RCS985RSSS发电机保护(201210)幻灯片.ppt

RCS 985RS SS发电机保护 一概述 RCS 985RS SS采用了高性能数字信号处理器DSP芯片为基础的双CPU硬件系统 装置有独立的启动CPU作为整机起动元件 该起动元件在电子电路上 包括数据采集系统 与保护CPU完全独立 动作后开放保护装置出口继电器正电源 RCS 985RS SS适用于中小型汽轮发电机 水轮发电机 燃气轮发电机等发电机机组 并能满足电厂自动化系统的要求 RCS 985RS SS发电机保护根据相似保护功能分开 相对独立的原则 将主保护 后备保护 异常运行保护合理分配到两个装置中 共同提供一台发电机所需要的全部电量保护 概述 保护功能对照表 RCS 985RS保护功能 RCS 985SS保护功能 装置硬件 装置面板 RCS 985RS SS装置采用全封闭6U 1 2机箱 用嵌入方式安装于屏上 其正面面板布置如图 RCS 985RS端子定义图 RCS 985RS中各模拟量输入说明 RCS 985SS端子定义图 单跳圈 RCS 985SS中各交流量输入说明 RCS 985SSSWI插件原理及接点输出图 单跳圈 RCS 985RS SS跳闸矩阵 保护装置给出12组跳闸出口继电器 共20付出口接点 跳闸继电器均由跳闸控制字整定 通过保护各元件跳闸控制字的整定 每种保护可实现灵活的 用户所需要的跳闸方式 每付跳闸接点允许通入最大电流为8A 跳闸出口继电器提供跳闸接点如表 装置面板显示跳闸控制字的格式 从右往左依次为第0位至第12位 Bit 0 Bit 12 第0位为功能投入位 第1位至第12位分别与跳闸出口1至跳闸出口12相对应 整定方法 在保护元件投入位和其所跳开关位填 1 其它位填 0 则可得到该元件的跳闸方式 二差动保护 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 差动试验 比率差动的逻辑框图 三发电机匝间保护 3 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 5 1 秒延时动作于跳闸 3 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 8 12 V 2 灵敏段纵向零序过电压匝间短路保护 Uzo zo Im Ie UzozdIm 3 I2Imax IeIm Imax Ie 3 I2Imax 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 10S 0 20S 出口 四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 4 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 中性点3U0 基波零序电压保护发电机85 95 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 4 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UT3 a UN3 a的关系曲线如图所示 所以如果以UT3 UN3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 U3T U3N 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 五发电机转子接地保护 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 5 1 0 秒动作于停机 同时高灵敏的单元件横差保护也加一 0 5 1 0 秒的延时 5 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 5 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 转子一点接地保护逻辑框图 转子两点接地保护逻辑框图 六发电机失磁保护 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40 50 的额定负荷 以减小转差率s 这样 允许失磁机组运行15 30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 失磁保护由以下四个判据组合 完成需要的失磁保护方案 1 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 2 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 5X d XB 隐极机一般取Xd 0 5X d 凸极机一般取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 6Vb 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 3 转子侧判据转子低电压判据 Ur Urlzd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 通常会使励磁低电压判据周期性地动作与返回 因此励磁电压元件在失步后 进入静稳边界 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 失磁保护出口逻辑 装置设由三段失磁保护功能 失磁保护 段动作于减出力或切换备用励磁 段动作于跳闸 段经较长延时动作于跳闸 失磁保护 段也可动作于报警 图6 8 3失磁保护 段逻辑框图 失磁保护 段用于减出力或切换备用励磁 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I段逻辑图 失磁保护 段逻辑框图 失