中小发电机保护配置和原理(辽化)

1、发电机保护配置和原理发电机保护配置和原理北京紫光测控有限公司北京紫光测控有限公司2005年6月一、发电机保护配置1、电压在3KV及以上，容量在600MW及以下的发电机，应按规程适当配置下列故障及异常运行保护（1）定子绕组相间短路保护（2）定子绕组接地保护（3）定子绕组匝间短路保护（4）发电机外部短路保护（5）定子绕组过电压保护（6）定子绕组过负荷保护（7）转子表层过负荷保护（及负序过负荷保护）（8）励磁绕组过负荷保护（9）励磁绕组（一点及两点）接地保护（10）低励、失磁保护（11）定子铁芯过激磁保护（12）逆功率保护（13）频率异常保护（14）失步保护（15）其它故障和异常运行保护2、各保护装

2、置根据故障和异常运行的性质，按规定分别动作于下列之一停机：断开断路器、灭磁；关闭原动力。解列灭磁：断开断路器、灭磁；解列：断开断路器减出力：降低原动力缩小故障范围：适当解开母线联络开关等程序跳闸：气轮机先关主气门，待逆功率保护动作后，跳发电机及灭磁；水轮机先关闭导水叶，再跳发电机及灭磁。信号：发出声光告警信号。3、中小发电机保护配置若干原则对1MW以上的发电机，应装设纵联差动保护，作为相间短路故障主保护。对定子绕组为星型接线，每相有并联分支且中性点有分支引出端子的发电机，应装设单元件式横差保护作为匝间短路保护。对与母线直连的发电机：当单相接地故障电流大于允许值（不考虑消弧线圈的补偿作用）时，应

3、装设有选择性的接地保护装置。任何情况下当接地电流大于允许值时，保护应动作于停机，否则可动作于信号。对发变组：100MW以下发电机，应装设保护区不小于90%的定子接地保护；100MW及以上发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护。对发电机外部短路故障，及作为主保护的后备：1MW及以上发电机，宜装设复合电压起动的过流保护；50MW及以上发电机可装设负序过流保护和低压过流保护，或采用低阻抗保护。各保护对与母线相连的故障应有规定的灵敏系数。各保护宜带二段时限，短时限动作于缩小故障范围或解列，较长时限动作于停机。水轮机应装设定子过电压保护，宜动作于解列灭磁。定子绕组为直接冷却且过负荷能力较低（例如低

4、于1.5倍60s）的发电机，应装设由定时限和反时限两部分组成的过负荷保护。对不对称负荷、非全相运行及外部不对称短路引起的负序电流，因按规定装设转子表层过负荷保护。对1MW以上水轮发电机，应装设转子一点接地保护；100MW以下气轮发电机，一般装设一点接地保护（只发信号）和两点接地保护。100MW以下中小机组应装设反映机端测量阻抗的低励失磁保护。二、发电机保护原理1、比例制动式纵联差动保护差动保护是反应发电机定子相间短路故障的主保护。它不反应匝间短路故障。 差动保护比较被保护设备各引出端电流量的大小和相位。 一般地，对如下图所示电路，有：1iI2iIimI被保护对象knioimiiiIII00 有

5、内部故障时：动保护。为动作量的保护称为差以 00nioimiiiII流出电流之差。是被保护对象中流入和 00nioimiiiII1oI2oIonI1iI2iIimI被保护对象)(流出或流入kI1oI2oIonI0 00nioimiiiII无内部故障时：1I2I对发电机任意一相定子绕组，定义差动电流（即动作电流）和制动电流如下：2/21z21IIIIIIddz制动电流：差动电流：自适应特性。大而按比例增大，呈现制动电流增所示。而动作电流随着右图中虚折线利的情况下的估计值如而增大，在最不随着穿越性电流的增大流，不平衡电流动电流中存在不平衡电制动。实际上差理论上为零，保护可靠动作电流可见制动作用很大

6、，而在发电机外部故障时，OEDIIIIII, 0,k1zddzk1211kI（外部故障）dzIzdImax.kI0 .zdI0 .dzIOABCDEFdzIzdImax.kI0 .zdI0 .dzIOABCD保护作用。保护对匝间短路故障无关系，因而差动电流和制动电流的比例障不改变差动由图可见，匝间短路故。高了保护动作的灵敏性特性显著地提由图显见折线比例制动（两条应同时满足）动作方程：动作。例相对减小，保护可靠，制动电流的比动作电流不断快速增大随着故障电流的增大，短路故障时，当发生发电机内部相间 )( ,zd.0zddz.0dzdz.0dzk2dzk221IIkIIIIIIIIIEF1I2I（匝

7、间短路）3kI1I2I2kI（内部相间短路）2、复合电压起动的过流保护 1MW及以上发电机，可装设复合电压起动的过流保护，作为相间短路故障的后备保护。通常在微机保护中可通过改变设置变成简单过流保护或低压起动的过流保护，具有更好的适应性，广泛用于各种中小发电机。保护通常带两段时限，其中较短时限用于减小故障范围，较长时限跳发电机。3、负序过流保护 负序过流保护通常和低压起动的过流保护一起，作为50MW及以上发电机的相间短路故障的后备保护。由负序过流保护反应两相故障，而低压起动的过流保护反应三相短路故障。保护通常带两段时限。4、发电机定子接地保护 发电机定子接地时的危害，主要表现在定子铁芯烧伤和接地

8、故障扩大为相间或匝间短路故障。接地点的间歇性弧光过电压，易引起多点绝缘损坏，从而使轻微的故障扩大为灾难性故障。对电动机来说情况也是如此，这一点有别于馈线上的单相接地故障。定子铁芯烧伤后，检修较困难，加上停机期间少发电的损失，通常经济代价大。为此，技术规程严格规定了定子单相接地故障电流允许值，额定电压为10KV的发电机的接地故障电流允许值为3A。对与母线直接连接与母线直接连接的发电机，当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于允许值时，应装设有选择性的接地保护。保护原理很简单，就是一只反应机端零序电流的过流继电器。当单相接地故障电流不大于允许值时，可只发信号，当由于消弧线圈退出运行或其它

9、任何原因导致单相接地故障电流大于允许值时，保护必须切换为动作于停机。对100MW以下发电机变压器组中发电机变压器组中的发电机，应装设保护区不小于90的定子接地保护，即反应零序电压的过电压保护，其动作整定值应不大于10V，一般延时动作于发信号。UOV100V10O1.01k保护区%900I5、转子接地保护对1MW以上水轮发电机，应装设转子一点接地保护；100MW以下气轮发电机，一般装设一点接地保护（只发信号）和两点接地保护。在微机保护中，一般采用“乒乓切换式”（或称切换采样式）转子一点接地保护原理。见诸于各种资料的各种原理接线图都大同小异，下页图是其中的一种。当发生转子一点接地时，如果在转子之外

10、另有一个接地点（人为制造的接地点），则两个接地点通过大地构成了回路，并产生接地电流，参见下页图。通过电子开关S1和S2的导通与断开的切换，可得到两组不同的接地电流参数，每个接地电流参数都是接地电阻Rg和接地位置a 的线性函数。利用这两组不同的参数，即可实时计算出接地电阻Rg和接地位置a两个未知数，从而实现了转子接地保护。在计算转子接地电阻和接地位置时，假设转子绕组本身的电阻等于零。实际上转子绕组本身的电阻和Rx、Rz相比是完全可忽略不计的。发生转子一点接地后，可记忆接地位置，此后若发生另外一点接地（即发生转子两点接地），则计算出的接地位置会发生变化，从而可确认发生转子两点接地故障。这是一种简单

11、的转子两点接地保护方案。因目前无更好的两点接地判据，所以当发生一点接地后，最好是平稳停机，检查排除接地故障。当发电机转子采用无刷励磁时，由于无法真正地构成图示的回路，上述原理不能适用。另外，上述保护不能并列运行构成双重化保护，因为两套回路并联后互相影响，使得其中任何一套保护都无法准确计算出真正的转子接地参数。xRxRzRzR1S2SgRsI大地转子绕组UL检测电流励磁系统6、定子过电压保护 水轮机在突甩负荷的过程中，为同时保证机械方面的安全，转速会有较大幅度的上升，从而引起定子绕组过电压，威胁定子绕组主绝缘，所有水轮发电机都装设过电压保护，其动作电压应根据定子绕组的绝缘状况决定，一般情况下整定

12、为Uop=1.5Un，t=0.5s，解列灭磁。对于可控硅整流励磁的水轮机，则整定为Uop=1.3Un，t=0.3s。中小型汽轮机一般不装过电压保护。7、过负荷保护（对称过负荷保护）对非直接冷却的中小型发电机，过负荷保护采用单相式定时限过流保护，经延时动作于信号，动作电流按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定，对微机保护一般整定为1.1In。对直接冷却的中型发电机，过负荷保护应有定时限和反时限两部分。定时限部分与前述相同，但有条件时可动作于减负荷。反时限部分动作判据为：)1 (2IKt。，代入反时限公式可的，令时，即当持续允许倍额定下允许为某台发电机，铭牌参数间参数计算出。例如：定子过

13、负荷允许允许时厂家给出的发电机就越长。以上参数可由间许过负荷时越大表明散热越好，允常数，是考虑散热作用的负荷常数，是发电机定子绕组过式中电流为标么值。sKstIstK4 .4101. 0603 . 1603 . 102. 001. 0反时限部分动作于解列或程序跳闸。tIO1t2t定I反I定I反I1t2tt&AI信号跳闸8、转子表层负序过负荷保护（反时限负序过流保护）三相正序电流产生的磁场是工频旋转磁场，此旋转磁场与转子没有相对运动，因而不在转子体中产生感应电流。而负序电流在定、转子间气隙中产生反方向旋转磁场，此旋转磁场与转子相对转速为2倍工频，因而在转子表层感生倍频电流。感生倍频电流在

14、转子结构中形成局部高温，将转子灼伤，如果局部结构之间温差过大，还可能发生机械故障，造成机组严重损坏。为此，需装设转子表层负序过负荷保护，即反时限负序过流保护。此负序过流保护有别于前述的作为发电机后备保护的负序过流保护，两者作用完全不同。发电机长期承受负序电流的能力：正常情况下，只要负序电流不超过某个限额（用I2表示），发电机就可以长期承受，而不会对转子造成损害。这个限额一般在0.040.10（标么值）之间，与转子材料和结构有关。发电机短时承受负序电流的能力：较大的负序电流，在短时间内就会使转子温度升高。显然，负序电流越大，温度升高就越快，转子能承受的时间就越短。假设在短时间内转子被加热的部位被

15、视为热绝缘体，不散失热量，则转子受到的加热能量应与负序电流的平方和持续时间的乘积成正比，而当这个乘积不超过某个限值（用A表示），转子就是安全的，这个限值A就代表发电机短时承受负序电流的能力。用公式表示就是：反时限部分动作判据为：2222IIAt式中电流为标么值。时，是安全的。当 22AtI时，是安全的。当如考虑散热作用可认为 )( 2222AtII0t1 t2t3tI2/IN反 时 限 曲 线反 时 限启 动过 负 荷I2过 负 荷t1t2t3t&1IaIbIcI/VI2过 流信 号跳 闸转子表层负序过负荷保护动作曲线图和逻辑框图如下：9、低励失磁保护发电机低励或失磁后，将过渡到异步运行，转子出现转差，定子电流增大，定子电压下降，无功功率反向并增大；在转子回路中出现差频电流；电力系统中电压下降，某些电源支路会过电流。在变化的过程中，电气量出现摇摆。所有这些变化，在一定条件下，将破坏电力系统的稳定运行，威胁发电机本身的安全。从发电机机端测量阻抗来看，从正常负荷