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发变组保护 讲解人 邬俊 常见故障及保护配置 一 常见故障及保护配置1 发电机常用见的故障和不正常工作状态1 1常见的故障 定子绕组相间短路 故障率最高定子绕组匝间短路 1 同相同分支绕组的匝间短路 2 同相不同分支绕组间的匝间短路 定子绕组单相接地短路 转子绕组一点或两点接地接地 低励失磁 1 2常见的不正常工作状态 定子过负荷和定子绕组过电流 定子绕组过电压 三相电流不对称 失步 逆功率 过励磁 转子绕组过负荷 常见故障及保护配置 常见故障及保护配置 2 变压器常见故障及不正常工作状态2 1常见的故障变压器的故障可分为内部故障和外部故障 内部故障是指变压器油箱内部发生的故障 外部故障是指油箱外部绝缘套管及其引出线上的故障 主要有 各相绕组间的相间短路故障 单相绕组匝间短路 单相绕组及引出线的单相接地故障 绝缘套管闪络或单相接地故障 引出线之间发生的相间短路故障 常见故障及保护配置 2 2常见的不正常工作状态变压器常见的不正常工作状态包括 外部故障或过负荷引起的过电流 油箱漏油造成的油面降低 变压器中性点电压升高 外加电压过高或频率过低引起的过励磁 3 发电机保护的配置纵联差动保护 反应定子绕组及其引出线的相间短路 匝间保护 反应定子绕组的匝间短路故障 单相接地保护 反应定子绕绕组单相接地故障 包括基波零序电压和三次谐波电压比率接地保护 转子回路接地保护 反应转子回路一点和两点接地故障 低励 失磁保护 防止大型发电机低励或失磁后 从系统中吸收大量无功功率对系统产生的不利影响 过负荷保护 防止发电机长期过负荷运行 大型发电机分别装设有定子过负荷和转子绕组过负荷保护 常见故障及保护配置 定子绕组过电流保护 发电机纵差保护的后备保护 同时也可以做发电机外部故障的后备保护 包括定时限和反时限过电流 定子绕组过电压保护 用以切除机组突然甩负荷后引起的定子绕组过负荷 负序过电流保护 防止电力系统发生不对称短路或者三相负荷不对称时 定子绕组中产生的负序电流对发电机造成危害 可分为定时限负序过电流 反时限负序过电流 失步保护 大型发电机应装设反应系统振荡过程的失步保护 逆功率保护 当汽轮机主汽门关闭时 发电机出口开关未跳闸时 发电机失去原动力变成电动机运行时 会对汽轮机尾部叶片造成危害 所以大型机组要设逆功率保护用于保护汽轮机 常见故障及保护配置 常见故障及保护配置 程序逆功率 在逆功率的基础上加上了汽轮机主汽门的位置闭锁 即只有保护收到汽轮机主汽门关闭的信号且满足逆功率定值时 保护才会动作 过励磁保护 防止发电机及变压器因过励磁造成的危害 频率异常保护 大型发电机允许的频率变化范围是48 5 50 5Hz 当频率过低或过高时 会对汽机轮叶片造成危害 频率异常保护就是防止汽轮机叶片及其拉金的断裂事故 可分为低频保护和过频保护 误上电 突加电压 保护 防止发电机在不具备并网条件下 发电机出口开关误合闸 对电网和发电机造成危害 启停机保护 在发电机启 停机过程中 反应定子绕组相间短路和单相接地故障 常见故障及保护配置 断路器断口闪络保护 本保护用于大型发电机 变压器组在并列之前或跳闸后 在发电机电势与系统电压存在角差导致断路器断口过电压而发生闪络现象时保护发电机 常见故障及保护配置 发变组 主变 高厂变 励磁变保护配置发变组差动保护 可以同时保护发电机 主变 高厂变及其之间引线的相间短路故障 主变差动保护 反应主变及其套管引出线的相间短路故障 高厂变差动保护 反应高厂变及套管引出线的相间短路 主变复合电压过流保护 主变 高压母线和相邻线路故障的后备保护 主变高压侧单相接地保护 主变高压侧单相接地故障的后备保护 主变通风启动保护 当电流超过整定值时 启动主变冷却器 主变高压侧间隙保护 主变高压侧中性点经间隙接地运行时主变的后备保护 常见故障及保护配置 高厂变复压过流保护 高厂变 6kV工作段母线故障的后备保护 高厂变低压侧分支过流保护 高厂变低压侧分支及6kV工作段母线相间短路的保护 高厂变低压侧分支零序过流保护 保护高厂变低压绕组及其分支引出线单相接地故障的保护 同时也可作为6kV工作段母线上各元件单相接地故障的后备保护 高厂变通风启动保护 用于启动冷却器 励磁变速断 过流保护 励磁变绕组相间短路的保护 励磁绕组过负荷 即转子绕组过负荷 常见故障及保护配置 发变组非电量保护的配置 发电机断水保护 主变瓦斯保护 包括重瓦斯和轻瓦斯 主变压力释放保护 主变温度保护 包括油温和绕组温度 主变油位异常保护 主变冷却器全停保护 高厂变瓦斯保护 包括重瓦斯和轻瓦斯 高厂变压力释放保护 高厂变温度保护 包括油温和绕组温度 高厂变油位异常保护 保护原理 二 保护原理发电机差动保护1 1比率制动式差动保护差动电流 制动电流计算公式 差动电流 制动电流 保护原理 式中IT IN分别为发电机机端和中性点二次电流 Iop为差动电流 Ires为制动电流 当发电机正常运行或外部故障时 可以计算得出差动电流Iop 0 不考虑不平衡电流 而制动电流Ires Id 此时保护不动作 当发电机内部发生故障时 Iop Id 而Ires 0 此时保护可靠动作 动作方程 保护原理 比率制动式差动保护的动作特性 式中 Iop 0为最小动作电流 Ires 0为最小制动电流 S为比率制动斜率 保护原理 纵差保护的动作特性 1 2变斜率比率制动式差动保护变斜率比率制动式差动的动作特性 保护原理 纵差保护的动作方程 差动电流 制动电流的计算公式 保护原理 其中 Id为差动电流 Ir为制动电流 Icdqd为差动电流起动定值 Ie为额定电流 IT和IN分别为发电机机端和中性点CT二次电流 Kbl为比率差动制动系数 Kblr为比率差动制动系数增量 Kbl1为起始比率差动斜率 Kbl2为最大比率差动斜率 n为最大斜率时的制动电流倍数 固定取6 保护原理 2 变压器差动保护 发变组差动 变压器差动保护的动作特性同发电机差动相同 但由于变压器差动存在多侧差动 所以其差动电流和制动电流的计算公式也有所不同 如下式 保护原理 式中 Id为差动电流 Ir为制动电流 I1 I2 I3 I4 I5分别为变压器各侧电流二次值 3 2励磁涌流闭锁原理励磁涌流 变压器在空载合闸或外部故障切除后电压突然恢复的过程中 可能会产生很大的冲击电流 其数值可达变压器额定电流的6 8倍 这个电流称之为励磁涌流 保护原理 如果变压器一次侧合闸瞬间正好是电压过零时 由于变压器铁芯中的磁通相位落后电压90度 所以此时铁芯中的磁通为最大 但是磁通是不能突变的 所以铁芯中会产生一个方向相反随时间衰减的直流磁通来抵消这个最大值 经过半个周期后 这个直流磁通又与交流磁通方向相同 二者相加 就使得铁芯饱和 就会产生很大的激磁涌流 经过若干个周期以后 直流磁通完全衰竭 铁芯中就是正常工作的额定交流磁通了 保护原理 励磁涌流对变压器并无危险 因为其存在的时间很短 但却可能使发变组差动 变压器差动 出现误动现象 为了避免这种误动 根据励磁涌流的特点引入了励磁涌流闭锁差动保护的原理 励磁涌流的特点 1 含有大量高次谐波 其中以二次谐波为主 2 含有大量非周期分量 使涌流偏向于时间轴的一侧 3 励磁涌流波形出现间断角 可以根据励磁涌流的这些特点 制定励磁涌流闭锁差动保护的原理 常用的有二次谐波制动和波形判别原理 保护原理 谐波制动原理采用三相电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁的判据 动作方程为 其中I2为每相差动电流中的二次谐波 I1为对应相的差流基波 K2xb为二次谐波制动系数整定值 当任一相电流中二次谐波的含量超过基波含量的一定值时 闭锁差动保护 保护原理 3发电机匝间保护3 1单元件式横差保护对于双Y接线的定子绕组 匝间短路故障时会在两中性点连线中出现电流 因此取用中性点连线上的电流可以构成定子绕组的匝间短路保护 这种匝间短路保护要求发电机必须是双Y接线 且中性点有六个引出端子 具有一定的局限性 公司的发电机也是双Y接线 但是中性点引出线只有三个端子 所以无法采用横差保护 保护原理 横差保护的动作电流应躲过机端三相短路故障时的最大不平衡电流 若灵敏度太低 则可按正常运行条件下稳态不平衡电流来确定动作电流 但此时应增设负序功率方向闭锁元件 以便在外部短路时 将横差保护闭锁 横差保护的不平衡电流主要来自三次谐波电流 因此为提高保护的灵敏性 须增加三次谐波滤过器 以降低回路中的三次谐波分量 保护原理 3 2纵向零序电压构成的匝间保护发电机内部匝间短路表现为机端三相对中性点的不平衡 发电机中性点不直接接地 即对中性点而言机端三相出现纵向零序电压 当发电机内部或外部发生单相接地故障时 机端三相对地出现横向零序电压 为了检测发电机的匝间短路 包括定子绕组开焊故障 必须测量纵向零序电压但又不反应横向零序电压 以免混淆单相接地故障和不对称短路 为此在发电机机端装设一组专用电压互感器 其一次侧中性点与发电机中性点直接相连 且不接地 用于采集纵向零序电压 保护原理 我公司的匝间保护由经工频变化量负序功率方向闭锁的高定值段匝间保护和电流比率制动式纵向零序电压构成的灵敏段匝间保护组成 电流比率制动纵向零序电压的动作方程为 保护原理 式中 Uzo为机端纵向零序电压 Uzozd为纵向零序电压整定值 Imax为机端相电流最大值 I2为发电机机端负序电流 Kzo为比率制动系数 Ie为发电机额定电流 制动系数受工频变化量负序功率方向影响 保护原理 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的保护灵敏度 当匝间保护专用PT发生一次断线时 必须闭锁纵向零序电压保护 否则可能会使保护误动 保护原理 4发电机定子绕组接地保护4 1基波定子绕组接地保护正常情况下 发电机三相电压中的基波零序电压3U0很小 单相接地故障时 就出现3U0 其大小与故障点位置有关 动作方程 Un0 U0zd 式中 Un0为发电机中性点零序电压 U0zd为零序电压整定值 基波零序电压保护能保护发电机定子绕组从机端到中性点的85 95 并不能保护全部定子绕组 存在死区 保护原理 4 2三次谐波定子接地保护正常运行时 机端三次谐波电压US3 中性点三次谐波电压UN3 单相接地时 US3 UN3 1 50 时 US3 UN3三次谐波电压定子接地保护只能保护发电机中性点附近25 的范围 三次谐波保护动作方程 US3 UN3 3wzd式中 为三次谐波电压比值整定值 由基波零序电压和三次谐波电压共同构成发电机定子绕组的100 接地保护 保护原理 5发电机转子接地保护5 1转子一点接地保护转子接地保护采用乒乓式切换采样原理 工作电路如下图 保护原理 切换图中的S1 S2电子开关 得到相应回路方程 通过求解方程 可以得到转子接地电阻Rg 接地位置 将计算得出的Rg与整定值进行比较 当Rg小于整定值时 发出转子绕组一点接地报警或跳闸 5 2转子二点接地保护若转子一点接地保护动作于报警方式时 当转子一点接地保护动作后 延时自动投入转子两点接地保护 当接地位置 发生变化 且改变量达到某一定值时 判为转子两点接地故障 动作于跳闸 保护原理 6发电机过负荷保护6 1定子绕组过负荷定子绕组过负荷反应发电机定子绕组的平均发热情况 由定时限和反时限两部分组成 其反时限动作方程为 式中 KSzd 发电机发热时间常数 Ksrzd 发电机散热效应系数 Iezd 发电机额定电流二次值 t 保护实际动作时间 保护原理 定子绕组过负荷动作曲线图图中 tmin 反时限上限延时定值 tmax 反时限下限延时定值 Iszd 反时限起动定值 Ih 上限电流限值 保护原理 6 2负序过负荷保护负序地负荷保护反应发电机转子表层过热状况 也可反应负序电流引起的其它异常 同样由定时限和反时限两部分组成 其反时限动作方程为 式中 I2 发电机负序电流 Iezd 发电机额定电流 I2l 发电机长期允许负序电流 标么值 A 转子负序发热常数 保护原理 负序过负荷动作曲线 图中 tmin 反时限上限延时定值 tmax 反时限下限延时定值 I2szd 反时限负序电流起动定值 I2h 上限负序电流限值 保护原理 7发电机失磁保护发电机失磁对发电机和系统的危害 从系统中吸收大量无功功率 使系统电压降低 可能导致系统不稳定 发电机失磁进入异步运行状态 转子表面感应差频电流 引起转子过热 定子过电流 异步运行后 发电机转矩 有功功率剧烈波动 保护原理 发电机失磁保护的判据低电压判据 一般取母线三相电压 也可以选择发电机机端三相电压 三相同时低电压判据 Upp Ulezd定子侧阻抗判据异步阻抗圆或静稳边界圆 动作方程为 保护原理 XA 静稳边界圆 可按系统阻抗整定 异步阻抗圆 XA 0 5X dXB 隐极机取Xd 0 5X d 凸极机取0 5 Xd Xq 0 5X d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 特性如下图 图中阴影部分为动作区 虚线为无功反向动作边界 保护原理 对于异步阻抗继电器 特性如下图 保护原理 转子侧判据转子低电压判据 Ur Urlzd发电机的变励磁电压判据Ur Kr Xdz P Pt Uf0式中Xdz Xd Xs Xd为发电机同步电抗标么值 Xs为系统联系电抗标么值 P为发电机输出功率标么值 Pt为发电机凸极功率幅值标么值 对于汽轮机Pt 0 Uf0为发电机励空载额定电压有名值 Kr为可靠系数 保护原理 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 保护原理 减出力判据减出力判据采用有功功率判据 P Pzd失磁后导致发电机失步后 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 Pzd按机组容量的 40 50 整定 在失磁情况下 当满足该条件时 完成减出力 失磁保护是根据这些判据进行合理组合 组成不同的动作段 根据失磁的严重程度 选择不同的出口方式 保护原理 8失步保护失步保护反应发电机失步振荡引起的异步运行 保护采用三元件失步继电器动作特性 如下图 保护原理 图中 为透镜部分 它把阻抗平面分成透镜内I和透镜外的部分O 为遮挡器特性 它把阻抗平面分成左半部分L和右半部分R 两种特性的结合 把阻抗平面分成四个区OL IL IR OR 阻抗轨迹顺序穿过四个区 OL IL IR OR或OR IR IL OL 并在每个区停留时间大于一时限 则保护判为发电机失步振荡 每顺序穿过一次 保护的滑极计数加1 到达整定值时 保护动作 为电抗线特性 它把动作区一分为二 电抗线以上为I段 电抗线以下为II段 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 则认为振荡中心位于发变组外 保护原理 9逆功率保护9 1逆功率保护由于各种原因导致发电机失去原动力 发电机变为电动机运行时 此时为防止汽轮机叶片等损坏 需要配置逆功率保护 其动作判据为 P RPzd9 2程序逆功率保护发电机在各种过负荷等异常运行动作后 需要程序跳闸时 保护先关闭主汽门 由程序逆功率保护经主汽门接点闭锁和发变组断路器位置接点闭锁 延时动作于跳闸 常见故障 三 常见的故障3 1微机保护的优点目前 微机保护已经普遍应用 微机保护的优点明显 具有可靠性高 精度高 速度快 功能多 灵活性大 通过软件可以很方便的改变保护与控制特性 利用逻辑判断实现各种互锁 一种类型硬件利用不同软件 可构成不同类型的保护 维护调试方便 硬件种类少 线路统一 外部接线简单 大大减少了维护工作量 保护调试与整