电气特性、故障类型及配置原则1

1、1概 述n电力工业的发展，促进了发电机-变压器组单机容量的迅速增大，从电力系统安全生产的客观需要出发，对大型机组继电保护提出了更高的要求。计算机和微电子学的飞速发展，为大机组保护技术的不断创新提供了物质条件。发电机、变压器内部故障的分析计算新方法更为大机组继电保护奠定了坚实的理论基础。2大型发电机-变压器组的电气特性分析n有效材料利用率提高n惯性常数相对降低n热容量与铜损铁损之比显著下降n 、 、 参数普遍增大n短路电流水平和静稳储备系数减小n平均异步转矩大大降低n电机的冷却方式和相应的结构复杂，检修困难dxdxdx3n与保护配置相关的主要特点是： （1）发电机出口除支接高压厂用变压器外无其他

2、机端负荷 （2）发电机出口与支接高压厂用变压器高压侧均不装设断路器 （3）升压变压器高压侧中性点直接接地或经放电间隙接地运行 4（4）发电机中性点一般可经消弧线圈（欠补偿）或经接地变压器二次电阻（高阻）接地运行 （5）支接高压厂用变压器的低压侧一般为高阻或中阻接地系统 （6）汽轮发电机三相绕组中性点侧引出方式可为6、4、2或3个引出端5大型发-变组主要故障及异常工况类型一、主要故障类型1、发电机n定子绕组相间短路n定子绕组单相匝间短路n定子绕组单相接地n转子励磁回路故障n低励或失磁、失步等62、变压器n油箱内故障：包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路及铁芯的烧损等n油箱外故障：包括套管和引出

3、线上发生相间短路和接地短路71、发电机n由外部短路引起的定子绕组过电流n三相对称过负荷n由外部不对称短路或不对称负荷引起的发电机负序过电流和过负荷n由突然甩负荷引起的定子绕组过电压n由励磁回路故障或强励时间过长引起的转子绕组过负荷n由汽轮机主气门突然关闭引起的发电机逆功率等二、主要异常工况类型82、变压器n由变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压n由负荷超过额定容量引起的过负荷n由漏油引起的油面降低等9大型发电机-变压器组继电保护总体配置的原则及要求一、大机组继电保护总体配置的原则意见n加强主保护。保证在保护范围内任一点发生各种故障时均有双重或多重主保护，有选择

4、性地、快速地、灵敏地切除故障，最大限度地保证机组安全和缩小故障破坏范围，尽可能避免不必要的突然停机，特别要避免保护装置误动和拒动。10n简化后备保护。发电机侧即主变压器低压侧不再装设后备保护，仅在主变压器高压侧配置反映相间短路和单相接地的后备保护，作为主变压器高压母线故障和主变引线部分故障的后备。11n在电机设计制造之前，继电保护工作者应主动向电机专业人员介绍有关大机组保护对发电机设计制造的要求，具体反映在发电机招标文件中应表明发电机中性点侧引出方式和中性点接地方式、电流互感器配置要求等。应该改变过去那种继电保护人员不过问主设备设计制造，直到发电机运到电厂才发现继电保护技术性能难以完善的局面。

5、12n“二次服从和服务于一次”不是最高原则，过份强调不利于工作，一次专业和二次专业工作人员、制造和运行人员应以“保证大型机组的安全运行”为大家遵循的原则，从电机制造到保护配置等环节保证设备的最大安全性。n应装设必要的异常工况保护和有足够灵敏度的长延时远后备保护，但应力求简化。13n为了慎重选定发-变组内部故障主保护方案，继电保护设计人员应确切了解主设备内部故障时的电气特征，为此电机生产厂家应向继电保护设计或运行部门提供发电机的电磁设计资料，在充分分析计算内部故障的基础上，提出发电机变压器组的主保护方案和发电机中性点侧引出方式、电流互感器安装位置及其型号。14n主变高压侧相间短路后备保护以高压母

6、线两相金属性短路的灵敏系数大于或等于1.2为整定条件。首先考虑过电流保护，如灵敏度不够，改用一般简易阻抗保护。不设振荡闭锁环节，以0.5-1.0s取得选择性和避越振荡，应用电压回路断线闭锁和电流启动元件。对自并励发电机，应校核短路电流衰减对过电流或低阻抗保护的影响并采取相应技术措施。例如低电压自保持的过电流保护、电压控制的过电流保护或精确工作电流足够小的低阻抗保护。15n微机型主保护与后备保护综合在一起。对300MW及以上发电机和220KV及以上变压器宜装设包括主保护、后备保护和异常运行保护的两套微机继电保护装置。每套各有单独的直流电源和电流互感器、独立的跳闸线圈出口，且在每套内实现输入信息的

7、资源共享。16二、发电机三相定子绕组的结构对主保护配置的影响2TA1TAGTTU2TA1TAGT3TA3TA2TA1TA3TA1TATU2QU1QU2o1o1o2o1a2a1b2b1c2c1aan1b1cbncn接TU接TU(a)(c)(b)(d)图1 大型发电机三相绕组结构(a)、(b)、(d) 汽轮发电机；(c) 水轮发电机17 三相定子绕组的结构问题，在这里主要是指发电机中性点侧的引出方式，因为它与发-变组内部短路主保护方案密切相关，同时也与定子绕组每相并联分支数有关。 目前国内300MW及以上的汽轮发电机大多为每相两并联分支，中性点仅引出三相的三个端子。作为发-变组内部短路主保护，普遍

8、采用发电机传统纵差保护和发-变组纵差保护，这两种保护方案对发电机定子绕组同相的匝间或层间短路和开焊（断线）故障均无保护作用，更不要说大机组主保护的双重化要求了。这种主保护的不安全、不完善状况必须改进。图1(a)即目前大机组的中性点侧引出方式。 18 一种可能的改进方案是改变发电机中性点侧的引出方式，如图1(b)所示，将三相六个分支绕组分成两组，其中一组（例如a1、b1、c1）仅将中性点o1引出，另一组（a2、b2、c2）三相端子同时引出，在机外接成第二中性点o2，o1与o2连接以便装设单元件零序电流性横差保护（互感器TA3），互感器TA1与TA2构成发电机不完全纵差保护。19 理论研究和实践经

9、验均已证明：高灵敏单元件零序电流型横差保护具有发电机相间短路、匝间短路和定子绕组开焊的保护功能、构成简单、灵敏度高，可作为各类发电机的第一主保护。不完全纵差保护改变了传统纵差保护不反映定子绕组匝间短路和开焊故障的不足，成为发电机内部各种故障的第二主保护，方便地实现了大机组主保护的双重化要求，大大提高了短路保护的技术性能，应予以推广应用。必要前提是发电机中性点侧应有四个引出端子，其中三个端子的电流仅为图1(a)的一半，另一个为中性点，电机制造厂可以做到。20 300MW及以上水轮发电机每相并联分支数有310个，国内外均已有在机内装设中性点侧所有分支绕组的电流互感器TA2和中性点o1、o2间的互感

10、器TA3的实例，如图1(c)所示，相应的内部故障主保护完全实现了双重化或更高的冗余度要求，这些主保护是：高灵敏零序电流型横差、三元件裂相横差、不完全纵差和传统完全纵差。 21 某些大型机组保护的采用，不仅提高了保护性能还减少了对发电机组中性点引出端子的要求。如图1(d)，由于保护方案的变更，完全不需要在发电机中性点侧安装各相或各分支电流互感器图1(a)、(b)、(c)中的TA2，只装设机端的TA1，这时发电机定子绕组内部短路主保护是：n第一主保护为高灵敏单元件零序电流型横差保护；22n第二主保护为负序增量方向保护和纵向零序电压保护。以上两套主保护，除了发电机不与电力系统并列运行的孤立状态下、机

11、端引线相间短路失去主保护外（尚有后备保护），其它工况下均有双重主保护。实际上，所谓“失去主保护”的几率是微乎其微的。 23 图1(d)中在发电机与变压器间增设了断路器QF2，它有利于加快切断QF1与QF2之间的短路电流，而且在发电机停机时保留厂用电源。此时，不应装设发-变组纵差保护，否则发电机短路时将误切QF1，失去选择性。合理的设计应该是发电机和变压器分别设置各自的短路主保护。24n国内已有500MW汽轮发电机（俄国进口）中性点侧引出6个端子，它的最佳主保护方案是将图1(b)的高灵敏单元件零序电流型横差、三元件裂相横差或不 完全纵差和发-变组不完全大纵差（发电机所有6个分支中性点侧装互感器）

12、以及变压器的传统纵差，由此构成发电机和变压器（包括其间引线）内部故障的完善的多重主保护。25（三）关于定子绕组同相匝间或层间短路保护问题 近年来，从国外引进的大型发电机定子绕组大都不装设匝间短路保护，只有俄罗斯的机组例外，但亦绝非欧美诸国均持统一意见，英国长期不装设匝间短路保护，但根据运行经验，70年代要求增设该保护（由原瑞士BBC提供纵向零序过电压原理的匝间短路保护）。从日本进口的多台发电机没有匝间短路保护，但日本植木久之在其专著中却据理说明发电机定子绕组装设匝间短路保护的必要性。可见定子绕组不设匝间短路保护并非统一定论，26 只是因为国内匝间短路保护误动作率太高，正确动作率太低（很少发生匝

13、间短路），暂时又没有完善的匝间短路保护新方案和新装置，才产生不用或取消此保护的想法。其实高灵敏零序电流型横差保护、裂相横差保护和不完全纵差保护就是很好的方案。 当有了完善的相间短路和匝间短路保护后，为定子单相接地保护不作用于紧急跳闸创造了有利条件，减少了汽轮发电机组非必要的保护动作停机，有利于大机组的安全。27（四）定子绕组单相接地保护问题 为解决好定子单相接地故障的保护问题，首先应注意发电机中性点的接地方式，使之满足单相接地电流小于GB14285-93继电保护和安全自动装置技术规程2.2.4条规定的故障电流允许值（即安全电流） 100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的基波和三次谐波

14、零序电压型定子接地保护。当单相接地电流小于安全电流时，保护装置带时限动作于信号，反之则应动作于跳闸。如果发电机绝缘状况不良或超期服役绝缘老化严重，保护可带时限作用于跳闸停机。 28n对于特大型发电机，要求在启、停机过程中至少保持有定子接地保护功能，可装设外加20Hz或12.5Hz的100%定子接地保护装置和基波零序电压保护装置。29（五）汽轮发电机转子绕组两点接地保护问题 一台汽轮发电机的励磁回路两点接地故障，即使两点接地保护正确动作并跳闸，也可能发生轴系和汽机部件的磁化现象，给机组尽快恢复正常运行带来很大困难。对于转子水内冷的汽轮发电机，由于转子绕组漏水，造成励磁回路的接地故障，不再是从一点

15、接地开始，随后继发第二点接地，而是一开始就是多点或一片励磁绕组接地。对于这种形式的接地故障目前尚无成熟的保护装置。 30n300MW及以上的汽轮发电机，应装设一点接地保护。当一点接地保护动作后，应及时发出警报信号，尽快转移负荷，实现机组的平稳停机，切勿认为一点接地无甚危害，不加处理，一旦再发生第二点接地故障，酿成大患，对大型汽轮发电机组极为不利。基于这种考虑，两点接地保护就不再是必要的了。31（六）大型汽轮发电机变压器组继电保护配置方案的特点（根据三相绕组中性点侧引出方式）n6个引出端。可装设发电机不完全纵差保护、发-变组不完全纵差保护和高灵敏零序电流型横差保护。这些保护对发电机定子绕组相间和

16、匝间短路均有保护作用，还可兼顾定子绕组分支开焊故障。32n4个引出端。即定子绕组为双星形接线，其中一个星形接线绕组的三相端子引出机外，另一个星形绕组只引出它的中性点。它也可装设发电机和发-变组不完全纵差保护，但两套保护的中性点侧电流互感器均在同一个星形接线的三相分支绕组中，其性能略低于中性点侧6个引出端的方案。同时装设高灵敏单元件零序电流型横差保护。n2个引出端。即两个星形接线绕组的中性点引出机外各相分支绕组均不引出，33 发电机主保护装设高灵敏单元件零序电流型横差保护和故障分量负序方向保护（微机型）或纵向零序电压保护等。不能装设发电机和发-变组的完全或不完全纵差保护。n3个引出端。即发电机三

17、相中性点侧引出机外，不能装设高灵敏单元件零序电流型横差保护、裂相横差保护和不完全纵差保护，只能装设传统的完全纵差保护反映相间短路，因此对匝间短路和分支开焊故障必须另设保护，对模拟式保护而言后者是比较困难的，一种可能的方案是增设微机型故障分量负序方向保护和/或纵向零序电压保护。34（七）大型水轮发电机变压器组 继电保护配置方案的特点n水轮发电机的机内空间大，发电机中性点侧的各分支互感器可以装设在机壳内部或外部，可实现两套不完全纵差保护、裂相横差和高灵敏零序电流型横差保护，国内外已有若干大型水电厂实现了这种保护配置方案，但近年来的发展是有目的地减少互感器数目。n没有低频保护。35n由于水轮发电机比同容量的汽轮发电机体积大，热容量较大，转子本体的