第二节 发变组微机保护2.0(一).ppt

1、第二节 发电机-变压器组微机保护,发电厂微机保护,培训内容,一、发电机保护 二、变压器保护 三、断路器保护,培训内容,一、发电机保护,发电机保护,1、发电机相间短路纵差保护 用来对付发电机定子绕组和引出线的相间短路故障，应瞬时动作于全停。 由两套相同但独立的纵差保护组成，见发变组保护配置图。,发电机保护,1、发电机相间短路纵差保护 （1）纵差保护的基本原理 1）互感器的连接 2）电量关系 3）正常运行 4）外部故障 5）内部故障,通过比较发电机机端与中性点侧同相电流的大小和相位来检测保护区内相间短路故障。,TA1、TA2性能、变比相同，分别装在机端、中性点侧的同一相。,TA1、TA2的极性如图

2、所示安装。,TA1一次电流正方向。,TA2一次电流正方向。,TA1二次电流正方向。,TA2二次电流正方向。,流经差动继电器的电流方向。,两个二次侧电流大小相等，流经差动继电器的电流为0。,故障点在两个互感器之外。,两个一次侧电流同向。,两个二次侧电流远大于正常时，但大小相等，流经差动继电器的电流约为0。,内部故障点位于两个互感器之间。,TA1的一次电流由高压侧流向故障点。,TA2的一次电流由中性点侧流向故障点。,流向差动继电器的电流等于两个互感器二次侧电流绝对值之和。,流向差动继电器的电流大于启动电流时，差动继电器动作。,发电机保护,1、发电机相间短路纵差保护 （1）纵差保护的基本原理 （2）

3、折线比率制动特性 1）不平衡电流 实际上按原理图实现的保护经常发生误动； 例如，正常运行但负荷较大时，发生跳闸。 再如，区间外部短路故障时，发生跳闸。,发电机保护,1、发电机相间短路纵差保护 （1）纵差保护的基本原理 （2）折线比率制动特性 1）不平衡电流 原因在于TA具有励磁电流， TAl与TA2的励磁特性不可能完全一致，即nTA1nTA2 ； 两个TA特性匹配不好时，负荷电流一大就可能使二次侧电流不平衡，当不平衡值大于KD整定的启动值，就会误动；,发电机保护,1、发电机相间短路纵差保护 （1）纵差保护的基本原理 （2）折线比率制动特性 1）不平衡电流 外部发生短路故障时，故障电流远大于正常

4、电流，TA铁芯发生饱和，致使TA二次侧电流不平衡； 外部短路暂态过程中的非周期分量全部进行励磁，也使TA二次侧电流不平衡；,发电机保护,1、发电机相间短路纵差保护 （1）纵差保护的基本原理 （2）折线比率制动特性 1）不平衡电流 为了防止误动，简单提高差动继电器KD 的启动值，将会降低保护的灵敏度，致使定子相间轻微短路发现不了。,发电机保护,1、发电机相间短路纵差保护 （1）纵差保护的基本原理 （2）折线比率制动特性 1）不平衡电流 2）解决的办法 为了防止误动，又不降低保护的灵敏性，可以寻找很多办法。 折线比率制动特性就是差动保护发展过程中的最新、最有效的方法之一。,发电机保护,1、发电机相

5、间短路纵差保护 （1）纵差保护的基本原理 （2）折线比率制动特性 1）不平衡电流 2）解决的办法 3）特性图 这是双斜率特性,引入反映差流的动作量|ID|：,引入反映穿越电流的制动量|IR|：,制动电流IR小于IRmin时,动作量ID只要大于启动值即可动作，保证轻微内部故障时较高的灵敏系数。,制动电流IR小于开关1的值时，动作电流ID按斜率1的比率增加；,制动电流IR大于开关2的值时，动作电流ID按斜率2的比率增加，保证外部故障不误动；,保证较严重内部 故障迅速跳闸； 轻微故障可以发现； 外部故障不误动。,发电机保护,2、发电机定子匝间短路保护 定子绕组匝间短路故障可分为一分支匝间短路和同相异

6、分支间短路，故障时同样会引起巨大短路电流而烧毁发电机。 因此，要求装设瞬时动作的匝间短路保护。 保护原理采用负序功率方向闭锁的零序电压保护保护方案 。 采用两套保护，用一只电压互感器的两个不同开口三角形绕组实现双重化。,发电机保护,2、发电机匝间短路保护 （1）匝间短路保护用TV0 （2）零序电压保护原理 1）正常运行和外部相间短路时 2）发电机内部或外部单相接地时 3）发电机内部发生 匝间短路 对中性点不对称的各种相间短路,零序电压3U0取自机端TV0的开口三角形绕组。,TV0一次侧的中性点必须与发电机中性点直接连接。,TV0的一次绕组必须是全绝缘的， TV0不能用来测相对地电压,是零序电压

7、匝间短路保护专用互感器。,TV0的开口三角形绕组没有输出，零序电压3U0理论上等于0.,一次系统出现零序电压，即中性点电压升高，普通TV的开口三角形绕组有3U0输出。,但TV0的一次绕组中性点并不接地，尽管一次系统中性点对地电压升高，但三相对中性点仍然对称。,TV0的开口三角形绕组仍然没有输出,3U0还是等于0。,TV0的一次侧三相绕组对中性点电压不再平衡，开口三角形绕组才有电压输出，即3U00，保护动作。,发电机保护,2、发电机匝间短路保护 （1）匝间短路保护用TV0 （2）零序电压保护原理 （3）提高灵敏度和可靠性措施 1）设置三次谐波滤过器 2）设置负序功率方向闭锁元件 3）设置断线闭锁

8、元件,由于发电机在正常运行时有三次谐波的存在，致使正常运行和外部短路时，在TV0的开口三角形绕组上出现较大的零序电压。 为了提高匝间短路的灵敏度，须设置三次谐波滤过器。,发电机外部短路时，由于电枢反应，磁通的波形畸变得非常厉害，出现的三次谐波往往经过三次谐波滤过器后还有相当高的值。,这时可采用负序功率方向闭锁元件，在外部短路时，使保护退出工作，从而进一步提高灵敏性。,防止TV0因断线在开口三角形侧出现很大的零序电压，使保护动作，还须设置断线闭锁元件。,断线时使保护退出工作，并发出信号。,发电机保护,2、发电机匝间短路保护 （1）匝间短路保护用TV0 （2）零序电压保护原理 （3）提高灵敏度和可

9、靠性措施 （4）保护原理接线图 考虑了灵敏度和可靠性问题的保护逻辑框图如图所示。,三次谐波滤过器,负序功率方向闭锁,断线闭锁,发电机保护,3、定子绕组接地保护 定子绕组单相接地故障是发电机最常见的故障之一。 大型发电机的定子接地保护要求满足两个基本条件： 1）有100绕组保护区。 2）保护区内发生带过渡电阻接地故障时保护应有足够高的灵敏系数。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 根据故障接地电流的大小，发生接地故障后可能有不同的处理方式： 1）当接地电流小于安全电流时，保护可只发信号，经转移负荷后平稳停机，以避免突然停机对发电机组与系统的冲击。 2）当接地电流较大时，为保障发电机的安全，应当立即

10、跳闸停机。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （1）95%零序基波电压保护 当发生定子绕组单相接地故障时，在发电机中性点和机端均会产生零序基波电压，其大小与发电机电压、对地电容、中性点接地电阻以及接地故障位置有关。 实测表明，发电机正常运行时不平衡零序电压可能超过10V，有时因TV饱和，甚至可能超过20V。,零序基波电压3U0一般取自机端TV开口三角形绕组。,机端TV第一绕组（一次侧）对第二绕组（二次侧，非开口三角形）和对第三绕组（二次侧，开口三角形）的相电压变比相同。,这时当机端单相金属性接地时，开口三角形绕组电压正好100V（代表3U0）。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （1）95%零

11、序基波电压保护 实际上不平衡零序电压主要是三次谐波成分，基波成分很小。 为了减小接地保护的动作电压，将输入电压先通过三次谐波滤过比很高的阻波电路。 使保护动作电压减小为510V（即动作区为9095）。 当然，实际接地时都有接地电阻，因此死区要大于以上数值。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （1）95%零序基波电压保护 （2）100%零序三次谐波电压保护 US、UN分别是发电机机端和中性点的三次谐波电压值。 由于发电机机端外接元件存在对地电容，正常运行时有： USUN ，但差别不大。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （1）95%零序基波电压保护 （2）100%零序三次谐波电压保护 设E是三次

12、谐波电动势，单相接地点发生在离中性点 处，则有： UN= E、 US= （1-） E， UN和US的关系如图所示。,中性点附近发生单相接地时，US远大于UN ，保护最灵敏。,机端附近发生单相接地时，US远小于UN ，与正常时差别很大，保护也比较灵敏。,中间发生单相接地时，US与UN的差别与正常时差不多，但存在相位差别，保护最不灵敏。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （1）95%零序基波电压保护 （2）100%零序三次谐波电压保护 可见： 1）零序三次谐波电压在整个发电机绕组上都有保护作用，即是100%保护； 2）中性点附近单相接地时，保护最灵敏； 3）机端附近单相接地时，灵敏性次之； 4）绕

13、组中间单相接地时，最不灵敏。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （1）95%零序基波电压保护 （2）100%零序三次谐波电压保护 综上所述，零序基波电压保护与零序三次谐波电压保护具有互补性。 这样由零序基波电压保护与零序三次谐波电压保护共同构成100%定子接地保护。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （3）外加低频电源式定子绕组接地保护 外加低频电源式发电机定子接地保护原理接线如图所示。 接地电阻判据与定子绕组的接地点无关，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。 接地电阻判据反映发电机定子绕组接地电阻的大小，设有两段接地电阻定值，高定值段作用于报警，低定值段作用于延时跳闸，延时可分别整定。

14、,从中性点接地变压器二次侧接入低频电源,发电机没有发生单相接地时，变压器二次侧零序开路。,IG0只是励磁电流，很小。,发电机发生单相接地时，变压器二次侧零序回路闭合。,IG0由于带有负载，变大。则 RE=UG0/IG0 下降,低频电源发生装置。,单相接地保护装置。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （3）外加低频电源式定子绕组接地保护 其动作方程为： RE REsetL 报警判据为： RE REsetH 式中： RE发电机定子绕组接地电阻； REsetH 和REsetL分别为发电机定子绕组接地电阻的高、低定值。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （3）外加低频电源式定子绕组接地保护 考虑到当接

15、地点靠近发电机机端时，检测量中的基波分量会明显增加，导致检测量中低频故障分量的检测灵敏度受到影响。 为了提高此种情况下保护的灵敏度，增设接地电流辅助判据。 接地电流判据能够反映距发电机机端8090的定子绕组单相接地，而且接地点越靠近发电机机端其灵敏度越高，因此能够很好的与接地电阻判据构成高灵敏的100%定子接地保护方案。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （3）外加低频电源式定子绕组接地保护 接地电流判据反应发电机定子接地电流的大小，其动作方程为： IG0 I Eset 式中： I G0发电机定子接地电流（不经数字滤波）； I Eset接地电流定值。,发电机保护,3、定子绕组接地保护 （3）外

16、加低频电源式定子绕组接地保护 当ULF0（UG0 经数字滤波后的低频电压）和ILF0（IG0 经数字滤波后的低频电流）中的任一个低于各自的定值时，认为定子接地保护外加电源回路故障，闭锁保护出口并发出报警信号。 外加电源回路故障报警判据如下： ULF0ULF0set或ILF0ILF0set 式中： ULF0set和ILF0set分别为低频电压和低频电流报警定值。,发电机保护,4、发电机定子对称过负荷保护 发电机过负荷通常是由系统中切除电源、生产过程出现短时冲击性负荷、大型电动机自起动、发电机强行励磁、失磁运行、同期操作及振荡等原因引起的。 对于大型机组，由于其线负荷大，材料利用率高，绕组热容量与

17、铜损比值减小，因而发热时间常数较低。为了避免绕组温升过高，必须装设较完善的定子绕组对称过负荷保护，限制发电机的过负荷量。,发电机保护,4、发电机定子对称过负荷保护 从限制定子绕组温升的角度，实际上就是要限制定子绕组电流，所以对称过负荷保护，就是定子绕组对称过电流保护。 定子绕组过负荷保护的设计取决于发电机在一定过负荷倍数下允许的过负荷时间，而这一点是与具体发电机的结构及冷却方式有关的。,发电机保护,4、发电机定子对称过负荷保护 660MW发电机具有一定短时过负荷能力，能承受1.5倍的额定定子电流历时30s，而不发生有害变形及接头开焊等情况。 发电机允许过电流时间与过电流倍数以下式计算： (I2

18、-1) t=37.5s I-定子过电流的标么值； t-持续时间，适用范围1060秒。 可见，允许时间随过电流倍数呈反时限特性。,发电机保护,4、发电机定子对称过负荷保护 当发生过负荷时，应根据反时限特性公式，让发电机再运行一段时间，以便在系统中进行按频率减负荷、投入备用容量、以及对发电机进行减出力等操作，若仍不能消除发电机过负荷，并超过了允许时间，才能将发电机切除。,发电机保护,4、发电机定子对称过负荷保护 大型发电机定子绕组对称过负荷保护通常由两部分，即定时限过负荷元件和反时限过负荷元件构成。 定时限元件通常按较小的过电流倍数整定，动作于减出力，如按在允许的长期持续电流下可靠返回整定。 反时

19、限特性如图所示。 反时限元件在启动后即报警，然后按反时限特性动作于跳闸。,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 发电机在不对称负荷状态下运行、外部不对称短路或内部故障时，定子绕组将流过负序电流，它所产生的旋转磁场的方向与转子运动方向相反，以两倍同步转速切割转子，在转子本体、槽楔及励磁绕组中感生倍频电流，引起额外的损耗和发热； 另一方面，由负序磁场产生的两倍频交变电磁转矩，使机组产生100Hz振动，引起金属疲劳和机械损伤。,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 汽轮发电机转子由整块钢锻压而成，绕组置于槽中。 倍频电流主要部分在转子表层沿轴向流动，这个电流可达到极大数值，会在转子表面某些接触部位引

20、起高温，发生严重电灼伤，同时局部高温还有使护环松脱的危险。,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 机组承受负序电流的能力主要由转子表层发热情况来确定，特别是大型发电机，设计的热容量裕度较低，对承受负序电流能力的限制更为突出，必须装设与其承受负序电流能力相匹配的负序过负荷保护，又称为转子表层过热保护。,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 大型发电机要求发电机负序过电流保护与发电机承受负序电流的能力相适应，因此在选择负序电流保护判据时需要首先了解由转子表层发热状况所规定的发电机承受负序电流的能力，这个能力通常按时间长短进行划分，即短时和长期承受负序电流的能力。 660发电机负序电流承载能力： 连

21、续 I2/IN6% 短时 (I2/IN)2t 6s,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 （1）发电机长期承受负序电流的能力 发电机正常运行时，由于输电线路及负荷不可能三相完全对称，因此，总存在一定的负序电流I2，但数值较小，通常不超过23额定电流。 发电机带不对称负荷运行时，转子虽有发热，但如果负序电流不大，由于转子的散热效应，其温升不会超过允许值，即发电机可以承受一定数值的负序电流长期运行。,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 （1）发电机长期承受负序电流的能力 发电机长期承受负序电流的能力与发电机结构有关，660发电机长期承受负序电流能力一般为： I2/IN6% 负序电流保护通常依据发

22、电机长期允许承受的负序电流值来确定启动门槛值，当负序电流超过长期允许承受的负序电流值后，保护延时发出报警信号。,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 （1）发电机长期承受负序电流的能力 （2）发电机短时承受负序电流的能力 在异常运行或系统发生不对称故障时，I2将大大超过允许的持续负序电流值，这段时间通常不会太长，但因I2较大，更需考虑防止对发电机可能造成的损伤。 发电机短时间内允许负序电流值I2的大小与电流持续时间有关。,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 （1）发电机长期承受负序电流的能力 （2）发电机短时承受负序电流的能力 转子中发热量的大小通常与流经发电机的负序电流I2的平方及所持续的

23、时间t成正比。 若假定发电机转子为绝热体，则发电机允许负序电流与允许持续时间的关系可用下式来表示：,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 （1）发电机长期承受负序电流的能力 （2）发电机短时承受负序电流的能力 (I2/IN)2t=A t 是允许时间。 A 是反映发电机承受负序电流的能力常数，与发电机型式及冷却方式有关的，A越大说明发电机承受负序电流的能力越强，一般发电机容量越大，相对裕度越小，A值也越小。对发电机A值的规定并不统一，一般660MW发电机的A值6S，即,发电机保护,5、发电机负序过负荷保护 （1）发电机长期承受负序电流的能力 （2）发电机短时承受负序电流的能力 (I2/IN)2t

24、=6S 可见，负序电流越大，允许承受的时间越短，发电机短时承受负序电流的能力呈反时限特性。 实际使用时，考虑到转子的散热，将对上述特性稍作修改。,发电机保护,6、低压记忆过流保护 在发电机纵差保护范围外部故障时，为能可靠切除故障，在发电机上应装设防止外部故障的过电流保护，同时还作为纵差保护的后备保护。 由于发电机的负荷电流较大，当发电机外部发生短路时，流过发电机的稳态短路电流不大，有时甚至接近于负荷电流。 如果采用简单过电流保护，其灵敏度很难满足要求，这时可采用低电压启动的过电流保护作为发电机的后备保护。,发电机保护,6、低压记忆过流保护 低压过流保护作为发电机的后备保护，需要经一定时间延时后

25、才动作。 对于自并励发电机，在短路故障后，机端电压降低，不能提供足够的励磁电流，导致故障电流迅速衰减变小，故障电流在过流保护动作出口前可能已小于过流定值。 因此，低压过流保护起动后，过流元件需带记忆功能，使保护能可靠动作出口，这就是低压记忆过流保护。,发电机保护,7、发电机逆功率保护 在汽轮发电机组上，由于各种原因误将主汽门关闭，则在发电机断路器跳闸之前，发电机将迅速转为电动机运行，即逆功率运行。 逆功率运行对发电机并无危害，但由于残留在汽轮机尾部的蒸汽与长叶片摩擦，会使叶片过热，因此一般规定逆功率运行不得超过3min，所以大型汽轮发电机规定装设逆功率保护。,发电机保护,7、发电机逆功率保护

26、逆功率的大小决定于发电机和汽轮机的有功功率损耗，一般最大不超过额定有功功率的10，最小仅为1。 在发生逆功率时，往往无功功率很大，故要求在视在功率（主要是无功功率）很大的情况下，检测出很小的有功功率方向，并且要求在无功功率很大的变化范围内保持有功功率动作值基本稳定不变，因此需要专门设计逆功率保护元件来满足上述要求。,发电机保护,7、发电机逆功率保护 为了检测有功功率方向，需要比较机端电压相量与电流相量的相位。 实现相位比较(简称比相)的方法很多，关键是找到一种灵敏的且尽量不受无功功率大小与方向影响的比相方法。 可行的方法之一是采用以电压量作为参考量，计算机端电流半周平均值的方法。,发电机保护,

27、7、发电机逆功率保护 设机端电压瞬时值表达式为u=Usint ，当以 为参考相量时，同名相电流瞬时值则可表为 i=Isin(t- ) 式中 是功率因数角，亦即设定 -90 90 时，有功功率由发电机送至系统。,发电机保护,7、发电机逆功率保护 当0 90时，为滞相运行； 当-90 0时，为进相运行； 而当90 270 时，发电机呈逆功率运行状态。 如图所示为逆功率运行状态。,90,这里以电压u为参考量，求取i的半周平均值，即按u的相邻过0点作为区间，求取i的半周平均值。,当 时，u为正，而 时，u为负,在半周波内i的平均值 可表示为下述积分,因 ，所以 与P成正比，且 能反映P的方向，实际上

28、所反映的正是有功电流。,显然，当 时， 与P为负，表示逆功率运行状态，于是建立判据,最大灵敏系数为180。,发电机保护,8、程序跳闸逆功率保护 程序逆功率保护严格说不是一种保护，而是为实现程序跳闸而设置的动作过程。 程跳逆功率主要就是用于程序跳闸，算是一种停机方式，最关键的是逆功率只要定值达到就动作，程跳逆功率除了要定值达到，而且还要汽机主汽门关闭，才能跳闸。 在正常停机操作过程中，当负荷降为零时，先关汽轮机主汽门，然后来启动程序逆功率保护来跳发电机。,发电机保护,8、程序跳闸逆功率保护 这样做的目的是防止主汽门关闭不严，当断路器跳开后，由于没有电磁功率这个电磁力矩，有可能造成汽轮机飞车。 汽

29、轮机的保护有很多种，对于超速、低真空、振动大等严重事故，立刻跳汽轮机，同时给电气发来热工跳闸信号，发电机解列、灭磁、切厂用。,发电机保护,8、程序跳闸逆功率保护 对一些不是很严重的保护（例如气温高等等），这些保护不立刻跳汽轮机，而是自动减负荷，并且经过一定的延时，才去关闭主汽门，这种情况下发电机自然不会由热工发信号跳闸，那么只有一条路，就是程跳逆功率。,发电机保护,8、过励磁保护 发电机或变压器过励磁时很容易使铁芯饱和，导致励磁电流急剧增大，从而引起铁芯发热，绝缘老化。 电压升高或者频率降低都会使发电机过励磁，发电机的过励磁能力比变压器的能力要低一些，因此发变组保护的过励磁特性一般应按发电机的

30、特性整定。,发电机保护,8、过励磁保护 过励磁保护反应的是过励磁的倍数。 过励磁倍数N定义如下： 其中：U、f电压、频率； Ue、fe额定电压、额定频率； U*、f*电压、频率标么值； B、Be磁通量和额定磁通量。,发电机保护,8、过励磁保护 过励磁保护有定时限和反时限两种保护类型。 定时限过励磁保护设有跳闸段和信号段 。 反时限过励磁通过对给定的反时限动作特性曲线进行线性化处理，在计算得到过励磁倍数后，采用分段线性插值求出对应的动作时间，实现反时限。 反时限过励磁保护考虑了累积和散热特性。 给定的反时限动作特性曲线由输入的八组定值得到，过励磁倍数整定值一般在1.01.5之间, 时间延时考虑最

31、大到3000秒。,发电机保护,8、过励磁保护 反时限过励磁动作曲线如图所示。 反时限动作特性曲线的八组输入定值满足以下条件：,1）反时限过励磁上限倍数整定值n0反时限过励磁倍数整定值n1,2）反时限过励磁上限时限整定值t0反时限过励磁时限整定值t1；,3）依此类推到反时限过励磁倍数下限整定值。,发电机保护,9、发电机定子过电压保护 运行实践表明，大型汽轮发电机出现危及绝缘安全的过电压是比较常见的故障，因此要求装设过电压保护。 若发电机在满负荷下突然甩去全部负荷，由于调速系统和自动励磁调节装置有一定惯性,转速将上升，励磁电流不能突变，发电机电压在较短时间内升高，其值可能达到1.31.5倍额定电压

32、，持续时间可能达到几秒。,发电机保护,9、发电机定子过电压保护 若调速系统或自动励磁调节装置故障或退出运行，过电压持续时间会更长。 发电机主绝缘耐压水平，按通常试验标准为1.3倍额定电压持续60s。 实际过电压数值和持续时间有可能超过试验标准，对发电机主绝缘构成直接威胁。 从发电机主绝缘的安全和寿命出发，发电机实际运行所允许的承受过电压的数值和持续时间通常远低于上述试验标准。,发电机保护,9、发电机定子过电压保护 发电机实际运行承受过电压的能力随具体机组不同而不同，一般发电机允许过电压的能力(电压值)及持续时间如表所示。 我国通常采用一段式定时限过电压保护，其原因之一是大型发电机变压器组已装有

33、较完善的反时限过励磁保护，该保护在工频下亦能够反映过电压，因此，单纯过电压保护不宜很复杂。,一段式定时限过电压保护非常简单，由一个过电压元件和一个时间元件构成。 可根据发电机的具体要求，依动作电压整定值的大小而取相应的延时。 保护动作于解列灭磁或程序跳闸。,发电机保护,10、失磁保护 （1）失磁及原因 发电机失磁通常是指发电机励磁异常下降或励磁完全消失的故障，前者一般称为部分失磁或低励故障，后者则称为完全失磁故障。 励磁异常下降是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。 完全失磁是指发电机失去励磁电源，通常表现为励磁回路开路。,发电机保护,10、失磁保护

34、 （1）失磁及原因 静态励磁系统中硅整流元件部分损坏或自动调节系统不正确动作以及操作上的错误等均会造成励磁异常下降，这时励磁电压很低，但仍能维持一定的励磁电流。 静态励磁系统中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均会造成完全失磁。,发电机保护,10、失磁保护 （1）失磁及原因 （2）失磁的危害 失磁后，发电机将由同步运行逐渐转入异步运行，在一定条件下，异步运行将破坏电力系统的稳定，并威胁发电机本身的安全。 失磁对电力系统的危害主要表现为：,1）失磁发电机由失磁前向系统送出无功功率转为从系统吸收无功功率，尤其是满负荷运行的大型机组会引起系统无功功率大量

35、缺额,若系统无功功率容量储备不足，将引起系统电压严重下降，甚至导致系统电压崩溃。,2）失磁引起的系统电压下降会使相邻发电机励磁调节器动作，增加其无功输出，引起有关发电机、变压器或线路过流，甚至使后备保护因过流而动作，扩大故障范围。,3）失磁引起有功功率摆动和励磁电压下降，可能导致电力系统某些部分之间失步，使系统发生振荡，甩掉大量负荷。 失磁发电机单机容量与电力系统容量之比越大，对系统不利影响就越严重。,发电机保护,10、失磁保护 （1）失磁及原因 （2）失磁的危害 失磁对失磁发电机本身的危害主要表现为： 1）由于出现转差，在转子回路出现差频电流，在转子回路里产生附加损耗，可能使转子过热而损坏。

36、 2）失磁发电机进入异步运行后，等效电抗降低，定子电流增大。失磁前发电机输出有功功率越大，失磁失步后转差越大，等效电抗越小，过电流越严重，定子因之过热。,发电机保护,10、失磁保护 （1）失磁及原因 （2）失磁的危害 失磁对失磁发电机本身的危害主要表现为： 3）失磁失步后发电机有功功率发生剧烈的周期摆动，变化的电磁转矩(可能超过额定值)周期性地作用到轴系上，并通过定子传给机座，引起剧烈振动，同时转差也作周期性变化，使发电机周期性地严重超速。这些都直接威胁机组安全。,发电机保护,10、失磁保护 （1）失磁及原因 （2）失磁的危害 失磁对失磁发电机本身的危害主要表现为： 4）失磁运行时，发电机定子

37、端部漏磁增加，将使端部的部件和边段铁心过热。 鉴于低励和失磁故障引起的上述危害，大型发电机必须装设完善的低励失磁保护，以便及时发现失磁故障并及时采取必要的措施。 失磁保护构成原理及动作处理方式均与失磁发展过程中各电量变化紧密相关。,发电机保护,10、失磁保护 （3）功角特性 隐极汽轮发电机同步运行时，若忽略所有电阻分量，则用系统电压U表示的功角特性为：,P、Q发电机送至系统的有功功率、无功功率； U 、E系统电压、发电机内电势；,Xs、Xd系统联系电抗、发电机纵轴电抗； E超前U的角度，称为功角。,发电机保护,10、失磁保护 （3）功角特性 功角特性亦可用机端电压来表示： gE超前U的角度；

38、Pg发电机机端送出的有功功率。 Qg发电机机端送出的无功功率。,发电机保护,10、失磁保护 （3）功角特性 相应的转子运动方程为： TJ转子惯性常数； PT、P分别为输入的机械功率与发电机输出的同步电磁功率； Pas异步功率，正常运行时Pas 0。,发电机保护,10、失磁保护 （3）功角特性 用系统电压U表示的功角特性曲线如图所示。 这时发电机通常向系统送出无功功率，故定子电流滞后于定子端电压，称为滞相(迟相)运行。,正常运行时，发电机输入机械功率PT与电磁功率P相平衡。,以功率角1稳定运行在图中的a点。,发电机保护,10、失磁保护 （3）功角特性 （4）有功功率特性 假设励磁绕组短接引起完全

39、失磁，有功功率特性变化可分为三个阶段： 1）失磁到临界失步阶段（90）。 这个阶段称为“等有功过程”。,发生失磁后，随着励磁电流的减小，发电机电势E随之按指数规律减小，电磁功率P（E，）曲线逐渐变低，如图所示（曲线123）。,由于调速器来不及动作, PT维持不变。,为了维持PT与P之间功率平衡，运行点发生改变（a、b、c）。,功角则逐渐增加（ 1、 2、 3），使发电机输出有功功率基本保持不变。,此过程一直持续到临界失步点C ，=90。,这一阶段所经历的时间与励磁电流（亦即电势E）的衰减时间常数成正比，这表明，该时间随失磁故障方式不同而不同；,同时发电机正常运行时静稳储备系数越大，该时间越长，

40、即失磁前发电机所带负荷越轻，该时间越长。 这期间，因滑差s很小，异步功率极小，可忽略不计。,发电机保护,10、失磁保护 （3）功角特性 （4）有功功率特性 假设励磁绕组短接引起完全失磁，有功功率特性变化可分为三个阶段： 1）失磁到临界失步阶段（90）。 2）不稳定运行阶段。 这一阶段P、Pas、s及PT都是变化的，属于不稳定异步运行阶段。,在90之后，机械功率PT无法与同步功率P相平衡，而是随着E的衰减及的增大，PT与P的差值越来越大 。,于是转子加速，滑差s不断增大，异步功率（转矩）Pas也随之增大。,特别是当180后，随着励磁电流If及P完全衰减，Pas及s增大得更多更快。,另一方面，调速

41、系统开始反应，作用于减少机械输入功率PT。,发电机保护,10、失磁保护 （3）功角特性 （4）有功功率特性 假设励磁绕组短接引起完全失磁，有功功率特性变化可分为三个阶段： 1）失磁到临界失步阶段（90）。 2）不稳定运行阶段。 3）稳定异步运行阶段。 这里所说的“稳定”，是指s的平均值，实际上由于异步功率中有交变分量，因此，s的瞬时值是不断变动的。,当滑差s达到一定数值，使Pas达到能与减少了的PT相平衡，即达到图中的d点。,转子停止加速，s 不再增大，发电机便转入稳定异步运行阶段。,发电机保护,10、失磁保护 （3）功角特性 （4）有功功率特性 从发电机失磁到临界失步阶段，虽然有功功率基本不

42、变，而无功功率则发生很大变化，由送出无功功率迅速改变为从系统吸收无功功率。,发电机保护,10、失磁保护 （3）功角特性 （4）有功功率特性 以上分析是就完全失磁而言的。 当发电机部分失磁时，励磁电流并不会衰减至0，即尚有剩余的同步功率，若此时已因部分失磁而转入异步运行，由于同步功率随转差频率交变，加剧了有功功率的摆动，对发电机非常不利。,发电机保护,10、失磁保护 （5）失磁过程中机端测量阻抗变化特性 测量阻抗定义为从发电机机端向系统方向所看到的阻抗，通常通过机端线电压与相应的线电流差来测量。,发电机保护,10、失磁保护 （5）失磁过程中机端测量阻抗变化特性 1）等有功阻抗圆 发电机由失磁开始

43、至临界失步阶段的有功功率基本不变， 系统电压的变化也不明显，可假设P、U不变，这时发电机机端测量阻抗为,发电机保护,10、失磁保护 （5）失磁过程中机端测量阻抗变化特性 1）等有功阻抗圆 因为P保持不变，Xs、U均为恒定，只有角度为变数，因此阻抗特性方程在复平面上的轨迹为一圆，其圆心坐标为(U2/2P,Xs)，半径为U2/2P，如图所示。,发电机失磁后至临界失步，测量阻抗将沿该圆从第一象限进入第四象限。,发电机保护,10、失磁保护 （5）失磁过程中机端测量阻抗变化特性 2）临界失步阻抗圆 机端测量阻抗也可以变换为： 当假设U、Xs、Q为常数时，该特性阻抗在复平面上也是一个圆，称之为等无功阻抗圆

44、。 当=90时，发电机处于临界失步状态，把此时的 代入就可得：,发电机保护,10、失磁保护 （5）失磁过程中机端测量阻抗变化特性 2）临界失步阻抗圆 这就是临界失步阻抗圆，如图所示。,圆内为失步区,Xs不同时，对应的阻抗圆圆心将沿jX轴移动。,Xs=0时，圆周过原点。,发电机保护,10、失磁保护 （5）失磁过程中机端测量阻抗变化特性 3）异步运行阻抗圆 进入稳态异步运行之后，同步发电机成为异步发电机，此时发电机测量阻抗与转差率s有关，即Z=f(s)。该阻抗特性在复平面上也是一个圆。 当发电机空载运行失磁时，s趋向于0，此时测量阻抗最大： Z=-jXd,发电机保护,10、失磁保护 （5）失磁过程

45、中机端测量阻抗变化特性 3）异步运行阻抗圆 发电机在其它运行方式时，Z随s增大而减小，s取极限大时，测量阻抗最小： Z=-jXd 以-jXd和-jXd 为两个端点，并取Xd-Xd为直径构成的圆，反映稳态异步运行时Zf (s)的特性，称为异步运行阻抗圆，如图所示。,发电机在异步运行阶段，机端测量阻抗先进入临界失步阻抗圆内，并最终落在jx轴上-jXd至-jXd范围内。,发电机保护,10、失磁保护 （6）失磁保护的主要判据 无论何种原因引起失磁故障，总希望失磁保护能有选择、迅速地检测出来，以便及时采取措施。 失磁保护一般都是利用定子回路参数变化来检测失磁故障。,发电机保护,10、失磁保护 （6）失磁

46、保护的主要判据 可作为失磁保护的判据有： 1）无功功率改变方向； 2）阻抗进入临界失步阻抗圆； 3）阻抗进入异步运行阻抗圆。 为防止因电压严重下降而使系统失去稳定，还需监视高压侧母线电压。,发电机保护,10、失磁保护 （7）失磁保护特性 失磁保护分为两段定值，其动作特性曲线由两个经过偏移的异步运行阻抗圆构成，如图所示。 1）1段定值 1段特性曲线设置为检测30%以上负荷状态下的失磁。,将阻抗圆的直径设为与发电机的基准阻抗Zd相同,偏移量等于发电机暂态电抗(Xd)的一半，躲过系统振荡。,阻抗圆的中心位于(Zb+Xd)/2，半径等于Zb/2。,2）2段定值 2段特性曲线设为检测所有负荷状态下的失磁

47、。,直径设为与发电机的同步电抗 Xd相同。,偏移量等于发电机暂态电抗的一半。,阻抗的圆心位于(Xd+Xd)/2。,阻抗圆的半径等于Xd/2。,发电机保护,10、失磁保护 （7）失磁保护特性 异步阻抗圆边界比等有功阻抗圆和临界失步阻抗圆判据的边界小，动作灵敏度比较低。 但该判据不会出现外部短路故障和电力系统振荡而导致的失磁保护误动作，不需加入机端电压辅助判据以及转子电压闭锁元件。 保护动作的准确性高，进入阻抗圆后基本可以判定发电机已经失磁，可以作为失磁保护跳闸出口的主要判据。,发电机保护,11、失步保护 有各种原因可引起运行中的发电机与系统发生失步。 当出现小的扰动和调节失误使发电机与系统间的功

48、率角大于静稳极限角时，发电机将因静稳破坏而发生失步； 当出现某些大的扰动(如短路故障)处理不当或不及时，若发电机与系统间的功率角大于动稳极限角时，发电机将因不能保持动态稳定而失步。,发电机保护,11、失步保护 （1）发电机发生失步的危害 发生失步时，伴随着出现发电机的机械量和电气量与系统之间的振荡。 这种持续的振荡将对发电机组和电力系统产生如下具有破坏性的影响： 1）单元接线的大型发变组电抗较大，而系统规模的增大使系统等效电抗减小，因此振荡中心往往落在发电机附近或升压变压器范围内，使振荡过程对机组的影响大为加重。,发电机保护,11、失步保护 （1）发电机发生失步的危害 由于机端电压周期性的严重

49、下降，使厂用辅机工作稳定性遭到破坏，甚至导致停机、停炉和全厂停电这样的重大事故。,发电机保护,11、失步保护 （1）发电机发生失步的危害 2）失步运行时，电机电势与系统等效电势的相位差为180的瞬间，振荡电流的幅值将接近机端三相短路时流经发电机的电流值。 对于三相短路故障均有快速保护切除，而振荡电流则要在较长的时间内反复出现，若无相应保护会使定子绕组遭受热损伤或端部遭受机械损伤。,发电机保护,11、失步保护 （1）发电机发生失步的危害 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

50、同步，还可能导致电力系统解列甚至崩溃事故。 因此，大型发电机组需要装设失步异常运行保护(简称失步保护)，以保障机组和电力系统的安全。,发电机保护,11、失步保护 （2）失步保护的基本要求 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。 失步保护动作于跳闸时，如在=180时使断路器断开，则会因遮断电流最大而对断路器熄弧最为不利，因此失步保护应避免在这一时机动作于跳闸。,发电机保护,11、失步保护 （3）失步保护的基本原理 失步保护常用的原理之一是以机端测量阻抗运动轨迹及其随时间的变化特征来构成失步保护判据。 发电机

51、与系统等值电路图以及失步时机端测量阻抗的轨迹如图所示。,发电机保护,11、失步保护 （3）失步保护的基本原理 电量关系为： 设 超前 的功角为，机端测量阻抗为,发电机电势,系统电势,发电机电抗,变压器电抗,系统等值阻抗,机端测量电压,机端测量电流,ZSB=jxG,复平面上的OB线段,ZSA=jxT+ZS,复平面上的OA线段,Z=ZSB+ZSA 复平面上的BA线段,当发生振荡时，电势夹角不断增大。 若假设EB/EA不变，仅发生变化，则测量阻抗Z的轨迹在复平面上为一圆。,当EB/EA1时的阻抗圆圆弧,当EB/EA1时的阻抗圆圆弧,发生振荡时，测量阻抗Z即为从原点O指向圆弧的相量。,发电机正常运行时

52、，送出有功功率和无功功率，测量阻抗Z在第一象限，如P点。,发生短路故障时，Z的终端由P点突变(时间很短)到K点 。,当故障切除后，Z的终端则由K点突变到G点。,然后随功角的增大，Z的终端沿圆弧箭头方向从右向左运行。,如果出现动稳不能保持的不稳定振荡，角将逐渐大于180，即Z的终端沿圆弧越过BA连线继续向左运动，如箭头2所示；,如果能保持稳定(稳定振荡)，角不会大于180，Z的终点运动到某点后，将向反方向摆动，如箭头3所示。,可能经多次摆动后，最终达到新的稳定运行点。,对于不稳定振荡，在 和 反相(180)的瞬间，测量阻抗Z的终端轨迹通过BA连线，意味着失步已发生。,因此，可以把BA连线作为一个

53、标准线，在装置中通称为阻挡器，Z的终端越过这条阻挡器可作为失步发生的一个判据 。,但是，当系统发生短路(不管后果是否发生失步)时，Z的终端也会越过阻挡器，如前述发生短路时，从P点突变到K点。,因此在利用阻挡器这一判据时还需计及Z终端的运动时间。,当发生短路时，Z的终端瞬间越过阻挡器 。,而发生不稳定振荡时，Z的终端越过阻挡器则需一定时间 。,实际上，正常运行时发电机的电势与系统等效电势间的功角也是随着运动点的变化而不断变化的。 所以启动失步计时的时刻必须按躲开正常运行时可能的最大功角确定，并保证一定的安全裕度。,设满足此条件的功角=0，为了使比值EB/EA为任何值时，阻挡器都在0时启动，那么动

54、作边界必然是过连线的一段圆弧 。,这是因为圆弧上任一点分别与B及A点连线间的夹角均保持为0，如圆弧BNA 。,实用中，还在连线的左侧再构造一个与BNA完全对称的圆弧BNA，形成了一个透镜形状的动作区。,由这两个圆弧和阻挡器、以及在复平面上Z由右到左穿过这两个半透镜所需的时间，共同构成了失步保护的动作特性。 如果测量阻抗Z由右至左穿过透镜，并且由右圆弧进入阻挡器经历的时间不小于给定的值，则判断为失步，否则均不认为是失步。,透镜形状动作区的功角满足： 360-00 . . 其中功角是EB超前EA的角度，即 . . =arg(EB/EA),根据系统等效电路，有： 可得,透镜形状动作区的功角满足：,或

55、者表示为阻抗关系为：,实际使用时，保护装置用可以整定的模拟阻抗ZmB和ZmA来取代ZSB和ZSA。 为了保证动作的可靠性，实际整定ZmB和ZmA时并不恰好使它们分别与ZSB和ZSA相等。 另外0也是可整定的，它将决定透镜的宽度。,发生失步振荡时，功角的变化是周期性的，测量阻抗Z在复平面上从右至左穿过透镜之后，还将继续沿圆弧运动。,若不采取任何措施，Z的终端轨迹将再次从右至左穿过透镜，周而复始，形成振荡。,Z的轨迹每穿过一次透镜表示失步发电机的转子磁极相对系统同步旋转磁场的磁极运动了360电角度，称为一次滑极。,实际运行中有时为了使发电机能在采取某些措施(如通过调节调速器和励磁装置)后，重新拉入

56、同步，并不是发生一次滑极后就动作跳闸，而往往根据发电机与系统具体情况允许几次滑极。 因此保护要求能记录滑极次数，以在达到规定值时才动作跳闸。,振荡过程中，电势源 和 联系阻抗上电压幅值最低的一点称为振荡中心。 振荡中心的电压与其它各点的电压一样，其幅值随功角而变，通常在180时达到最低点。,振荡中心的位置与EB/EA比值有关,当EB/EA l时，振荡中心并不随角而变 ，而是固定在系统等效阻抗的中点，即图中BA连线的中点。,若EB/EA1，振荡中心是变动的，其位置与比值EB/EA及功角均有关，但进一步分析表明，EB/EA通常比较接近于1，而在所检测的变化范围内(如90270)，振荡中心位置变动不

57、大。,前面已提到，振荡中心落在发电机端附近，对发电机及其辅机稳定工作影响最大，需要失步保护尽快动作。 反之，若振荡中心落在机端以外较远的地方(这种情况与运行方式有关，有些时候是可能发生的)，则可根据系统稳定要求适当延缓跳闸，以便采取措施恢复同步运行，因此失步保护要检测振荡中心位置。,可以证明，测量阻抗Z在系统综合联系阻抗Z(即图中BA连线上)的投影即为振荡中心位置。,于是可在连线上选择某点把透镜分作上下两个区域，若测量阻抗Z仅穿过上部区域，即振荡中心落在机端以外较远的地方，则可适当放宽动作的滑极次数；,而若Z穿过下部区域，则以较小的允许滑极次数动作。,发生失磁故障时也会引起发电机失步，对于这种

58、特殊的失步现象，因为已有完善的失磁保护，为明确职责，便于分析事故，故不希望由失步保护动作，为此失步保护还需引入失磁闭锁信号，即当失磁保护动作时闭锁失步保护。,另外，因在180时，振荡电流最大，所以跳闸时机应避开180附近的一段时间。 最简单的方法是采用低电流动作元件或过电流闭锁元件，当失步保护已判断为必须跳闸之后，若电流过大，则由电流元件闭锁，直到电流值低于某定值时，开放出口。 综合各点，就构成了较为完善的失步保护。,发电机保护,11、失步保护 （4）发电机失步保护 失步保护元件有振荡闭锁和失步跳闸功能。 通过机端测量阻抗运动轨迹及其随时间的变化特征发出闭锁或跳闸命令。 失步保护设置了三个透镜

59、动作区，即外环、中环和内环透镜动作区，如图所示。,1）系统振荡闭锁 系统振荡闭锁以三步或两步方式动作： 三步动作：计算机端测量阻抗在外环和中环特性曲线停留的时间。 两步动作：计算机端测量阻抗在外环和内环特性曲线停留的时间。,如果测量阻抗进入外环特性曲线后，停留在外环和中环特性曲线的时间超过系统振荡启动延时时间1，就建立振荡闭锁信号。,如果测量阻抗离开外环特性曲线后，振荡闭锁信号返回。,2）失步跳闸 失步跳闸也以三步或两步方式动作： 三步动作：通过计算测量阻抗在外环和中环之间停留一定的时间后，又在中环和内环之间停留一定的时间，来判断不稳定系统振荡。 两步动作：去掉中环，只考虑外环和内环的情况。,如果测量阻抗进入外环特性曲线后，停留在外环和中环特性曲线的时间超过系统振荡启动延时时间1，就建立振荡闭锁信号，设定锁存器1。,如果测量阻抗进入中环环特性曲线后，停留在中环和内环特性曲线的时间超过一定时间，就建立系统振荡启动延时时间2，且设定锁存器2。,测量阻抗进入内环特性曲线并停留一定时间，就建立系统振荡启动延时时间3，且设定锁存器3。 此时保护准备启动跳闸。,发电机保护,11、失步保护 （4）发电机失步保护 保护特性还可以按四边形动作区来整定，四边形特性如图所示。,发电机保护,12