发电机保护

null1 发电机保护1 发电机保护North China Electric Power University发电机保护——主要内容发电机保护——主要内容1.1发电机保护概述 1.2内部故障主保护 1.3定子绕组单相接地保护 1.4励磁回路接地保护 1.5低励及失磁保护 1.6失步保护 1.7过励磁保护 1.8负序电流保护 1.9异常运行保护发电机保护发电机保护1.1 发电机保护概述null1.1.1 大型发电机组的特点1.发电机单机容量的发展 随着容量增大，相对造价降低不再明显，大容量发电机故障对系统的冲击大。 1955年出现第一台200MW机组 1965年出现第一台1000MW机组 1973年出现第一台1300MW机组 单机容量随着科学技术和电力系统的规模而发展，从几百千瓦到100多万千瓦经历了100多年。null1.1.1 大型发电机组的特点1.发电机单机容量的发展null1.1.1 大型发电机组的特点1.发电机单机容量的发展null2.大机组的特点(1)有效材料利用率提高 1)热容量与铜损铁损的比值下降，允许过热能力下降，要求更完善的后备保护；1.1.1 大型发电机组的特点null2.大机组的特点 2)短路电流的相对水平下降，要求保护更加灵敏； 3)发电机的静稳储备系数下降，运行中更易失稳； 4) 失磁异步运行时滑差更大，后果更加严重； 5) 甩负荷时的过电压更严重。1.1.1 大型发电机组的特点null2.大机组的特点(3)结构工艺方面 1) 冷却方式复杂，更易发生故障。1.1.1 大型发电机组的特点null2.大机组的特点(3)结构工艺方面 2) 汽轮发电机转子轴向长度和直径之比增加，更易发生振动，导致故障；1.1.1 大型发电机组的特点null2.大机组的特点(3)结构工艺方面 3) 水轮发电机有多个磁极，转子直径很大，定转子间隙很小，易发生摩擦； 08年9月20日青海省拉西瓦电站首台水轮发电机转子吊装成功，21对磁极，直径12.528米；1.1.1 大型发电机组的特点null2.大机组的特点(3)结构工艺方面 三峡70万千瓦机组转子直径为9.8米； 3) 水轮发电机有多个磁极，转子直径很大，定转子间隙很小，易发生摩擦； 新疆恰甫其海水电站8万千瓦机组转子直径为8m，间隙2.2cm；1.1.1 大型发电机组的特点null2.大机组的特点 4) 每相有多个分支，往往采用分布式中性点，影响保护设置。(3)结构工艺方面1.1.1 大型发电机组的特点null2.大机组的特点(4)运行方面 1)保护的不正确动作将带来严重损失； 2) 励磁环节多，易发生低励失磁及过励磁； 3) 异常运行工况多；1.1.1 大型发电机组的特点null2.大机组的特点(4)运行方面 4) 采用发变组单元接线。保护将其作为整体切除； 振荡时，振荡中心处于机端附近，威胁厂用电安全。1.1.1 大型发电机组的特点null1.保护装置的发展电磁式保护：50、60年代广泛应用，目前仍有应用；晶体管保护：70年代末基本成熟；微机保护、集成电路保护： 80年代初到90年代是研制及应用的过程，集成电路保护由于调试困难90年代初退出，微机保护得到广泛的应用。2.主设备保护落后线路保护 主设备结构与运行工况复杂，而内部故障落后。3.主设备保护相对保守 机组运行环境相对好，故障相对少，误动将使正确动作率下降很多。1.1.2 主设备保护的发展null1.1.3 发电机故障类型和不正常运行状态1.发电机故障类型 (1)定子铁心与线圈之间的绝缘破坏，发生接地故障，由于故障点电弧的作用，使同槽其它线圈绝缘下降，引发相间、匝间故障 (2)发生单相接地故障后，由于电位的变化，造成另外一点接地故障，发生两点接地 (3)同槽绕组之间绝缘破坏，发生相间匝间故障 (4)绕组端部由于接头松动，放电引发短路 (5)对于转子线圈，还可能发生励磁电流消失故障 null2.故障类型统计1.1.3 发电机故障类型和不正常运行状态06年国电公司10万以上机组： 本体故障29次，93次异常运行状态，8次机外故障 定子接地 34.48%； 转子接地 27.59%； 相间故障 17.24%； 铁心故障 10.31%； 内部引线故障 6.9%； 匝间故障 3.45%。在本体故障中：null(1)定子绕组过电流 (2)定子绕组过负荷 (3)负序过电流 (4)定子绕组过电压 (5)转子绕组过负荷 (6)过励磁 (7)逆功率等3.发电机不正常运行状态1.1.3 发电机故障类型和不正常运行状态null1.1.4 发电机应装设的保护1. 内部故障主保护 主要包括各种差动保护 2. 短路故障的后备保护 过电流保护：近、远后备 反时限保护：近后备 3. 定子绕组接地保护 4. 转子绕组接地保护 5. 低励、失磁保护 6. 失步保护null7. 过励磁保护 8. 负序电流保护 9. 不正常运行保护 逆功率保护、过电压保护、过负荷保护、频率异常保护、误上电保护、启停机保护、非全相保护、断口闪络保护 10. 非电量保护1.1.4 发电机应装设的保护null7.信号1.停机：跳闸、灭磁、关闭主汽门2.解列灭磁：跳闸、灭磁、原动机甩负荷3.解列：跳闸、原动机甩负荷4.增减出力：增加、减小原动机出力5.缩小故障影响范围：跳母联断路器6.程序跳闸：首先关主汽门、跳闸、灭磁1.1.5发电机保护的动作行为发电机保护发电机保护1.2 发电机内部故障主保护1.2.1纵差保护基本原理1.2.1纵差保护基本原理正常运行或区外故障时： 内部故障时： 1. 基本原理 1.2.1纵差保护基本原理1.2.1纵差保护基本原理2. 不平衡电流 主要由电流互感器传变特性不一致造成 1.2.1纵差保护基本原理1.2.1纵差保护基本原理2. 不平衡电流 减小误差的措施：1.2.1纵差保护基本原理1.2.1纵差保护基本原理2. 不平衡电流 减小误差的措施：(2)提高铁芯导磁率1.2.1纵差保护基本原理1.2.1纵差保护基本原理2. 不平衡电流 减小误差的措施：(3)采用TP级互感器，保证暂态传变精度具有闭合铁芯的TPS和TPX； 具有气隙铁芯的TPY和TPZ。 应用较多的是TPY型电流互感器。 1.2.1纵差保护基本原理1.2.1纵差保护基本原理2. 不平衡电流 最大不平衡电流的计算：1.2.1纵差保护基本原理1.2.1纵差保护基本原理3. 整定计算 躲过外部故障时的最大不平衡电流：举例： 1.2.1纵差保护基本原理1.2.1纵差保护基本原理4. 评价 (1)中性点附近存在死区有必要设法减小定值以提高灵敏度，减小死区 1.2.1纵差保护基本原理1.2.1纵差保护基本原理4. 评价 (2)不能反应匝间短路 (3)不能反映接地故障 短路电流很小，差动保护不能动作 1.2.2比率制动式纵差保护1.2.2比率制动式纵差保护1. 动作特性 1.2.2比率制动式纵差保护1.2.2比率制动式纵差保护2. 整定计算 1.2.2比率制动式纵差保护1)躲过正常最大负荷时的不平衡电流2)躲过区外短路电流接近发电机额定电流时的不平衡电流3)经验取值1.2.2比率制动式纵差保护2. 整定计算 1.2.2比率制动式纵差保护（3）比率制动特性斜率最大动作电流躲过区外短路最大不平衡电流按上式得到的斜率偏小，为了可靠性一般取0.4～0.5。2. 整定计算 1.2.2比率制动式纵差保护1.2.2比率制动式纵差保护3. 动作行为(1)正常、外部故障时： 保护不会误动作1.2.2比率制动式纵差保护1.2.2比率制动式纵差保护(2)内部故障时： 发电机并网前：保护可灵敏动作 3. 动作行为1.2.2比率制动式纵差保护1.2.2比率制动式纵差保护4. 三折线比率制动特性1.2.2比率制动式纵差保护 发电机内部发生轻微故障时，差动保护会有流出电流（两侧相位相反），此时差动电流小，制动电流大，保护灵敏度降低； 可在保证不误动的前提下，适当降低制动系数，减小动作电流来提高灵敏度。1.2.2比率制动式纵差保护4. 三折线比率制动特性1.2.2比率制动式纵差保护1.2.2比率制动式纵差保护4. 三折线比率制动特性1.2.2比率制动式纵差保护计算方法和前面相同1.2.2比率制动式纵差保护4. 三折线比率制动特性1.2.2比率制动式纵差保护1.2.2比率制动式纵差保护4. 三折线比率制动特性1.2.2比率制动式纵差保护 同时考虑TA性能和对流出电流的要求。 TA误差较小且故障时流出电流较大时，可取较小值：1.2.2比率制动式纵差保护4. 三折线比率制动特性1.2.2比率制动式纵差保护1.2.2比率制动式纵差保护5. 变斜率比率制动特性1.2.2比率制动式纵差保护null1.2.3故障分量纵差保护1.理论基础null(1) 动作电流采用故障分量时采用全电流时2. 电气量选择1.2.3故障分量纵差保护两种保护的差动电流完全相同 null(2) 制动电流2. 电气量选择采用故障分量时采用全电流时1.2.3故障分量纵差保护外部严重故障时： 两种保护的制动作用相当 null(2) 制动电流2. 电气量选择采用故障分量时采用全电流时1.2.3故障分量纵差保护内部轻微故障时： 故障分量差动保护的制动作用小，灵敏度高 null动作判据：不考虑互感器误差的影响(1)内部故障时：3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取不考虑互感器误差的影响(1)内部故障时：动作判据：null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取不考虑互感器误差的影响(1)内部故障时：动作判据：null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取全电流差动保护：不考虑互感器误差的影响(1)内部故障时：动作判据：null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取全电流差动保护：不考虑互感器误差的影响(1)内部故障时：动作判据：null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取全电流差动保护：不考虑互感器误差的影响(1)内部故障时：动作判据：null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取全电流差动保护：不考虑互感器误差的影响(1)内部故障时：动作判据：null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取故障分量差动保护：不考虑互感器误差的影响(1)内部故障时：动作判据：null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取(2)外部故障时：动作判据：null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取(2)外部故障时：动作判据：null3. 故障分量纵差动保护制动特性的选取(2)外部故障时： 故障前空载或短路电流远大于负荷电流，则有：动作判据：null动作特性：4. 故障分量比率制动式差动保护的整定计算 一般制动曲线应在450线上方：null动作特性：4. 故障分量比率制动式差动保护的整定计算 在负荷状态下，动作量和制动量理论上为0，保护可能误动作。null1.2.4标积制动式纵差动保护1. 基本原理动作方程：1)外部故障时：制动量很大，而动作量一般很小，保护可靠不动作。null1. 基本原理动作方程：2)内部故障时： 制动量现为助动量，而动作量又很大，保护灵敏动作。null1. 基本原理动作方程：null4)最小动作电流 ：1. 基本原理动作方程： 轻载运行时，动作量和制动量都很小，为保证可靠性，设置最小动作电流 。null2. 其它判据null(1) 外部故障 虽然两侧TA传变特性可能相差很大，但相角差别不 会太大，制动电流仍较大，满足(a)图的条件，保护可靠 不动作。2. 其它判据null(2) 内部故障2. 其它判据null3. 与过原点的比率制动特性的关系 可见，标积制动的差动保护和比率制动的差动保护动作边界是一致的。(1) 动作特性null3. 比率制动和标积制动的关系(2) 举例制动量变化随着夹角增大，标积制动式的制动量下降更快。null2. 比率制动和标积制动的关系(2) 举例动作行为：k=0.4 1)两种方式下的区 内外分界点是一样的； 2)区外故障时的制 动性能基本一样； 3)区内故障时标积制动方式的灵敏度略高；null2. 比率制动和标积制动的关系(2) 举例动作行为：k=0.4 1)两种方式下的区 内外分界点是一样的； 2)区外故障时的制 动性能基本一样； 3)区内故障时标积制动方式的灵敏度略高；null2. 比率制动和标积制动的关系(2) 举例动作行为： 5)增大标积制动式特性的制动系数后，保护动作定值增大，当内部故障有电流流出时，灵敏度下降；null3. 比率制动和标积制动的关系 在微机保护中，二者的效果一致，且需要测角度，所以没有广泛应用。(3) 评价 标积制动式保护在引入相位关系后，相对比率制动式保护，其制动量在外部故障时基本相当，内部故障时相对减小，其动作点距边界更远，灵敏度有提高。 考虑到内部短路也可能有流出电流，此时二者差异 不是很明显。null1.原理接线1.2.5发电机不完全纵差保护 机端侧的全电流和中性点侧的分支电流构成不完全纵差保护。 不仅可以反应相间短路，也可以反应匝间短路、分支开焊等故障。null 2.互感器变比的选择：(1)变比匹配1.2.5发电机不完全纵差保护null(2)由软件实现平衡 2.互感器变比的选择：1.2.5发电机不完全纵差保护null3.中性点侧电流的选取 每相并联分支数为n，中性点处接入差动保护的支路数为N，一般应满足下面关系： 选择的方式很多，任何一种选择不可能对所有故障 灵敏度都高，选取时应考虑发电机制造的方便和合理。1.2.5发电机不完全纵差保护null1.2.6裂相横差保护1.原理接线 用于每相多个分支的发电机，将全部分支分成两部分构成差动保护 1)正常运行或外部故障时 各分支电流大小相同，选择合适的TA变比，使此时的差动电流为0。null1.2.6裂相横差保护1.原理接线 用于每相多个分支的发电机，将全部分支分成两部分构成差动保护 2)内部故障时 相间、匝间短路或分支开焊故障 各分支电势不再平衡，各分支电流不再满足正常时的关系，会有差动电流出现。 null1.2.6裂相横差保护2.整定计算可以采用比率制动特性或标积制动方式 (1)最小制动电流 额定负载时某横差分支组的二次值，可近似取额定电流的一半。 null1.2.6裂相横差保护2.整定计算可以采用比率制动特性或标积制动方式 (2)最小动作电流 TA的变化误差； 气隙不均匀造成各分支电势不平衡； 各支路参数不完全相等。躲过正常运行时的不平衡电流。包括：最好根据实测值来确定，一般可取：null1.2.6裂相横差保护2.整定计算可以采用比率制动特性或标积制动方式 (3)制动特性斜率 式中： null1.2.6裂相横差保护3.评价 (1)在两分支等势点间或小匝数的匝间短路时，可能存在死区； (2)用到的电流互感器多(6台)，不平衡电流相对也较大。null1.2.7单元件零序电流型横差保护1. 原理接线中性点之间流过的是零序性质电流可反应同相不同分支间的匝间短路、同分支间的匝间短路、分支开焊故障不反应机端引线的相间短路正常运行时三相对称，能否反应相间短路？null2. 整定计算躲过正常运行或外部故障时的最大不平衡电流。产生不平衡电流的因素：(1)定子槽齿、风道及表面的不平整，使定子电流中含有高次谐波成分；(3)不同分支的参数不完全相同；(2)大轴的振动、偏心加剧气隙不均匀；传统的整定方法：灵敏度低，外部故障时可能误动。(4)三次谐波电流。null3. 提高灵敏度的措施2)在最大短路电流作用下，满足电动力和热稳定要求；3)在最大短路电流作用下，不能严重饱和。 外部短路时的三次谐波电流也增大了，需加强三次 谐波滤波。null3. 提高灵敏度的措施(2)提高三次谐波滤过比传统保护中滤过比只有7～15，需要提高。null3. 提高灵敏度的措施(2)提高三次谐波滤过比全周傅氏算法：null3. 提高灵敏度的措施(2)提高三次谐波滤过比全周傅氏算法的幅频特性为： 理论上全周傅氏算法可以滤除掉所有谐波分量，保留基波分量。null3. 提高灵敏度的措施(2)提高三次谐波滤过比实际上，单纯的全周傅氏算法滤波比并不理想：系统频率是波动的；采样频率也是存在偏差的。null3. 提高灵敏度的措施(2)提高三次谐波滤过比 在全周傅氏算法的基础上叠加零点滤波器，在三 次谐波处构成带阻滤波器。零点滤波器传递数：假设：在147Hz和153Hz处设置零点考虑到计算的方便null3. 提高灵敏度的措施(2)提高三次谐波滤过比对应第2个零点滤波器，时域中有：null3. 提高灵敏度的措施(2)提高三次谐波滤过比 总的幅频特性为： 此时的滤波比可达数百。 两个滤波器级联：null3. 提高灵敏度的措施(3)准确估计不平衡电流 精确地计算不平衡电流是不可能的，可行的方法 是短路试验加线性外推。问题：1)实验情况和实际运行情况的差异？2)线性外推是否合理？null3. 提高灵敏度的措施(4)整定值1.2.8故障分量负序方向保护1.2.8故障分量负序方向保护1. 问题的提出 大型发电机很多只引出3个端子，部分汽轮机每 相只有1个分支。 完全纵差保护不反应匝间短路；又不能安装横差 保护。 装设故障分量负序保护或纵向基波零序电压保护。null(1)区内相间故障2. 基本原理(2)区内匝间故障负序电压、电流取自机端null(3)区外横向不对称故障2. 基本原理(4)区外纵向故障null2. 基本原理 发电机内部不存在对称的三相短路，所有内部故障时都会出现负序分量； 内部故障时，负序功率由发电机流向外部系统，外部故障时，负序功率由外部系统流向发电机； 发电机是系统的末端，其背后不再有电气设备。 因此可由机端负序电压、电流故障分量构成的负序方向保护独立作为发电机内部故障保护。null3. 动作方程动作特性为：(1)比相式动作方程或者： null3. 动作方程(2)微机保护中比幅式动作方程定义：null3. 动作方程(3)主要算法1)滤序正序分量：结果为零。方法一：先滤波后滤序null3. 动作方程(3)主要算法1)滤序负序分量：方法一：先滤波后滤序null3. 动作方程(3)主要算法1)滤序方法二：先滤序，后滤波 对于稳态正弦量可用瞬时值代替相量值,每周采样12个点时： 方法一先滤波可减小非周期分量的影响，精度较高，但是计算量大；方法二计算量小，但精度较差。null3. 动作方程(3)主要算法经差分运算实现移相：1阶差分的相频响应为：同时经过差分运算还可以减小非周期分量的影响。2)移相null4. 应用中注意事项(1)正常运行时保护可靠性可采用如下判据，躲过不平衡输出：null4. 应用中注意事项(2)发电机并网前发生内部故障 如果中性点侧每相只有一个引出端，则没有针 对匝间和 开焊故障的保护，可增设负序电压保护作 为补救： null4. 应用中注意事项(3)外部故障切除时保护误动问题 外部故障切除时，会产生负序突变量，采用该原理 的保护出现多次误动，主要原因有： 1)计算数据窗内同时包含故障切除前后的数据； 3)故障切除后衰减的暂态分量对保护算法的影响。 2)电压、电流的变化不同步；null4. 应用中注意事项(3)外部故障切除时保护误动问题 1)动作速度不要过快，等待完整数据窗后再计算，且 连续计算多次正确才允许动作；解决措施： 2)不考虑外部故障同时发生匝间故障的可能，第一次 判为反方向后闭锁保护1～1.5s，防止外部故障切除过程 中误动作。null4. 应用中注意事项(4)外部三相短路时保护闭锁问题 外部三相短路时，不平衡输出显著增加，依靠提高 门槛来防止误动会降低灵敏度，可增加正序故障分量反 方向元件构成闭锁措施： F+：故障分量负序正向元件 F-： 故障分量正序反向元件 加入电流补偿使得内部故障时F+元件灵敏度高，外 部故障时F-元件灵敏度高。null4. 应用中注意事项(4)外部三相短路时保护闭锁问题 F+：故障分量负序正向元件 F-： 故障分量正序反向元件正向：功率流出发电机 外部三相短路时，不平衡输出显著增加，依靠提高 门槛来防止误动会降低灵敏度，可增加正序故障分量反 方向元件构成闭锁措施： null4. 应用中注意事项(4)外部三相短路时保护闭锁问题 F+动作，F-不动作，保护跳闸内部故障： F+可能动作，F-先于F+动作且延时返回，保护可 靠不动外部故障： 外部三相短路时，不平衡输出显著增加，依靠提高 门槛来防止误动会降低灵敏度，可增加正序故障分量反 方向元件构成闭锁措施： 1.2.9纵向基波零序电压保护1.2.9纵向基波零序电压保护1. 基本原理纵向基波零序电压： 三相电压保持平衡，没有输出正常运行或外部故障： 都是不对称故障，三相电电压不平衡，有输出；内部故障： 不能反应接地故障。1.2.9纵向基波零序电压保护1.2.9纵向基波零序电压保护1. 基本原理保护接线：null2. 整定计算 躲过正常运行时的不平衡输出。 一般取2-4V。null3. 应用中应注意的问题 (1)提高三次谐波滤波比 (2)防止外部故障时，保护误动采用浮动门槛技术null3. 应用中应注意的问题 (1)提高三次谐波滤波比 (2)防止外部故障时，保护误动采用负序方向元件闭锁 由于外部系统的不对称， 内部轻微故障时，方向元件 拒动，灵敏度不高； 外部故障时若方向元件拒 动，或切除时方向元件先返 回，则会造成误动，可增加一 定延时。null3. 应用中应注意的问题 (1)提高三次谐波滤波比 (2)防止外部故障时，保护误动适当提高保护定值。null3. 应用中应注意的问题 (1)提高三次谐波滤波比 (2)防止外部故障时，保护误动 (3)中性点断线，保护将拒动 (4)中性点连接电缆接地时，100%保护区的定子接地 保护将误动 (5)在水轮发电机、汽轮发电机中的应用效果是不一样的。