发电机保护详细讲解

1、2021/3/131 2021/3/132 l由于发电机容易发生绕组线棒和定子铁芯 之间绝缘的破坏,因此发生单相接地故障的 比例很高,约占定子故障的7080%。 l由于大型发电机组定子对地电容较大,当发 电机机端附近发生接地故障时,故障点的电 容电流比较大,影响发电机的安全运行; l同时由于接地故障的存在,会引起接地弧光 过电压,可能导致发电机其它位置绝缘的破 坏,形成危害严重的相间或匝间短路故障。 2021/3/133 l中性点不接地的发电机,当发电机内部单相接地时,接地电容电流 应在规定的允许值之内,如下表所示。大型发电机由于造价昂贵, 结构复杂,检修困难,且容量的增大使得其接地故障电流也

2、随之增 大,为了防止故障电流烧坏铁芯,大型发电机有的装设了消弧线圈, 通过消弧线圈的电感电流与接地电容电流的相互抵消,把定子单 相接地故障电流限制在规定的允许值之内。 表发电机定子绕组单相接地故障电流允许值 发电机额定电压(kV)发电机额定容量（MW）接地电流允许值(A) 6.3t/0 发信或跳闸 零序电压保护的出口方式:发信或跳闸。当动作于跳闸且零序电压 取自发电机机端TV的开口绕组时需要装设TV断线闭锁。 2021/3/138 l该保护反映发电机的基波零序电压大小,而零序电压取自发 电机机端TV的开口绕组或中性点TV二次侧(也可从消弧线 圈副方绕组取得)。 l由于发电机正常运行时,相电压中

3、含有三次谐波,因此,在机端 电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出,此 外,当变压器高压侧发生接地故障时,由于变压器高低绕组之 间有电容存在,在发电机机端也会产生零序电压。因此,为了 保证选择性,保护要具有三次谐波滤除功能,并且整定时要躲 过正常运行时的不平衡电压以及变压器高压侧接地时在发电 机端所产生的零序电压。 l零序电压保护的出口方式:发信或跳闸。当动作于跳闸且零 序电压取自发电机机端TV的开口绕组时需要装设TV断线 闭锁。 2021/3/139 0 3U 0.5 0.5 01.0 1.0 p U0 100V 图定子绕组单相接地时 0 3U与的关系曲线 2021/3/1310

4、3U0 交流 模件 装置 装置交流模件 动作方程: 3U03U0g 3U0 机端TV开口三角电压或中性点TV（或消弧线圈）二次电压; 3U0g动作电压整定值。 2021/3/1311 l当零序电压式定子接 地保护的输入电压取 自机端TV开口三角形 绕组时,为确保TV一 次断线时保护不误动, 需引入TV断线闭锁。 3U0 TV断线 不仅在 发电机正常运行的状态下可以检测,而且在发电机静止或是启 动、停机的过程中同样能够检测故障。更重要的是,这种方式 对定子绕组各处故障检测的灵敏度相同。 负载 外加20Hz 电源 R1 R2 a b Usef Isef 接地变压器 G a b 中性点变压器 电流互

5、感器 滤波 分压 l叠加20Hz低频电源方 式的100%定子单相接地 保护原理图 2021/3/1317 l当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情况下三相负荷 不平衡时,在发电机定子绕组中将出现负序电流,此电流在发 电机空气隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为两倍的同步 转速,因此将在转子绕组、阻尼绕组以及转子铁心等部件上 感应于100Hz的倍频电流,该电流使得转子上电流密度很大的 某些部位（如转子端部、护环内表面等）,可能出现局部灼 伤,甚至可能使护环受热松脱,从而导致发电机的重大事故。 l此外,负序气隙旋转磁场与转子电流之间以及正序气隙旋转 磁场与定子负序电流之间所产生的100Hz交变电磁

6、转矩,将同 时作用在转子大轴和定子机座上,从而引起100Hz的振动。 2021/3/1318 l负序电流在转子中所引起的发热量,正比于负 序电流的平方及所持续的时间的乘积。在最严 重的情况下,假设发电机转子为绝热体（即不 向周围散热）,则不使转子过热所允许的负序 电流和时间的关系,可用下式表示 t AtIdti 0 2 2 2 2 * t dti I t * 0 2 2 2 式中:i2流经发电机的负序电流值; ti2所持续的时间; 在时间t内 的平均值,应采用以发电机额定电流为基准的标么值; A与发电机型式和冷却方式有关的常数。 2 2* I2 2 i 2021/3/1319 t(s) 2 I

7、 t1tup I2m I2up 2 2 2 KI A t 负序反时限过流保护动作特性 YH 7 U2 LH 过滤器 2 I 12 3 2 I 2 I 2 I4 a c b t 5 t 6 信 号 不对称过 负荷信号 Y0 2021/3/1320 l发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引 起失磁的原因有: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。对各种失磁故障综合起来看,有以下几种形式:励磁绕组直 接短路或经励磁电机电枢绕组闭路而引起的失磁、励磁绕组开路 引起的失磁、励磁绕组经灭磁电阻短接而失磁,励磁绕组经整流 器

8、闭路（交流电源消失）失磁。 l当发电机完全失去励磁时,励磁电流将逐渐衰减至零。由于发电 机的感应电势Ed随着励磁电流的减小而减小,因此,其电磁转矩也 将小于原动机的转矩,因而引起转子加速,使发电机的功角增大。 当超过静态稳定极限角时,发电机与系统失去同步。发电机失 磁后将从电力系统中吸取感性无功功率。在发电机超过同步转速 后,转子回路中将感应出频率为ff-fs（ ff此处为对应发电机转速 的频率,fs为系统的频率）的电流,此电流产生异步转矩。当异步 转矩与原动机转矩达到新的平衡时,即进入稳定的异步运行。 2021/3/1321 l（1）需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。所需无功

9、功率 的大小,主要取决于发电机的参数（X1、X2、Xad）以及实际运行时的转差率。 汽轮发电机与水轮发电机相比,前者的同步电抗Xd=X1+Xad较大,所需无功功率 较小。假设失磁前发电机向系统送出无功功率Q1,而在失磁后从系统吸收无功 功率Q2,则系统中将出现的无功功率缺额(Q1+Q2)。失磁前带的有功功率越大, 失磁后转差就越大,所吸收的无功功率也就越大,因此,在重负荷下失磁进入异步 运行后,如不采取措施,发电机将因过电流使定子过热。 l（2）由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降,如果电力 系统的容量较小或无功功率储备不足,则可能使失磁发电机的机端电压、升压 变压器高压侧的母

10、线电压、或其它邻近的电压低于允许值,从而破坏了负荷与 各电源间的稳定运行,甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。 l (3) 失磁后发电机的转速超过同步转速,因此,在转子及励磁回路中将产生频 率为ff-fs的交流电流,即差频电流。差频电流在转子回路中产生的损耗,如果 超出允许值,将使转子过热。特别是直接冷却的大型机组,其热容量的裕度相 对降低,转子更易过热。而流过转子表层的差频电流,还可能使转子本体与槽 楔、护环的接触面上发生严重的局部过热。 2021/3/1322 l(4) 对于直接冷却的大型汽轮发电机,其平均异步转矩的最大值 较小,惯性常数也相对降低,转子在纵轴和横轴方面,也呈现较明 显的不对称

11、,由于这些原因,在重负荷下失磁后,这种发电机的转 矩、有功功率要发生周期性摆动。这种情况下,将有很大的电磁 转矩周期性作用在发电机轴系上,并通过定子传到机座上,引起机 组振动,直接威胁着机组的安全。 l(5) 低励或失磁运行时,定子端部漏磁增加,将使端部和边段铁芯 过热,实际上,这一情况通常是限制发电机失磁异步运行能力的主 要条件。 l根据以上分析,由于汽轮发电机异步功率比较大,调速器也较灵敏,因此当超速 运行后,调速器立即关小汽门,使汽轮机的输出功率与发电机的异步功率很快 达到平衡,在转差率小于0.5%的情况下即可稳定运行。故汽轮发电机在很小的 转差下异步运行一段时间,原则上是完全允许的。此

12、时,是否需要并允许异步 运行,则主要取决于电力系统的具体情况。例如,当电力系统的有功功率供应 比较紧张,同时一台发电机失磁后,系统能够供给它所需要的无功功率,并能保 证电网的电压水平时,则失磁后就应该继续运行;反之,如系统中有功功率有足 够的储备,或者系统没有能力供给它所需要的无功功率,则失磁以后就不应该 继续运行。 2021/3/1323 l对水轮发电机而言,考虑到:其异步功率较小,必须在较大的转差 下（一般达到1%2%）运行,才能发出较大的功率;由于水轮机的 调速器不够灵敏,时滞较大,甚至可能在功率尚未达到平衡以前就大 大超速,从而使发电机与系统解列;其同步电抗较小,如果异步运 行,则需要

13、从电网吸收大量的无功功率;其纵轴和横轴很不对称, 异步运行时,机组振动较大等因素的影响,因此水轮发电机一般不允 许在失磁以后继续运行。 l因此在发电机上,尤其是在大型发电机上应装设失磁保护,以便及时 发现失磁故障,并采取必要的措施,如发出信号、自动减负荷、或动 作于跳闸等,以保证发电机和系统的安全。 2021/3/1324 l d E d X f U I s X s U I d E d XI j s XI j s U f U sin X UE P sd X U X UE Q ssd 2 cos P Q tg 1 O R jX s jX o 321 PPP 2021/3/1325 l在正常运行时

14、,90后发电机失步。 2 22 22 2 22 1 22 js s s s s s s S s s ss ssf f e P U jX P U jX jQP jQP P U jX jQP jQPjQP P U jX S U jX UI UU I jXIU I U Z 2021/3/1326 l在失磁后到失步前的阶段中,转子电流逐渐减 小,发电机的电磁功率P开始减小,由于原动机 所供给的机械功率还来不及减小,于是转子逐 渐加速,使Ed与Us之间的功角随之增大,P又 要回升。在这一阶段中,sin()的增大与Ed的 减小相互补偿,基本上保持了电磁功率P不变。 l与此同时,无功功率Q将随着Ed的减小和

15、的增 大而迅速减小,按上式计算的值将由正变为负, 即发电机变为吸收感性的无功功率。 X U X UE Q ssd 2 cossin X UE P sd 2021/3/1327 l上式中的Us、Xs和P为常数,而Q和为变数,因此它是一 个圆的方程式,表示在复数抗平面上其圆心的座标为 （,）,半径为。 l由于这个圆是在某一定有功功率不变的条件下做出 的,因此称为等有功阻抗圆。机端测量阻抗的轨迹与 有密切关系,对应不同的值有不同的阻抗圆,且越 大时圆的直径越小。 l发电机失磁以前,向系统送出无功功率,功率因数角为 正,测量阻抗位于第一象限,失磁以后随着无功功率的 变化,功率因数角由正值变为负值,因此

16、测量阻抗也沿 着圆周随之由第一象限过渡到第四象限。 2 22 22 js s s e P U jX P U P U s 2 2 s X P Us 2 2 2021/3/1328 l对汽轮发电机组,当=90时,发电机处于失去静 态稳定的临界状态,故称为临界失步点。此时输 送到受端的无功功率为 X U Q S 2 式中为Q负值,表明临界失步时,发电机自系统吸收无功功率,且为 一常数,故临界失步点也称为等无功点。此时机端的测量阻抗为 s js s s s s s s s s f f jXe Qj U jX jQP jQP Qj U jX S jQPjQP Qj U jX S jQPjQP Qj U

17、jX S U I U Z 2 2 22 22 1 2 1 22 2 2 22 22 22 1 2 jsdsd s jsdsd s jsd f e XX j XX j jXe XX j XX jjXe j XX Z 2021/3/1329 l发电机在输出不同的有功功率而临界失稳时,其无功功率恒为 常数。因此,功率因数角为变数,也是一个圆的方程,其圆心的 坐标为（0,-（Xd-Xs）/2）,圆的半径为（Xd+Xs）/2） 。这 个圆称为静稳阻抗圆,也称等无功阻抗圆。其圆周为发电机以 不同的有功功率P临界失稳时,机端测量阻抗的轨迹,圆内为静 稳破坏区。 jX s jX O O d jX R 2021

18、/3/1330 l当发电机空载运行失磁时,s0,R2/s,此时机 端的测量阻抗为最大 Z Z 1 X 2 X 2 R 2 I s sR)1 ( 2 ad X 1 I 0 I 2 2 2 2 1 XXj S R jX S R jX jXZ ad ad f dadf jXjXjXZ 1 2 2 1d ad ad f jX XX XX XjZ 2021/3/1331 l当一台发电机失磁前在过激状态下运行时,其机端测量 阻抗位于复数平面的第一象限（如图中的a或a点）, 失磁以后,测量阻抗沿等有功阻抗圆向第四象限移动。 当它与静稳圆（等无功圆）相交时（b或b点）,表示 机组运行处于静稳定的极限。越过b（

19、或b）点以后, 转入异步运行,最后稳定运行于c（或c）点,此时平 均异步功率与调节后的原动机输入功率相平衡。 jX s jX d jX d jX 1 P 2 P aa R b b c c cba为较大时的轨迹 cba为较小时的轨迹 2021/3/1332 l当发电机空载运行失磁时,s0,R2/s,此 时机端的测量阻抗为最大 dadf jXjXjXZ 1 当发电机在其他运行方式下失磁时,将随着转差率的增大 而减小,并位于第四象限内。极限情况是当S,R2/s趋 近于零,Zg的数值为最小。 2 2 1d ad ad f jX XX XX XjZ 2021/3/1333 l当发电机向外输送有功和无功功

20、率时,其机端测量阻抗位于 第一象限,它与轴的夹角为发电机运行时的功率因数角。当 发电机只输出有功功率时,测量阻抗位于R轴上的2点。当发 电机欠激运行时,向外输送有功功率,同时从电网吸收一部分 无功功率（Q值变为负）,但仍保持同步并列运行,此时,测量 阻抗位于第四象限的3点。 l jX d Z 5 1 2 3 4 d R 2021/3/1334 l当采用0接线方式时,故障相测量阻抗位于第一象限, 其大小和相位正比于短路点到保护安装地点之间的阻 抗Zd,如继电器接于非故障相,则测量阻抗的大小和相 位需经具体分析后确定。 2021/3/1335 l根据等值电路和振荡对保护影响的有关分析,振荡中心 即

21、位于处,此时机端测量阻抗的轨迹沿直线变化,当 =180时,测量阻抗的最小. jX d X 2 1 R )180( O O O )( 1 )( 2 系统振荡时机端测量阻抗的变化轨迹 2021/3/1336 l发电机失磁后,转子励磁绕组电压的变化随失磁方式而不同。 先分析失磁初期的情况。励磁绕组直接短路而失磁时立即降到 0;而励磁绕组经灭磁电阻短接而失磁时,立即变为负值,然后随 一同衰减;励磁绕组经整流器闭路而失磁时,立即降到很小的负 值;灭磁开关误跳闸使励磁回路开路而失磁时,则降到很大的负 值再衰减。在发电机因失磁而失步之后,除励磁绕组直接短接 者外,各种失磁方式下, 都要随滑差周期性地波动。失

22、磁保护的 转子判据,便是根据失磁后初期下降（以至到负）的特点来判 别失磁故障。转子判据有两种整定方式。 2021/3/1337 l整定值固定的转子判据,由转子欠电压继电器来实现,可 整定为Ufset=0.8Uf0 l式中,:Uf0发电机空载励磁电压。 l整定值固定的方式,在发电机输出有功较大情况下发生 部分失磁时,测量阻抗可能已越过静稳边界,但仍大于动 作值,以致转子判据电路仍未动作。因此,目前趋向于采 用按当前有功负荷下静稳边界所对应的励磁电压整定。 隐极机 凸极机 lim. f u O T P P 2021/3/1338 l发电机在某一有功负荷P时失磁,其达到 静稳边界所对应的励磁电压Uf也是某一 定值。转子欠电压继电器即按此值整定, 当P改变时,整定值跟随改变。 高压侧低电压判据 高压侧断线 静稳圆Z 断线 b 由于部分绕组被 短接,励磁电流增加,可能因过热而烧伤励磁绕组;同时, 部分绕组被短接后,使得气隙磁通失去平衡,从而引起 振动,特别是多极发电机会引起严重的振动,甚至会造 成灾难性的后果。此外,汽轮发电机励磁回路两点接地, 还可能是轴系和汽机磁化。因此,应该避免励磁回路的 两点接地故障。 2021/3/1344 l（a）正常情况 （b）d点经过渡电阻一点接地