发电机及电动机保护

发电机及电动机保护原理与整定计算发电机及电动机保护原理与整定计算 长沙理工大学 穆大庆长沙理工大学 穆大庆 1 1 发电机主保护发电机主保护 作用对象 出口 QF 灭磁开关 停机 1 1 1 1 发电机纵差保护发电机纵差保护 基本原理 与线路纵联差动及变压器纵联差动相同 作用 反映发电机内部 包括机端引线 相间短路 横向故障 的主保护 一 完全纵差与不完全纵差的差动电流 Icd与制动电流 Izh 1 完全纵差 保护可反映 G 内部相间短路 但不能反映匝间短路和开焊故障 相间短路 T N d 匝间短路或开焊 T N 0 I I I I I 差动电流 Icd T N 制动电流 Izh T N I I 2 1 I I 2 不完全纵差 正常运行及外部短路 匝间短路或开焊 IT IN K IT IN K 出口侧 TA1 接相电流 而中性点侧 TA2 只接每相部分分支的电流 同时为了保证在 正常运行及外部短路时差动电流为 0 需进行分支比例调整 差动电流 Icd T KN 制动电流 Izh T KN I I 2 1 I I 分支系数 K 分支电流 中性点全电流 不完全纵差可反映 G 内部相间短路 匝间短路和开焊故障 二 比率制动特性及整定计算 1 最小启动电流 Idz min 躲过正常工况下最大的差动不平衡电流 一般 Idz min 0 3 0 4 Ie 2 2 拐点电流 Izh min 一般取 Izh min 0 5 0 8 Ie 2 3 制动特性斜率 Kzh 躲过外部短路最大不平衡差动电流 一般 Kzh 0 3 0 5 不完全纵差 Kzh应适当偏大 4 差动速断动作电流 Idz max 一般取 Idz max 4 8 Ie 2 5 内部短路灵敏度校验 要求机端两相金属性短路的灵敏系数 Klm 2 0 三 纵联差动出口方式 1 单相出口方式 可设置 TA 断线闭锁差动出口及差动电流 Icd大于解除闭锁定值 IJC而解除闭锁功能 解除闭锁定值 IJC 0 8 1 2 Ie 2 考虑到 TA 二次断线会引起高电压的危险 大型发电机组往往不采用 TA 断线闭锁 将解除闭锁定值 IJC设为 0 即可 2 循环闭锁出口方式 循环闭锁 至少有两相差动动作 差动保护才出口动作 发电机中性点不直接接地 单相接地不形成短路 为保证发电机内一相接地且发电机外另一相接地的两点接地短路情况下差动保护能 可靠动作 则当仅一相差动动作但存在较大负序电压时 则解除循环闭锁 解除循环闭 锁的负序电压定值 UJC 9 12 V 若仅一相差动动作且无负序电压 则判为 TA 断线而发信号 1 2 1 2 发电机横差保护发电机横差保护 作用 反映 G 内部绕组 不含机端引线 相间短路 匝间短路和开焊故障的主保护 作用对象 出口 QF 灭磁开关 停机 一 裂相横差保护 也称三元件横差保护 构成相对复杂 作为单元件横差的补充 1 基本原理 正常 匝间短路 相间短路 1 G 正常运行或外部短路时 两支绕组电势相等 故两支电流大小相等 差动电流 Icd 0 2 同一支绕组上匝间短路 短路匝数占整支匝数的百分比 两绕组电势不相等 环流 Id 较大 Icd 2Id nTA 0 时 Icd 0 拒动出现死区 3 同相不同支绕组上匝间短路 1 2 两绕组电势不相等 环流 I d 较大 Icd 2I k nTA 1 2 0 时 Icd 0 拒动出现死区 4 相间短路产生较大 Id 较大 Icd Id nTA 5 开焊故障 某支开焊时 一支无电流 一支有电流 较大 Icd Ifh nTA 2 整定计算 比率制动特性 差动电流 Icd fz1 fz2 制动电流 Izh fz1 fz2 I I 2 1 I I 1 最小启动电流 Idz min 0 3 0 5 Ie 2 2 拐点电流 Izh min 0 2 0 5 Ie 2 3 制动特性斜率 Kzh 0 4 0 5 4 差动速断动作电流 Idz max 4 8 Ie 2 3 多并联分支的水轮发电机裂相横差 为保证在正常运行及外部短路时两组 TA 产生的差动电流为 0 需在保护内部进行平 衡系数调整 二 零序电流横差保护 也称单元件横差或高灵敏度横差 构成简单且灵敏度高 在每相多分支的多个中性点连线上接入零序电流式横差保护 左星形 IL IA L IB L IC L 右星形 IR IA R IB R IC R Icd IL IR nTA 正常运行及外部短路时 Icd Ibp 很小 保护不动作 匝间短路时 Icd Id nTA 环流 很大 保护动作 0 时 Icd 0 保护拒动出现死区 转子两点接地 转子磁场畸变 横差保护误动 措施 G 有转子两点接地保护时 转子一点接地后横差保护改为经短延时 t 出口 G 无转子两点接地保护时 转子一点接地后横差保护不延时 允许横差保护瞬时出口 动作电流定值 Idz 躲过系统不对称短路及发电机失磁失步时转子偏心产生的最大不 平衡电流 由于微机保护内部有专门三次谐波过滤 不需考虑三次谐波影响 一般取 Idz 0 3 0 4 Ie 2 短延时 t 与两点接地保护动作时间配合 一般取 0 5 1 0S 为提高保护灵敏度 TA 变比一般选择较小 200 5 600 5 1 3 1 3 发电机纵向零序电压匝间短路保护发电机纵向零序电压匝间短路保护 一 基本原理 两段式 I 段大定值 II 段小定值 反映发电机内部绕组相间短路 匝间短路及分支开焊故障 an AN bn BN cn CN 则 30 AN BN CN nTV U U U U U U U U U U G 内部故障 三相机端对中性点电压不平衡 较大纵向基波零序电压 3 0 保护动作 U 外部短路时或专用 TV 回路有问题 可能出现较大 3 0 导致保护误动 措施 增 U 加负序方向元件 P2 只有内部故障时 P2为正 才开放纵向基波零序电压保护 为防专用 TV 断线导致保护误动 引入专用 TV 断线闭锁 专用 TV 断线闭锁判据采 用普通机端 TV 与专用 TV 的同名相电压差是否大于定值 U 二 整定计算 可采用两段式纵向零序电压保护 I 段整定值 3U0 dz I 125MW 汽轮发电机取 8V 以上 200 300MW 汽轮发电机取 5 8V II 段基波整定值 3U0 dz II 0 4 0 8 3U0 dz I 一般约 2 3V II 段三次谐波整定值 3U0 3w dz II 取发电机额定负荷下三次谐波电势 一般取 2 5V II 段三次谐波增量制动系数 Kz 一般取 0 4 0 5 II 段延时 t 为确保专用 TV 一次断线时保护可靠不误动 II 段需延时 0 15 0 2S 专用 TV 断线判断定值 U 取 7 10V 三 缺点 该保护可靠性不高 容易误动 定子单相接地故障 k 点接地 由于专用 TV 的 n 与发电机 N 相连且不接地 三相电压 平衡未被破坏 无纵向 3 0输出 保护不会误动 该保护是反映 G 内部短路和开焊的一 U 种主保护 不是定子接地保护 但是专用 TV 的 n 与发电机 N 的连接电缆绝缘破损而接 地时 将造成定子接地保护误动 2 2 发电机接地保护发电机接地保护 2 1 2 1 发电机定子绕组单相接地保护发电机定子绕组单相接地保护 作用对象 一般动作于发信号 特殊情况下跳出口 QF 及灭磁开关 一 我国发电机单相接地电流允许值 6 3kV 及以下 4A 10 5kV3A 13 8 15 75kV 2A 氢内冷发电机为 2 5A 18kV 及以上 1A 二 基波零序电压保护 定子绕组单相接地时 出现较大的零序电压 利用该零序电压可构成定子绕组接地 保护 零序电压取自发电机出口 TV 的开口三角形或发电机中性点单相 TV0 该保护反映 接地电容电流 Ic 中性点三次谐波电压 UN3 即 US3 UN3 1 1 正常运行时 中性点对地电抗 XN3 1 j9 CG 机端对地电抗 XS3 1 j9 CG CS 中性点三次谐波电压 UN3 XN3E3 XN3 XS3 机端三次谐波电压 US3 XS3E3 XN3 XS3 则 US3 UN3 XS3 XN3 CG CG CS 1 即 US3 UN3 动作条件不满足 不动作 2 定子绕组单相接地时 设 F 点定子绕组金属性接地 UN3 E 3 US3 E 3 故 US3 UN3 E 3 E 3 UN3 满足动作条件 动作 50 时 F 点位于 M 点右侧 US3 N3 U P K U U 适当调整系数使正常运行时 S3 N3 0 P K U P K U 当靠中性点定子绕组接地 S3 N3 S3 N3 N3 保护灵敏动作 U U U P K U U 当靠机端定子绕组接地 S3 N3 S3 N3 N3 保护动作 U U U P K U U 可见改进型的三次谐波保护甚至可以单独作为 100 定子接地保护 微机型三次谐波定子接地保护中采用自适应系数 P K 3 3 pNkU pNkU K N S P 动作条件 S3 k N3 k N3 k 取 0 1 0 15 U 3 3 pNkU pNkU N S U U k 本采样点 k pN 前整数个周波的采样点 幅值比突变量式动作条件 Pset 3 3 3 3 pNkU pNkU kU kU N S N S 相量比突变量式动作条件 Pset 3 3 3 3 pNkU pNkU kU kU N S N S 2 2 2 2 发电机转子一点接地保护发电机转子一点接地保护 作用对象 一般动作于发信号 特殊情况下跳出口 QF 及灭磁开关 一 电桥式转子一点接地保护 二 叠加直流电压式转子一点接地保护 将外加交流电压 U 经过电压变换器 UV 及整流桥 VU 整流得到的直流电压 Ud经继电 器 K 加到转子的负极与地之间 继电器 K 中的直流电流 Id Ud Ue 2 RK Ry RK 继电器 K 的内阻 Ry 励磁绕组对地绝缘电阻 正常时 Ry Id 0 保护不动作 转子回路绝缘下降或一点接地时 Ry Id 保护动作于信号 若接地点在励磁绕组负极性端 Id Ud RK 若接地点在励磁绕组正极性端 Id Ud Ue RK 若接地点在距负极性端 Id Ud Ue RK 可见 随接地点位置不同 该保护的灵敏度不同 三 叠加交流电压式转子一点接地保护 叠加直流式的缺点 保护灵敏度随接地点位置变化 励磁绕组与地之间未完全实现直 流隔离 将交流电压 Ua经继电器 K 隔直电容 C 加于励磁绕组的一端与大地之间 正常时 Ia Ua ZK 1 j C Zy IK op 保护不动 励磁绕组等效绝缘阻抗 Zy Ry 1 j Cy 转子回路一点经 Rf接地时 Ia Ua ZK 1 j C Rf Zy 保护延时动作于信号 不足 对于交流由于存在 Cy 正常时的 Ia较大 保护整定值较大 保护灵敏度不高 另外该保护由于反映交流量而受暂态过程的影响 四 切换采样式 乒乓式 转子一点接地保护 依次分别接通 S1 S2 并实时采样励磁电压 Ue和 Rz上的电压 Uz 由电路已知参数 Rx Ry Rz及两次采样得到的 Ue1 Uz1 Ue2 Uz1即可算出励磁绕 组 LE 的对地绝缘电阻 Rf及接地点的位置 Rf Rz yx zy RR RR 2 1221 21 ezez ee UUUU UU yx yxx RR RRR 2 yx y RR R 2 1221 21 ezez ez UUUU UU yx x RR R 2 当 Rf 8 10 k 延时 6 9S 发信号 并投入转子两点接地保护 并将单元件横差保护切 换到延时出口 当 Rf U2 dz 且 U2 2 2 U2 1 U2 1 U2 2 二次谐波的正序及负序分量电压 U2 dz 二次谐波负序电压定值 整定值 U2 dz 躲过发电机额定工况下的最大二次谐波负序电压 一般取 0 8 2V 动作延时 为防止外部故障暂态过程中保护的误动 应延时 0 5 1S 3 3 发电机相间短路后备保护发电机相间短路后备保护 作用对象 延时动作于跳出口 QF 及灭磁开关 当发电机出口和中性点侧皆装有 TA 时 作为发电机相间短路后备保护的过流保护的电 流应取自发电机中性点侧的 TA 以保证过流保护可作为发电机的近后备保护 3 1 3 1 发电机复合电压闭锁的过流保护发电机复合电压闭锁的过流保护 3 2 3 2 发电机定时限负序过流保护发电机定时限负序过流保护 用于 50MW 及以上的发电机 包括负序过负荷及负序过流部分 三相不对称短路或不对称负荷 负序过流 转子倍频电流 转子过热 振动 III2 元件 发信号 反映负序过负荷 整定值小 II2 元件 跳闸 反映负序过流 整定值大 整定计算 1 负序过负荷部分 小定值 动作电流 III2 dz整定 躲过发电机长期允许负序电流 I2 III2 dz I2 I2 h k K K 95 0 2 1 经验公式 汽轮发电机 III2 dz 0 06 0 08 Ie 2 水轮发电机 III2 dz 0 1 0 2 Ie 2 动作延时 tII 取 6 9S 2 负序过流 不对称短路 部分 大定值 动作电流 II2 dz整定 II2 dz js tA t js 计算时间 即运行人员可采取措施消除负序电流所需的充足时间 取 120s 当 I2 t js 可人工处理 保护不必动作 当 I2 II2 dz 时 允许时间 ty t js 来不及人工处理 保护动作 一般 A 30 40 则 II2 dz 0 5 0 6 Ie 2 汽轮发电机用 0 5 水轮发电机用 0 6 与相邻元件的后备保护配合 本后备保护 Klm I2 I2 fx时 延时 txx 300 600S 切机 I2 xx 下限定值 当 I2 sx I2 I2 xx时 按反时限特性切机 当 I2 I2 sx时 延时 tsx 0 3 0 5S 切机 I2 sx 上限定值 2 定值整定 发信定值 I2 fx I2 95 0 2 1 发信延时 tfx 6 9S 下限定值 I2 xx 1 05 1 1 I2 fx 下限延时 txx 300 600S 上限定值 I2 sx 发电厂主变高压侧母线两相短路时 G 所提供的负序电流的 1 05 倍 上限延时 tsx 与电厂高压母线上出线纵联保护或距离 I 段的动作延时配合 一般 0 3 0 5S 热值系数 A 由厂家数据确定 或按 G 容量选取 200 300MW 内冷式汽轮发电机 A 8 10 300 600MW 汽轮发电机 A 6 8 散热常数 根据 G 长期允许负序电流能力来确定 一般不超过 0 01 3 4 3 4 自并励发电机相间短路的过流保护特殊问题自并励发电机相间短路的过流保护特殊问题 G 外部机端附近短路 UG IE 电势 E Ik UG Ik 后备保 护返回而拒动 因此 必须按后备保护的动作电流及动作时限校验自并励发电机后备保护的灵敏度 是否满足要求 若不满足要求 对过电流型后备保护可改用低电压保持的过流保护 带 电流记忆的低压过流保护或电压控制过流保护 低电压保持的过流保护 过流元件只作启动元件 启动后由低电压元件保持直至跳闸 带电流记忆的低压过流保护 电压控制过流保护 动作条件 I Uset KUU KI 动作电流门槛值 Iop Uset KUU KI是随测量电压 U 变化 U 越小 所需要的动作电流也越小 4 4 发电机失磁及失步保护发电机失磁及失步保护 4 1 4 1 发电机失磁保护发电机失磁保护 一 失磁的特点 设正常运行于 a 点 低励失磁 励磁电流 Ed 功角曲线 P 下降 至 b 点 PPm 转子减 速 按等面积法则至 d 点 加速面积 abc 减速面积 cde 开始 P 回落至 c 点 P Pm 由于惯性 继续 P Pm 转子加速 经加速 减速循环往复的衰减振荡稳 定在 c 点 稳定振荡 同步振荡 若严重失磁 曲线 P 大幅下降 可提供的减速区面积 chf 加速面积 abc 惯性 的减速过程中 冲过 f 点 即尚未将加速面积的能量耗尽又出现 P系统频率 fS 转子中出现滑差 fG fS 交流 转子过热 振 动 4 G 振动 电压 自动解列装置动作 使 G 与系统解列 三 失磁过程中的机端测量阻抗 由分析可以得出 失磁前位于第一象限 a 点 失磁后 无功 Q 由正变负 UG Zm沿等有功圆进入第四象限 进而落在临界失 步圆上 b 点 进而进入失步区 c 点 异步运行 失步振荡 为准确判别是否进入失步 一般采用异步边界阻抗圆 以 jX d 2 和 jXd两点为直径 作圆 而不用静稳定极限圆 四 低励失磁保护常用的动作判据 1 定子侧三相同时低电压判据 1 系统低电压判据 一般装设在升压变的高压侧母线上 动作判据为所测三相同时低电压 U3ph S 0 85 0 9 Uh e 2 Uh e 2 升压变高压侧母线额定二次电压 2 机端低电压判据 对位于负荷中心的大型汽轮发电机 装设于机端 直接监视厂用系统的三相电压水平 动作判据 U3ph G 0 8 0 85 Ue 2 G Ue 2 G 机端额定二次电压 系统中三相短路时会出现三相同时低电压 该失磁保护将误动 两相或单相短路时 由 于不会出现三相同时低电压 保护不会误动 措施 依靠励磁电压判据 Vfd 0 8Vfd 0 Vfd 0 空载励磁电压 来防止误动 2 阻抗圆特性判据 1 静稳定极限阻抗圆 由于静稳定极限阻抗圆包含位于横轴以上的第一 第二象限的动作区 容易造成非 失磁情况下的误动 如 G 外部经过渡电阻短路 系统振荡 在允许程度下的进相等 故 动作特性往往在静稳定极限圆基础上进行修正 加入直线方向特性 oa ob 或采用以坐 标原点和 jXd点为直径的下抛圆 或采用苹果圆特性 例如采用过坐标原点的下抛圆 阻抗圆圆心取 Xc 0 6Xd 半径 Xr 0 6Xd 2 异步边界阻抗特性判据 以 jX d 2 和 jXd两点为直径的圆特性 由于特性区在横轴以下 不易出现非失磁情 况造成的误动 但对于与系统联系薄弱 XS较大 等有功圆偏上 负荷较重 P 大 等 有功圆小 的发电机 等有功圆与异步边界阻抗圆相交太少甚至不相交 在失磁开始阶 段 沿等有功圆进入异步边界阻抗圆并在其中停留的时间太短或根本不进入 则失磁保 护 有延时 不动 只有当失磁发展并进入异步状态 失磁保护才动作 导致在失磁保 护动作之前超高压线路对侧的后备保护抢先动作而给运行带来麻烦 因此这种方式不适 宜远离负荷中心与系统联系较弱的大型水轮发电机和坑口电厂的大型汽轮发电机 3 静稳极限励磁电压 也称变励磁电压 判据 Vfd P 判据 常规励磁电压判据 Vfd 0 8 Vfd 0 其动作电压是一固定值 0 8 Vfd 0 静稳极限励磁电压判据其动作电压不是固定值 是根据所带有功 P 按静稳定极限要 求所必需的最低励磁电压 对 Xd Xq的隐极式汽轮发电机 失磁达到静稳定极限时的 Vfd P Xd e e S U 2 0 2 fd e V U P S VX e fdd 0 由于凸极式的水轮发电机 Xd Xq 上式需修正为一般式 Vfd 凸极反映功率 Pt 0 t e fdd PP S VX e dq S XX 11 2 1 取动作电压为 Vfd dz 可靠系数 Kk取为 1 1 1 4 0 t ek fdd PP SK VX 微机保护为了内部处理方便 往往动作判据为 Vfd 或 Vfd Vfd min 满足两个中的任一个则动作 866 125 t fd PP K 其中定值 特性系数 Kfd 0 866 125 fdd ek VX SK 凸极反映功率 Pt e dq S XX 11 2 1 转子最小动作电压 Vfd min 0 6 0 8 Vfd 0 4 失磁异步状态下的过功率判断 失磁状态下出现过功率时 保护动作于出口降出力 过功率定值按发电机过载异步功率整定 Pg 0 4 0 5 Pe 五 低励失磁保护构成 失磁后 不允许异步运行水轮机 转差率 间 允许异步运行一段时汽轮机 转差率 2 1 5 0 S f ff S S SG 汽轮发电机失磁后 允许持续异步运行 15 30 分钟 失磁保护动作后应首先动作于 1 跳灭磁开关 投入异步电阻 Ras 使励磁绕组经 Ras闭路 若部分失磁 机组在越过稳 定极限后 由于 P 不为 0 P 将随着功角 0 360 变化呈现正 负交变 产生振动危害 大轴 因此失磁后 为保证安全转入异步发电状态 应首先将剩余励磁全部退掉 使 P 0 2 将发电机负荷减少到允许值 3 若厂用电源取自本失磁机组机端 应先将厂用电源切换至备用厂高变 常规型汽轮发电机失磁保护结构 失磁时 Z Vfd 动作 2 动作 经 t3延时 不停机 跳灭磁开关 投异步电阻 切换厂用电源 按 P 的设定值减负荷 由于失磁后期进入异步运行时 Vfd是交变的 Vfd 元件将周期性地动作与返回 若 Vfd 持续动作的时间 t3 则 t3 元件将不再动作 无法保证自动减负荷和经 t2 动作于停 机 因此 在失磁前期失磁保护动作后由或门 H1 实现自保持 保证失磁后期也能可靠动 作 设置了长延时元件 t2 进入异步发电运行后 经 t2 15 分钟 自动动作于停机 设置了切换片 XB 当 G 运行状态不良 不允许异步发电运行时 可将 t3 切换到动作于 停机 若三相同时低电压元件 UG 及 Vfd 动作 说明机端电压低于允许值 失磁保护经延 时 t1直接动作于停机 微机型失磁保护结构 动作时限 t1 t4及出口可根据发电机类型及具体情况确定 5 5 电动机保护电动机保护 5 1 5 1 电动机电动机 M M 的故障类型 不正常工作状态及保护的故障类型 不正常工作状态及保护 一 故障类型及保护方式 1 定子绕组相间短路 相间短路 电动机严重损坏 使电网电压 影响其它负荷正常工作 S2000kW 的 M 或 S8 Ie 保护瞬时动作 反映短路故障 II 段 Ieq在 4 8 之间 采用极端反时限特性 t 反映机械堵转故障 1 80 2 II dz eq II I I k III 段 Ieq在 1 15 4 之间 采用极端反时限特性 t 反映热过载故障 1 80 2 III dz eq III I I k 5 3 5 3 电动机单相接地保护 针对中性点非直接接地系统中的电动机 电动机单相接地保护 针对中性点非直接接地系统中的电动机 TA0为零序电流互感器 为防止电缆外皮及铠装中流过的杂散电流对保护的影响 应将 电缆保安接地线沿电缆方向穿过 TA0铁芯 使其产生的磁通与电缆外皮及铠装中杂散电 流产生的磁通抵消 1 动作电流整定 躲过外部 其他设备 单相接地故障时 本支路所测最大零序电流 即电动机本身对地电容电流 3I0 M max Idz j Kk3I0 M max nTA 可靠系数 Kk取 4 5 2 灵敏度校验 按本电动机单相接地时本支路所测零序电流 系统中所有非故障设备对 地电容电流的总和 的最小值校验 Klm 2 jdz TAM I nII min 0 0 33 当 Klm不满足要求时 可降低动作电流 Kk降至 1 5 2 但为躲过单相接地故障瞬间 暂态过程的影响 保护需增加延时 5 4 5 4 电动机低电压保护电动机低电压保护 1 电动机低电压保护的作用 1 当供电网电压降低或中断时 所有电动机转速下降 若电压恢复 则大量电动机自 启动 没有任何启动措施的启动 相当于直接启动 电动机正常启动时 为限制启动电 流 往往采用一些启动措施 如降压启动 绕线式转子中串电阻启动等 致使电压恢复 时间延长 增加了电动机自启动时间 甚至无法自启动 为保证重要电动机自启动 当 低电压状态达到一定时间 需跳开不重要电动机 低电压保护动作电