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西山煤电电力公司继电保护培训,中国矿大信电学院电气安全与智能电气研究所李国欣博发电机保护,发电机故障类型、不正常运行状态保护配置方式发电机的纵差动保护和横差动保护发电机的单相接地保护发电机的负序过电流保护发电机的失磁保护,V2011-6-20,中国矿业大学信电学院电气安全与智能电器研究所,2,第一节.故障类型不正常运行状态及保护方式,一、故障类型相间短路（二相短路、三相短路）定子绕组匝间短路（同分支，同相不同分支）接地故障（单向接地，两相接地）一点接地转子绕组二点接地部分转子绕组匝间短路,二、不正常运行状态,定子绕组过负荷，转子绕组过负荷，发电机过电压；发电机过激磁，发电机误上电、逆功率、频率异常、失磁、发电机断水及非全相运行等。,三、保护配置,1、短路故障的主保护：纵差保护，横差保护，转子两点接地保护2、短路故障的后备保护：复压闭锁过流保护，对称过流及过负荷保护，不对称过流及过负荷保护、负序过电流保护，转子过流及过负荷保护、转子两点接地保护、带记忆的低压过流保护。3、发电机异常运行保护：过电压保护，过激磁保护、逆功率保护，转子一点接地保护，定子过负荷保护、非全相运行保护、大型发电机失步保护、频率异常保护等。,4、开关量保护：发电机断水保护等。5、临时性保护：发电机正常运行时应退出的保护，有发电机误上电保护及发电机启、停机保护等。6、其他保护：单相接地保护，失磁保护。,第二节、发电机定子绕组差动保护,一、纵差保护1、分类1）按输入电流的不同分类：完全纵差保护和不完全保护两类。2）按出口方式分类：单相出口方式和循环闭锁出口方式3）按其他方法分类,a)完全纵差b不完全纵差Ja、Jb、Jc分别为发电机A、B、C三相的差动元件,2、动作方程采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为：IdIdz0IzIz0IdKz（IzIz0）Idz0IzIz0式中：Id差动电流；Iz制动电流；Kz比率制动系数；Iz0拐点电流；Idz0初始动作电流,3、动作特性具有两段折线式发电机纵差保护的动作特性如图所示。由下图可以看出：纵差保护的动作特性由二部分组成：无制动部分和有制动部分。,逻辑框图分单相出口方式和循环闭锁出口方式（a）图：单相出口方式的发电机纵差保护逻辑框图,（b）图：循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图,4、整定原则及计算：,1）最小动作电流Idz0对Idz0的整定原则是：按躲过正常工况下的最大不平衡电流来整定。可按下式进行整定：Idz0KH（K1K2）Ie（1）式中：KH可靠系数，通常取1.52；K1TA变比误差，10P级互感器误差为0.03，故K1可取0.06（考虑两侧TA正、负误差）；K2保护装置通道传输变换及调整误差，可取0.1；Ie发电机额定电流，TA二次值。代入式（1）可得Idz0（0.240.32）Ie，一般取0.3Ie。,2）拐点电流Iz0Iz0应取（0.50.8）Ie。,3）比率制动系数Kz比率制动系数的取值原则，应按使差动元件躲过发电机外部三相短路时产生的最大不平衡电流来整定。区外三相短路时，差动元件可能产生的最大不平衡电流为：Ihmax（K1K2K3）Ikmax（2）式中：Ihmax最大不平衡电流；Ihmax最大短路电流；K1TA的10%误差；K2通道的变换及传输误差，取0.1；K3两侧TA暂态特性不一产生的误差，取0.05。,代入式（2）得：Ihmax0.25Ikmax，Ihmax/Ikmax0.25,当不计拐点电流时，差动元件的比率制动系数应为KzKH0.25（1.21.3）0.250.30.325，可取0.30.4。对于不完全纵差保护，当两侧差动TA型号不同时，可取Kz0.5。,，,4）解除循环闭锁的负序电压元件定值一般按高压母线出线末端故障产生的负序电压来整定。通常U2（912）V,二、横差保护,分类根据交流回路引入电流及保护中含差动元件的数量不同，发电机横差保护可分为单元件横差和三元件横差。三元件横差又称裂相横差。,1、单元件横差保护,1）交流接入回路2）动作方程IopIop0式中Iop中性点TA二次电流；Iop0横差保护动作电流整定值。,3）逻辑框图横差保护是发电机内部短路的主保护，应无延时动作。但考虑到转子两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动，故在转子一点接地保护动作后，使横差保护带一个小延时动作。,4）定值的整定动作电流应按躲过系统发生不对称短路或发电机失磁失步运行时转子偏心产生的最大不平衡电流。IopKH（K1K2K3）Ie（3）式中：KH可靠系数，取1.5；K1额定工况下，同相不同分支绕组由于参数的差异产生的不平衡电流，最大可取32%0.06；K2正常工况下气隙不均匀产生的不平衡电流，取0.05Ie；,K3异常工况下转子偏心产生的不平衡电流，取0.1Ie。将各参数代入式（3）得Iop（0.30.35）Ie，可取0.35Ie动作延时t1可取0.51秒。,2、裂相横差保护,1）交流接入回路,2）逻辑框图在转子两点接地之后，为避免横差保护抢先动作，对于裂相横差保护应具有短动作延时。,3）动作方程和动作特性a.采用过电流元件时，其动作方程为：IdIop(4)式中:Id差回路中的差流；Iop差动元件动作电流整定值b.采用具有比率制动特性的差动元件时，其动作方程为:IdIdz0（IzIz0）IdIdz0KIz（IzIz0）式中Id差流，Id（I1I2）；Iz制动电流，Iz（I1I2）/2；Idz0初始动作电流；,K比率制动系数；Iz0拐点电流；I1、I2（TA二次值）分别为某相定子绕组分支（或分组）电流。根据式（4）可以画出如图所示的动作特性。,4）整定计算（a）采用过电流元件动作电流应按躲过区外不对称短路时产生的最大不平衡差流来整定。Iop1/2KH（K1K2K3）IKmax（5）式中：KH可靠系数，取1.151.2；K1两侧TA的10%误差，取0.1；K2通道传输及调整误差，取0.1；K3不对称短路时，由于转子偏心造成的误差取0.1将以上各数据代入式（5），可得Iop1/2（0.3450.36）IKmax可取0.2IKmax,（b）采用具有比率制动特性的差动元件最小动作电流Idz01/2KH（K1K2K3）Ie（6）式中：KH可靠系数，取1.52；K1两侧TA变比误差，取0.06；K2气隙磁场不均匀产生的误差，取0.05；K3保护装置通道传输及调整误差，取0.1。代入式（6）可得Idz0（0.250.27）Ie，可取0.2Ie。拐点电流可取（0.30.4）0.5Ie。比率制动系数K可取0.4。,第三节、发电机的单相接地保护,规定：单相接地电容电流5A跳闸5A发信号,一、发电机定子绕组单相接地的特点,1.单相接地时电气量的特点,表示中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数1,(1),(2),发电机外接元件越多3I0发电机出口有母线IC大跳闸发变组IC小信号,（3）I0的大小与方向发电机内部单相接地时,零序电流的方向为如图所示，大小为发电机以外电压网络的对地电容电流。,（3）I0的大小与方向,发电机外部单相接地时,零序电流的方向为如图所示，大小为发电机本身的对地电容电流。,二、保护方式1、零序电流保护应用于发电机出口有母线的接线作用于跳闸（1）原理,内部故障时：外部故障时：并且内部故障与外部故障时零序电流相位相反,（2）整定原则原则一：躲外部单相接地时，发电机本身电容电流原则二：由CT引起的不平衡电流（正常运行）原则三：保护一次动作值小于P195表7-1的值,发电机单相接地电流允许值,（2）整定原则原则四：为防止外部相间短路时的IbP引起误动作应在相间保护动作时将接地保护闭锁。原则五：tdz=12S躲外部接地瞬间发电机暂态电容电流当0时有“死区”在保证选择性下，尽量Idz,2、基波零序电压保护应用于发变组IC小作用于发信号（1）原理,有“死区”,“死区”,一般整定为：,（2）消除方法改为100%定子接地保护中性点加固定的工频偏移电压（1015%）Ue（通过增大接地电流来实现一般增大值不超过1025A）附加直流or低频信号（20HZor25HZ）（通过检测此附加电流的大小来实现）利用三次谐波电压构成（利用中性点侧与机端侧三次谐波电压比值的变化来实现）,3、利用三次谐波电压构成的100%定子接地保护,（1）发电机三次谐波电压的分布特点由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁芯饱和的影响，在定子绕组上感应出基波、高次谐波（如百分之几的三次谐波）等效电路（简化）,N中性点S机端Cof发电机对地电容Cos其它元件对地电容，如Tr、线路等,正常运行时无消弧线时：,同样可证有消孤线圈时,则：,发电机内部发生单相接地故障时,当,时，,且单相接地故障的接地点越接近中性点则越灵敏,动作量,制动量保护范围,（2）、100%定子接地保护,三次谐波保护+零序电压保护,第四节、发电机的负序过电流保护,负序过电流保护的作用负序定时限过流保护负序反时限过流保护,1.负序电流的危害负序电流转子发热烧毁负序电流转子绕组、阻尼绕组、转子铁心100HZ电流100HZ振动发电机允许负序电流发热常数,A值参考表,二、负序定时限过电流保护,1.原理接线保护原理动作过程,2.两段式负序电流保护时限特性,两段式负序电流保护的缺点ab段:bc段:cd段:de段:,三、负序反时限过电流保护,1.负序反时限过电流保护的优点,2.负序反时限过电流继电器原理接线图,第五节、发电机失磁保护,发电机失磁运行及其后果发电机机端测量阻抗发电机在其他运行方式下的机瑞测量阻抗发电机时磁保护的构成方式,一、发电机失磁原因及其后果,1.发电机失磁的原因发电机失磁故障是指发电机励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁故障的原因有：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。,2.发电机失磁的危害,当发电机失磁后，对电力系统和发电机都产生危害。（1）对系统正常运行时，发电机向系统输出无功功率Q1当失磁后，将从系统吸收无功功率Q2，因此将使系统出现无功功率差额QQ1+Q2。这无功功率差额将引起失磁发电机附近的电压下降。系统无功储备越小，电压下降将越严重。系统中其他发电机力图补偿这一无功功率差额，从而导致其发电机的过电流。失磁发电机容量与系统容量比越大，这种过电流也就越严重。由于过电流，就有可能引起其他发电机或系统中的其他设备被切除，特使系统因电压崩溃而瓦解。,（2）对发电机,由于失磁发电机吸收了大量的无功功率，因此为了防止其定子绕组的过电流，发电机所能发出的有功功率较同步运行时有所降低，吸收的无功功率越大，则降低的越多。另外，当失磁后发电机将失步后，在转子的阻尼系统和励磁绕组中产生频率为ff-f0的差额电流，引起附加损耗，使发电机转子和励磁回路过热，危及转子的安全。,二.发电机机端测量阻抗,1.发电机正常时的机端测量阻抗,2.发电机临界失步点的机端测量阻抗,3.发电机失磁后的机端测量阻抗的变化,三.发电机在其他运行方式下的机瑞测量阻抗,1.发电机正常运行时的机端测量阻抗（1、2、3）2.发电机外部故障时的机端测量阻抗（5）3.发电机与系统间发生振荡时的机端测量阻抗4.发电机自同步并列时的机端测量阻抗与发电机空载运行时相同，但时间极短应采取措施防止失磁保护误动作,四.发电机失磁保护的构成方式,1.利用自动灭磁开关联锁跳开发电机断路器(100MW以下带直流励磁的水轮发电机和不允许失磁运行的汽轮机发电机)2.利用失磁后发电机定子各参数变化的特点构成失磁保护（1）机端测量阻抗由第一象限进入第四象限（2）机端电压下降（3）无功功率改变方向（4）功率角增大（5）励磁电压降低等（应用于100MW以上机组）,例.由阻抗元件构成的失磁保护,第六节、发电机变压器组继电保护,发电机变压器组的特点,发电机变压器纵差动保护的特点,一、发电机变压器组的特点,1、发电机变压器上的任何一种故障在发一变上都能反应2、共有保护可以精减，如纵差、后备、过负荷保护等,二、发电机变压器纵差动保护的特点,1、发变间无断路器则可以共用一组纵差动保护。原理接线如图所示,但在下列几种情况下，发电机应补充装设单独的纵联差动保护容量为100MW及以上的发电机。对于水轮发电机和绕组直接冷却的汽轮发电机，当公用的纵联差动保护整定值大于1.5倍发电机额定电流时。,2、当发电机与变压器间有断路器时,发电机和变压器应分别装设纵联差动保护当发电机与变压器之间分支线时(如厂用电分支线)，应把分支线也包含在差动保护范围以内，其接线如图所示。这时分支线上电流互感器的变比应与发电机回路的相同。,三、发变组发电机电压侧单相接地保护的特点,（1）对于发电机一变压器组，由于发电机与系统之间没有直接的电联系，因此，发电机定子接地保护就可以简化。（2）由于发电机一变压器组中发电机的中性点一般不接地或经消弧线圈接地，发生单相接地的接地电容电流通常小于允许值，接地保护可以采用零序电压保护并动作于信号。（3）当发电机与变压器之间没有断路器时，零序电压取自发电机电压互感器二次绕组的开口三角形；（4）当发电机与变压器之间有断路器时，零序电压取自变压器低压侧的电压互感器，以便当发电机回路的断路器断开且变压器的低压侧发生接地短路时，保护装置仍能发出信号。（5）对100WM及以上的发电机应装设保护范围为100的定子接地保护。,四、发变组后备保护的特点,发电机一变压器组的后备保护，同时兼作相邻元件(母线和线路)短路的后备保护。当为实现远后备而使保护装置的接线复杂化时，可缩短对相邻线路后备保护的范围，但对变压器各侧母线上的三相短路应有足够的灵敏度。采用后备保护装置的类型有：低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护负序电流保护，可根据具体情况，装设相应的保护装置。,发电机双绕组变压器组的后备保护应装于发电机侧。当发电机与变压器间没有分支线时，可以用发电机的后备保护作为整组的后备保护；当有厂用分支线时，保护装置应有两段时限，第一段时限动作于高压侧断路器跳闸，第二段时