现Q1 Q2的无功功率缺额 失磁前带的有功功率愈大 失磁后转差就愈大 所吸收的无功功率就愈大 因此 在重负荷下失磁进入异步运行后 如不采取措施 发电机将因过电流使定子过热 20 发电机的失磁保护 2 由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统电压的下降 如果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 升压变压器高压侧母线电压或其他邻近设备的电压低于允许值 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 3 失磁后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的交流电流 即差频电流 差频电流在转子回路中产生的损耗如果超出允许值 将使转子过热 特别是直接冷却的大型机组 其热容量的裕度相对较低 转子更易过热 而流过转子表层的差频电流 还可能使转子本体与槽楔 护环的接触面上发生严重的局部过热 21 发电机的失磁保护 4 对于直接冷却的大型发电机组 其平均异步转矩的最大值较小 惯性常数也相对较低 转子在纵轴和横轴方向呈现较明显的不对称 使得在重负荷下失磁后 这种发电机的转矩 有功功率要发生周期性摆动 这种情况下 将有很大的电磁转矩周期性地作用在发电机轴系上 并通过定子传到机座上 引起机组振动 直接威胁着机组的安全 5 低励磁或失磁运行时 定子端部漏磁增加 将使端部和边部铁芯过热 实际上 这一情况通常是限制发电机失磁异步运行能力的主要条件 22 发电机的失磁保护 由于汽轮发电机异步功率比较大 调速也比较灵敏 因此当超速运行后 调速器立即关小汽门 使汽轮机的输出功率与发电机的异步功率很快达到平衡 在转差率小于0 5 的情况下即可稳定运行 故汽轮发电机在很小转差下异步运行一段时间原则上是完全允许的 此时 是否需要并允许异步运行 则主要取决于电力系统的具体情况 若系统的有功功率供给比较紧张 一台发电机失磁后 系统能够供给它所需要的无功功率 并能保证电力系统的电压水平时 则失磁后就应该继续运行 反之 若系统没有能力供给失磁后发电机所需要的无功功率 并且系统中有功功率有足够的储备 则失磁后就不应该继续运行 23 发电机的失磁保护 对水轮发电机而言 考虑到 其异步功率较小 必须在较大的转差下 一般达到1 2 运行 才能发出较大的功率 由于水轮机的调速器不够灵敏 时滞较大 甚至可能在功率尚未达到平衡以前就大大超速 从而使发电机与系统解列 其同步电抗小 如果异步运行 则需要从电力系统吸收大量的无功功率 其纵轴和横轴很不对称 异步运行时 机组振动较大等 因此水轮发电机一般不允许在失磁后继续运行 在发电机上 尤其是在大型发电机上应装设失磁保护 以便及时发现失磁故障 并采取必要的措施 如发出信号 自动减负荷 动作于跳闸等 以保证发电机和系统的安全 24 发电机失磁后的机端测量阻抗 发电机与无限大系统并列运行等值电路和相量图如下X XS Xd 为受端的功率因数角 为Ed与US之间的夹角 即功角 根据电机学 发电机送到受端的功率S P jQ 规定发电机送出感性无功功率时表示为P jQ 分别为 25 发电机失磁后的机端测量阻抗 在正常运行时 90 一般当不考虑励磁调节器的影响时 90 为稳定运行的极限 当 90 后发电机失步 为了构成有效的发电机失磁保护 经常利用失磁发电机的机端测量阻抗变化的特点 发电机在不同的运行工况和不同的系统故障行为时 其机端测量阻抗是不同的 即在失磁情况下 处于失步前 临界失步点和失步后 其阻抗也有差异 26 发电机失磁保护的判据 据此 可构成以机端测量阻抗变化轨迹为判据的发电机失磁保护 其依据为正常时或其他情况下 测量阻抗将位于第一象限 而发生失磁故障后 机端测量阻抗将位于第四象限 在失磁保护中 常用的辅助判据和闭锁措施如下 1 当发电机失磁时 励磁电压下降 在外部短路 系统振荡过程中 励磁直流电压不会下降 反而因为强行励磁作用而上升 但是 在系统振荡 外部短路的过程中 励磁回路会出现交变分量电压 它叠加于直流电压之上 使励磁回路电压有时过零 励磁电压是一个多变的参数 通常把它的变化作为失磁保护的辅助判据 27 发电机失磁保护的判据 2 发生失磁故障时 三相定子回路的电压 电流是对称的 没有负序分量 在短路或短路引起的振荡过程中 总会短时或整个过程中出现负序分量 因此 可以利用负序分量作为辅助判据 防止失磁保护在短路或短路伴随振荡的过程中误动 3 系统振荡过程中 机端测量阻抗的轨迹只可能短时穿过失磁继电器的动作区 而不会长时间停留在动作区 因此 失磁保护带有延时可以躲过振荡的影响 28 失磁保护的构成方式 完整的失磁保护通常由发电机机端测量阻抗 转子低电压判据 变压器高压侧低电压判据 定子过电流判据构成 通常取机端阻抗判据作为失磁保护的主判据 一般情况下阻抗整定边界为静稳边界园 当定子静稳判据和转子低电压判据同时满足时 判定发电机失磁失稳 转子低电压判据满足时发失磁信号 并输出切换励磁命令 此判据可预测发电机失磁失稳而提前采取措施 防止事故扩大 转子低电压判据满足且静稳边界判据满足时 迅速发出失稳信号 表明发电机由失磁导致失去了静稳 将进入异步运行 汽轮机失磁后允许异步运行一段时间 此期间由定子过电流判据进行监测 可让运行人员有时间排除故障 避免跳闸 对安全运行具有很大意义 29 第6节发电机的失步保护 当电力系统发生诸如负荷突变 短路等破坏能量平衡的事故时 往往会引起不稳定振荡 使一台或多台发电机失去同步 进而使电网中两个或更多的部分不再运行于同步状态 这种情况称失步 失步时 发电机的励磁仍然维持 但已处于非同步运行 这种状态表现为有功功率和无功功率的强烈摆动 发电机失步振荡时 振荡电流的幅值可以和机端三相短路电流相比 且振荡电流在较长时间反复出现 对大机组造成动