《电力系统继电保护》课件-第8章发电机保护

第八章发电机保护重庆大学电气工程学院18.1

发电机的故障和非正常状态主要故障：定子绕组的相间短路、匝间短路和单相接地，转子绕组（励磁回路）一点和两点接地，发电机低励磁和失磁。非正常状态：定子绕组对称过负荷、不对称过负荷，过电压，转子绕组过负荷，逆功率，过励磁，失步等28.2

定子绕组相间短路保护8.2.1纵联差动保护的基本原理和不平衡电流3Iunb.max

Ker

Kss

Knp

Ik

.max，Ker

0.1，Kss

0.5，Knp

1

~

1.5Ik

.max是机端三相短路电流。opsenIK

Ik.min

。按躲过最大不平衡电流整定纵联差动保护动作电流，按机端两相短路最小故障电流校验灵敏性。

Iop

Krel

Iunb.max，Krel

1.3。8.2.1纵联差动保护的基本原理和不平衡电流48.2.2比率制动式纵联差动保护经计算，按躲过最大不平衡电流整定的纵联差动保护动作电流一般大于发电机额定电流In。实际发电机内部轻微故障或经过大过渡电阻短路时，要求保护能够瞬时跳闸，但此时的差动电流小于In，纵联差动保护不能够动作。一般采用折线型的动作特性图8.2

折线比率制动式纵联差动保护动作特性dIIresIres.minIop.min5比率制动式纵联差动保护的灵敏度更高，其差动电流和制动电流分别定义为折线式动作特性：最小动作电流最小制动电流折线斜率灵敏系数Ires.min

(0.8～1)InIres.max

Ires.minK

KrelIunb.max

Iop.minopsenIK

Id

.min8.2.2比率制动式纵联差动保护68.2.3不完全纵联差动保护与完全纵联差动保护共同组成发电机绕组相间短路的双重化主保护，而且不完全纵联差动保护能够反应匝间短路及分支绕组的开焊故障。中性点侧接入保护的分支数N，总分支数a。中性点侧电流互感器的变比n2与机端侧电流互感器的变比n1的关系：I-ITA1TA2图8.3

不完全纵联差动保护原理接线TA3A相B相C相……2 1an

N

n78.3

定子绕组匝间短路保护8.3.1横联差动保护基本原理发电机定子每相由数个并联绕组构成时，可采用横联差动保护。同相同分支匝间短路和同相异分支匝间短路。N很小或N1和N2差异很小时，保护可能因灵敏性不足而拒动。8在定子绕组平均分成两部分的情况下采用单元件横联差动保护；只装设一个电流互感器，不平衡电流更小，保护灵敏性更高；三次谐波滤过器消除外部故障导致的三次谐波分量对保护灵敏性的影响；当出现转子一点接地时，即将跳闸信号切换至延时回路，以躲过瞬时两点接地故障。滤除三次谐波图8.5

单元件横联差动保护理接线ABCI-I瞬时跳闸延时跳闸8.3.2单元件横联差动保护98.3.3裂相横联差动保护完全裂相横联差动保护和不完全裂相横联差动保护裂相横联差动保护几乎可以反应发电机内部所有情况，是大型多分支发电机的有效保护方式。I-I图8.6

裂相横联差动保护原理接线CBA108.3.4转子二次谐波电流保护定子匝间短路时绕组中会产生负序电流，将在转子绕组中感应二次谐波电流。发电机外部不对称短路时，定子中也会产生负序电流，所以需要根据发电机端负序功率方向来区分两种故障。118.3.5定子纵向零序电压保护定子绕组匝间短路破坏了三相绕组的对称性，机端对定子绕组中性点的三相电压不对称而出现纵向零序电压，由专用电压互感器（一次侧星形绕组中性点与发电机定子绕组中性点连接，而且不接地）的二次侧开口三角形绕组两端取得；动作电压按躲过外部不对称短路时的最大不平衡电压整定，二次值一般可取2.5～3V；采用三次谐波滤波器减小不平衡电压；外部短路且短路电流很大时，波形畸变会产生三次谐波，导致纵向3U0增大。故加装负序功率方向元件,用以区分出发电机外部短路；配置电压互感器断线闭锁。负序功率方向继电器零序电压继电器~与3U0128.4

定子绕组单相接地保护定子绕组与铁心间绝缘破坏经外壳单相接地；定子绕组中性点运行方式：1）不接地（三相电容小于允许值时）；2）经消弧线圈接地（欠补偿方式，补偿接地短路故障处的容性电流，防止产生电弧）；3）经配电变压器高阻接地（防止暂态过电压破坏定子绕组绝缘）；对于中性点不同的接地方式，定子绕组单相接地后的接地电流、过电压，以及对应的保护方式都有所不同；13定子绕组单相接地时，故障处的零序电压与机端的零序电压相等，并随故障位置的不同而改变，越靠近机端，零序电压越高，可以利用其构成定子绕组单相接地保护。过电压二次侧动作值取5～10V；当故障位置位于α＜5%～10%的区域时，因基波零序电压小于动作电压值而保护不能动作，故该区域是保护的动作死区。图8.7

单相接地故障示意及机端电压矢量图BAαE

CE

BE

A

C

E

Ak33二次侧3UG

(0)

100V100，根据机端开口三角形电压互感器变比U

N8.4.1基波零序电压保护148.4.2三次谐波零序电压保护SN2CGUN3E3WCUS

3SN2CGN3UE3WCUS

33LG(a)(b)图8.8

发电机三次谐波电动势等值电路图N

3

S3

1UU图8.9

发电机单相接地时三次谐波电动势等值电路图N2

CGUN3

E3S2(1

)CG(1

)E3CWUS

3

15动作方程1β0是实测发电机正常运行时的最大三次谐波零序电压比值。β取0.2～0.3；根据三次谐波零序电压实测值调整Kp，使正常运行时动作量值趋于零。三次谐波零序电压保护和基波零序电压保护的动作区之和能够覆盖定子绕组的全部，故两者组合（出口逻辑为或）可以构成100%定子绕组单相接地保护。US

3

UN

3KPUN

38.4.2三次谐波零序电压保护16动作方程28.5

负序过电流保护定子绕组负序电流对发电机的影响：1）使转子上感应产生倍频电流，导致的发热易烧伤转子；2）产生了倍频交变电磁力矩，作用在转子轴系和定子机座上，引起倍频振动。8.5.1发电机承受负序电流的能力长期承受的负序电流I2∞：负序电流温升试验。大型汽轮发电机承受负序电流的能力相对较低。水轮发电机取值大于汽轮发电机取值，且有阻尼绕组的大于无阻尼绕组的。短期承受负序电流的能力用转子发热常数A表示，随着发电机组容量的不断增大，其A值也随之减小。17对大型汽轮发电机，要求装设与发电机承受负序电流能力相匹配的反时限负序电流保护动作于解列或程序跳闸，其动作特性为对中小机组，通常采用两段定时限负序电流保护IⅠ

(0.5～0.6)I

N，tⅠ

3～5s，动作于跳闸IⅡ

0.1IN，tⅡ

5～10s，动作于告警。222

I

2I

2aI

2A At

8.5.2负序过电流保护的构成18反时限下限动作电流和动作时间反时限上限动作电流按发电机对应的变压器高压侧两相短路的负序电流整定，动作时间与纵联差动保护配合。A，限制最大取值不超过1000s。I

22s.op2s.op2

I

2t

8.5.2负序过电流保护的构成198.6

发电机失磁保护8.6.1失磁运行状态特征发电机失磁故障是指发电机的励磁全部消失或者部分消失。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。发电机失磁的影响：1）从系统中吸收无功功率，随转差率s增大，所吸收的无功功率增加；2）引起系统电压下降，破坏稳定运行，甚至可能导致电压崩溃使系统瓦解；3）随吸收的无功功率增加，发电机能够输出的有功功率减少；4）在转子回路产生差频电流，形成附加的损耗，使转子过热；5）定子端部漏磁增加，使端部铁芯过热；6）定子绕组过电流；7）机组振动。20发电机失磁后的运行：汽轮发电机失磁后可以快速调节汽门，使机械功率和异步电磁功率迅速平衡，达到稳定异步运行状态，不会严重超速。当系统无功功率充足时，汽轮发电机失磁后可异步运行一段时间，否则就不应该继续运行。水轮发电机调速系统时滞较大，转差s较小时异步电磁功率也很小，失磁后很快会严重超速，而从系统中吸收的无功功率相对较大。因直轴和交轴参数很不对称，异步运行时水轮发电机组振动较大。故水轮发电机一般不允许在失磁以后继续运行。8.6.1失磁运行状态特征218.6.2失磁后机端测量阻抗图8.10

发电机并网运行等值电路E

ddU

gSX XU

SI

22发电机失去励磁至异步运行的过程：1）失磁到临界失步阶段，又称为等有功过程；电动势E逐渐降低，机械功率PT和电磁功率P动态平衡，转速微小反复变化，功角δ逐渐增加至90°（临界失步），电磁功率Q随δ变化而逐渐减小，然后反向增加（吸无功）；2）不稳定运行阶段；P随δ继续增大而持续减小，转速逐渐增加，转差s增大，异步电磁功率Pas增大；3）稳定异步运行阶段；PT和Pas平衡，s稳定。8.6.2失磁后机端测量阻抗23机端测量阻抗3）稳态异步运行阻抗圆；1）等有功阻抗圆；22ge

j

2

2）等无功阻抗圆，或临界失步圆，或静稳阻抗圆；

ZXSj

XdXS

j

Xd8.6.2失磁后机端测量阻抗24图8.11

失磁后发电机机端阻抗的变化轨迹SjXabcjXRjX

d

123jX

d8.6.2失磁后机端测量阻抗251.低电压判据1）系统低电压判据，按三相都躲过高压系统母线允许最低正常运行电压整定Uop

0.85

~

0.95

Uh.

min2）机端低电压判据，按三相都躲过强行励磁启动电压及不破坏厂用电的安全整定Uop

0.8

~

0.85

UG.N8.6.3失磁保护的构成方式262.定子阻抗判据1）异步边界阻抗继电器，动作特性圆1；2）静稳极限阻抗继电器，动作特性圆2；3）无功反向定值（与静稳极限阻抗配合）按躲过发电机额定有功下允许的进相运行无功功率整定8.6.3失磁保护的构成方式Xc

XS，Xb

Xd。Qop

KrelQjx为防止故障或振荡时误动，可整定为Qop

5%QG.N273.转子电压判据1）励磁低电压，按躲开空载运行时的最低励磁电压整定2）变励磁电压，按当前有功负荷下静稳边界所对应的励磁电压整定U

f.op

0.8U

fdoU

f

.op

E

P

Xd

XS

。4.失磁判据组合及动作时间8.6.3失磁保护的构成方式288.7

发电机失步保护发电机失步的原因；失步对发电机组和电力系统产生的破坏性影响：1）通常此时振荡中心落在发电机附近或升压变压器内，机端电压周期性的严重下降，破坏发电厂供电；2）振荡电流幅值接近机端三相短路电流，使定子绕组遭受热损伤或端部遭受机械损伤；3）振荡过程中产生对轴系的周期性扭力，可能造成大轴严重机械损伤；4）振荡过程中周期性转差变化使转子绕组中感生电流，引起转子绕组发热；5）大型机组与系统失去同步，可能导致电力系统解列甚至崩溃事故。29对于失步保护的基本要求是：1）失步保护应能鉴别短路故障、稳定振荡和非稳定振荡，且只在发生非稳定振荡时可靠动作，而在发生短路故障和稳定振荡情况下，不应当误动作。2）失步保护动作于跳闸时，如在δ=180°时使断路器断开，则可能会因电流过大而对断路器熄弧最为不利，失步保护应躲过这种情况。8.7发电机失步保护308.7.1发电机的振荡状态318.7.2三阻抗元件失步保护图8.14

三阻抗元件失步保护动作特性RjXORIRZA

RZCO①ZBL②③Ⅱ段

ILⅠ段O