发电机保护

null西山煤电电力公司继电保护西山煤电电力公司继电保护培训中国矿大信电学院电气安全与智能电气研究所 李国欣 博士 13305207810@126.com 发电机保护 null发电机故障类型、不正常运行状态 保护配置方式 发电机的纵差动保护和横差动保护 发电机的单相接地保护 发电机的负序过电流保护 发电机的失磁保护 V2011-6-20中国矿业大学信电学院电气安全与智能电器研究所*第一节.故障类型不正常运行状态及保护方式 第一节.故障类型不正常运行状态及保护方式 一、故障类型 相间短路（二相短路、三相短路） 定子绕组 匝间短路（同分支，同相不同分支 ） 接地故障（单向接地，两相接地） 一点接地 转子绕组 二点接地 部分转子绕组匝间短路二、不正常运行状态二、不正常运行状态 定子绕组过负荷，转子绕组过负荷，发电机过电压；发电机过激磁，发电机误上电、逆功率、频率异常、失磁、发电机断水及非全相运行等。 三、保护配置三、保护配置1、短路故障的主保护：纵差保护，横差保护，转子两点接地保护 2、短路故障的后备保护：复压闭锁过流保护，对称过流及过负荷保护，不对称过流及过负荷保护、负序过电流保护，转子过流及过负荷保护、转子两点接地保护、带记忆的低压过流保护。 3、发电机异常运行保护：过电压保护，过激磁保护、逆功率保护，转子一点接地保护，定子过负荷保护、非全相运行保护、大型发电机失步保护、频率异常保护等。 null4、开关量保护：发电机断水保护等。 5、临时性保护：发电机正常运行时应退出的保护，有 发电机误上电保护及发电机启、停机保护等。 6、其他保护：单相接地保护，失磁保护。第二节、发电机定子绕组差动保护第二节、发电机定子绕组差动保护null一、纵差保护 1、分类 1）按输入电流的不同分类 ：完全纵差保护和不完全保护两类 。 2）按出口方式分类：单相出口方式和循环闭锁出口方式 3） 按其他方法分类 null a) 完全纵差 b不完全纵差 Ja、Jb、Jc－分别为发电机A、B、C三相的差动元件 null2、动作方程 采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为： Id ≥ Idz0 Iz ≤ Iz0 Id ≥ Kz（Iz－Iz0 ）＋Idz0 Iz ＞Iz0 式中 ： Id－差动电流 ； Iz－制动电流 ； Kz－比率制动系数 ； Iz0－拐点电流 ； Idz0－初始动作电流 null3、动作特性 具有两段折线式发电机纵差保护的动作特性如图所示。 由下图可以看出：纵差保护的动作特性由二部分组成：无制 动部分和有制动部分。 null逻辑框图 分单相出口方式和循环闭锁出口方式 （a）图：单相出口方式的发电机纵差保护逻辑框图 null （b）图：循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图4、整定原则及计算： 4、整定原则及计算：1）最小动作电流Idz0 对Idz0的整定原则是：按躲过正常工况下的最大不平衡电流 来整定。可按下式进行整定： Idz0 ＝ KH（ K1 ＋ K2）Ie （1） 式中：KH －可靠系数，通常取1.5~2； K1 －TA变比误差，10P级互感器误差为0.03，故K1可 取0.06（考虑两侧TA正、负误差）； K2 －保护装置通道传输变换及调整误差，可取0.1； Ie －发电机额定电流，TA二次值。 代入式（1）可得Idz0 ＝（0.24~0.32）Ie ，一般取0.3 Ie 。 null2）拐点电流Iz0 Iz0应取（0.5~0.8）Ie 。 null3）比率制动系数Kz 比率制动系数的取值原则，应按使差动元件躲过 发电机外部三相短路时产生的最大不平衡电流来 整定。区外三相短路时，差动元件可能产生的最大不平 衡电流为： Ihδmax ＝（ K1 ＋ K2 ＋ K3 ）Ikmax （2） 式中： Ihδmax －最大不平衡电流； Ihδmax －最大短路电流； K1 －TA的10%误差； K2 －通道的变换及传输误差，取0.1； K3 －两侧TA暂态特性不一产生的误差，取0.05。 null代入式（2）得： Ihδmax＝0.25Ikmax ， Ihδmax /Ikmax＝0.25 当不计拐点电流时，差动元件的比率制动系数应为 Kz ＝ KH ×0.25＝（1.2～1.3）0.25＝0.3~0.325，可 取0.3~0.4。对于不完全纵差保护，当两侧差动TA型号不同时，可取Kz ＝0.5。 null，4）解除循环闭锁的负序电压元件定值 一般按高压母线出线末端故障产生的负序电压来整定。通 常U2 ＝（9～12）V二、横差保护二、横差保护分类 根据交流回路引入电流及保护中含差动元件的数 量不同，发电机横差保护可分为单元件横差和三 元件横差。三元件横差又称裂相横差。1、单元件横差保护1、单元件横差保护1）交流接入回路 2）动作方程 Iop ≥ Iop0 式中 Iop －中性点TA二次电流； Iop0 －横差保护动作电流整定值。 null3）逻辑框图 横差保护是发电机内部短路的主保护，应无延时动作。但考 虑到转子两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护 误动，故在转子一点接地保护动作后，使横差保护带一个小 延时动作。 null4）定值的整定 动作电流应按躲过系统发生不对称短路或发电机失磁失步运 行时转子偏心产生的最大不平衡电流。 Iop ＝ KH（ K1 ＋ K2 ＋ K3 ）Ie （3） 式中： KH －可靠系数，取1.5； 　　　 K1－额定工况下，同相不同分支绕组由于参数的差异 产生的不平衡电流，最大可取3×2%＝0.06； 　　　 K2 －正常工况下气隙不均匀产生的不平衡电流，取0.05Ie ； 　　　 null K3 －异常工况下转子偏心产生的不平衡电流，取 0.1Ie 。 将各参数代入式（3）得 　　 Iop ＝（0.3~0.35）Ie，可取0.35Ie 动作延时t1可取0.5~1秒。2、裂相横差保护2、裂相横差保护1）交流接入回路 null2）逻辑框图 在转子两点接地之后，为避免横差保护抢先动作，对于 裂相横差保护应具有短动作延时。 null3）动作方程和动作特性 a.采用过电流元件时，其动作方程为： Id ≥Iop (4) 式中: Id －差回路中的差流； 　　　 Iop－差动元件动作电流整定值 b.采用具有比率制动特性的差动元件时，其动作方程为: Id ≥ Idz0 （Iz≤ Iz0 ） Id ≥ Idz0 ＋KIz （Iz＞ Iz0 ） 式中 Id －差流， Id ＝（ I1 ＋ I2 ）； 　　　 Iz－制动电流，Iz＝（ I1 － I2 ）/2； 　　　 Idz0 －初始动作电流；null K－比率制动系数； Iz0 －拐点电流； I1 、 I2 （TA二次值）－分别为某相定子绕组分支（或分组） 电流。 根据式（4）可以画出如图所示的动作特性。 null4）整定计算 （a）采用过电流元件 动作电流应按躲过区外不对称短路时产生的最大不平衡差流来整定。 　　 Iop ＝1/2 KH（ K1 ＋ K2 ＋ K3 ）IKmax 　（5） 式中： KH －可靠系数，取1.15~1.2； 　　　 K1 －两侧TA的10%误差，取0.1； 　　　 K2 －通道传输及调整误差，取0.1； 　　　 K3 －不对称短路时，由于转子偏心造成的误差取0.1 将以上各数据代入式（5），可得 Iop ＝1/2（0.345~0.36） IKmax 可取0.2 IKmax null（b）采用具有比率制动特性的差动元件 最小动作电流 Idz0 ＝1/2 KH （ K1＋K2＋K3 ） Ie （6） 式中： KH －可靠系数，取1.5~2； 　　　 K1 －两侧TA变比误差，取0.06； 　　　 K2 －气隙磁场不均匀产生的误差，取0.05； 　　　 K3 －保护装置通道传输及调整误差，取0.1。 代入式（6）可得 　　Idz0＝（0.25~0.27）Ie，可取0.2Ie 。 拐点电流可取（0.3~0.4）0.5Ie 。 比率制动系数K可取0.4。第三节、发电机的单相接地保护第三节、发电机的单相接地保护规定：单相接地电容电流≥5A跳闸 <5A 发信号一、发电机定子绕组单相接地的特点一、发电机定子绕组单相接地的特点1.单相接地时电气量的特点 示中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数 ≤1(1)(1)(2)发电机外接元件越多→3I0↑ 发电机出口有母线IC大→跳闸 发—变组IC小→信号null（3）I0的大小与方向 发电机内部单相接地时 零序电流的方向为如图所示，大小为发电机以外电压 网络的对地电容电流。（3）I0的大小与方向（3）I0的大小与方向发电机外部单相接地时 零序电流的方向为如图所示，大小为发电机本身 的对地电容电流。null二、保护方式 1、零序电流保护 ——应用于发电机出口有母线的接线 作用于跳闸 （1）原理 null内部故障时： 外部故障时： 并且内部故障与外部故障时零序电流相位相反 null （2）整定原则 ①原则一：躲外部单相接地时，发电机本身电容电流 ②原则二：由CT引起的不平衡电流（正常运行） ③原则三：保护一次动作值小于P195 表7-1 的值发电机单相接地电流允许值nullnull2、基波零序电压保护 ——应用于发—变组IC小 ——作用于发信号 （1）原理有“死区” “死区”一般整定为：null（2）消除方法 改为100%定子接地保护 ①中性点加固定的工频偏移电压（10~15%）Ue （通过增大接地电流来实现 一般增大值不超过10~25A） ②附加直流or低频信号（20HZ or 25HZ） （通过检测此附加电流的大小来实现） ③利用三次谐波电压构成 （利用中性点侧与机端侧三次谐波电压比值的变化来 实现） 3、利用三次谐波电压构成的100%定子接地保护 3、利用三次谐波电压构成的100%定子接地保护 （1）发电机三次谐波电压的分布特点 由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁芯饱和的影响，在定子绕组上感应出基波、高次谐波（如百分之几的三次谐波） 等效电路（简化） N—中性点 S—机端 Cof—发电机对地电容 Cos其它元件对地电容 ，如 Tr、线路等null①正常运行时 无消弧线时：同样可证有消孤线圈时 null则：②发电机内部发生单相接地故障时null当 时， 且单相接地故障的接地点越接近中性点则 越灵敏null——动作量——制动量 保护范围 （2）、100%定子接地保护 三次谐波保护+零序电压保护第四节、发电机的负序过电流保护第四节、发电机的负序过电流保护负序过电流保护的作用 负序定时限过流保护 负序反时限过流保护 null1.负序电流的危害 负序电流 转子发热→烧毁 负序电流 转子绕组、阻尼绕组、转子铁心 100HZ电流 100HZ振动 发电机允许负序电流发热常数nullA值参考表二、负序定时限过电流保护 二、负序定时限过电流保护 1.原理接线 保护原理 动作过程2.两段式负序电流保护时限特性2.两段式负序电流保护时限特性两段式负序电流保护的缺点 ab段: bc段: cd段: de段: 三、负序反时限过电流保护三、负序反时限过电流保护1.负序反时限过电流保护的优点2.负序反时限过电流继电器原理接线图2.负序反时限过电流继电器原理接线图第五节、发电机失磁保护第五节、发电机失磁保护发电机失磁运行及其后果 发电机机端测量阻抗 发电机在其他运行方式下的机瑞测量阻抗 发电机时磁保护的构成方式一、发电机失磁原因及其后果 一、发电机失磁原因及其后果 1.发电机失磁的原因 发电机失磁故障是指发电机励磁突然全部消失或部分消失。 引起失磁故障的原因有： 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。 2.发电机失磁的危害 2.发电机失磁的危害 当发电机失磁后，对电力系统和发电机都产生危害。 （1）对系统 正常运行时，发电机向系统输出无功功率Q1．当失磁后，将从系统吸收无功功率Q2，因此将使系统出现无功功率差额Q＝Q1+Q2。这无功功率差额将引起失磁发电机附近的电压下降。系统无功储备越小，电压下降将越严重。 系统中其他发电机力图补偿这一无功功率差额，从而导致其发电机的过电流。失磁发电机容量与系统容量比越大，这种过电流也就越严重。由于过电流，就有可能引起其他 发电机或系统中的其他设备被切除，特使系统因电压崩溃而瓦解。 （2）对发电机（2）对发电机 由于失磁发电机吸收了大量的无功功率，因此为了防止其定子绕组的过电流，发电机所能发出的有功功率较同步运行时有所降低，吸收的无功功率越大，则降低的越多。另外，当失磁后发电机将失步后，在转子的阻尼系统和励磁绕组中产生频率为ff-f0的差额电流，引起附加损耗，使发电机转子和励磁回路过热，危及转子的安全。 二.发电机机端测量阻抗二.发电机机端测量阻抗1.发电机正常时的机端测量阻抗2.发电机临界失步点的机端测量阻抗 2.发电机临界失步点的机端测量阻抗 3.发电机失磁后的机端测量阻抗的变化 3.发电机失磁后的机端测量阻抗的变化 三.发电机在其他运行方式下的机瑞测量阻抗 三.发电机在其他运行方式下的机瑞测量阻抗 1.发电机正常运行时的机端测量阻抗（1、2、3） 2.发电机外部故障时的机端测量阻抗（5） 3.发电机与系统间发生振荡时的机端测量阻抗 4.发电机自同步并列时的机端测量阻抗与发电机空载运行 时相同，但时间极短应采取措施防止失磁保护误动作四.发电机失磁保护的构成方式四.发电机失磁保护的构成方式1.利用自动灭磁开关联锁跳开发电机断路器 (100MW以下带直流励磁的水轮发电机和不允许失磁运行的汽轮机发电机) 2.利用失磁后发电机定子各参数变化的特点构成失磁保护 （1）机端测量阻抗由第一象限进入第四象限 （2）机端电压下降 （3）无功功率改变方向 （4）功率角增大 （5）励磁电压降低等 （应用于100MW以上机组）例.由阻抗元件构成的失磁保护例.由阻抗元件构成的失磁保护第六节、发电机—变压器组继电保护 第六节、发电机—变压器组继电保护 发电机—变压器组的特点发电机—变压器纵差动保护的特点一、发电机—变压器组的特点一、发电机—变压器组的特点1、发电机变压器上的任何一种故障在发一变上都能反应 2、共有保护可以精减，如纵差、后备、过负荷保护等二、发电机—变压器纵差动保护的特点 二、发电机—变压器纵差动保护的特点 1、发—变间无断路器 则可以共用一组纵差动保护。 原理接线如图所示 null 但在下列几种情况下，发电机应补充装设单独的纵联差动保护 ①容量为100MW及以上的发电机。 ②对于水轮发电机和绕组直接冷却的汽轮发电机，当公用的纵联差动保护整定值大于1.5倍发电机额定电流时。 2、当发电机与变压器间有断路器时2、当发电机与变压器间有断路器时 发电机和变压器应分别装设纵联差动保护 当发电机与变压器之间分支线时(如厂用电分支线)，应把分支线也包含在差动保护范围以内，其接线如图所示。这时分支线上电流互感器的变比应与发电机回路的相同。 三、发—变组发电机电压侧单相接地保护的特点三、发—变组发电机电压侧单相接地保护的特点（1）对于发电机一变压器组，由于发电机与系统之间没有直接的电联系，因此，发电机定子接地保护就可以简化。 （2）由于发电机一变压器组中发电机的中性点一般不接地或经消弧线圈接地，发生单相接地的接地电容电流通常小于允许值，接地保护可以采用零序电压保护并动作于信号。 （3）当发电机与变压器之间没有断路器时，零序电压取自发电机电压互感器二次绕组的开口三角形； （4）当发电机与变压器之间有断路器时，零序电压取自变压器低压侧的电压互感器，以便当发电机回路的断路器断开且变压器的低压侧发生接地短路时，保护装置仍能发出信号。 （5）对100WM及以上的发电机应装设保护范围为100％的定子接地保护。 四、发—变组后备保护的特点四、发—变组后备保护的特点 发电机一变压器组的后备保护，同时兼作相邻元件(母线和线路)短路的后备保护。 当为实现远后备而使保护装置的接线复杂化时，可缩短对相邻线路后备保护的范围，但对变压器各侧母线上的三相短路应有足够的灵敏度。 采用后备保护装置的类型有： 低电压起动的过电流保护、 复合电压起动的过电流保护 负序电流保护， 可根据具体情况，装设相应的保护装置。 null 发电机——双绕组变压器组的后备保护应装于发电机侧。 当发电机与变压器间没有分支线时，可以用发电机的后备保护作为整组的后备保护； 当有厂用分支线时，保护装置应有两段时限，第一段时限动作于高压侧断路器跳闸，第二段时限动作于跳开各侧断路器及灭磁开关。这样可以保证在外部短路时，仍能对分支线供电。 保护装置的电流元件接于发电机中性点侧的电流互感器上，电压元件接于发电机电压互感器上。 对变压器高压侧三相短路，电压元件灵敏度不能满足要求时，可在高压侧电压互感器任一线电压上加装一个电压继电器，以提高外部短路时保护装置的灵敏度。 null 对于大型发电机一变压器组，从发电机转子发热和机械方面容虑，对后备保护切除故障的时间提出了较高的要求。为了确保快速切除故障，可采用双重快速保护。即配置： 发电机纵差动保护、 变压器纵差动保护 发电机——变压器组纵差动保护。 这时对该机组来说就不用再配置其它反应相间短路的后备保护了。 瓦斯发电站的保护瓦斯发电站的保护瓦斯发电机的保护同一般发电机。 1、瓦斯电站的防雷 a)瓦斯电站的防雷应符合GB 50057-94的规定； b)瓦斯电站的瓦斯放散口处应按第一类防雷建筑设防，发电机房和瓦斯储罐按第二类防雷建筑设防； c)装备计算机控制等电子信息系统的瓦斯电站的防雷设计应符合GB 50343-2004的规定。 null2、瓦斯电站的防静电 瓦斯电站内的瓦斯储罐、瓦斯输送管路、瓦斯放 散管路及利用瓦斯的固定设备、电子设备等处均 应进行可靠接地。瓦斯电站内其他部位的防静电 设计应符合HGJ 28-90的要求。 瓦斯电站内的电力设备的接地系统设计应符合GBJ 65-83的规定。null不足之处，请多指正谢谢 ！ 中国矿业大学信电学院 电气安全与智能电器研究所 二O一一年六月二十日V2011-6-20中国矿业大学信电学院电气安全与智能电器研究所*