电力系统继电保护——7发电机的继电保护

1、电力系统继电保护原理,主讲教师：邰能灵,2,7 发电机的继电保护 7.1 发电机的故障类型和不正常运行状态 7.2 发电机的纵差动保护和横差动保护 7.3 发电机的定子单相接地保护 7.4 发电机的负序过电流保护 7.5 发电机的失磁保护 7.6 发电机-变压器组继电保护的特点,7.1 发电机的故障类型和不正常运行状态,4,1. 发电机的故障类型,定子绕组 定子绕组及引出线相间短路 定子绕组匝间短路（大容量发电机） 定子绕组单相接地 转子绕组励磁回路 转子绕组一点或两点接地 转子绕组励磁电流消失,5,1. 发电机的故障类型,因励磁回路接地保护拒动而烧坏转子本体的事故照片,6,2. 发电机的不正

2、常运行状态,定子 定子绕组过电流（外部短路引起） 过负荷（负荷超过发电机的额定容量引起） 发电机负序过电流（不对称负荷或外部不对称短路引起的）-负序电流会引起发电机发热 定子绕组过电压（突然甩负荷引起） 转子绕组 励磁回路故障或者励磁时间过长而引起的转子绕组过负荷 汽轮发电机主汽门突然关闭而引起的发电机的逆功率,7,3. 发电机的保护方式-定子绕组,定子绕组 纵差保护：定子绕组及引出线相间短路 横差保护：发电机定子绕组匝间短路（大容量发电机） 零序电流和零序电压保护：定子绕组单相接地 过电流保护：外部短路引起的定子过电流：采用负序过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护或过

3、电流保护； 注意：对于发电机变压器组，一般采用复合电压启动的过电流保护 负序电流保护：发电机不对称短路引起的负序电流 过电压保护：发电机突然甩负荷引起的过电压,8,3. 发电机的保护方式-转子绕组,转子 转子接地保护：转子绕组一点或者两点接地短路 转子绕组过负荷保护：采用转子过负荷 失磁保护：励磁绕组失电 逆功率保护：汽轮发电机主汽门突然关闭 重点介绍的保护 发电机纵差保护，横差保护，零序电流保护，失磁保护 发电机保护动作的特点： 发电机侧的断路器跳开，另外，必须切断励磁回路-作用：转子回路不存在电流，也就不在定子绕组中感应电势，不再继续供给短路电流,7.2 发电机的纵差动保护和横差动保护,1

4、0,1. 纵差动保护的原理,反应定子内部相间短路：动作于跳闸 反应电流互感器二次回路断线：动作于信号,11,1.1 断线监视继电器的整定,起动电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好，通常取： 为了防止外部故障时由于不平衡电流的影响而误发断线信号，它的动作延时应大于发电机所有后备保护的动作时限,12,1.2 差动继电器的整定,在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动 按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定,13,不同类型发动机的差动电流整定值,汽轮发电机：励磁阻抗较小， 则 水轮发电机：励磁阻抗较大， 则,14,1.3 具有比率制动特性的差动继电器,最小起动电流： 拐

5、点制动电流：一般取 制动系数（制动特性的斜率）：0.20.4,15,1.4 纵差保护的灵敏度校验,Ik.min为发电机内部故障时流过保护的最小短路电流，需要考虑如下两种情况： 发电机与系统并列运行以前，也即发电机单机运行时，在其出线端发生两相短路 发电机采用自同期并列时，励磁回路无电流，发电机侧无电流，差动回路中流入的电流只有系统供给的短路电流-在系统最小运行方式下，发电机中性点侧发生两相短路,16,2.1 横差动保护的原理定子绕组结构,大容量发电机的特点：额定电流太大，定子绕组的每一相都是由两个并联的绕组组成。 正常运行时：每相每个绕组感应电势相等，绕组间无环流； 匝间短路时，两个绕组的感应

6、电势不相等，在绕组间有环流。,17,2.1 横差动保护的原理,利用反应两个支路电流之差的原理，可实现对发电机定子绕组匝间短路的保护。 流入差动电流继电器的电流为,18,2.1 横差动保护的原理,讨论： （1）差动电流跟哪些因素有关？ （2）可以列出差动电流的表达式吗？ （3）保护有死区吗？,19,2.2 横差动保护的接线-方式,每相装设两个电流互感器，每相用一个继电器 有较大的不平衡电流 实用接线方式：两个并列的星形接线的中性点连线上接一个电流互感器，有较小的不平衡电流。,20,2.2 横差动保护的接线,采用三次谐波过滤器的原因：滤除三次谐波（三次谐波都会反映到中性线上，三系谐波在绕组中有环流

7、，影响继电器的工作特性） 延时继电器的作用：转子回路发生一点接地故障时，会引起较大不平衡电流，导致横差保护动作。可以考虑带0.51秒的延时，再动作于跳断路器和灭磁开关。,21,2.3 横差动保护的整定,保护有死区，死区范围跟整定值有关 转子回路两点接地时，横差动保护可能误动作，但不必在转子回路两点接地时闭锁横差动保护 在投入两点接地保护的同时，横差动保护应切换至带0.51s的延时动作于跳闸，可防止转子回路偶然性的两点接地时引起的横差保护误动作,22,2.4 不完全差动保护,不完全纵差保护的复杂性在于如何选择装设CT的并联分支，这要通过详细的内部故障计算才能确定。,7.3 发电机的定子单相接地保

8、护,24,1. 发电机电压网络的特点-概述,发电机的中性点都是不接地或经消弧线圈接地的 发电机电压网络是指与发电机有直接电联系的各元件组成的网络，是非直接接地系统 发电机定子绕组单相接地时，流经接地点的电流为发电机电压网络对地电容电流的总和。当接地电流较大时，能在故障点引起电弧，将绕组绝缘和定子铁心烧毁 当接地电容电流小于5A时，装设动作于信号的接地保护；否则，装设动作于跳闸的接地保护,25,2.定子绕组单相接地的特点-故障点对地电压,故障点电压为：,2.定子绕组单相接地的特点-零序电流,26,发电机端口的零序电流为：,线路的零序电流为：,27,2.定子绕组单相接地的特点-故障点的接地电流，零

9、序网络,发电机内部单相接地时，流经TA0的零序电流为发电机以外电压网络的对地电容电流 发电机外部单相接地时，流经TA0的零序电流为发电机本身的对地电容电流,有效值,28,2.定子绕组单相接地的特点-发电机机端电压,机端零序电压为：,29,3. 利用零序电流构成的定子接地保护,需要采用高灵敏的零序电流互感器： 尽量提高零序电流互感器的励磁阻抗 选取继电器的阻抗与零序互感器的励磁阻抗匹配,30,定子零序电流保护的整定,躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流和零序电流互感器二次侧的不平衡电流 零序电流保护的一次动作电流应小于发电机单相接地电流的允许值 说明: 当起动电流不考虑发电机的暂态电容电流时

10、，保护需带有12s的动作延时 当起动电流不考虑外部相间短路时的不平衡电流时，需要在相间保护动作时将接地保护闭锁 定子绕组中性点附近接地时，接地电流很小，定子零序电流保护存在动作死区,31,4. 利用零序电压构成定子接地保护,用于发电机变压器组，动作于信号,32,定子零序电压保护的整定,躲开正常运行时的不平衡电压 躲开变压器高压侧接地时在发电机端产生的零序电压 如果没有装设三次谐波电压过滤器，则Uset=1530V 装设了三次谐波电压过滤器，则Uset可以适当降低 零序电压的保护范围一般为85%。,33,定子零序电压保护的灵敏度,提高灵敏度的措施： 加装三次谐波过滤器，消除三次谐波的影响以降低启

11、动电压，提高保护的灵敏度； 变压器高压侧中性点直接接地时，利用延时躲开高压侧接地故障时产生的暂态电压； 变压器高压侧中性点非直接接地时，利用高压侧的零序电压将定子接地保护闭锁或对保护实现制动。,34,5. 反应100%定子绕组的接地保护,一是零序电压保护，能保护定子绕组的85%以上 二是用来消除零序电压保护不能保护的死区 发电机中性点加固定的工频偏移电压，以加大故障点电流，保护因此而动作 附加直流或低频电源（20或者25HZ），将其电流注入定子绕组，当钉子绕组接地时，保护装置将反映于此电流而动作。 利用发电机固有的三次谐波电势,35,5.1发电机三次谐波电势的分布特点-无消弧线圈,当C0s=0

12、时， 正常运行时，发电机中心点侧的三次谐波电压总是大于发电机端的三次谐波电压,36,5.2发电机三次谐波电势的分布特点-有消弧线圈,有消弧线圈时，假设基波完全补偿，则,发电机中性点侧对三次谐波的等值电抗为：,37,5.2发电机三次谐波电势的分布特点-有消弧线圈,有消弧线圈时，假设基波完全补偿，则,发电机机端点侧对三次谐波的等值电抗为：,38,5.3发电机三次谐波电势的分布特点-定子绕组单相接地故障,当靠近中性点侧发生单相接地故障时，发电机机端的三次谐波电压大于中性点侧的三次谐波电压,39,5.3发电机三次谐波电势的分布特点-定子绕组单相接地故障,当靠近中性点侧发生单相接地故障时，发电机机端的三

13、次谐波电压大于中性点侧的三次谐波电压,40,5.4 100%定子接地保护的特点,利用三次谐波电压构成的接地保护，可以反应定子绕组中靠近中性点侧50%范围内的单相接地故障，且故障点越接近于中性点时，保护越灵敏 利用基波零序电压构成的接地保护，可以反应靠近定子机端侧85%范围内的单相接地故障，且故障点越接近于出线端时，保护越灵敏,7.4 发电机的负序过电流保护,42,1. 定子负序电流产生原因及影响,产生原因：电力系统发生不对称短路；在正常运行情况下三相负荷不平衡 影响： 在转子绕组、阻尼绕组及转子铁心等部件上感应出100Hz的倍频电流，造成局部过热 产生100Hz的交变电磁转矩，并作用在转子大轴

14、和定子机座上，引起100Hz的振动,43,定子负序电流引起转子发热的度量,假定发电机转子为绝热体（不向周围散热），则不使转子过热所允许的负序电流和时间的关系：,发电机组容量越大，承受负序过负荷的能力越小，即A值越小,44,定子负序过电流保护的作用,主保护：对定子绕组电流不平衡而引起转子过热的一种保护，是发电机的主保护之一 后备保护：在相邻元件发生不对称短路时，定子负序过电流保护可以作为后备保护；需要附加装设一个单相式的低电压起动过电流保护，以反应三相短路,45,2. 负序定时限过电流保护原理接线,继电器KA1按躲开长期允许负序电流值和最大负荷下的不平衡电流来整定 动作延时应保证选择性，一般取5

15、10s,46,2. 负序定时限过电流保护原理接线,继电器KA2按躲开短时间允许的负序电流整定，同时与相邻元件的后备保护灵敏度配合 动作延时按后备保护逐级配合，一般取35s,47,3. 两段负序定时限过电流保护动作特性,定时限过电流保护的动作特性与发电机允许负序过电流曲线不能很好配合,48,4. 负序反时限过电流保护,发电机允许负序电流的特性是在绝热条件下给出的，考虑转子散热条件后，对于同一时间内所允许的负序电流值实际上要比用允许负序电流曲线计算出的值大,7.5 发电机的失磁保护,50,1. 发电机失磁运行及影响-失磁原因,失磁原因： 转子绕组故障 励磁调节器或者励磁机故障，如励磁机绕组短路，励

16、磁机本身失去励磁 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 误操作,51,1. 发电机失磁运行及影响-失磁后的物理现象,发电机转子电流减小，转子电流方向从正变化到负，转子磁通按照指数衰减规律衰减，转子电压下降 无功功率反向发电机从向系统输送无功变为从系统吸收无功。 发电机定子电流增大原因是定子绕组中除了有功电流，还从系统中吸收无功功率 定子电压下降发电机容量占系统容量的百分比越大，定子电压下降越多,52,1. 发电机失磁运行及影响-失磁后的物理现象,发电机发出的电磁功率下降。 原动机的剩余力矩将使发电机加速，同步发电机 异步发电机。 发电机尚能继续向系统输送一部分有功功率 转

17、子绕组失磁后，感应出滑差电流，会进入稳态异步运行。,53,1. 发电机失磁运行及影响-失磁的后果,对于发电机： 定子过热 转子发热（滑差电流造成） 异步力矩产生不均匀的转矩，发电机会振动 对于汽轮机，异步功率较大，调速器比较灵敏，能在较小的滑差下异步运行-允许异步运行 对于水轮机，异步功率较小，调速器比不灵敏，滑差会比较大，系统会解列-不允许异步运行 对系统 破坏了系统的无功平衡 系统如果没有足够的备用无功功率，系统电压下降 相邻的并列运行的发电机强励磁动作 过载，跳闸 扩大事故 甚至造成系统崩溃。,54,1. 发电机失磁运行及影响,55,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,1.失磁后到失步前,

18、失磁后，转子电流衰减，则Ed ，发电机输送的有功功率P降低，调速器来不及动作，主汽门来不及关小，此时，原动机（汽轮机）输出功率不变。由于Pt-Pe0，发电机转子加速，转子一旦加速，Pe增加， ， ，Pe增加。力图保持有功功率不变。所以，这一段时间称为等有功阶段。在这一阶段，发电机输出的有功功率和定子电流基本上不变。,56,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,可以证明，这时发电机机端测量阻抗的轨迹是一个圆： 其中， 为发电机功率因数角。随着失磁的发生，发电机发出的有功，无功一直在变化。,有功功率不变,57,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,a) 等有功阻抗圆(失步前),58,2. 发电机失磁后的机

19、端测量阻抗,圆心坐标为： ；圆的半径为： 其中，Xs，Us和P为常数，Q和 为变数（ ） 对应失磁前不同的P，就有不同的圆，这些圆称为等有功圆。P越大，等功圆越小。 等功圆的物理意义：发电机失磁后到失步前，有功功率近似不变；发电机的无功功率的变化：从向系统输送无功转为向系统吸收无功（ 由正变为负）； 发电机的机端测量阻抗由正常运行时的负荷阻抗沿着等有功圆顺时针向第四象限移动，最终进入第四象限。,59,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,b) 临界失步阻抗圆(功角为90度，无功恒定) 当功角 增大到90度时， 。 此时，如果 再增大的话，P不再增大，反而会减小，剩余功率（Pt-Pe）使得转子加速旋

20、转，发电机迅速失步。 这一点称为临界失步点。此时，发电机输送给系统的无功功率为：,负值表示发电机向系统吸收无功,60,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,b) 临界失步阻抗圆(功角为90度，无功恒定) 在临界失步点，发电机从系统吸收的无功功率与失磁前所带有的有功功率的大小无关，是一个常数，所以这一点也称为等无功点。 可以证明此时机端的测量阻抗也是一个圆。（以隐极发电机为例：）,61,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,b) 临界失步阻抗圆(功角为90度，无功恒定) 将 代入上面的方程式，可以得到下面的方程式：,62,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,b) 临界失步阻抗圆(功角为90度，无功恒定)

21、圆心坐标为： ；圆的半径为：,63,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,该圆称为临界失步阻抗圆，也称为等无功圆,等无功圆的物理意义： 圆外为稳定工作区， 圆周为临界失步点， 圆内为失步区。,64,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,c) 失步后的异步运行阶段 当 90以后， 增加，sin 下降，Pe下降，转子急剧加速，发电机迅速失步。当 180时，sin 改变符号（从正变为负值），此时，发电机定子的电压，电流的幅值将周期性摆动。发电机变为异步发电机。其等值电路图如下： X1为发电机定子绕组的漏抗 X2为转子绕组漏抗（归算到定子侧） R2为转子绕组电阻（归算到定子侧） Xad为定子与转子之间的互感抗 S为滑差率,65,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,c) 失步后的异步运行阶段,66,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,c) 失步后的异步运行阶段,空载失磁时：,2. 发电机失磁后的机端测量阻抗,67,综上所述，发电机失磁后，机端测量阻抗的变化规律为： 等有功圆 等无功圆 异步运行 从a点过渡到b点， 直接进入异步运行状态C点,68,3. 其它运行方式下的机端测量阻抗,69,系统振荡时机端测量阻抗,在震荡情况下，发电机的等值电抗即等值电势是变化的。在同步振荡情况下，发电机的电势