发电机及电动机保护

1、发电机及电动机保护原理与整定计算长沙理工大学，穆大庆1发电机保护1-1发电机纵差保护基本原理：与线路纵联差动及变压器纵联差动相同。作用：反映发电机内部（包括机端引线）相间短路（横向故障）的主保护作用对象：出口QF,灭磁开关，停机、完全纵差与不完全纵差的差动电流id与制动电流ihcdzh1、完全纵差保护可反映G内部相间短路，但不能反映匝间短路和开焊故障。TA1T-ee相TA2TA1包相相间短路（iT+1N=id）匝间短路或开焊（iT+iN=0）1zh2cdTN差动电流icd=iiT+iNi；制动电流izh=it-iNi2、不完全纵差正常运行及外部短路匝间短路或开焊（IT/iN=K）出口侧TA1接

2、相电流，而中性点侧TA2只接每相部分分支的电流，同时为了保证在正常运行及外部短路时差动电流为0，需进行分支比例调整。1差动电流id=iiT+kiNi；制动电流ih=Iit-kiNicdTNzh2TN分支系数K=中性点全电流分支电流不完全纵差可反映G内部相间短路、匝间短路和开焊故障。、比率制动特性及整定计算：1、最小启动电流Id.:躲过正常工况下最大的差动不平衡电流。dz.min一般Id.=（0.30.4）I2TOC o 1-5 h zdz.mme.22、拐点电流Ih.:一般取Ih.=（0.50.8）I2zh.minzh.mine.23、制动特性斜率Kzh：躲过外部短路最大不平衡差动电流。一般K

3、zh=0.30.5（不完全纵差Kzh应适当偏大）4、差动速断动作电流Id:一般取Id=（48）I2dz.maxdz.maxe.25、内部短路灵敏度校验：要求机端两相金属性短路的灵敏系数Klm2.0三、纵联差动出口方式1、单相出口方式可设置TA断线闭锁差动出口及差动电流Icd大于解除闭锁定值I。而解除闭锁功能。解除闭锁定值IJC=（0.81.2）Ie.2考虑到TA二次断线会引起高电压的危险，大型发电机组往往不采用TA断线闭锁，将解除闭锁定值Ijc设为0即可。2、循环闭锁出口方式循环闭锁：至少有两相差动动作，差动保护才出口动作（发电机中性点不直接接地，单相接地不形成短路）为保证发电机内一相接地且发

4、电机外另一相接地的两点接地短路情况下差动保护能可靠动作，则当仅一相差动动作但存在较大负序电压时，则解除循环闭锁。解除循环闭锁的负序电压定值UJC=（912）V若仅一相差动动作且无负序电压，则判为TA断线而发信号。1-2发电机横差保护作用：反映G内部绕组（不含机端引线）相间短路、匝间短路和开焊故障的主保护作用对象：出口QF,灭磁开关，停机一、裂相横差保护（也称三元件横差保护，构成相对复杂，作为单元件横差的补充）1、基本原理（正常）（匝间短路）（相间短路）（1）G正常运行或外部短路时两支绕组电势相等，故两支电流大小相等，差动电流Icd=0cd（2）同一支绕组上匝间短路（a：短路匝数占整支匝数的百分

5、比）两绕组电势不相等一环流Id较大Id=21丿nTAdcddTAa-0时，Id-0,拒动出现死区cd（3）同相不同支绕组上匝间短路（al,a2）两绕组电势不相等一环流I厂较大Id=2Ik/nTAdcdkTAa=（ala2）-0时，気0,拒动出现死区相间短路产生较大Id较大Icd=Id/nTA开焊故障：某支开焊时，一支无电流、一支有电流f较大Icd=Ifh/nTA2、整定计算l比率制动特性：差动电流Icd=|ifzi+ifz2】；制动电流Izh=2lifziifz21最小启动电流Idz.min=（0.30.5）Ie.2拐点电流打血/20.5）L（3）制动特性斜率Kzh=0.40.5差动速断动作电

6、流Idz.max=（48）1.23、多并联分支的水轮发电机裂相横差为保证在正常运行及外部短路时两组TA产生的差动电流为0,需在保护内部进行平衡系数调整。二、零序电流横差保护（也称单元件横差或高灵敏度横差，构成简单且灵敏度高）在每相多分支的多个中性点连线上接入零序电流式横差保护：左星形：IL=IA.L+IB.L+IC.L,右星形：IR=IA.R+IB.R+IC.RfIcd=|ILIR|/nTA正常运行及外部短路时：Icd=Ibp（很小），保护不动作匝间短路时（a）：Id=Id/nTA（环流，很大），保护动作cddTAa-0时，Id-0,保护拒动出现死区cd转子两点接地-转子磁场畸变-横差保护误动

7、。措施：G有转子两点接地保护时，转子一点接地后横差保护改为经短延时t出口；G无转子两点接地保护时，转子一点接地后横差保护不延时，允许横差保护瞬时出口。动作电流定值Id:躲过系统不对称短路及发电机失磁失步时转子偏心产生的最大不平dz衡电流（由于微机保护内部有专门三次谐波过滤，不需考虑三次谐波影响）：一般取Idz=（0.30.4）Ie.2短延时t：与两点接地保护动作时间配合，一般取0.51.0S（为提高保护灵敏度，TA变比一般选择较小：200/5600/5）1-3发电机纵向零序电压匝间短路保护一、基本原理（两段式：I段大定值；II段小定值）反映发电机内部绕组相间短路、匝间短路及分支开焊故障。_.r

8、Uan=UAN；Ubn=UBN；Ucn=UCN；贝：3U0=（UAN+UBN+UCN%VG内部故障一三相机端对中性点电压不平衡一较大纵向基波零序电压3U0-保护动作。外部短路时或专用TV回路有问题，可能出现较大|3U0|,导致保护误动。措施：增加负序方向元件P2,只有内部故障时P2为正，才开放纵向基波零序电压保护。为防专用TV断线导致保护误动，引入专用TV断线闭锁。专用TV断线闭锁判据采用普通机端TV与专用TV的同名相电压差是否大于定值AU二、整定计算可采用两段式纵向零序电压保护：I段整定值3U0.dz.I：125MW汽轮发电机取8V以上；200300MW汽轮发电机取58V；II段基波整定值3

9、Uo.dz.=（O.40.8）3U0.dz.（般约23V）；II段三次谐波整定值3U0.3w.dz.：取发电机额定负荷下三次谐波电势，一般取25V；II段三次谐波增量制动系数K:一般取0.40.5；ZII段延时t：为确保专用TV一次断线时保护可靠不误动，II段需延时0.150.2S；专用TV断线判断定值AU：取710V三、缺点*该保护可靠性不高（容易误动）*定子单相接地故障（k点接地），由于专用TV的n与发电机N相连且不接地，三相电压平衡未被破坏，无纵向3U0输出，保护不会误动（该保护是反映G内部短路和开焊的一种主保护，不是定子接地保护）。但是专用TV的n与发电机N的连接电缆绝缘破损而接地时，

10、将造成定子接地保护误动。1-4发电机定子绕组单相接地保护一、我国发电机单相接地电流允许值6.3kV及以下4A10.5kV3A13.815.75kV2A（氢内冷发电机为2.5A）18kV及以上1A二、基波零序电压保护定子绕组单相接地时，出现较大的零序电压，利用该零序电压可构成定子绕组接地保护。零序电压取自发电机出口TV的开口三角形或发电机中性点单相TV。，该保护反映接地电容电流Ic中性点三次谐波电压UN3(即：US3/UN31)(1)正常运行时即：US3UN3中性点对地电抗：XN3=1/(J9Cg);机端对地电抗：XS3=l/j9(CG+Cs)中性点三次谐波电压：UN3=XN3E3/(XN3+X

11、S3)机端三次谐波电压：US3=XS3E3/(XN3+XS3)则：US3/UN3=XS3/XN3=(CG)/(CG+CS)1动作条件不满足，不动作。(2)定子绕组单相接地时(a)设F点定子绕组金属性接地UN3=E3，US3=E”3故：US3/UN3=E”3/E3aUN3,满足动作条件，动作La50%时(F点位于M点右侧)，US3卩lUN3I适当调整系数Kp使正常运行时|US3KpUN31=当靠中性点定子绕组接地，F，百N3JT百S3-兀百N31邛百N31保护灵敏动作当靠机端定子绕组接地，百S31，百N3T百S3-K百n32的百N3一保护动作可见改进型的三次谐波保护甚至可以单独作为100%定子接

12、地保护）微机型三次谐波定子接地保护中K采用自适应系数：K二J3（k_PN）PPU（k-pN）N3动作条件：1US3（k）-:S3：-；：）UN3（k）|PJUN3（k）1N3（k：本采样点，k-pN：前整数个周波的采样点）(0取0.10.15)幅值比突变量式动作条件：,IU(k)1IU(k-pN)1IS3S3IU(k)IIU(kpN)1N3N3IAPset相量比突变量式动作条件：IUS3（k）US3（k_pN）IAPtU（k）U（kpN）setN3N31-5发电机转子接地保护一、电桥式转子一点接地保护二、叠加直流电压式转子一点接地保护将外加交流电压U经过电压变换器UV及整流桥VU整流得到的直流

13、电压Ud经继电器K加到转子的负极与地之间。继电器K中的直流电流：IdUd+(Ue/2)/(RK+Ry)(Rk：继电器K的内阻；R：励磁绕组对地绝缘电阻)Ky正常时：Ryf,Idf0,保护不动作转子回路绝缘下降或一点接地时：Ry!fIdt，保护动作于信号。若接地点在励磁绕组负极性端，IdUd/RK若接地点在励磁绕组正极性端，Id(Ud+U)/RKddeK若接地点在距负极性端a%,Id宀(U.+aU)/RkddeK(可见，随接地点位置不同，该保护的灵敏度不同)三、叠加交流电压式转子一点接地保护(叠加直流式的缺点：保护灵敏度随接地点位置变化；励磁绕组与地之间未完全实现直流隔离)将交流电压U经继电器K

14、、隔直电容C加于励磁绕组的一端与大地之间。a正常时：IaUa/ZK+1/OC)+ZyS2，并实时采样励磁电压U和R上的电压U。12ezz由电路已知参数Rx、Ry、Rz及两次采样得到的Ue、UpUe2、Uz1即可算出励磁绕组LE的对地绝缘电阻Rf及接地点的位置a。RRUUR（R+R）TOC o 1-5 h zR=y_zele2一R一一xxf2R+RUU-UUz2R+Rxyz1e2z2e1xyRUURa=yz1e2+x2R+RUU-UU2R+Rxyz1e2z2e1xy当Rfv（810）kQ，延时69S发信号（并投入转子两点接地保护，并将单元件横差保护切换到延时出口）。当Rf（0.51）kQ，延时6

15、9S切机。五、转子两点接地保护转子两点接地一气隙磁场畸变一定子绕组中产生二次谐波负序分量电势转子两点接地保护动作条件：口肿口品且5。22隘.1（U2ro.1u2（d.2：二次谐波的正序及负序分量电压；U2ro.dz:二次谐波负序电压定值）整定值U2d:躲过发电机额定工况下的最大二次谐波负序电压，一般取0.82V2.dz动作延时：为防止外部故障暂态过程中保护的误动，应延时0.51S1-6发电机过流保护一、复合电压闭锁的过流保护（同变压器过流保护）二、发电机负序过负荷及负序过流保护（用于50MW及以上的发电机）1、定时限负序过负荷及负序过流三相不对称短路或不对称负荷一负序过流f转子倍频电流f转子过

16、热、振动。叵元件f发信号，反映负序过负荷（整定值小）I2元件f跳闸，反映负序过流（整定值大）整定计算：1.2o.95（1）负序过负荷部分（小定值）动作电流in2d整定：躲过发电机长期允许负序电流i2:in2d=乞i2=2.dz2m2.dzk2mh经验公式：汽轮发电机：Iii2.dz=（0.060.08）Ie.2水轮发电机：巴血=（0.10.2）Ie.2动作延时tii:取69S（2）负序过流（不对称短路）部分（大定值）动作电流Ii2d整定：2.dzII2.dz.*W；A/tjs：计算时间，即运行人员可采取措施消除负序电流所需的充足时间，取120s当I2*tjs，可人工处理，保护不必动作当I2*I

17、I2.dz.*时，允许时间tytjs，来不及人工处理，保护动作一般A=3040,则Ii2.dz=（0.50.6）Ie.2（汽轮发电机用0.5；水轮发电机用0.6）与相邻元件的后备保护配合（本后备保护Klm1.2lmd.2.min2.dz（Id2i:相邻设备末端不对称相间短路时流过本保护的最小负序电流）d.2.min2、反时限负序过负荷及负序过流保护（也称转子过热保护）（1）原理与构成对于大型内冷式汽轮发电机，为更好地与发电机承受能力匹配，采用反时限特性。反时限：动作时限t与通入发电机G的负序电流成反比变化G绝热条件下：I/,t=A则允许时间t=A/I222yy2考虑到G转子的散热条件，允许一定

18、的温升裕度则：保护实际反时限动作特性取：t=A/（孕一（a：散热常数）当I2超过发信定值I2.fx时，延时tfx（69S）发信号;当I2.xxI2I2.fx时，延时txx（300600S）2.xx22.fxxx当I2.sxI2I2.xx时，按反时限特性切机当1212时，延时t（0.30.5S）切机 HYPERLINK l bookmark44 22.sxsx（2）定值整定：1-2I丄C，0.952切机（i2.xx:下限定值）（i2.sx：上限定值）发信定值I2.fx发信延时tfx=69S下限定值I2.xx=（1-051.1）I2.fx，下限延时txx=300600Sxx上限定值I2.sx=发电

19、厂主变高压侧母线两相短路时G所提供的负序电流的1.05倍，上限延时t：与电厂高压母线上出线纵联保护或距离I段的动作延时配合。一般0.30.5Ssx热值系数A：由厂家数据确定，或按G容量选取：200300MW内冷式汽轮发电机：A=810300600MW汽轮发电机：A=68散热常数a：根据G长期允许负序电流能力来确定，一般不超过0.01。三、自并励发电机相间短路的过流保护特殊问题G外部机端附近短路fuG!GIE|f电势EIJ-Ug，Ik后备保护返回而拒动。因此，必须按后备保护的动作电流及动作时限校验自并励发电机后备保护的灵敏度是否满足要求。若不满足要求，对过电流型后备保护可改用低电压保持的过流保护

20、，带电流记忆的低压过流保护或电压控制过流保护。*低电压保持的过流保护（过流元件只作启动元件，启动后由低电压元件保持直至跳闸）*带电流记忆的低压过流保护：*电压控制过流保护：AECNaye整流整疣动作条件：IXUset+KuU)/K动作电流门槛值IOp=(Uset+KUU)/KI是随测量电压U变化,U越小，所需要的动作电流也越小。1-7发电机失磁保护一、失磁的特点设正常运行于a点，低励失磁一励磁电流!-Ed功角曲线P(8)下降，至b点一PvPm-转子加速，功角t-P回升至c点，P=Pm；由于惯性继续t-PPm-转子减速，按等面积法则至d点(加速面积abc=减速面积cde),开始I-P回落至c点，

21、P=Pm；由于惯性继续PvPm转子加速，经加速、减速循环往复的衰减振荡稳定在c点稳定振荡(同步振荡)。若严重失磁f曲线P()大幅下降一可提供的减速区面积chfv加速面积abc惯性t的减速过程中，冲过f点，即尚未将加速面积的能量耗尽又出现PvPm转子又加速，不断t异步运行(失步)。二、失磁的影响：U21、失磁Ed!，tG发出的Q持续下降，当t=90时，Q=-s无功反向(发电dXd工机吸收无功以建立磁场，进相)，继续t反向无功t系统无功缺额一系统电压U电压崩溃。2、由于从系统吸收大量无功，为防止定子过流，有功P!3、G转子转速tG频率fG系统频率fS转子中出现滑差(fG-fS)交流一转子过热、振动

22、4、G振动，电压（一自动解列装置动作，使G与系统解列。三、失磁过程中的机端测量阻抗由分析可以得出：失磁前位于第一象限（a点）失磁后，无功Q（由正变负，UG!,Zm沿等有功圆进入第四象限，进而落在临界失步圆上（b点），进而进入失步区c点异步运行（失步振荡）。为准确判别是否进入失步，一般采用异步边界阻抗圆（以-jXd/2和-jXd两点为直径作圆）而不用静稳定极限圆。四、低励失磁保护常用的动作判据1、定子侧三相同时低电压判据（1）系统低电压判据（一般装设在升压变的高压侧母线上）动作判据为所测三相同时低电压：U3ph.sV（0.850.9）Uh.e.2（Uh.e.2:升压变高压侧母线额定二次电压）（2

23、）机端低电压判据对位于负荷中心的大型汽轮发电机，装设于机端（直接监视厂用系统的三相电压水平）动作判据：U3ph.G（0.80.85）Ue.2.G（Ue.2.G:机端额定二次电压）*系统中三相短路时会出现三相同时低电压，该失磁保护将误动（两相或单相短路时，由于不会出现三相同时低电压，保护不会误动）。措施：依靠励磁电压判据：VfdvO.8Vfd.o（Vfd.o：空载励磁电压）来防止误动。2、阻抗圆特性判据（1）静稳定极限阻抗圆由于静稳定极限阻抗圆包含位于横轴以上的第一、第二象限的动作区，容易造成非失磁情况下的误动（如G外部经过渡电阻短路、系统振荡、在允许程度下的进相等），故动作特性往往在静稳定极限

24、圆基础上进行修正：加入直线方向特性oa、ob；或采用以坐标原点和-jxd点为直径的下抛圆；或采用苹果圆特性jXd例如采用过坐标原点的下抛圆：阻抗圆圆心取X=-0.6Xd；半径X=0.6Xdcdrd（2）异步边界阻抗特性判据以-jXd/2和-jXd两点为直径的圆特性，由于特性区在横轴以下，不易出现非失磁情况造成的误动。但对于与系统联系薄弱（XS较大，等有功圆偏上）、负荷较重（P大，等有功圆小）的发电机，等有功圆与异步边界阻抗圆相交太少甚至不相交，在失磁开始阶段，沿等有功圆进入异步边界阻抗圆并在其中停留的时间太短或根本不进入，则失磁保护（有延时）不动，只有当失磁发展并进入异步状态，失磁保护才动作，

25、导致在失磁保护动作之前超高压线路对侧的后备保护抢先动作而给运行带来麻烦。因此这种方式不适宜远离负荷中心与系统联系较弱的大型水轮发电机和坑口电厂的大型汽轮发电机。判据（vfdP判据）常规励磁电压判据：Vfd0.8Vfd.o，其动作电压是一固定值：0.8Vfd.o静稳极限励磁电压判据其动作电压不是固定值，是根据所带有功P,按静稳定极限要求所必需的最低励磁电压。对Xd=X的隐极式汽轮发电机：dq失磁达到静稳定极限时的V=PX*（）/e=d*f.0Pfd匹产SVSefd.0e由于凸极式的水轮发电机Xd#Xq,上式需修正为一般式：V=XJfd.o（PP）凸极反映功率匕=丄（_SfdSt，t2XXeTOC

26、 o 1-5 h zeqS.*dS.*XV取动作电压为：Vfddz=ds.*fd0（P-P）（可靠系数Kk取为1.11.4）KStke微机保护为了内部处理方便,往往动作判据为：（满足两个中的任一个则动作）125 HYPERLINK l bookmark78 Vfd(P-P)或Vfd12%,0.5%，允许异步运行一段时间不允许异步运行汽轮发电机失磁后,允许持续异步运行1530分钟。失磁保护动作后应首先动作于：（1）跳灭磁开关，投入异步电阻R，使励磁绕组经R闭路（若部分失磁，机组在越过稳定asas极限后，由于P不为0,P将随着功角5=0。360。变化呈现正、负交变，产生振动危害大轴。因此失磁后，为

27、保证安全转入异步发电状态，应首先将剩余励磁全部退掉，使P=0）（2）将发电机负荷减少到允许值（3）若厂用电源取自本失磁机组机端，应先将厂用电源切换至备用厂高变微机型失磁保护结构：动作时限t1t4及出口可根据发电机类型及具体情况确定。常规型汽轮发电机失磁保护结构：*失磁时：z、Vfdv动作f&2动作f经t3延时（不停机）跳灭磁开关、投异步电阻、切换厂用电源；按P的设定值减负荷。*由于失磁后期进入异步运行时，Vfd是交变的，:Vfdv元件将周期性地动作与返回，若Vfd持续动作的时间v13，则t3元件将不再动作，无法保证自动减负荷和经t2动作于停机。因此，在失磁前期失磁保护动作后由或门H1实现自保持

28、，保证失磁后期也能可靠动作。*设置了长延时元件t2,进入异步发电运行后，经t2（=15分钟）自动动作于停机。*设置了切换片XB,当G运行状态不良，不允许异步发电运行时，可将t3切换到动作于停机。*若三相同时低电压元件UG及片动作，说明机端电压低于允许值，失磁保护经延时t1直接动作于停机。2电动机保护2-1电动机M的故障类型、不正常工作状态及保护一、故障类型及保护方式1、定子绕组相间短路相间短路一电动机严重损坏、使电网电压（影响其它负荷正常工作）。S2000kW的M（或S8I,保护瞬时动作，反映短路故障。eqeII段:I在48之间，采用极端反时限特性：t=80k11，反映机械堵转故障。eqI（_

29、q）2-1IIIdzIII段：I在1.154之间，采用极端反时限特性：t=晋，反映热过载故障。eqI（-q）2-1IIIIdz2-3电动机单相接地保护（针对中性点非直接接地系统中的电动机）（TA0为零序电流互感器，为防止电缆外皮及铠装中流过的杂散电流对保护的影响，应将电缆保安接地线沿电缆方向穿过TA0铁芯，使其产生的磁通与电缆外皮及铠装中杂散电流产生的磁通抵消）1、动作电流整定：躲过外部（其他设备）单相接地故障时，本支路所测最大零序电流（即电动机本身对地电容电流）3I0M:0.M.maxIdzoJ=Kk3I0.M.max叫A（可靠系数取45）2、灵敏度校验：按本电动机单相接地时本支路所测零序电

30、流（系统中所有非故障设备对地电容电流的总和）的最小值校验：（3I-3I）/nK=inTA三2lmIdz.j当Klm不满足要求时，可降低动作电流（降至1.52）,但为躲过单相接地故障瞬间暂态过程的影响，保护需增加延时。2-4电动机低电压保护1、电动机低电压保护的作用（1）当供电网电压降低或中断时，所有电动机转速下降。若电压恢复，则大量电动机自启动（没有任何启动措施的启动，相当于直接启动。电动机正常启动时，为限制启动电流，往往采用一些启动措施，如降压启动、绕线式转子中串电阻启动等），致使电压恢复时间延长，增加了电动机自启动时间，甚至无法自启动。为保证重要电动机自启动，当低电压状态达到一定时间，需跳开不重要电动机。低电压保护动作电压整定为（0.60.7）Ue，动作时限整