核电厂电气系统08-同步发电机、主变压器继电保护.ppt

课程:电气运行,哈尔滨工程大学核科学与技术学院,一、同步发电机的故障和不正常状态及保护方式二、变压器故障和不正常状态及保护方式三、发电机和变压器差动保护四、发电机保护原理五、变压器保护原理,第一节同步发电机的故障和不正常状态及保护方式,一、同步发电机的故障1定子绕组相间短路定子绕组发生三相或两相短路时，引起很大的短路电流，造成绕组过热，故障点产生的电弧使绕组绝缘损坏，甚至会导致发电机着火。这是发电机内部最严重的故障。2.定子绕组单相接地通常见到的发电机定子绕组单相接地故障是由于绝缘损坏而引起的绕组一相碰壳。在中性点非直接接地系统中运行的发电机单相接地后，发电机机端电压系统对地电容电流的总和，流经定子铁芯。当此电流较大时，如超过5A，可能使绕组接地处铁芯局部熔化，还有可能扩大成为相间短路。接地时非故障相电压升高，影响绝缘。,3.定子绕组一相匝间短路定子绕组某一相发生匝间短路时，被短路的各匝将有短路电流流过，产生局部过热，破坏绕组绝缘，并可能发展为单相接地故障或相间短路故障。4.发电机励磁回路一点或两点接地故障当发电机励磁回路发生一点接地时，由于没有构成接地电流的通路，故对发电机没有直接的危害。但是如果在一点接地故障未消除时，另一点又接地，则形成两点接地故障。此时，除可能使励磁绕组和铁芯损坏外，还会因转子磁通的对称性被破坏，使机组产生剧烈的机械振动，尤其对凸极的水轮发电机情况更为严重。所以，水轮发电机不允许励磁回路带一点接地运行。,5.失磁由于励磁系统故障，会引发失磁（全失磁或部分失磁），使发电机进入异步运行，对系统和发电机的安全运行都有很大影响。,二、发电机不正常运行状态（1）定子负序过流发电机承受负序电流的能力非常弱，很小的负序电流流经定子绕组就可能会引起转子部件的严重过热，甚至会烧损转子铁芯、槽楔和护环。大机组上，一般都配置两套反应负序电流的保护。（2）定子对称过流当外部发生三相短路时，会引起发电机定子过热，因此应有反应对称过流的保护。,（3）过电压由于强行励磁等原因引起定子过电压时，会影响发电机定子的绝缘寿命，因此必须有反应定子过电压的保护。（4）过励磁当定子电压升高、频率降低时，可引起发电机和主变压器过励磁，从而可能使发电机、主变压铁芯过热而损坏，需装设反应过励磁的保护。（4）频率异常发电机在非额定频率下运行可能会引起共振，使发电机和汽轮机疲劳损伤，应配置频率异常保护。,（6）发电机与系统之间失步当发电机和系统失步时，巨大的交换功率使发电机无法承受而损坏，应配置失步的保护装置。（7）误上电由于600MW发电机变压器组出线一般为3/2断路器接线，在发电机并网前误合发电机断路器的几率增大，国外有由于误合闸而导致发电机损伤的报道。,(8)启停机故障发电机在给励磁前，有可能已发生了绝缘被破坏的故障，若能在加励磁升压前及时检测，就可以避免更大的事故发生。对于大型发电机机组，具有启停故障检查功能，对于发电机的安全将十分有利。(9)逆功率发电机在运行中从系统吸收有功时，会引起汽轮机的鼓风损失而引起汽轮机发热损坏。,三.发电机保护方式发电机保护配置的原则是：在发电机故障时，应能将损失减到最小；在非正常状况下，应能在充分利用发电机自身能力的前提下，确保机组本身的安全。发电机配置的保护及其功能如下：,（1）发电机纵差动保护。切除定子相间短路，传统的差动保护不反应匝间短路故障，瞬时跳开机组。（2）发电机匝间保护。切除发电机定子匝间短路，瞬时跳开机组。（3）发电机定子接地保护。切除发电机100%定子绕组的单相接地故障。（4）发电机负序过流保护。区外发生不对称性短路或非全相运行时，保护机组转子不过热损坏。一般采用反时限特性。（5）发电机对称过流保护。当区外发生对称过流短路时，保护发电机定子不过热，一般采用反时限特性。（6）发电机过压保护。反应定子过电压。（7）发电机过励磁保护。反应发电机过励磁。,（8）发电机失磁保护。反应发电机全失磁或部分失磁。（9）发电机失步保护。反应发电机和系统之间的失步。(10)发电机过流、低压过流、复合电压过流、阻抗保护等。作为线路和发电机的后备保护，这些保护可灵活配置。(11)发电机过负荷保护。反应发电机过负荷。(12)发电机低频保护。反应发电机低频运行。(13)转子一点接地保护。反应转子一点接地。(14)转子两点接地保护。反应转子发生两点接地或匝间短路。(15)励磁绕组过负荷保护。反应发电机励磁机的过负荷，采用反时特性或定时特性。(16)误上电保护。检测发电机在启停期间可能的误合闸。(17)启停机保护。在启停机过程中检测绕组的绝缘变化。,第二节变压器故障和不正常状态及保护方式,一、变压器的故障变压器故障可分为内部故障和外部故障两类。1.内部故障内部故障主要是指发生在变压器油箱内的线圈的相间短路、匝间短路和单相接地短路。其中最常见的是线圈的匝间短路。2.外部故障外部故障是指油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障，如引出线的相间短路或对外壳之间的接地短路等。,二、变压器不正常运行状态变压器不正常运行状态，是指变压器本体没有发生故障，但外部环境变化后引起了变压器如下的不正常工作状态。这种不正常运行状态如不及时处理或告警，预示着将引起变压器的内部故障。(1)过负荷变压器有一定的过负荷能力，但若长期处于负荷下运行，会使变压器绕组的绝缘水平下降，加速其老化，缩短其寿命。运行人员应及时了解负荷运行状态，以便能作相应的处理。(2)过电流过电流一般是由于外部短路后大电流流经变压器而引起的。由于变压器在这种电流下会烧损，一般要求和区外保护配合后，经延时切除变压器。,(3)其他故障：如通风设备故障、冷却器故障、油位降低等。这些故障也都必须作相应的检测和处理。三、变压器保护配置(1)差动保护:能反映变压器内部各种相间、接地以及匝间短路故障，同时还能反应引出线的短路故障。它反应迅速，瞬时切除，时变压器重要的保护。(2)气体瓦斯保护：能反映铁芯内部烧损、绕组回路短路及接触不良、局部过热、局部放电、绝缘老化、油面下降等故障，不能反应变压器本体以外的故障。它的优点时几乎能反应变压器本体内部所有故障。其缺点是灵敏度不高，动作时间较长。(3)零序电流保护：能反应变压器内部或外部发生的接地性短路故障。一般是由零序电流、间隙零序电流、零序电压共同构成完善的零序电流保护。,(4)后备保护：阻抗保护、复合电压过流保护、低压过流保护。过流保护都能反应变压器的过流状态。但他们的灵敏度不一样，阻抗保护的灵敏度最高，过流保护的灵敏度最低。(5)开关量保护：温度保护、油位保护、通风故障保护、冷却器故障保护等。反应相应的温度、油位、通风等故障。(6)中性点过压保护：保护大型变压器半绝缘绕组中性点过电压。(8)油箱压力保护：油箱上装有压力释放阀，内部重大短路故障时，保护油箱不变形，出口接信号。也可跳闸，作为重大故障的多重保护。与重瓦斯保护极为相似。,第三节发电机和变压器差动保护,一、发电机纵差动保护发电机的纵联差动保护在原理上反应的是发电机内部定子绕组及其引出线相间短路的主保护，它能快速而灵敏地切除保护范围内所发生的发电机内部相间短路故障，同时在正常运行以及外部故障时，又能保证动作的选择性和工作的可靠性。它是根据比较被保护发电机定子绕组两端电流的相位和大小的原理构成的。为此，在发电机中性点与靠近发电机出口断路器各处装一组型号、变比相同的电流互感器，其二次侧按环流法连接。纵差保护不反应外部故障，故不必与相邻元件保护进行时限配合，可以瞬时跳闸。,二、变压器纵差动保护变压器纵差动保护主要用来反应变压器绕组、引出线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护。变压器差动保护是按照循环电流原理构成的。,正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差，恰当选择两侧电流互感器的变比，可使这种情况下流过继电器的电流基本为零。（1）正常运行或外部故障（2）变压器内部故障,第四节发电机保护原理,一、同步发电机定子绕组匝间短路保护同步发电机定子绕组匝间短路的形式分为同一绕组或同一分支绕组中的匝间短路，以及一相中不同分支绕组间的匝间短路。当发生匝间短路时，除短路点有电弧外，短路匝中流过的短路电流可能超过机端三相短路电流很多，因此这也是一种严重的故障，如不及时切除发电机，则将发展成定子绕组单相接地或相间短路故障，烧坏铁芯和定子绕组，对发电机造成更严重的影响。因此，需要装设定子绕组匝间短路保护。,（1）单继电器式横差保护对于定子绕组每相有两个并联支路，且每一支路中性点侧都有引出端的发电机，可装设单继电器式横差动保护，用以反应定子绕组的匝间短路，其原理接线图如图所示。,（2）反应发电机各相对中性点的零序电压匝间短路保护当发电机定子绕组发生匝间短路时，机端三相电压对发电机中性点不对称，出现零序电压。为了在机端测量该零序电压，装设专用电压互感器TV,TV一次绕组中性点与发电机中性点直接连接，TV开口三角侧接入三次谐波滤波器Z及零序过电压继电器KV。三次谐波滤波器用于减小发电机正常运行时固有三次谐波对保护的影响。,(3)反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护当发电机定子绕组发生匝间短路或线棒开焊故障时，三相定子电流中便出现负序分量。该负序分量电流产生负序旋转磁场在发电机励磁线圈WEG中感应出二次谐波（100Hz）电流。因此，可利用转子回路出现二次谐波电流为判据，构成发电机匝间短路保护。但是，当发电机内部或外部发生不对称相间短路时，三相定子电流中也有负序分量，WEG中也会出现二次谐波电流，为防止这种情况下匝间短路保护误动，采用了负序功率方向元件闭锁保护的出口回路当发电机定子绕组外部或内部发生不对称短路时，负序功率方向继电器动作，将NG闭锁，保护不动作；当定子绕组发生匝间短路或线棒开焊时，负序功率方向继电器不动作，禁止门NG开放，允许保护动作。,二、发电机定子接地保护（1）反应发电机各相对中性点的零序电压匝间短路保护1)接线。引入发电机机端TV开口三角处的零序电压3Uo或者引入发电机中性点处接地变压器二次侧3Uo电压。3Uo电压来自机端时应考虑TV断线闭锁环节。2)原理。在发电机出口处发生单相接地时，3U。电压为100V；在中心点发生单相接地时，3Uo电压为0V。因此，3Uo间接反映接地故障点的位置。若3Uo保护整定为5V，则就保护了机端开始的95%定子绕做。由于三次谐波分量也能在零序网络中反应出来，因此要将正常时的三次谐波分量滤除，以提高灵敏度。3)该保护可靠性高，能切除绝大部分定子绕组发生的单相接地故障。但它无法检测发电机中性点附近发生的单相接地故障。,(2)发电机100%定子接地保护发电机定子100接地保护实现的方法大致分为以下三大类：1）反应三次谐波电压的方式。它能可靠地覆盖零序电压保护的死区，与零序电压保护一起组成100定子接地保护。2）利用外加电源进行对地检测，以实现100保护。如中胜点外加工频电压法、人工二次谐波电流法，外加低频电压或编码信号以及外加直流电源等。3）利用接地故障产生的行波以实现保护。,三、发电机励磁回路的接地保护1）绝缘检查装置,2）直流电桥原理,3）励磁回路两点接地保护,四、发电机失磁保护原理：现代大型发电机组的失磁保护，通常都是利用测量定子回路参数变化作为主判据，而利用测量转子励磁电压下降等作为辅助判据，共同来判断失磁故障的。由于所测的参数不同，其构成原理是多种多样的。但一般都把发电机临近失步或机端电压下降到接近临界值作为失磁保护动作跳闸的判据厂有的利用其中的一个条件，有的则同时利用两个条件。,五、发电机负序过电流保护,六、发电机异常工况保护（1）发电机（变压器）的过励磁保护所谓过励磁，是指磁通密度过大的一种工况，由于发电机或变压器发生过励磁故障时并非每次都造成设备的明显破坏，往往容易被人忽视，但是多次反复过励磁，厂将因过热而使绝缘老化，降低设备的使用寿命。,当电压与频率比（U/f）增大时，工作磁通密度B增大，励磁电流也随之增大。铁芯饱和后，励磁电流急剧增大，出现过励磁状态。由子励磁电流是非正弦电流，含有大量的高次谐波分量，这会使铁芯和其他金属构件的涡流损耗大大增加；致使变压器发热情况严重、如果过励磁倍数(n=B/BO）较大，且持续运行时间过长，将使变压器绝缘劣化、寿命降低，甚至损坏。,2）过电压保护发电机产生过电压的原因：(1)发电机甩负荷时的转速升高及其电枢反应的消失。(2）励磁系统调节器故障。(3）电容负荷引起自励磁。保护原理：发电机承受过电压的能力，是设计和整定过电压保护的依据，过电压保护的动作电压和动作时间的整定值将随机组不同而不同。一般地，采用一段式定时限过电压保护即可。当U1.3Ue时，保护动作，经0.5s延时，可发信号，也可以令其全停及起动动断路器失灵保护。,3)逆功率保护在汽轮发电机上，当机炉保护动作将主汽门关闭，或者由于调速控制回路故障而将主汽门关闭时，在发电机断路器未跳闸之前，随着机组储存动能的下降，发电机迅速转为电动机运行。此时发电机由向系统供给有功功率变为从系统吸取有功功率，即逆功率。逆功率运行，对发电机并无危害，但由于残留在汽轮机尾部的蒸汽与长叶片摩擦，会使叶片过热。因此，一般规定逆功率运行不得超过3min。允许发电机逆功率的大小，一般最大不超过额定有功功率的10%，故整定值各机组可能有所不同，在1%-10之间,4）低电压保护目前，国内外大型发电机组配置了反应机端或主变高压侧电压降低的低电压保护。该保护主要用于同步发电机部分或全部失去励磁时由于从系统吸收大量的无功功率，可能造成的系统电压的崩溃。一种低电压保护原理方框图如图所示。三相低电压元件接于发电机出口PT。当机组并入电网运行时，大于或等于两相低电压元件动作时经延时机组解列。延时（t=2s左右）用于躲过系统振荡。低电压整定值应躲开正常运行时可能出现的最低电压。为防止PT断线，保护误动作，保护还采用了PT断线闭锁装置。,5)发电机低频保护发电机低频保护，主要用于保护汽轮机不受低频共振的影响。汽轮机各级叶片都有一共振频率，当系统频率接近或等于共振频率时，将引起叶片的共振而损坏。低频运行对于汽轮机而言是个疲劳过程，一般汽轮机低频运行累计达一定时间，汽轮机将达到疲劳寿命。因此，低频运行的时间是个积累的过程，而且不同的低频有不同的积累速度。保护装置停运，不影响“低频运行的时间”积累值。低频保护反映系统频率的降低，并受出口断路器辅助触点闭锁，即发电机退出运行时低频保护也自动退出运行。,第五节变压器保护原理,一、变压器的瓦斯保护当变压器内部故障时，故障点的局部高温将使变压器油温升高、体积膨胀，甚至出现沸腾，油内空气被排出而形成上升汽泡。若故障点产生电弧，则变压器油和绝缘材料将分解出大量气体。这些气体自油箱流向油枕上部，故障越严重，产生的气体越多，流向油枕的气流速度越快，甚至气流中还夹杂着变压器油利用上述气体来实现的保护装置，称为瓦斯保护。当变压器内部发生严重漏油或匝数很少的匝间短路、铁芯局部烧损、线圈断线、绝缘劣化和油面下降等故障时，往往差动保护等其他保护均不能动作，而瓦斯保护却能够动作。因此，瓦斯保护是变压器内部故障最有效的一种主保护装置