发电机保护 【李天华】

1、 发发 电电 机机 保保 护护主讲人：李天华主讲人：李天华二一四年一月二一四年一月智库电力安全技术研究中心内容提纲内容提纲2基本概念基本概念1保护的配置保护的配置2纵差保护纵差保护3纵向零序电压式定子匝间保护纵向零序电压式定子匝间保护5定子接地保护定子接地保护6电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护7负序过负荷及过电流保护负序过负荷及过电流保护8反时限对称过负荷及过电流保护反时限对称过负荷及过电流保护9转子绕组过负荷及过电流保护转子绕组过负荷及过电流保护10发电机横差保护发电机横差保护4转子接地保护转子接地保护11其他保护其他保护12发变组保护误动案例发变组保护误动案例13智库电

2、力安全技术研究中心基本概念基本概念3图1 三相同步交流发电机结构示意图发电机发电机 主要构成主要构成1发电机的作用是将汽轮机或水轮机输出的机械能变换成电能。智库电力安全技术研究中心基本概念基本概念4发电机发电机 作用原理作用原理2 在转子绕组中（图1中的Wj）通入直流，产生一恒定磁场（其两极极性分别为NS）。发电机转子由汽轮机或水轮机拖着旋转，恒定磁场变成旋转磁场（通常称之气隙磁场）。转子旋转磁场切割定子绕组，必将在定子绕组产生感应电势。 由于转子磁场在气隙中按正弦分布，而转子以恒定速度旋转，从而使定子绕组中的感应电势按正弦波规律变化。 发电机并网运行时，定子绕组中出现感应电流，向系统输出电能

3、。智库电力安全技术研究中心基本概念基本概念5发电机发电机 发电机的额定转速发电机的额定转速3 转子磁场旋转时，每转过一对磁极，定子绕组中的电势便历经一个周期。因此，定子绕组中电势的频率可由每秒钟转过磁极的极对数来表示。设发电机的极对数（即一个N、一个S）为P，每分钟的转速为n， 则频率 转速 （1） 汽轮发电机的极对数P1，当电网的频率f50赫时，n3000转/分。对于水轮发电机，其极对数较多，故允许其转速转低，当P4时，水轮机的转速n=750转/分，当极对数P24时，其转速为125转/分。60Pnf Pfn60智库电力安全技术研究中心基本概念基本概念6发电机发电机 两种旋转磁场两种旋转磁场4

4、u 直流激磁旋转磁场 直流激磁旋转磁场，又叫机械旋转磁场。在同步发电机转子上装设有转子绕组，通入直流后产生直流激磁的磁极，当转子旋转时，在气隙形成旋转磁场。该旋转磁场与转子无相对运动。气隙旋转磁场的转速与转子的转速相同。发电机正常运行时，转速为同步速度。u 交流激磁的旋转磁场 发电机定子三相对称电流流过三相对称绕组时，将在气隙中产生旋转磁场。该旋转磁场由三相交流产生，故称交流激磁的旋转磁场。 发电机正常运行时，两种旋转磁场的转速均等于同步速，它们之间无相对运动。又因为转子的转速也等于同步速，因此，定子旋转磁场与转子之间无相对运动，而转子磁场紧拉着定子旋转磁场转动。智库电力安全技术研究中心基本概

5、念基本概念7发电机发电机 冷却方式冷却方式5 根据冷却介质流通的路途，同步发电机的冷却方式，可分为外冷式及内冷式两种。u 外冷式又称之表面冷却方式，其冷却介质有 空气 氢气u 内冷式称之直接冷却方式，其冷却介质有 氢气 水 当采用水冷却方式时，绕组为空心铜制绕组，冷却水直接由绕组内流通。目前，大型汽轮发电机定子绕组的冷却方式，多采用水冷方式。有些发电机的转子绕组也采用水内冷方式。将转子绕组及定子绕组均由水内冷冷却的发电机，称之双水内冷发电机。智库电力安全技术研究中心基本概念基本概念8发电机发电机u 并网运行汽轮发电机电势与端电压的关系并网运行汽轮发电机电势与端电压的关系6发电机并网运行时，向系

6、统送出有功及无功。此时，机端电压与发电机电势的关系是 （1）若以机端电压为参考向量， 及 的向量关系如图2所示dXI jUE0 由图2可以看出，当发电机送出有功及无功时，发电机电势E0大于机端电压U。当发电机从系统吸收无功时，发电机电势将小于机端电压。图2机端电压与电势的向量关系0EU智库电力安全技术研究中心基本概念基本概念9发电机发电机u 发电机阻抗发电机阻抗7 若不及电阻分量，发电机的阻抗有同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗、负序电抗和零序电抗。（1）同步电抗 发电机的同步电抗也叫正序电抗。正常运行时发电机的电抗，称之同步电抗；（2）负序电抗 发电机不对称运行时，负序电流产生负序旋转磁场，负序

7、旋转磁场以2倍同步转速切割转子绕组。负序电抗等于机端负序电压与定子绕组中负序电流的基波分量之比。负序电抗等于机端负序电压与定子绕组中负序电流的基波分量之比。（3）零序电抗 零序电抗具有漏抗的性质，其大小决定于零序电流产生的漏磁通。智库电力安全技术研究中心基本概念基本概念10发电机发电机u 发电机阻抗发电机阻抗7（4）暂态电抗Xd 当定子电流突然变化时，在转子绕组中产生感应电势（像变压器一样），在转子回路中产生感应电流。该电流的作用使定子电抗减小，将减小后的电抗称之为暂态电抗Xd 。（5）次暂态电抗 当转子上有阻尼绕组时，若定子电流突然变化，由于阻尼绕组回路的阻抗不能突变，致使磁路的磁阻很大，相

8、应的电抗 X d 更小。智库电力安全技术研究中心基本概念基本概念11电压互感器及电流互感器（电压互感器及电流互感器（TV及及TA） 电压互感器电压互感器1 将电力主设备一次高电压降低至与一次电压成比例的较小电压，然后送至测量仪表或保护装置的设备，称之为电压互感器（TV）。它相当一个二卷或三卷降压变压器。特点特点A、一次绕组匝数很多，二次或三次绕组匝数很少，其内阻很小，相当一个电压源。B、变比，设一次设备的额定电压为U 。在小电流系统中，保护用TV变比为 KV；在大电流系统中，保护用变比为 KV；发电机中性点TV的变比应为 KV。C、保护用三相TV的接线方式，通常采用YN，yn， 。D、运行中运

9、行中TVTV二次不能短路二次不能短路。类型类型 按一次绕组两端对地绝缘的状态分类，TV可分为两类，即全绝缘TV及半绝缘TV。所谓全绝缘TV是指一次端部绕组及中性点处绕组的对地绝缘完全相同；而半绝缘TV则是TV一次端部绕组的对地绝缘远高于中性点处绕组的对地绝缘。31 . 031 . 03NU1 . 031 . 03NU1 . 03NU智库电力安全技术研究中心基本概念基本概念12电压互感器及电流互感器（电压互感器及电流互感器（TV及及TA） 电流互感器电流互感器TA2 将电力系统一次大电流降低到与一次电流成比例的小电流，然后送到测量仪表、自动装置及保护装置的设备，称之为电流互感器TA。特点特点A、

10、一次匝数少（最少为一匝），二次匝数很多，其内阻很大，对外相当于一个电流源；B、运行中运行中TATA二次不得开路二次不得开路。 电压互感器及电流互感器的接地电压互感器及电流互感器的接地3 为防止运行中由于互感器一次与二次之间绝缘击穿使一次高电压串到二次回路中，而危及人身及二次设备的安全，TA及TV二次必须有一个可靠的接地点，通常称之“保安接地”。对于TA采用TA二次中性点接地；而对于TV可采用二次中性点接地（即N接地），也可采用B相接地（反措禁止B相接地）。智库电力安全技术研究中心 发电机保护的配置发电机保护的配置13发电机的故障及不正常运行方式发电机的故障及不正常运行方式 发电机的故障发电机的

11、故障1u 定子绕组的故障定子绕组的故障定子绕组的故障主要有： 相间短路（二相短路、三相短路） 接地故障：单相接地、两相接地短路故障（在接地电阻小时，可视为二相短路故障，在接地电阻大时，可视为定子接地故障。） 匝间短路（同分支绕组匝间短路，同相不同分支绕组之间的短路）。u转子绕组的故障转子绕组的故障 转子绕组一点接地及二点接地 部分转子绕组匝间短路。智库电力安全技术研究中心 发电机保护的配置发电机保护的配置14发电机的故障及不正常运行方式发电机的故障及不正常运行方式 发电机异常运行方式发电机异常运行方式2发电机不正常运行方式主要有： 定子绕组过负荷， 转子绕组过负荷， 发电机过电压； 发电机过激

12、磁， 发电机误上电、逆功率、频率异常、失磁、发电机断水及非全相运行等。智库电力安全技术研究中心 发电机保护的配置发电机保护的配置15发电机保护的配置发电机保护的配置 短路故障的主保护短路故障的主保护1发电机内部短路故障的主保护有：l 纵差保护l 横差保护（单元件横差及三元件横差保护）l 发电机定子绕组匝间保护（主要有单元件横差保护、纵向零序电压匝间保护及负序功率方向保护）l 转子两点接地保护l 励磁机纵差保护。智库电力安全技术研究中心 发电机保护的配置发电机保护的配置16发电机保护的配置发电机保护的配置 短路故障的后备保护短路故障的后备保护2发电机短路故障的后备保护主要有：l 复压闭锁过流保护

13、l 对称过流及过负荷保护（反时限）l 不对称过流及过负荷保护（反时限）l 定时限负序过电流保护l 转子过流及过负荷保护l 转子两点接地保护l 带记忆的低压过流保护智库电力安全技术研究中心 发电机保护的配置发电机保护的配置17发电机保护的配置发电机保护的配置 其它故障保护其它故障保护3l 发电机定子单相接地保护l 发电机失磁保护。 发电机异常运行保护发电机异常运行保护4l 发电机过电压保护l 发电机过激磁保护l 逆功率保护l 转子一点接地保护l 定子过负荷保护l 非全相运行保护l 大型发电机失步保护l 频率异常保护等智库电力安全技术研究中心 发电机保护的配置发电机保护的配置18发电机保护的配置发

14、电机保护的配置 开关量保护开关量保护5 发电机断水保护等 临时性保护临时性保护6所谓临时性保护是指：发电机正常运行时应退出的保护。其中有：l发电机误上电保护l发电机启、停机保护等智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护纵差保护的分类纵差保护的分类 按输入电流的不同分类按输入电流的不同分类1 发电机差动保护由三个分相差动元件构成。若按由差动元件两侧输入电流的不同进行分类，可以分成完全纵差保护和不完全保护两类。其交流接入回路分别如图3（a）和图3（b）所示。图3发电机纵差保护的交流接入回路智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护纵差保护的分类纵差保护的分类 按制动方式分

15、类按制动方式分类2 为确保区外故障时纵差保护可靠不动作，在差动元件中设置有制动量。按制动方式分类，差动保护可分为l比率制动式l标积制动方式智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护纵差保护的分类纵差保护的分类 按出口方式分类按出口方式分类3 目前，发电机纵差保护均采用由三个差动元件构成的分相差动保护。由于发电机电压系统系小电流接地系统，故保护的出口既可以采用：l单相出口方式l循环闭锁出口方式 所谓循环闭锁出口方式，是指：在三个相差动元件中，只有二个或三个元件动作后，保护才作用于出口。另外，为防止发电机两相接地（一个接地点在差动保护区内，另一个接地点在差动保护区外）短路时差动保护拒绝

16、出口，一般采用由负序电压元件去解除循环闭锁措施。此时，当负序电压元件动作之后，只要有一相差动元件动作，保护就作用于出口。智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护动作方程动作方程 目前，国内生产及广泛应用的发电机差动保护装置，为提高区内故障时的动作灵敏度及确保区外故障时可靠不动作，一般采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为 （1）zozdzzzzdzzdzdIIIIIKIIIII0000)(式中： 差动电流，完全纵差： ，不完全纵差： ； 制动电流，完全纵差： ，不完全纵差： ，标积制动式完全纵差时： ，标积制动式不完全纵差时： ； 比率制动系数； 拐点电流，开始起制动

17、作时的最小制动电流； 初始动作电流；、 分别为中性点及机端差动TA的二次电流；K由中性点流入差动TA的电流与中性点全电流的比值； 与 之间的相位差。dINSdIIINSdIKIIzI2NSzIII2NSzIKII)180cos(0SNzIII)180cos(0SNzKIIIzK0zI0dzINISI、 智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护动作特性动作特性 具有两段折线式发电机纵差保护的动作特性如图4所示。 由图4可以看出：纵差保护的动作特性由二部分组成：即无制动部分和有制动部分。这种动作特性的优点是：在区内故障电流小时，它具有很高的动作灵敏度；在区外故障时，它具有较强的躲过暂

18、态不平衡电流的能力、 图4发电机纵差保护动作特性智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护逻辑框图逻辑框图 发电机纵差保护的出口方式：有单相出口方式及循环闭锁出口方式两种，其逻辑框图分别如图5（a）及图5（b）所示。、 （a）单相出口方式的发电机纵差保护逻辑框图（b）循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图图5发电机纵差保护逻辑框图智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护整定原则及取值建议整定原则及取值建议由纵差保护的动作特性可以看出，对其定值的整定，主要是确定其构成三要素：即比率制动系数 ，最小动作电流 和拐点电流 。、 zKdzoI0zI 最小功作电流最小功作电流

19、IdzoIdzo1 最小动作电流也叫启动电流或初始动作电流。对于动作特性为两段或多段折线式纵差保护，最小动作电流实质是无制动时的动作电流。对 Idzo 的整定原则是：按躲过正常工况下的最大不平衡电流来整定。可按下式进行整定 （2）eHdzoIKKKI)(21智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护整定原则及取值建议整定原则及取值建议、 拐点电流拐点电流 I I?仈2 理论上分析，外部故障时短路电流总比发电机的额定电流大，因此，其纵差保护的拐点电流应大于或等于其额定电流。但是，由于差动保护的初始动作电流是按照由于差动保护的初始动作电流是按照发电机正常工况的不平衡电流来整定的，未考虑

20、暂态过程的影响，故在外部故障切发电机正常工况的不平衡电流来整定的，未考虑暂态过程的影响，故在外部故障切除后的暂态过程中，若无制动作用，则差动保护有可能不正确动作。除后的暂态过程中，若无制动作用，则差动保护有可能不正确动作。 在外部故障切除后的暂态过程中，由于差动两侧TA二次的暂态特性不能完全相同，致使差动两侧电流之间的相位发变化，从而使不平衡电流增大。此外，若拐点电流 过大，由于无制作用可能致使差动保护误动。因此, 应取（0.50.8） 。0zIeI0zI智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护整定原则及取值建议整定原则及取值建议、 比例制动系数比例制动系数K?3 比率制动系数的

21、取值原则，应按使差动元件躲过发电机外部三相短路时产生的最大不平衡电流来整定。区外三相短路时，差动元件可能产生的最在不平衡电流为 （3）max321max)(KhIKKKI式中： 最大不平衡电流； 最大短路电流； TA的10%误差； 通道的变换及传输误差，取0.1； 两侧TA暂态特性不一产生的误差，取0.05。代入式（3）得 0.25 ，当不计拐点电流时，差动元件的比率制动系数应为 ，可取0.30.5。对于不完全纵差保护，当两侧差动CT的分支系数存在误差，可取 。maxhImaxKI1K2K3KmaxhImaxKI25. 0maxmaxKhII325. 03 . 025. 0)3 . 12 .

22、1 (25. 0HzKK5 . 0zK 解除循环闭锁的负序电压元件定值解除循环闭锁的负序电压元件定值4一般按高压母线出线末端故障产生的负序电压来整定。通常VU)129(2智库电力安全技术研究中心 发电机纵差保护发电机纵差保护对各类发电机纵差保护的评价对各类发电机纵差保护的评价、 发电机完全纵差保护，是发电机相间故障的主保护。由于差动元件两侧TA的型号、变比完全相同，受其暂态特性的影响较小。其动作灵敏度也较高，但不能反应定子绕组的匝间短路及线棒开焊。 完全纵差保护完全纵差保护1 不完全纵差保护除保护定子绕组的相间短路之外，尚能反应定子线棒开焊及某些匝间短路。但是，由于在中性点侧只引入其一分支的电

23、流，故在整定计算时，尚应考虑各分支电流不相等产生的差流。另外，当差动元件两侧TA型号不同及变比不同时，受系统暂态过程的影响较大。 不完全纵差保护不完全纵差保护2 两者均能有效躲过区外故障，其动作特性也完全相同。当区外故障时，标积制动方式纵差保护与比率制动式纵差保护工况完全相同。 比率制动式与标积制动式比率制动式与标积制动式3智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护横差保护分类横差保护分类、 根据交流回路引入电流及保护中含差动元件的数量不同，发电机横差保护可分为l单元件横差l三元件横差（三元件横差又称裂相横差）智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护单元件横差保护单元

24、件横差保护、 单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上的TA二次电流。以定子绕组为每相两分支的发电机为例，其交流接入回路如图6所示。 交流接入回路及动作方程交流接入回路及动作方程1单元件横差保护，适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。图6单元件横差保护的交流接入回路其动作方程为 （4）式中： 中性点TA二次电流； 横差保护动作电流整定值。opoopIIopIopoI智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护单元件横差保护单元件横差保护、 横差保护是发电机内部短路的主保护，应无延时动作。但考虑到转子两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动

25、，故在转子一点接地保护动作后，使横差保护带一个小延时动作。保护动作逻辑框图如图7所示。 逻辑框图逻辑框图2图7单元件横差保护逻辑框图智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护定值的整定定值的整定、 目前，在单元件横差保护中，设置有三次谐波滤过器。因此，其动作电流应按躲过系统发生不对称短路或发电机失磁失步运行时转子偏心产生的最大不平衡电流。 （5）式中： KH可靠系数，取1.5； K1额定工况下，同相不同分支绕组由于参数的差异产生的不平衡电流，最大可取 ； K2正常工况下气隙不均匀产生的不平衡电流，取0.05 ； K3异常工况下转子偏心产生的不平衡电流，取0.1 。将各参数代入式（5

26、）得 （0.30.4） ，可取0.4 。 动作电流动作电流Iop1对单元件横差保护的整定，主要是确定动作电流及动作延时。eHopIKKKKI)(321opIeIeI 动作延时动作延时2 动作延时 可取0.51秒。智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护裂相横差保护裂相横差保护、 裂相横差保护由三个横差元件构成，每个元件两侧的输入电流分别接在某相定子绕组两分支（或两分支组）上的TA二次。以A相横差元件为例，其交流接入回路如图8所示。 图8A相横差保护交流接入回路 由图可以看出：由于两组TA二次呈反极性连接，且在正常工况下一次电流I=I ，故流入差动元件的电流为零。当定子绕组的某一分

27、支匝间短路或两分支不同匝间短路时，图中的一次电流 ，故在差回路中产生差流，保护动作。 交流输入回路交流输入回路1图8A相横差保护交流接入回路21II智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护裂相横差保护裂相横差保护、 在转子两点接地之后，为避免横差保护抢先动作，对于裂相横差保护应具有短动作延时。裂相横差保护的逻辑框图如图9所示。 图9裂相横差保护逻辑框图 逻辑框图逻辑框图2智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护裂相横差保护裂相横差保护、 图9中的横差元件，可以采用具有比率制动特性的差动元件，也可以采用像单元件横差元件那样的过电流元件。采用过电流元件时，其动作方程为

28、（6）式中： 差回路中的差流； 差动元件动作电流整定值。采用具有比率制动特性的差动元件时，其动作方程为 式中： 差流， ； 制动电流， ； 初始动作电流； 动作方程及动作特性动作方程及动作特性3opdIIdIopI)()(zozZdzodzozdzodIIKIIIIIIIdI21IIIdzI221IIIzdzoI智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护裂相横差保护裂相横差保护、 比率制动系数； 拐点电流； 、 （TA二次值）分别为某相定子绕组分支（或分组）电流。根据式（6）可以划出如图10所示的动作特性。图图1010裂相横差保护的动作特性裂相横差保护的动作特性在图10中：各种符号

29、的物理意义同式（6）。 动作方程及动作特性动作方程及动作特性3zKzoI1I2I、 智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护裂相横差保护裂相横差保护、 u 采用过电流元件时采用过电流元件时动作电流应按躲过区外不对称短路时产生的最大不平衡差流来整定。 （7）式中： 可靠系数，取1.151.2； 两侧TA的10%误差，取0.1； 通道传输及调整误差，取0.1； 不对称短路时，由于转子偏心造成的误差取0.1。将以上各数据代入式（7），可得 可取 整定计算整定计算4、 )2(max321)(21KHopIKKKKIHK1K2K3K)2(max)36. 0345. 0(21KopII)2(

30、max2 . 0KI智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护裂相横差保护裂相横差保护、 u 采用具有比率制动特性的差动元件时采用具有比率制动特性的差动元件时 对其定值的整定，主要是确定最小动作电流 ，拐点电流 及比率制动系数。A A、最小动作电流、最小动作电流 按躲过正常工况下产生的最大不平衡电流来整定。 （8）式中： 可靠系数，取1.52； 两侧TA变比误差，取0.15； 气隙磁场不均匀产生的误差，取0.15； 保护装置通道传输及调整误差，取0.15。代入式（8）可得 （0.45） ，可取0.40.5 。 整定计算整定计算4、 dzoIeHdzoIKKKKI)(21321HK1

31、K2K3KdzoIeIeI智库电力安全技术研究中心 发电机横差保护发电机横差保护裂相横差保护裂相横差保护、 u 采用具有比率制动特性的差动元件时采用具有比率制动特性的差动元件时B B、拐点电流、拐点电流 在额定工况下，保护的制动电流约为0.5 ，因此，拐点电流可取（0.20.5） 。C C、比率制动系数、比率制动系数 比率制动系数 可取0.4-0.5。 一般情况，比起纵差保护，裂相横差保护的拐点电流定值要小，启动值要大 整定计算整定计算4、 zoIeIeIzKzK智库电力安全技术研究中心纵向零序电压式定子匝间保护纵向零序电压式定子匝间保护交流接入回路交流接入回路、 纵向零序电压式匝间保护的接入

32、电压，取自机端专用TV的开口三角形电压。对发电机专用TV的要求是：全绝缘式TV，其一次中性点不能接地，而应通过高压电缆与发电机中性点连接起来。保护装置的交流接入回路如图10所示。 图图1010纵向零序电压式匝间保护交流接入回路纵向零序电压式匝间保护交流接入回路在图10中：对保护接入专用TV二次电压的目的是用于TV断线闭锁。、 智库电力安全技术研究中心纵向零序电压式定子匝间保护纵向零序电压式定子匝间保护逻辑框图逻辑框图、 为防止专用TV一次断线时匝间保护误动，引入TV断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他原因（例如专用TV回路出现问题）产生的纵向零序电压使保护误动，通常采用负序功率方向闭锁元件（也

33、有采用负序功率增量方向元件闭锁的）。对于微机型保护装置，负序功率方向判据应采用允许式闭锁。该保护的逻辑框图如图11所示。、 图图1111发电机纵向零序电压式匝间保护逻辑框图发电机纵向零序电压式匝间保护逻辑框图智库电力安全技术研究中心纵向零序电压式定子匝间保护纵向零序电压式定子匝间保护专用专用TV断线闭锁元件断线闭锁元件、 反映TV二次三相电压向量和的比较式TV断线闭锁装置，是按对专用TV及普通TV二次三相电压的向量和进行绝对值比较的原理构成。其动作方程为 （9） （10）在式（9）和（10）中： 、 、 专用TV二次三相电压； 、 、 普通TV二次三相电压。式（9）表示专用TV一次断线；式（1

34、0）表示普通TV一次断线。 正常工况下，TV二次三相平衡，其向量之和近似等于零。当专用TV一次某相断线时 V，而普通TV二次 。反之，当普通TV一次断线时， ，而 V。因此，式（9）及式（10）能正确反应TV一次断线。 但是，由于专用TV一次中性点不接地，而普通TV一次中性点直接接地，当发电机定子绕组发生单相接地时，断线闭锁元件将误判普通TV断线。、 三相电压向量和比较式三相电压向量和比较式1cbaCBAUUUUUUcbaCBAUUUUUUAUBUCUaUbUcU57CBAUUU0cbaUUU0CBAUUU57cbaUUU智库电力安全技术研究中心纵向零序电压式定子匝间保护纵向零序电压式定子匝间

35、保护专用专用TV断线闭锁元件断线闭锁元件、 电压平衡式TV断线闭锁元件，是按比较两组TV二次同名相间电压 、 及 的原理构成。其动作逻辑框图如图12所示。 图图1212电压平衡式电压平衡式TVTV断线闭锁逻辑框图断线闭锁逻辑框图在图12中： 差压整定值； 、 、 专用TV与普通TV二次同名相间电压之差； 取 、 、 中的最大者； U2 普通TV二次的负序电压。、 电压平衡式原理电压平衡式原理2UabUbcUcaUcabcabUUUmaxabUbcUcaU智库电力安全技术研究中心纵向零序电压式定子匝间保护纵向零序电压式定子匝间保护负序功率方向负序功率方向、 负序功率方向元件的接入电压为机端普通T

36、V二次三相电压，接入电流为机端TA二次三相电流。 负序功率方向元件的作用，是防止区外故障及因任何原因使专用TV二次次回路异常时匝间保护误动。为此，其动作方向应指向发电机内，当负序功率动作时，允许保护动作。、 智库电力安全技术研究中心纵向零序电压式定子匝间保护纵向零序电压式定子匝间保护定值整定定值整定、 对纵向零序电压式匝间保护的整定，主要是确定纵向零序电压元件的动作电压，断线闭锁元件的差压，负序电压元件的动作电压。、 动作电压动作电压3Uo1 动作电压 的整定原则是：能可靠躲过正常工况下由于发电机纵向不对称及TV一次或二次次参数不一致产生的零序电压；另外，在定子绕组发生最少匝间短路时，保护应可

37、靠动作。 可取3-10V， 电压差电压差U2智库电力安全技术研究中心纵向零序电压式定子匝间保护纵向零序电压式定子匝间保护定值整定定值整定、 、 负序功率方向元件的动作方向负序功率方向元件的动作方向3 为防止因专用TV三次回路异常或一次保险熔断不干脆使保护误动，负序功率方向元件的动作方向应指向机内。 负序电压元件的动作电压负序电压元件的动作电压4负序电压元件的动作电压，应保证正常工况不误动，通常取68V。 时间元件时间元件5躲过电压变化的暂态过程，取0.51秒。智库电力安全技术研究中心纵向零序电压式定子匝间保护纵向零序电压式定子匝间保护提高动作可靠性措施提高动作可靠性措施、 、 为确保纵向零序电

38、压式匝间保护动作可靠性，除增加一动作小延时及设置负序功率方向元件之外，尚应保证专用TV二次回路满足反措要求。 在TV二次开口三角回路不应设置保险或隔离刀闸的辅助接点；在TV端子箱TV二次星形和开口三角回路严格分开。另外，专用TV一次中性点对地绝缘应高，当PT的A、B、C三相一次绕组任一相接地时，不接地相对接地相承受发电机的相间电压，中性点承受相电压，所以，应采用全绝缘式TV，一次中性点通过高压电缆与发电机中性点联接起来，不允许一次中性点接地。智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护发电机定子单相接地的危害发电机定子单相接地的危害、 、 设发电机定子绕组为每相单分支且中性点不接地。发电

39、机定子绕组接线示意图及机端电压向量图如图13中的（a）、（b）所示。 （a） （b） 图图1313定子绕组接线示意图及电压向量图定子绕组接线示意图及电压向量图智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护零序电压及安全接地电流零序电压及安全接地电流、 、 设定子A相接地，接地点距中性点的电气距离为 ，则机端对地电压为 。接地点的零序电压： 3U0=UA (1)+ (UA)+UB+(UA)+ UC = UA+UB+ UC+3 (UA)= 3UA （11） 由式（11）可以看出，定子单相接地时，发电机系统的零序电压与接地点的位置有关，如图14所示。接地时的最大电容电流为Icmax=3Ue10-

40、3/(1/wc )（12）图图1414零序电压与接地位置的关系零序电压与接地位置的关系智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护零序电压及安全接地电流零序电压及安全接地电流、 、 发电机电压发电机电压容量容量安全接地电流安全接地电流备注备注6.3KV6.3KV50MW50MW及以下及以下4A4A10.5KV10.5KV50100MW50100MW3A3A13.815.75KV13.815.75KV125200MW125200MW2A2A氢冷发电机氢冷发电机2.5A2.5A18KV18KV以上以上300600MW300600MW1A1A对于不同电压等级及不同容量的发电机，其安全接地电流不

41、同。发电机电压越高及容量越大，其安全接地电流越小。安全接地电流与发电机电压及容量的关系列于下表。智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 假设：发电机定子绕组对地的分布电容沿发电机定子绕组均匀分布，其总电容为 ；发电机出线及连接元件（厂高变高压侧，主变低压侧）对地总电容为 ；发电机的三次谐波电势为 。若将电容 分成两等分，其一置于机端，另一置于中性点，则发电机三次谐波电流流通的等值回路如图15所示。 图15三次谐波电量的等级回路 发电机三次谐波电量的等值回路发电机三次谐波电量的等值回路1发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压智库

42、电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 2发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压3智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 4 发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 定子接地保护的种类很多。其中有：l零序电压式l零序电流式l三次谐波电压式l叠加直流式l叠加交流式l注入式等等 定子接地保护类别定子接地保护类别1 发电机定子接地保护发电机定子接地保护智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 目前，

43、国内采用的零序电流式定子接地保护有两种。一种用于小机组，另一种用于大机组。小机组零序电流式定子接地保护的原理构成接线图如图17所示。 零序电流式零序电流式定子接地保护定子接地保护2 发电机定子接地保护发电机定子接地保护用于大机组零序电流式定子接地保护的原理接线图如图18所示。图17零序电流式定子接地保护构成示意图图18零序电流式定子接地保护构成示意图智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 叠加式定子接地保护有两类，其一是叠加直流式，另一是叠加低频交流式（例如叠加一12.5Hz的低频电压）。 叠加式定子接地保护的优点是：动作灵敏度高（特别是叠加直流式）及无死区（100%定子接地

44、保护）。缺点是构成复杂，需要一套外加电源。 叠加式叠加式定子接地保护定子接地保护3 发电机定子接地保护发电机定子接地保护智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 零序电压式定子接地保护的零序电压，可取自机端TV二次开口三角电压，也可取自发电机中性点TV二次（或消弧线圈或配电变压器二次）。其动作逻辑框图如图19所示。图19零序电压式定子接地保护逻辑框图 在图19中： 3Uo零序电压元件。 当零序电压元件 3Uo接于至机端TV二次时，为防止TV一次断线保护误动，应设置TV断线闭锁。 该保护的优点是：构成简单，动作可靠，其缺点是有死区，根据不同的整定值，在从中性点向机内1015%的定

45、子绕组接地时，该保护可能不动作。 零序电压式零序电压式定子接地保护定子接地保护4 发电机定子接地保护发电机定子接地保护智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 双频式100%定子接地保护的交流接入回路如图20所示。 图图2020双频式定子接地保护交流接入回路双频式定子接地保护交流接入回路图20中：TV1中性点电压互感器（或消弧线圈或配电变压器）；TV2机端电压互感器。 多数 3Uo定子接地保护不引入中性点TV二次电压，因此，当机端TV一次断线时，保护要误动，故需设置专用的TV断线闭锁元件。 交流接入回路交流接入回路1 双频式双频式100%定子接地保护定子接地保护智库电力安全技术

46、研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 （1 1） 定子接地保护的逻辑框图定子接地保护的逻辑框图 图19所示的逻辑框图为零序电压取自机端二次开口三角的构成形式。当零序电压取自中性点TV（或消弧线圈或配电变压器）二次时，由于正常时无零序电压，断线不会造成保护误动，所以不需设置TV一次断线闭锁，故其逻辑框图为图21所示。 逻辑框图逻辑框图2 双频式双频式100%定子接地保护定子接地保护图21零序电压式定子接地保护逻辑框图（ 3Uo电压取自中性点TV或消弧线圈二次）第三种形式保护的逻辑框图如图22所示图22零序电压式定子接地保护逻辑框图智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 逻辑

47、框图逻辑框图2 双频式双频式100%定子接地保护定子接地保护A、动作方程 所谓幅值比较式，是比较中性点三次谐波电压 与机端三次谐波电压 的幅值。其动作方程为 （13） 幅值相位比较式，是同时比较中性点三次谐波电压 与机端三次谐波电压的大小及相位。其动作方程为 （14）UUKUKNS3331NSNUKUKUK333231B、逻辑框图三次谐波电压式定子接地保护的逻辑框图，如图15所示。智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 （3 3）定值的整定）定值的整定A、零序电压式定子接地保护的整定 逻辑框图逻辑框图2 双频式双频式100%定子接地保护定子接地保护 电压元件动作电压整定原则：

48、当保护装置中有性能良好的三次谐波滤过器时，应按躲过正常工况下TV开口或中性点TV二次可能出现的最大基波零序电压来整定。 （15） 当主变高压侧发生接地短路故障时，高压侧的零序电压可通过变压器两侧的耦合电容传递至发电机系统。当定子接地保护不引入高压侧零序电压作为制动量时，其动作延时其动作延时t t，应按与主变，应按与主变高压侧接地故障保护的后备段相配合高压侧接地故障保护的后备段相配合 （16）maxoHopoUKUtttomax高智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 逻辑框图逻辑框图2 双频式双频式100%定子接地保护定子接地保护 幅值、相位平衡系数K1 、K2 应在发电机空

49、载额定电压下或小负荷工况下调平衡整定。而制动系数K3 的确定应按下述原则进行：水轮发电机取0.2左右；汽轮发电机可取0.60.8。智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 提高双频式定子接地保护动作可靠性措施提高双频式定子接地保护动作可靠性措施智库电力安全技术研究中心 定子接地保护定子接地保护、 、 提高双频式定子接地保护动作可靠性措施提高双频式定子接地保护动作可靠性措施1 . 03eU1 . 03eU智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 电力系统同步稳定的概念电力系统同步稳定的概念 a、静态稳定 b、暂态稳定 c、动态稳定 静态稳

50、定问题静态稳定问题1 静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步，自动恢复到起始运行状态的能力。u静态稳定的判据之一是： dP/d0 0 对应的储备系数是： KP = (P JPZ)/PZ100% P J、PZ分别是线路输送极限功率和正常运行功率。u静态稳定的判据之一是： dQ/dU U0 0 对应的储备系数是： KU = (UZU C)/UZ100% U C、UZ分别是母线的临界电压和正常运行电压。智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 电力系统同步稳定的概念电力系统同步稳定的概念 暂态稳定问题暂态稳定问题2 暂态稳定是指电力系统受到大干

51、扰后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原有稳定运行方式的能力。 动态稳定问题动态稳定问题3 动态稳定是指电力系统受到小的或大干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 电力系统同步稳定的概念电力系统同步稳定的概念 基本公式基本公式4如下是发电机和系统连接的等值阻抗图忽略发电机的损耗，并网运行发电机的功角特性，如下图所示。并网运行发电机的功角特性可得同步发电机的有功功率的功角特性关系为：可得同步发电机的有功功率的功角特性关系为：P = (EP = (Ed d U Us s sin

52、sin)/ (X)/ (Xd d +X +Xs s) )可得同步发电机的无功功率的功角特性关系为：可得同步发电机的无功功率的功角特性关系为：Q = (EQ = (Ed d U Us s concon)/ (X)/ (Xd d +X +Xs s) )(U(Us s) )2 2/ (X/ (Xd d +X +Xs s) )智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 电力系统同步稳定的概念电力系统同步稳定的概念 发电机和系统失去静稳发电机和系统失去静稳5 在发电机正常运行，送电阻抗(Xd +Xs)不变的情况下，原动机出力不可能绝对平稳，不可避免的会有小的波动，

53、如果出现有一个微小的瞬时发生又立即消失的小扰动，例如PT瞬间变大，会导致发电机运行功角增大，在发电机运行功角90时，的增大将会使发电机向系统送出的有功Pm增大，从而求得发电机的原动力和电磁功率的平衡， PT=Pm， 90后，增加原动机出力，即加大PT，也会导致发电机运行功角增大，但发电机有功Pm反而减小。此时，PTPm，不能求得发电机的原动力和电磁功率的平衡，发电机运行功角会持续增大，导致发电机与系统失步。这种情况称为发电机和系统失去静态稳定。对于通过线路连接的两个系统，两个系统内的等值机群也可能发生此类情况。智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、

54、电力系统同步稳定的概念电力系统同步稳定的概念 发电机和系统失去暂定稳态发电机和系统失去暂定稳态6 发电机受到大的扰动后，重新稳定运行的图形 下图中，PT、PMI、PMII、PMIII、0、e、k、max分别表示发电机原动机功率、正常运行的功角曲线、故障时的功角曲线、故障切除后的功角曲线、正常运行的功角、故障切除前的功角（在e点切除故障），故障切除后的重新稳定的功角，功角振荡时最大功角。 发电机受到大的扰动后，失去稳定运行的图形智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 发电机失磁导致失步发电机失磁导致失步 发电机正常运行时，其所对应的功角为o 。发电机稳

55、定运行。 发电机失磁后，发电机转子电流及气隙磁通按指数衰减，发电机电势 也按指数减少，功角特性曲线逐渐降低，如图所示，功角特性由曲线1向2、3、4变化。 此时，由于原动机输入的功率未变，发电机的功角必须增大，以满足其输入输出功率平衡。因此，当功角曲线向低变化时，功角 必须逐步增大（由 0增大至1 ），才能满足发电机输入与输出功率之间的平衡。 上述变化一直持续到=90 。由图可以看出，当功角增大到 90之后，功角的增大反而使电磁功率减少，发电机输入功率大于输出功率，转子加速运行，很快使功角达到180 ，此后，发电机便转入失步运行。发电机失磁后功角特性的变化智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定

56、和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 此时，描述发电机感受阻抗的是等有功阻抗园，其中， ZFDJ 、U J 、I 、U S 、jIXs 、P、Q 、ej、分别表示：发电机机端阻抗、发电机机端电压、发电机正序电流、系统电压、发电机电流在系统阻抗Xs上的压降、发电机发出的有功功率、发电机发出的无功功率、ej是单位向量，其幅值为1，与正方向横轴的夹角为、表示向量(PjQ)和(PjQ)之间的夹角，=2arc tg(Q/P)。 在直角坐标系的阻抗平面中，向量的 直角坐标表示法， 例如：Z =RjX，向量Z的起点是原点。向量的极坐标表示法（起点是原点、幅值、角度），例如：Z =|Z|60园的极坐标表

57、示法：（一个固定的向量加一个角度可变的向量是一个园，例如：Z =RjXA ej，如果向量A、B的连线是圆的直径，则，该园的圆心位置为(A+B)/2，半径为(AB)/2）。向量(PjQ)/(PjQ)=1 ej，是一个以原点为圆心，半径为1的园，=2arc tg(Q/P)，Q、P为变量。 圆的表示方法圆的表示方法发电机失磁导致失步发电机失磁导致失步 等圆有功等圆有功1智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 等有功园变化一直持续到 。当功角增大到 之后，功角的增大反而使电磁功率减少，发电机输入功率大于输出功率，转子加速运行，发电机的有功将会变化，发电机无功

58、Q = (Ed Us con)/ (Xd +Xs)(Us)2/ (Xd +Xs)，在 时，发电机处于失步的临界状态，无功功率Q =(Us)2/ (Xd +Xs)，无论有功状态如何，只要无功功率Q =(Us)2/ (Xd +Xs)，发电机都面临失步，所以称为等无功园：园心坐标: 0、j(XdXs)/ 2，园的半径：| (Xd +Xs)/ 2|发电机失磁导致失步发电机失磁导致失步 等无功园（临界失步园）等无功园（临界失步园）2智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 机组失磁以后，经过一段时间，最终会落在失步阻抗园中，失步阻抗园的园心坐标: 0、j(Xd+

59、Xd )/ 2，园的半径：|(XdXd )/ 2|园心坐标: 0、j(Xd+Xd )/ 2，园的半径：|(XdXd )/ 2|发电机失磁导致失步发电机失磁导致失步 失步阻抗园失步阻抗园3智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 发电机失磁之后，转子原有的直流励磁电流消失，发电机定子也不能切割转子的磁场，转子缺少定子切割磁场的阻力以后就会加速，导致发电机转子的转速大于同步速度，与定子旋转磁场之间形成滑差S。转子将切割定子的旋转磁场，并在转子上产生新的励磁电流，定子线圈切割转子上产生新的励磁电流后产生异步转矩，发电机发出异步功率。发电机失步运行时，输出的异

60、步功率与转差的关系如图所示。园心坐标: 0、j(Xd+Xd )/ 2，园的半径：|(XdXd )/ 2|图：发电机异步功率随转差S的变化发电机失磁导致失步发电机失磁导致失步 发电机失磁导致的失步运行发电机失磁导致的失步运行4智库电力安全技术研究中心电力系统同步稳定和失磁保护电力系统同步稳定和失磁保护、 、 1、主判据是阻抗园，阻抗园由机端电压电流经过运算构成，包含了低电压、无功进相等因素，一般采用临界失步园和失步园。2、辅助判据为系统低电压（或机端低电压），励磁低电压。其主要作用为：a、系统低电压（或机端低电压）：在失磁引起系统电压很低时，快速跳闸。b、励磁低电压：在系统振荡时，励磁电压不会降