第6单元-发电机的继电保护

1、 主讲人：肖仕武主讲人：肖仕武 华北电力大学（北京）电气与电子工程学院华北电力大学（北京）电气与电子工程学院 电子信箱：电子信箱： North China Electric Power University 第 6 6 单元 发电机的继电保护 第第6单元单元 发电机的继电保护发电机的继电保护 6.1 发电机的故障、不正常工作状态及保护配置发电机的故障、不正常工作状态及保护配置 发电机保护是保护发电机免受短路故障损坏的重要自 动装置。当发电机内部短路故障时，继电保护装置在很短 的时间内发出动作命令，保护发电机免受短路电流的损坏。 大型汽轮发电机是电厂中的重要电气设备 浙江玉环电厂的百万千万燃煤超

2、超临界机组 该发电机组由上海汽轮发电机有限公司引进西门子公司技术设 计制造，定子单体净重446吨，长11.6米，高4.7米，宽5.1米。 机端电压为27kV, YY接线， 6端子引出， 无刷励磁， 励磁电流5653A 大型汽轮发电机的结构特点 转速高转速高 体积小体积小 密封机座密封机座 结构紧凑结构紧凑 大型汽轮发电机的结构 发电机定子的结构 发电机内部的电气连接关系图 发电机定子绕组中性点非直接接大地，一般高电阻、 消弧线圈或不接地。 发电机的故障类型： 1、发电机定子绕组相间短路（d1故障）； 2、发电机定子绕组匝间短路 （1）绕组同相同分支匝间短路（d2故障） ； （2）绕组同相不同分

3、支匝间短路（d3故障） ； 3、发电机定子绕组单相接地短路； 4、发电机转子励磁回路一点或两点接地（d4故障） ； 5、失磁（低励）故障。 发电机的不正常工作状态： 1、定子绕组过电流和定子过负荷； 外部短路会造成发电机定子绕组过电流。 2、定子绕组负序过电流和负序过负荷； 由于外部不对称短路或不对称负荷引起负序电流。 3、发电机突然甩负荷引起的定子绕组过电压； 4、由于主汽门突然关闭引起的发电机逆功率 ； 5、转子励磁回路故障或强行励磁时间过长引起的转子励磁绕 组过负荷； 6、 发电机频率上升或下降 针对发电机故障和不正常运行状态，应该配置的发电机保护： 1、纵联差动保护，反应发电机定子绕组

4、及引出线相间短路； 2、定子绕组匝间短路； 3、定子单相接地保护； 4、定子过负荷保护； 5、 励磁回路接地保护 6、失磁保护 7、 失步保护 8、逆功率保护 9、定子绕组过电压保护 10、发电机过励磁保护 11、转子过负荷保护 12、发电机频率保护 发电机保护的配置： 500KV * 87MT 87G 87AT TA1TA2 TV4 TA01 TV1 TA6 TA4 TA5 TA7 TA05 TA8 TA9TA10 TV5TV6 TA03TA04 TV2 TV3 * * * * * * 87GT * 87ET 87GS * * TA3 TA11 TA12 87GT 发变组差动 87MT 主变

5、差动 87G 发电机纵差 87GS 发电机横差 87AT 高厂变差动 87ET 励磁变差动 发电机保护的动作方式： （1）全停（停机）：断开发电机断路器、灭磁，关闭汽轮发电 机主汽门。 （2）程序跳闸：对于汽轮发电机，首先关闭主汽门，待逆功率 继电器动作后，再跳发电机断路器并灭磁。 （3）解列灭磁：断开发电机断路器、灭磁，汽轮机甩负荷。 （4）解列：断开发电机断路器，汽轮机甩负荷。 （5）减励磁：将发电机励磁电流减至给定值。 （6）减出力：将原动机出力减至给定值。 （7）缩小故障范围（母线解列）：断开母联或分段断路器。 （8）信号：发出声光信号。 （9）励磁切换：将励磁电源由工作励磁电源系统切

6、换到备用 励磁电源系统 （10）厂用电源切换：由厂用工作电源供电切换到备用电源供 电 发电机保护的动作方式 保护配置类型动作方式 主保护 发电机纵差保护 发变组差动保护 定子绕组匝间短路保护 转子回路两点接地保护 全停 全停 全停 全停 接地保护 定子接地（基波）保护 定子接地（三次谐波）保护 转子一点接地保护 全停 发信号 发信号 失磁保护 失磁保护 t1段 t2、t3段 t4段 发信号 全停 切换厂用电 过负荷保护 定子过负荷保护 定时限 反时限 发信号 解列灭磁 6.2 发电机的差动保护 电流差动原理应用在发电机中构成发电机差动保护。 发电机差动保护只能反映发电机内部相间短路故障。 A相

7、差动电流 ，如果 ，则A相发生相间短路； B相差动电流 ，如果 ，则B相发生相间短路； C相差动电流 ，如果 ，则C相发生相间短路。 aAAcd III . 0 . Acd I bBBcd III . 0 . Bcd I cCCcd III . 0 . Ccd I 发电机差动保护作为发电机定子绕组及 其出线的相间短路故障的主保护。 规程规定发电机需要采用两套差动保护。 为防止断线差动误动，任一相电流 互感器断线，均应能闭锁差动，断 线功能应设置开关，使其能投能退。任 一相电流互感器断线都应发信号。 差动保护瞬时动作于全停。 发电机变压器组的差动保护（发变组大差动保护） 发变组大差动保护 87G

8、T的保护范围： （1）发电机； （2）主变； （3）发电机、主 变、励磁变、厂用 变之间的母线。 发变组大差动保 护可以反应保护范 围内的相间短路、 变压器相间、匝间 短路故障。 发电机的匝间短路保护 一、裂相横联差动保护，可以反应相间短路和匝间短路故障 A相裂相差动电流： ，如果 ，认为故障。 B相裂相差动电流： ，如果 ，认为故障。 C相裂相差动电流： ，如果 ，认为故障。 21.aaAcd III 0 . Acd I 21.bbBcd III 0 . Bcd I 21.ccCcd III 0 . Acd I 裂相横差动保护瞬时动作于跳闸。 发电机的匝间短路保护 二、单元件横联差动保护 动

9、作条件是： ，其中 是动作整定值 setHC II set I 单元件横联差动保护可以反应相间短路和匝间短路故障。 发电机的匝间短路保护 三、反应零序电压的匝间短路保护（纵向零序过电压保护） 当发电机内部发生匝间短路 或发生对中性点不对称的各 种相间短路时，TV输出纵向 基波零序电压，纵向零序电 压保护正确动作。 动作判据： 发电机定子匝间保护作为发电机定子绕组匝间短路故障的主 保护。保护瞬时动作于全停。 set UU 0 3 6.3 发电机定子绕组接地保护 如果定子绕组 与铁芯间的绝 缘遭到破坏， 就会发生定子 绕组单相接地 故障。 定子绕组单相接地故障的危害： （1）持续的接地电流会产生电

10、弧烧损铁芯。对于额定 电压大于10kV的发电机，安全电流仅约为1A。 （2）接地电流将破坏定子绕组绝缘，扩大事故。 发电机定子绕组接地保护 正常情况下,发电机三相电压中的 基波零序电压3Uo很小；当定子绕 组单相接地故障时,就出现3Uo。利 用基波零序电压构成定子绕组单 相接地保护，采用过电压继电器， 其动作方程为 ： 反应基波零序电压的发电机接地保护（横向零序过电压保护） 单相接地基波零序电压保护只能 保护定子绕组靠近机端的85%左右。 op UU 0 3 是动作电压门槛值。 op U 发电机定子绕组接地保护 100%保护区的定子单相接地保护： 由两种保护共同组成 （1）基波零序过电压保护，

11、延时动作于全停。 （2）三次谐波零序电压保护，延时动作于发信号。 基波零序过电压保护负责定子绕组靠近机端85 的部分； 三次谐波零序电压保护负责定子绕组靠近中性点的15 部分。 大型发电机定子接地保护应满足以下几个基本要求： （1）有100的保护区。 （2）保护区内任一点发生接地故障时，保护应有足够高的 灵敏度。 20Hz低频交流电源注入式的100定子接地保护方案 判据：或 opin opin II UU 0 ，其中 为20Hz电流有效值。 in I 发电机启停机保护 保护的作用： 1、防止发电机、主变、高厂变在启动或停机过程中发生 相间短路故障； 2、防止发电机在启动或停机过程中发生定子接地

12、故障。 保护由以下两个元件构成： 1、反应相间短路的差回路过电流保护； 2、对于发电机定子接地故障的零序过电压保护。 保护出口结果：动作于全停。 由于启停机过程中频率低而导致常规保护不能正确动作， 启停机保护采用了不受频率影响的算法，保证可靠切除启 停机过程中的故障。 6.4 发电机的电流、电压保护 发电机后备保护也可采用低电压起动的过电流保护、复合电 压起动的过电流保护、负序电流加单相式低电压起动的过电 流保护、阻抗保护。 一、复合电压起动的过电流保护 同变压器的复合电压起动的过电流保护。 动作条件是： （1）（相）过电流， 是相电流动作整定值。 （2）（相）低电压， （3）负序过电压， 复

13、合电压起动的过电流保护的灵敏度比过电流保护高。 setset III， Nsetset UUUU）（，6 . 05 . 0 Nsetset UUUU1 . 0 . 2. 22 ， 二、发电机的定子过负荷保护（对称过负荷保护） 是反应发电机定子绕组电流增大的过电流保护。 1、定时限过负荷保护 按大于发电机长期允许的负荷电流来整定。定时限段动 作于跳闸。定时限段动作于信号。 2、反时限过负荷保护 反时限保护动作于解列或 程序跳闸。 三、负序电流保护 对于容量为5万kW以上的发电机，需配置负序电流保护。 不对称负荷或故障引起的定子绕组负序电流的危害：在转子 本体和各部件上感应电流，导致转子过热，甚至

14、烧伤转子。 负序电流危害产生的原因： （1）定子绕组负序电流产生的定子合成磁场与正序电流产生 的磁场转向相反，即逆转子旋转方向的旋转。相对于转子来 说以2倍同步转速相对旋转。 （2）负序电流产生的定子合成磁场切割转子，会在转子本 体和各部件（如阻尼条）上感应两倍工频的涡流。 （3）由于转子本体和各部件的自阻抗很小，涡流很大，导 致转子过热，甚至烧坏转子本体表面及阻尼条。 （4）使发电机转子产生100HZ的交变振动 发电机承受负序电流的能力：发电机定子绕组流过一定负序 电流时，不使转子损坏的可以经受该负序电流存在的时间。 定子负序电流越大，发电机可以承受的时间越短；定子负序 电流越小，发电机可以

15、承受的时间越长。 发电机转子发热所容许的负序电流 （标么值）和时间t 之 间的关系可以表示为： 2 I 2 2 I A t 防止定子负序电流危害 的措施是配置负序电流 保护。 （1）负序定时限过电流保护，延时动作于信号； （2）负序反时限过电流保护，延时动作于程序跳闸。 6.5 发电机励磁回路接地保护 发电机转子一点接地保护的作用是防止励磁回路两点接地故障。 发电机励磁回路两点接地故障的危害： （1）使转子磁场畸变，力矩不平衡，转子剧烈振动； （2）很大的故障电流烧坏励磁线圈和转子本体； （3）励磁回路两点接地使汽轮机磁化。 发电机转子一点接地保护（乒乓式变电桥励磁回路一点接地保 护）的工作原

16、理： 通过切换电桥两臂电阻值的大 小，并利用在不同状态下测量 的U1,U2的电压，计算出励磁 绕组对地的绝缘电阻，从而 判断是否发生一点接地故障。 转子一点接地保护动作于发信号。 发电机转子两点接地保护 1、电桥式两点接地保护原理 在求出一点接地的 和 后， 通过开关S1、S2的不同状态， 可以求解出 和 ，从而实 现两点接地保护。 1g R 2g R 2、定子电压二次谐波分量原理 测量发电机机端定子二次正序 谐波电压分量。 sets UU . 22 . 发电机转子两点接地、定子匝间短路都会产生二次电压分量。 转子两点接地保护在发生一点接地后自动投入，延时动作于 全停。 6.6 发电机的失磁保

17、护 发电机失磁是指发电机的励磁电流突然全部消失或部分消失。 发电机失磁故障的危害： （1）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； （2）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； （3）定子过电流； （4）异步运行后，发电机转矩、有功功率剧烈波动。 发电机失磁保护阻抗判据的工作原理： 根据发电机失磁后机端测量阻抗Z的变化轨迹来识别失磁故障。 发电机失磁保护的逻辑原理 发电机失磁保护通常由多个判据共同构成： 1、发电机机端测量阻抗判据（ ）； 2、转子励磁绕组低电压判据（ ）； 3、主变高压侧低电压判据（ ）； 4、发电机定子过电流判据（ ）。 g Z f U h U g I 发电机的失步保护 发电机失步：发电机与系统失去同步（频率不相等），发 电机处于振荡失步状态。 发电机失步的危害： （1）振荡中心落在机端附近，使振荡过程对机组的影响加重 了。机端电压周期性地严重下降，这点对大型汽轮发电机的 安全运行特别不利。 （2）定子绕组过电流，定子端部遭受机械损伤。 （3）一台发电机失步可能扩大到整个电力系统，导致电力 系统的崩溃。 大型发电机组必须装设失步保护，能够尽快检出失步故障， 或者可以把失步振荡转化为稳定振荡，减轻振荡过程对电