大型发电机变压器组保护配置与整定计算

1、1.绪论1.1继电保护技术的发展史继电保护的发展是随着电力系统和自动化技术的发展而发展的。几十年来,置应用水平获得很大提高。在20世纪50年代以前,查不独都是用电磁型的机械元件构成。随着半导体器件的发展,陆续推广了利用整流二极管构成的整流型元件和由半导体分随着我国电力系统想高电压、大机组、现代化大电网发展,继电保护技术及其装立元件组成的装置。70年代以后,利用集成电路构成的装置在电力系统继电保护中得到广泛运用。到80年代,微型机在安全自动装置和继电保护装置中逐渐应用。随着新技术、新工艺的采用,继电保护硬件设备的可靠性、运行维护方便性也不断得到提高。继电保护技术将达到更高的水平。1.2电力系统继

2、电保护的作用1.2.1电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果在电力系统中,由于雷击或鸟兽跨接电气设备、设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当等原因,往往发生各种事故。最常见的同时也是最危险的故障是各种形式的短路。其中以单相接地短路最为常见,而三相短路是比较少见的。此外,输电线路有时可能发生断线故障或几种故障同时发生的复合故障。发生故障可能引起的后果是:(1 故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧,使故障设备烧坏。(2 系统中设备,在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿命。(3 因电压降低,破坏用户工作的稳定性或影响产品质量。(4 破坏系统并列运行的稳定性

3、,产生振荡,甚至使整个系统瓦解。最常见的不正常工作状态是过负荷。所谓过负荷就是电气设备的负荷电流超过了额定电流。此外,发电机有功功率不足所引起的频率降低,水轮发电机突然甩负荷所引起的过电压,系统发生振荡等都属于不正常运行状态。由于过负荷,加速了设备绝缘材料的老化和损坏,甚至引起事故扩大造成严重故障。总之,不正常工作状态往往影响电能的质量、设备的寿命、用户生产产品的质量等。1.2.2 继电保护装置及任务(1为防止电力系统中发生事故一般采取如下对策:改进设计制造,加强维护检修,提高运行水平和工作质量。采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性。一旦发生故障,迅速而有选择地切除故障元件,保证无故障部

4、分正常运行。继电保护装置,就是指反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态,并动作于断路器跳闸或发出信号的一种制动装置。(2 基本任务是:发生故障时,自动、迅速、有选择地将故障元件(设备从电力系统中切除,使非故障部分继续运行。对不正常运行状态,为保证选择性,一般要求保护经过一定的延时,并根据运行维护条件(如有无经常值班人员,而动作于发出信号(减负荷跳闸,且能与自动重合闸相配合。2.大型发电机-变压器组继电保护主要功能2.1继电保护的基本原理和保护装置的组成2.1.1继电保护的基本原理继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量,当突变量达到一定值时,起动逻辑控制环节

5、,发出相应的跳闸脉冲或信号。(1 利用基本电气参数的区别发生短路后,利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化,可以构成如下保护:a.过电流保护;b.低电压保护;c.距离保护(或低阻抗保护(2利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位(或功率方向的差别。(3 对称量是否出现电气元件在正常运行(或发生对称短路时,负序分量和零序分量为零;在发生不对称短路时,一般负序和零序都较大。因此,根据这些分量的是否存在可以构成零序保护和负序保护。此种保护装置都具有良好的选择性和灵敏性。(4 反应非电气量的保护反应变压器油箱内部故障时所产生的气体而构成瓦斯保护;反应于电动机绕组的温度升高而构成过负荷保护等。2.1

6、.2继电保护装置的组成继电保护的种类虽然很多,但是在一般情况下,都是由三个部分组成的,即测量部分、逻辑部分和执行部分,其原理结构如图2-1所示。 图2-1继电保护原理结构图(1 测量部分测量部分是测量被保护元件工作状态(正常工作、非正常工作或故障状态的一个或几个物理量,并和以给的整定值进行比较,从而判断保护是否应该起动。(2 逻辑部分逻辑部分的作用是根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的组合,使保护装置按一定的逻辑程序工作,最后传到执行部分。(3 执行部分执行部分的作用是根据逻辑部分送的信号,最后完成保护装置所担负的任务。如发出信号,跳闸或不动作等。2.2继电保护要求2.2.1选

7、择性选择性是指保护装置动作时,仅将故障元件从电力系统中切除,使停电范围尽量缩小,以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。在要求继电保护动作有选择性的同时,还必须考虑继电保护或断路器有拒绝动作的可能性。在复杂的高压电网中,当实现远后备保护有困难时,在每一元件上应装设单独的主保护和后备保护。2.2.2速动性短路时快速切除故障,可以缩小故障范围,减轻短路引起的破坏程度,减小对用户工作的影响,提高电力系统的稳定性。因此,在发生故障时,应力求保护装置能迅速动作切除故障。由于速动性与选择性在一般情况下是矛盾的,为兼顾两者,一般允许保护带有一定的延时切除故障。故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之

8、和。对于不同的电压等级和不同结构的网络,故障切除的最小时间有不同的要求。一般对400500KV 以上的网络,约为0.020.04s,对220230KV的网络为0.040.1s;对110KV的网络为0.10.7s。对配电网络,切除短路的最小时间取决于不允许电压长时间降低的用户,一般为0.51.0s。有些故障不仅要满足选择性的要求,同时要求快速切除故障,例如:(1为保证系统稳定性,必须快速切除高压输电线路上的故障。(2发电厂或重要用户的母线电压低于允许值(一般0.6倍额定电压的故障。(3大容量的发电机,变压器及电动机内部发生故障。(4110KV线路导线截面过小,不允许延时切除的故障。2.2.3灵敏

9、性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。满足要求的保护装置是在规定的保护范围内故障时,无论短路点的位置以及短路的类型如何,都能敏锐感觉,正确反应。保护装置的灵敏性,通常用灵敏度系数来衡量,灵敏度系数越大,则保护的灵敏度就越高,反之就越低。2.2.4可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时,它不应该拒绝动作,而在其他不属于它应该动作的情况下,则不应该误动作。保证继电保护装置能有足够的可靠性,应注意以下几点:(1选用质量好,结构简单,工作可靠的继电器和元件。(2设计接线时,力求简单,使用继电器和继电器触点最少。(3正确选定继电保护的整定值。(4对保护装置要提高安装和调

10、整实验的质量,加强经常的维护管理。以上四个基本要求是分析研究继电保护的基础,也是贯穿论文的一个基本线索。根据被保护元件在电力系统中的地位和作用来确定具体的保护方式,以满足其相应的要求。3.大型发变器组保护的应用分析与整定计算大型发变组结构复杂,有可能发生多种类型的故障和异常运行工况,因此需要设置几十种保护,并要求这些保护既有明确职责范围又能相互配合。目前国内已经形成各种不同的保护功能的配置方案,这些都大同小异,但又各具特点。遵循以下原则:1.各项保护功能配置完善;2.选用的保护原理性能优良,有成熟的运行经验,满足各项技术要求;3.实现双重化配置;4.组屏合理,双重化的两套保护系统应分屏设置,非

11、电量保护和电气量保护也应分屏设置,以确保在发变组不停运状况下可以对其中任何一套保护系统进行检修、调整、调试,同时要求二次回路设计正确简明,接线安全可靠;5.保护系统应尽可能结构简单,具备友好的人机界面,合理的通信组网功能。各项保护功能投退和整定操作清晰简便,支持现场调试和调整功能,易于使用和维护;6.保护出口设计合理,配置灵活,以满足紧急状态下不同的动作要求和允许根据实际运行条件方便地进行调整。发变组保护功能可按设备故障性质分故障保护和异常运行保护两大类;按输入量性质分为电气量保护和非电气量保护两大类;按保护对象分为电气设备故障和动力机械设备故障两大类。故障保护用以反映保护区域内发生的各种相间

12、短路、匝间短路及接地短路等各种类型的短路故障。这些故障会对发变组造成直接破坏,这类保护构成发变组的保护主体,通常称为主保护。另外,还需要考虑发变组主保护失效,以及辅机和外部相连系统的故障对发变组的破坏问题,也需要配置保护,通常称为后备保护因此故障保护可分为主保护和后备保护。异常保护用以反映各种可能对发变组造成危害的异常运行工况,包括可能不利于动力机械设备的异常工况,不过这些工况可能不会很快或不会直接造成对机组的破坏,为异常工况配置的保护通常也归于后备保护的范畴。3.1反映短路故障的保护3.1.1发电机的差动保护(1发电机纵差保护的接线方式由于发电机结构的特殊性,发电机纵差保护根据获取电流的方式

13、不同,又分为完全纵差保护和不完全纵差保护两种。发电机完全纵差保护发电机完全纵差保护是利用比较发电机每相定子绕组首末两端全相电流的大小和相位的原理构成的。根据纵差保护的基本原理,发电机完全纵差保护能够灵敏的反映发电机定子绕组及引出线的相间短路故障,但对定子绕组的匝间短路和定子绕组的分支开焊故障却没有作用。 发电机不完全纵差保护发电机不完全纵差保护是一种能同时反应发电机相间短路、匝间短路和分支绕组开焊故障的新型发电机纵差保护。它是通过比较发电机机端每相定子的全相电流和中性点侧每相定子的部分相电流大小和相位二构成。不完全纵差保护之所以能够反应发电机内部各种短路和开焊故障不同相间和不同匝章间存在或大或

14、小的互感联系,当未装设互感器的非故障定子分支绕组中感受到故障的发生,使不完全纵差保护动作。由此可见发电机完全纵差保护和不完全纵差保护均是比较发电机两侧同相电流的大小和相位而构成;不同的是完全纵差保护是比较每相定子首末两端的全相电流,而不完全纵差动保护是比较机端每相定子全相电流和中性点侧每相定子的部分相电流而构成。所以,两者的基本原理相同, 只是在保护的整定计算时有所不同。(2发电机纵差保护的原理随着发电机组的容量增大,对继电保护的不断提高,出现了各种不同原理的发电机纵差保护。一下对常用的两种原理进行介绍。 比率制动式发电机纵差保护原理:其电流参考方向如图3-1所示,中性点侧电流的方向一指向发电

15、机为正方向,机端侧电流一流出发电机为正方向。为确保比率制动式发电机纵差保护正确动作,动作电流和制动电流分别为动作电流图3-1 发电机纵差保护原理接线示意图 G 21I K I Ib op -= (3.1制动电流 2121I K I I b res +=(3.2 式中 op I 动作电流res I 制动电流1I 机端侧定子相电流 2I 中性点侧定子全相电流或分支绕组电流K 平衡系数,21I I K b = ,1b K ,当1=b K 时为完全纵差保护接线方式 ;1b K 时为不完全纵差保护接线方式 纵差保护的动作判据及动作特性:纵差保护的动作判据为min .op op I I min .res

16、res I I (3.4 式中 op I 差动电流min .op I 最小动作电流整定值,一般取(0.30.5n I (n I 为发电机额定电流;res I 制动电流;min .res I 最小制动电流整定值,一般取(0.81.0n I ;res K 比率制动式电流整定值,一般取0.30.5当上式中的两个方程都满足时,差动元件动作。下图3-2为比率制动式发电机纵差保护的动作特性图3-2 比率制动式发电机纵差保护的动作特性 标积制动式发电机纵差保护原理标积制动式发机电纵差保护是利用基波电流相量的标量构成的比率制动特性的差动保护,是相量幅值比率制动的另一种形式。电流参考方向仍然如图3-1所示,中性

17、点侧电流的正方向指向发电机。标积制动式纵差保护的动作电流、制动电流及其动作判据为动作电流 21I I I op -= (3.5制动电流 cos 21=I I S I res (3.6动作判据 cos 2121-I I S I I (3.7 式中 1I 和2I 之间的相位差;S 标积制动系数,通常取1.0a. 当发电机正常运行或保护区外短路时,21I I =, 0=,制动量最大,动作量最小,保护可靠不动b. 当保护区内短路时,21I I -=, =180,制动量为负值,呈现动作作用,动作量最大,保护动作,且灵敏。采用标积制动式纵差保护可以大大提高反应发电机内部故障的灵敏度。标积制动式纵差保护和比

18、率制动式纵差保护一样,也可以作为发变组的纵差保护,不过应增设防止涌流误动的二次谐波制动措施。 Ires I K(3 发电机纵差保护逻辑框图3-3 为防止一点在区内另一点在区外的两点接地故障发生,当有一相纵差元件动作且同时有负序电压时,纵差保护出口跳闸。若只有一相纵差元件动作而无负序电压时,判为TA断线;若负序电压长时间存在而无差电流时,判为TV断线。3.1.2变压器的纵联差动保护(1变压器纵联差动保护的基本原理变压器的纵联差动保护(简称纵差保护不但可以正确区分内、外的短路,而且能瞬时切除保护区域内的故障。因此,变压器纵差保护是变压器的主保护之一。变压器纵差保护基本原理与发电机纵差保护原理相似,

19、按比较被保护变压器各侧电流的大小和相位的原理构成。为了实现这一比较,在变压器各侧装设一组电流互感器TA ,TA的一次电流回路的机性端节母线侧,将TA二次侧的同极性端子相连接。如下图所示双绕组变压器纵差保护单相原理接线图。显然,变压器纵差保护的范围为变压器各侧电流互感器TA所限定的全部区域,即变压器高低压绕组、套管、引出线等。下面就图3-4所示双绕组变压器为例,分析变压器纵差保护原理。 图3-4 双绕组变压器保护装置图 正常运行和外部发生故障时 unb TAr I I I K I I I =-=-=(11122 (3.8 保护不动作 变压器内部发生故障时 TAk TA r k I I I K I

20、 I I =+=+=(11122 (3.9 保护动作将故障切除(2变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同之处: 变压器各侧的额定电压和额定电流各不相同,因各侧TA 的型号不同,而且各侧三相接线方式不尽相同,所以各侧相电流的相位也又可能不一致。这将使外部短路时不平衡电流增大,所以变压器纵差保护的最大制动系数比发电机的大,灵敏度相对较低。 变压器高压绕组有调压分接头,有的还要求带负荷调节,使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流又被破坏,不平衡电流增大,这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都相应增大。 于定子绕组的匝间短路,发电机纵差保护完全没有作用,变压器各侧绕组的匝间短路通过变压器铁心磁路的

21、耦合改变了各侧电流的大小和相位,使变压器纵差保护对匝间短路保护作用。 无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障,它们的完全纵差保护均不能动作,但变压器还可以依靠瓦斯保护或压力保护。 变压器纵差保护范围除包括各侧绕组外,还包括变压器的铁心,即变压器综合差保护区域内不仅有电路还有磁路。这就违反了纵差保护原理基础。对于TA 还包括电路的纵差保护对象(如发电机、电动机、母线、电抗器等。3.1.3发电机匝间短路保护由于大容量发电机的额定电流很大,其每相定子绕组都有两个并联的分支绕组构成。每个分支的匝间或分支之间的短路,就称为发电机定子绕组的匝间短路故障。当定子绕组匝间短路时,被短接的部分绕组内将产生大

22、的环流,引起故障出温度升高,绝缘损坏,并转换为单相接地故障或相间短路故障,损坏发电机。因此在发电机上应装设定子匝间短路的匝间保护。根据发电机匝间短路时的特点,可以提出各种不同原理的匝间短路保护方案。单元件式横联差动保护:发电机正常运行情况下,每相定子绕组的两个分支上电势相等,各供出一半负荷电流;当任一相绕组中发生匝间短路时,两个绕组中的电势不相等,因而在两个分支绕组中产生环流。根据这特点,构成了发电机的匝间短路保护单元件式横联差动保护。(1单元件式横联差动保护采用一只电流互感器,装于两分支绕组中性点的连线上,利用分支绕组中性点之间连线上流过的零序电流来实现保护。且该保护由于只采用一只电流互感器

23、,不存在电流互感器特性不同引起的不平衡电流,所以保护接线简单,灵敏度高。通常又称该保护为高灵敏的单元件式横联差动保护该保护实质上是把定子三相绕组的一般绕组中的三相电流之和与三相绕组的另一半绕组中的三相电流之和进行比较,利用发生各种匝间短路时中性点连线上的环流而实现的。因此该保护只适合于: 定子绕组中性点侧引出6个或4个端子的发电机 中性点侧引出端子较多的水轮发电机2保护原理分析 正常运行或外部故障时保护装置装设了三次谐波滤过器1,以消除三次谐波电流的影响,提高灵敏度。所以,正常运行或外部故障时,三次谐波滤过器1滤除了三次谐波产生的不平衡电流unb I ,通过带有延迟的保护装置2的电流小于其整定

24、值,即set I I 0,保护不动作。 当定子绕组的同分支匝间短路时当同分支匝间短路时,由于故障支路和非故障支路电动势不等,有环流0I 产生,中性点连线上的电流互感器有故障电流k I 流过当k I 电流大于保护的动作电流整定值时,保护动作于跳闸。 定子绕组同相不同分支之间发生短路时当同相的两个分支绕组间发生匝间短路,且21a a 时,由于两个支路的电动势差,分别产生两个环流0I 和0I 。此时中性点连线上流过的电流0I I k =,当k I 电流大于保护的动作电流整定值时,横联差动保护动作与跳闸。 保护存在死区有上述分析可知,单元件式横联差动保护又一定的死去。当定子绕组同分支短路且短路匝数a

25、很小时或者同相不同分支间的短路匝数相同及差别较小时,保护不能动作。3.1.4转子两点接地保护当发电机发生励磁绕组两点接地时,故障时流过的短路电流数值很大,会烧坏转子;当部分转子被短接,励磁绕组电流增加,转子有可能因过热而损坏;部分绕组被短接时气隙磁通失去平衡,会引起机组剧烈振动,可能因此造成灾难性破坏;转子两点接地短路时还会使轴系和汽机磁化。因此对于发电机很有必要装设转子两点接地保护。3.1.5发电机复合电压起动的过电流保护发电机差动保护范围外发生故障,而故障设备的保护或断路器拒绝动作时,将引起发电机过电流。为此发电机装设了反映外部故障的过电流保护。同时,该保护也作为发电机的后备保护。(1 发

26、电机复合电压起动的过电流保护复合电压起动的过电流保护由过电流元件、复合电压元件和TV 断线闭锁元件组成,对于自并励的发电机组还需要增加记忆元件,作为后备保护。复合电压起动的过电流保护需加延时动作,在动作时限上与相邻后备保护相配合。复合电压起动元件由一个过滤式负序电压继电器FYG 和一个低电压继电器组成。低电压继电器经负序电压继电器的常闭触点接于相间电压上,以保证保护装置在对称三相短路时可靠地动作,并能够提高低电压继电器对三相短路的灵敏度。因为在发生三相短路开始瞬时将会短时出现负序电压,使负序电压继电器动作,待负序消失后,负序电压继电器返回,低电压继电器又接在相间电压上。若使低电压继电器返回,则

27、要求发电机母线的残压必须大于继电器的返回电压。由于三相短路时三相电压均降低,故低电压继电器仍然处于动作状态,此时保护的工作情况即相当于低电压起动的过电流保护。 复合电压起动的过电流保护整定原则a. 电流元件的动作电流按躲过发电机额定 F e fk DZ I K K I .= (3.11 式中 k K 可靠系数,取1.2f K 返回系数,取0.85b. 负序电压继电器的动作电压,按躲过真反常运行时出现的最大不平衡电压整定。根据运行经验通常取F e DZ U U .2.06.0= (3.12c. 低电压元件的动作电压按躲过电动机自起动的电压确定,此外还应躲过发电机失磁运行时的最低运行电压。一般取:

28、F e DZ U U .6.0(= (3.13(2 复合电压起动的过电流保护特点 由于负序电压继电器的整定值小,在后备保护范围内发生不对称短路故障时,电压元件有较高的灵敏度; 在/Y 接线的变压器发生不对称短路时,电压元件的灵敏度与变压器的接线方式无关; 三相短路时,由于瞬时出现负序电压,负序电压继电器动作后低电压继电器由于失压一定能动作。待负序电压消失后负序电压继电器返回,低电压继电器又接于相间电压上,这时只要不返回就可以切除故障。(3 复合过电流保护逻辑框图3-5 图3-5复合过电流保护逻辑框图3.1.6阻抗保护对于升压变压器或系统联络变压器,当采用复合电压起动的过电流保护和负序电流及单项

29、式低电压起动的过电流保护时不能满足灵敏性和选择性要求时,可采用阻抗保护。阻抗保护的原理变压器阻抗保护通常作为330KV 及以上大型变压器相间短路的后备保护,由起动元件、相间阻抗测量元件、时间元件、TV 断线检测元件等组成。当阻抗保护的起动元件和阻抗元件均动作、阻抗保护的压板投入、TV 断线检测元件不动作,且经过预定的延时后,保护动作与跳闸。a.起动元件起动元件由由相电流差突变量起动元件和负序电流起动元件两部分组成,相电流差突变量起动反应对称短路故障,负序电流起动元件反应不对称短路故障。起动元件动作判据为:set I i 或2.2set I I (3.14式中:i 为相电流突变量;2I 为负序电

30、流;set I 、2.set I 分别为相电流突变量起动元件和负序电流起动元件的动作整定值,通常均取电流互感器二次额定电流的0.2倍。 b.阻抗元件阻抗元件时变压器阻抗保护的测量元件,用于测量相间短路阻抗值,构成变压器相间短路的后备保护。阻抗元件采用00接线方式,其动作特性可根据需要整定为全阻抗圆特性或偏移阻抗圆特性,动作的正方向可以指向变压器,也可以指向母线,由保护的控制字控制。c.TV 断线检测元件TV 断线检测元件的作用是防止TV 断线时,变压器阻抗保护误动作。当该元件检测到TV 二次回路断线时,将阻抗保护闭锁,并发出告警信号3.2反映接地故障的保护3.2.1定子接地保护根据安全要求,发

31、电机的外壳都是接地的。因此,发电机定子绕组与铁心间的绝缘在某一点上遭到破坏,就有可能发生单相接地故障。当接地电流较大在故障点引起电弧时,将破坏定子绕组的绝缘及烧坏铁心,严重时烧伤发电机。所以把不产生电弧的单相接地电流称为安全电流,其大小与发电机额定电压有关。发电机额定电压越高,其安全电流越小,反之亦然。发电机中性点一般不接地或经消弧线圈接地,当发电机内部单相接地时,流经接地点的电流为发电机与发电机有直接电联系的个元件的对地电容之和。根据规程规定,当发电机的接地电容电流等于或大于其安全电流时,应装设动作于跳闸的接地保护;当接地电流小于安全电流时,一般装设作用于信号的接地保护。 基波零序电压和三次

32、谐波电压构成的100%定子接地保护保护的原理分析基波零序电压和三次谐波构成的100%定子接地保护由两部分组成:一部分是极薄电压保护,另一部分是三次谐波电压保护,即基波零序电压保护来反应发电机85%95%的定子绕组单相接地,由三次谐波电压保护来反应发电机中性点附近定子绕组的单相接地。为提高可靠性,两部分的保护区应重叠。无论发电机中性点有无消弧线圈,正常运行时机端三次谐波电压3S U 比中性点侧的三次谐波电压3N U ;而在距中性点50%范围内接地时,33N S U U 。基波零序电压和三次谐波构成的100%定子接地保护的动作判据为:set N S setK U U U U .333.00/3 (

33、3.15式中:03U 为发电机机端零序电压; set U .0 为基波零序电压整定值;3S U 和3N U 分别为机端TV 和中性点TV 开口三角形开口绕组输出的三次谐波分量;set K .3为三次谐波比例整定值。零序电压判据和三次谐波判据各有独立的出口回路,以满需不同配置的要求。利用三次谐波构成的接地保护,由于反应中性点侧附近定子绕组的单相接地故障,在该保护范围内定子绕组单相接地时,零序电压较小,该保护动作与信号;由于反应机端零序电压的接地保护范围内发生接地故障时,零序电压较大,该保护可动作与跳闸或信号。3.2.2转子一点接地保护发电机正常运行时,转子回路对地之间有一定的绝缘电容和分布电阻。

34、当转子回路发生一点接地故障时,由于没有形成电流回路,对发电机运行没有直接影响;一旦发电机发生转子两点接地后,励磁绕组将形成短路,使转子磁场畸变,引起机体强烈震动,严重损坏发电机。因此,有关规程要求发电机必须装有转子回路一点接地保护,动作于信号;装设转子回路两点接地保护,动作于跳闸。转子回路一点接地保护原理分析(1保护原理:切换采样式转子一点接地保护采用开关切换采样原理,通过求解两个不同的接地回路方程,实时计算转子接地电阻和接地位置。当设1S 闭合,2S 断开时,在1R 上测得电压1U ;当2S 闭合,1S 断开时,在1R 上测得电压2U 。,则: U U +=3311 R R U R a R

35、f 32311-= (3.16 正常运行时:4个电阻R 对称,21U U =,0=U ,=f R ;转子一点接地时,21U U ,当接地电阻小于f R 或等于接地电阻整定值 (.set f f set f R R R 时,经延时发信号。(2保护的整定计算:保护的接地电阻整定值取决于正常运行时转子回路的绝缘水平。当接地电阻的高整定值整定为k 10时,延时(410 s 东方工作于发信号;当接地电阻低整定值整定为k 10时,延时(14s 动作与跳闸。3.2.3主变压器接地保护变压器的接地保护(又称变压器的零序保护用于中性点直接接地系统中的电力变压器,以反应变压器高压绕组、引出线上的接地短路,并作为变

36、压器主保护和相领母线、线路接地故障的后备保护。电力变压器的接地保护通常由主变压器零序电压03U 元件、主变压器零序电流03I 元件、主变压器间隙零序电流03I 元件及时间元件构成,根据变压器中性点的接地方式进行选择配置。(1中性点直接接地的变压器接地保护 保护原理中性点直接接地的变压器接地保护,通常采用两段零序电压保护,零序电流均由变压器中性点电流互感器的二次侧获得,每段保护均设置两个动作时限。保护每段动作后,都以较短时限跳开母联络断路器或三绕组变压器中压侧由源断路器,以减小故障范围;以较长时限跳开高压侧断路器。 保护逻辑框图3-6 图3-6中性点直接接地的变压器接地保护逻辑图 为防止变压器与

37、系统并列前其高压侧发生单相接地时,变压器的接地保护误动作误跳母联断路器,将变压器接地保护动作于母联段路器的跳闸回路经其高压侧断路器的常开触点1QF1闭锁。变压器零序电流段保护的动作电流和动作时限,分别与相邻线路零序过电流保护第段或第段的动作电流及动作时限配合进行整定;其中t t t +=01,t t t +=12。变压器零序电流段保护的动作电流和动作时限,分别与相邻线路零序电流保护后备段的动作电流及动作时限配合进行整定。其中,ttt+=max,13,ttt+=34。(2中性点可能接地也可能不接地运行变压器的接地保护对于中性点可能接地也可能不接地运行的每台变压器,其接地保护需配两套,一套作为中性

38、点接地运行方式时的接地保护,另一套用于中性点不接地运行方式时的接地保护。中性点接地运行方式时的接地保护通常采用两段式零序过电流保护,而中性点不接地运行方式时的接地保护通常采用零序过电压保护。重重保护的整定计算、动作时限等与变压器中性绝缘水平、过电压保护方式及并联运行的变压器台数有关。全绝缘变压器的接地保护对于中性点可能接地也可能不接地运行的全绝缘变压器,当有数台并列运行时,要求其接地保护的动作行为是,保护动作后应先切除中性点接地运行的变压器,后切除中性点不接地运行的变压器。当变压器所连接的系统发生单相接地故障时,对中性点接地运行的变压器利用两段式零序过电流保护中的较短时限跳开母线联络断路器,以

39、较长时限跳开高压侧断路器;对于中性点不接地运行的变压器利用零序点过电压保护经预定延时后跳开中性点不接地变压器各侧的断路器。零序过电压保护的动作电压整定值按躲过系统失去中性点且发生单相接地故障时所接TV二次绕组可能出现的最低电压整定时,一般取180V。其动作时限只需躲过暂态过电压的时限考虑,无需与其他保护配合。分级绝缘且中性点不装设放电间隙的变压器由于分级绝缘变压器中性点处绕组的绝缘水平最低,所以,对于此类变压器接地保护动作行为的要求是,保护动作后应先切除中性点不接地运行的变压器,后切除中性点接地运行的变压器。为此,对于分级绝缘且中性点不装设放电间隙的变压器,其接地保护的配置为两段式零序过电流保

40、护和零序电流闭锁的零序电压保护。两段式零序过电流保护用于中性点直接接地运行方式,零序电流闭锁的零序电压保护用于中性点不接地运行方式。零序过电压保护的动作时限要求小于零序过电流的长动作时限,大于零序过电流保护的短动作时限。这样保证当系统发生接地故障时,中性点接地运行变压器以零序过电流保护的短时限跳开母线联络断路器,使两台变压器分列运行。解列后若故障消失,则表明故障不在本变压器保护范围内。解列后若故障仍存在,对于中性点不接地变压器可由零序过电压经一动作时限先跳闸切除故障;对于中性点接地变压器,由于仍有零序电流而闭锁零序过电压保护,只能以零序过电流保护的长动作时限跳闸,最终切除故障。 分级绝缘且中性

41、点装设放电间隙的变压器的接地保护根据分级绝缘变压器接地保护动作行为的要求,对于分级绝缘且中性点装设放电间隙的变压器接地保护的配置为:两段式零序过电流保护用于中性点直接接地运行;放电间隙零序过电流及零序过电压保护,用于变压器中性点经放电间隙接地运行方式。当系统发生单相接地故障时,中性点经放电间隙接地运行的变压器以无时限的间隙零序过电流跳开母线联络断路器或高压侧断路器;若放电间隙零序过电流保护未动作,则以带时限的零序过电压保护跳开母线联络断路器或高压侧断路器;中性点直接接地变压器仍以较短时限跳开母线联络断路器,以较长时限跳开直接接地变压器高压侧断路器。3.3反映异常运行的保护3.3.1发电机定子对

42、称过负荷保护发电机定子对称过负荷保护原理发电机对称过负荷保护用于大中型发电机组作为对称过流和对称过负荷保护,接成三相式,取其中的最大相电流判别。主要保护发电机定子绕组的过负荷或外部故障引起的定子绕组过电流,由定时限过负荷和反时限过流两部分组成;定时限部分,经延时动作于信号,有条件时可作用于自动减负荷;反时限部分按反时限特性动作于跳闸。 保护原理:定时限过负荷按发电机长期允许的负荷电流能可靠返回的条件整定。反时限过流按定子绕组允许的过流能力整定。发电机定子绕组承受的短时过电流倍数与允许持续时间的关系为: 1(2a I K t +-=* (3.17 式中:K 定子绕组过负荷常数*I 定子额定电流为

43、基准的标幺值a 与定子绕组温升特性和温度裕度有关,一般为0.010.02。3.3.2发电机转子表层过负荷保护原理当发电机三相负荷不对称或系统发生不对称短路时,定子绕组中的负序电流产生旋转磁场,该磁场旋转的方向与转子运动方向相反,以两倍同步速度切割转子,转子中感应出100HZ 交变电流,该电流使转子本体、端部、护环内表面等处因电流密度过大而过热灼伤,甚至引起护环松脱导致发生重大事故。另外,在定子转子之间产生的100HZ 交变电磁力矩的作用下,机组会发生振动。为防止以上事故的发生,发电机应装设转子表层负序过负荷保护,即反时限负序电流保护。同时,该保护还可以兼作系统不对称故障的后备保护。对于中小型的

44、发电机转子表层的负序过负荷保护,通常采用两段式定时限负序电流保护。段动作电流按与相邻元件后备保护配合的条件整定,一般取,(0.50.6op g n I I I=,经35s 延时后动作于跳闸。段动作电流按躲过发电机长期允许的负序电流,一般取,0.1op g n I I =,经510s 延时后动作于信号。大型发电机组转子表层负序过负荷保护,一般由定时限负序电流保护反时限负序电流保护两部分组成。定时限负序电流保护动作与信号,反时限负序电流保护动作于跳闸。定时限负序电流保护的动作电流,按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定。反时限负序电流保护的动作电流应与发电机承受负序电流的能力相配合。3

45、.3.3转子过负荷保护转子过负荷保护用于大型发电机组作为转子励磁回路过流和过负荷保护,兼作交流励磁机的后备保护,接成三相式。由定时限过负荷和反时限过流两部分组成,定时限部分经延时动作于信号,反时限部分动作于解列灭磁。其保护原理:定时限过负荷保护的电流元件按正常运行额定励磁电流下能可靠返回的条件整定;反时限过流按转子绕组允许的过热条件决定,其关系式为: 2*(1K t I a =-+ (3.18式中: K 转子绕组过负荷常数,整定范围1100;*I 发电机励磁回路整流器交流侧电流的标么值;a 与转子绕组温升特性和温度裕度有关,一般为0.010.02。3.3.4失磁保护发电机失磁通常是指发电机励磁

46、异常下降或励磁完全消失的故障。励磁异常下降指发电机励磁电流的降低超过了静态稳定极限所允许的程度,使发电机稳定运行遭到破坏。造成励磁异常下降的原因通常是由于主励磁机故障;误操作的过量调整等。完全励磁消失就是发电机失去励磁电源,通常由于自动灭磁开关误跳闸、励磁调节器整流装置中自动开关误跳闸、励磁绕组断线或端口短路等原因引起。对于不允许失磁后继续运行的发电机,失磁保护应动作于跳闸。当发电机允许失磁运行时保护可动作于信号,并要求失磁保护与切换励磁、自动减负荷等自动控制相结合,以取得发电机失磁后的最好处理效果。发电机失磁对发电机本身的影响主要有: 1、由于发动机失磁后出现转差,在发电机转子回路中出现差频

47、电流,差频电流在转子回路中产生损耗,如果超出允许值,将使转子过热。特别是直接冷却的高力率大型机组,其热容量裕度相对降低,转子更容易过热。而转子表层的差频电流,还可能使转子本体槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热甚至灼伤; 2、失磁发电机进入异步运行之后,发电机的等效电抗降低,从电力系统中吸收无功功率,失磁前带的有功功率越大,转差就越大,等效电抗就越小,所吸收的无功功率就越大。在重负荷下失磁后,由于过电流,将使发电机定子过热;3、对于直接冷却高力率的大型汽轮发电机,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,也呈较明显的不对称。由于这些原因, 在重负荷下失磁后,这种发

48、电机转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动,将有很大甚至超过额定值的电机转矩周期性地作用到发电机的轴系上,并通过定子传递到机座上。此时,转差也作周期性变化,其最大值可能达到4%5%, 发电机周期性地严重超速。这些情况,都直接威胁着机组的安全;4、失磁运行时,定子端部漏磁增强,将使端部的部件和边段铁芯过热。3.3.5逆功率保护逆功率保护作用于保护汽轮机,在发电机与系统并列运行的情况下,若汽轮机主汽门突然关闭即汽轮机处于断汽运行状态,而发电机出口断路器未断开时,发电机将变为同步电动机运行,这种情况下对发电机并无危险,但对于汽轮机由于尾部残留的蒸汽与叶片的摩擦产生鼓风损失,将使尾部叶片过热。当发电机转

49、为电动机后,将从系统中吸收有功功率(即逆功率,其大小将随机组转动轴系储存动能的下降而逐渐增大。逆功率的大小主要取决于发电机的损耗、摩擦损耗及鼓风损耗,其值约为发电机额定功率的35%。因此,装设了发电机逆功率保护。逆功率保护主要由一个灵敏的功率继电器构成,另外还有逆功率测量元件、闭锁电路、时间电路等组成。由于逆功率的数值很小,因此要求逆功率继电器应具有较高的灵敏性,动作功率可在15%额定功率范围内调整。一般按照比较绝对值原理构成功率方向继电器交流测量回路,其交流电压形成回路采用和差接线方式以获得两个比较电量即:和电压相量、差电压相量,保护通过对两电量的比较来鉴别发电机功率方向。当发电机正常运行时

50、:差电压相量小于和电压相量(即动作量小于制动量,继电器不动作;汽轮机主汽门突然关闭时:差电压相量大于和电压相量(即动作量大于制动量,继电器动作,经一定延时切除发电机。逆功率保护设两段延时,以11.5s短时延时动作于信号;以23分钟的延时动作于断路器跳闸。发电机各种保护动作于停机时,通常是同时给汽门和出口断路器发出跳闸信号。因此,除短路事故保护和可能造成机组严重破坏的故障保护除外,其他动作于跳闸的保护都可用逆功率保护闭锁,这时先关闭主汽门,逆功率后再断开出口断路器。3.3.6失步保护随着电力系统容量不断增加,大型发电厂高压母线的系统阻抗较小,一旦发生系统非稳定性振荡,其振荡中心很容易进入失步发电

51、机变压器组内部,这将严重威胁失步的发电机和系统的安全运行。所以发电机组均加装有失步保护,并有多种不同类型判据的失步保护。失步保护的基本原理失步保护的基本原理主要是通过测量阻抗的轨迹变化情况来检测是否失步。其主要指标有三点:一是测量阻抗轨迹为自左向右或自右向左依次穿越整定阻抗区域,穿越一次则记录为滑极次数加一;二是每穿越一个区域都大于一定延时,以区别于故障以及区分失步振荡和稳定振荡;三是滑极次数达到一定值时,则动作出口。失步保护要求在短路故障、系统振荡、电压回路断线等情况下,保护不误动作。失步保护反应发电机失步振荡引起的异步运行,失步保护阻抗元件计算采用发电机正序电压、正序电流,阻抗轨迹在各种故

52、障下均能正确反映。国内失步保护主要采用三阻抗元件失步保护动作特性或双遮挡器失步保护动作特性。保护采用三阻抗元件失步继电器动作特性, 如下图3-7 图3-7三阻抗元件失步继电器动作特性第一部分是透镜特性,图中,它把阻抗平面分成透镜内的部分I和透镜外的部分O。第二部分是遮挡器特性,图中,它把阻抗平面分成左半部分L和右半部分R。两种特性的结合,把阻抗平面分成四个区OL、IL、IR、OR,阻抗轨迹顺序穿过四个区(OLILIROR或ORIRILOL,并在每个区停留时间大于一时限,则保护判为发电机失步振荡。每顺序穿过一次,保护的滑极计数加1,到达整定次数,保护动作。第三部分特性是电抗线,图中,它把动作区一

53、分为二,电抗线以上为I段(U,电抗线以下为II段(D。阻抗轨迹顺序穿过四个区时位于电抗线以下,则认为振荡中心位于发变组内,位于电抗线以上,则认为振荡中心位于发变组外,两种情况下滑极次数可分别整定,保护可动作于报警信号, 也可动作于跳闸。3.3.7发电机低频保护原理(1 保护原理大型汽轮发电机运行中允许其频率变化的范围为48.550.5Hz,低于48.5Hz 时,累计运行时间和每次持续运行时间达到定值,保护动作于信号或跳闸。汽轮机叶片有自己的自振频率。并网运行的发电机,当系统频率异常时,汽轮机叶片可能产生共振,从而使叶片发生疲劳,长久下去可能损坏汽轮机的叶片。发电机频率异常保护,是保护汽轮机安全

54、的。(2 保护的逻辑框图见图 3-83.3.8发电机起停机保护原理发电机启动或停机过程中,频率低,转速也低。若在启停机过程中发电机发生故障,反映工频的主设备保护可能不能正确动作,因此应设置能反映在启停机过程中发生定子接地故障和相间短路故障的启停机保护,即:反映发电机低速运行时的定子接地故障的零序电压式启停机保护,及反映发电机低速运行时的相间故障的低频过电流保护。(1 构成原理及逻辑框图保护的输入电压为取自机端TV 开口三角形绕组的零序电压或中性点TV (或消弧线圈或配电变压器二次电压,采用专用的测量回路,其工作频率范围:5HZ 55HZ ,误差不大于5%。该保护只作为发电机启停机过程中的辅助保

55、护,它由断路器辅助接点控制,待发电机并网后可自动退出运行。动作方程g U U 0033 (3.19式中:03U 机端TV 开口三角电压或中性点TV (配电变压器或消弧线圈二次电压;g U 03动作电压整定值。图3-8保护的逻辑框图(2 保护的逻辑框图见图3-9。 图3-9 基波零序电压式启停机保护逻辑框图3.3.9发电机意外突加电压保护原理突加电压保护作为发电机盘车状态下,主断路器误合闸时的保护。(1 保护原理发电机在盘车或静止时,发生出口断路器误合闸,系统三相工频电压突然加在机端,使同步发电机处于异步启动工况,由系统向发电机定子绕组倒送的电流(正序电流在气隙中产生的旋转磁场在转子本体中感应工

56、频或接近工频的电流,从而引起转子过热而损伤,还可能由于润滑油油压不足使旋转轴承磨损。当停机、盘车或起动升速但磁场开关未闭合时误合闸,过流元件快速动作于跳闸,同时,由于发电机处于同步电机的异步起动过程,阻抗元件延时动作于跳闸,构成双重化保护;当并网前,机组启动,断路器断开,而磁场开关闭合时,过流元件退出工作,此时,若正常并网,阻抗元件不动作,误合闸保护不会动作,若发生误合闸,阻抗元件动作于跳闸。(2 保护逻辑框图见图3-10。 图3-10 突加电压保护逻辑框图3.3.10高压断路器非全相保护(1 基本原理当只有一相或两相断路器触头在合位,且有负序电流时,保护动作。作用于跳闸、解除失灵保护复合电压

57、闭锁及启动失灵保护。保护由三相断路器位置不对应辅助接点与负序电流组成的与门构成,其动作后经延时作用于出口。保护的输入电流为断路器侧TA二次三相电流。(2 非全相保护逻辑框图见图3-11。 图3-11非全相保护逻辑框图3.3.11失灵保护原理(1 保护原理断路器失灵保护是指故障电气设备的继电保护动作发出跳闸命令而断路器拒动时,利用故障设备的保护动作信息与拒动断路器的电流信息构成对断路器失灵的判别,能够以较短的时限切除同一厂站内其他有关的断路器,使停电范围限制在最小,从而保证整个电网的稳定运行,避免造成发电机、变压器等故障元件的严重烧损和电网的崩溃瓦解事故。在现代高压和超高压电网中,断路器失灵保护作为一种近后备保护方