电力统继电保护第10章 发电机保护ppt课件

1、第一节 发电机的故障类型、异常工作情况和继电保护方式相间短路匝间短路接地短路一点接地二点接地相间短路匝间短路单相接地短路定子绕组纵差动保护匝间短路保护定子接地保护转子一点接地保护转子两点接地保护一点接地两点接地转子绕组一、故障类型及保护配置失磁失磁保护二、异常工作情况及保护配置定子绕组过电流及过负荷相间短路后备保护、过负荷保护定子绕组过电压定子绕组过电压保护发电机逆功率、频率降低、失步逆功率保护低频保护 失步保护转子过负荷转子过负荷保护定子正序旋转磁场定子负序旋转磁场转子二次谐波 定子负序 转子二次谐波电流 转子表层过热 100Hz的振动 定子负序过负荷、过电流保护 定子负序电流危害10.2

2、同步发电机的差动保护完全差动保护不完全差动保护相间短路相间短路匝间短路10.2.1差动保护接线完全差动保护接线无故障时无故障时相间故障时相间故障时DNT0IIIDNT0III假设每相有n个分支无故障时无故障时相间故障或匝间短路时相间故障或匝间短路时不完全差动保护接线DNT0InIIDNT0InII要点：基本原理同线路差动保护和变压器差动保护接线简单、不平衡电流较小接线简单、不平衡电流较小中性点附近有死区中性点附近有死区关键问题是如何降低动作电流、提高灵敏度、减小死区10.2.2完全差动保护动作值整定（1保护起动电流整定1躲过外部故障产生的最大不平衡电流k.actrelunb.maxIK Ire

3、laperssk.maxTA0.1/K KK InTA10%误差可靠系数1.3非周期分量系数11.3；如采取了措施去掉非周期分量影响时取1。同型系数0.5外部短路时的最大短路电流若汽轮发电机K.maxN.G8IIK.actN.GTA0.5 0.6/IIn发电机额定电流那么发电机正常运行时若TA二次回路断线会误动。2防止TA二次回路断线导致误动a.设TA二次回路断线监视装置TAG.Nact.kn/IIb.若水轮发电机K.maxN.G5IIK.actN.GTA0.3 0.4/IIn那么.3coseeNTAPII GUen（2发电机差动保护灵敏度校验senk.minact2KII发电机内部故障时流过

4、保护装置的最小短路电流。实际上应考虑下面两种情况：发电机与系统并列运行以前,在其出线端发生两相短路,此时,差动回路串只有由发电机供给的短路电流。发电机采用自同期并列时(此时发电机先不加励磁,因而,发电机的电势E0),在系统最小运行方下,发电机出线端发生两相短路,此时,差动回路中只有由系统供给的短路电流。为提高灵敏度，一般采用具有制动特性的差动继电器。 10.2.3发电机比率制动式差动保护原理同变压器差动保护，不平衡电流较小。dact0brkbrk0dbrkbrkbrk0act0brkbrk0ds.().IIIIIKIIIIIII动作方程actIbrkIact0Ibrk0IbrkK速断动作区动作

5、区制动区TNbrk2III制动电流dTNIII差动电流不完全差动接线时TNFbrk2IKII制动电流K为分支系数 动作特性保护动作逻辑框图两种出口方式：单相出口方式及循环闭锁出口方式特点：需设置专门的TA断线闭锁，当差电流较大时解除TA断线闭锁，适于不完全纵差接线。单相出口方式特点：三取二，适于完全纵差接线。循环闭锁出口方式内外部不同相同时接地故障比率制动式发电机纵差保护定值整定1.比率制动系数Kbrk：躲过出口三相短路时最大不平衡电流完全差动：0.30.5不完全差动：0.52.启动电流Iact0：躲过正常工况最大不平衡电流，0.30.4IN.G3.拐点电流Ibrk0：建议按躲过外部故障切除后

6、的暂态过程中产生的最大不平衡电流整定；不完全纵差取值要大一点。0.50.8IN.G 其余参数请参照具体的保护说明书。比率制动式发电机纵差保护定值整定校验灵敏度：机端两相短路brk1Iact1IdIactIbrkIact0Ibrk0IbrkKbrk1Iact1Idsenact12IKI10.2.4 .变数据窗式标积制动纵差保护原理完全差动制动量0brkNTIcos(180)I ITINI外部故障o180制动量最大内部故障o0制动量转为动作量，灵敏度高不完全差动0brkNFTIcos(180)KII变数据窗：故障初期适当提高S，即增加制动量；故障数据充分时再降低S，从而提高灵敏度。动作方程2cos

7、(180)TNNTIIIIS与循环闭锁的比率制动式差动保护逻辑一样。动作框图10.3 同步发电机定子绕组匝间短路保护横差保护 纵向零序电压式匝间保护 反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护 完全纵差动保护不能反应匝间短路 匝间短路分析120I设A相短路匝数占总匝数的比例为A0EIZ两中性点间电流I0Z为电流流经回路的绕组阻抗0ABCA3(1)UEEEE 纵向零序电压相对于中性点的零序电压三相电势不相等定子负序电流转子二次谐波电气量特点：（1纵向零序电压机端对中性点），零序电流（2纵向负序电压，负序电流，转子倍频电流10.3.1横联差动保护单元件横差保护裂相横差保护适于每相两分支两中性点引出线适

8、于每相两分支，且每分支都有线引出单元件横差保护保护测量两个中性点之间连线上的电流保护测量两个中性点之间连线上的电流保护反应匝间短路及定子绕组开焊故障，保护在保护反应匝间短路及定子绕组开焊故障，保护在较小较小时有死区。时有死区。保护动作电流应大于正常或外部故障时不平衡电流一般Iact=(0.30.4)IN.G（1滤除三次谐波以提高保护的灵敏性。（2为防止转子两点接地时磁场空间不对称造成保护误动，在转子一点接地后横差保护带0.51S延时动作。注：裂相横差保护分相横差保护保护测量每相两个分支之间的电流差为提高保护的灵敏性，可采用具有制动特性的差动原理，如比率制动、标积制动等。A2IA1IA1A2II

9、正常运行差电流为0，匝间短路有差电流。10.3.3 反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护动作条件：I2 & P20I2 匝间短路产生定子绕组纵向负序电压、电流，在转子上感应出的二次谐波电流。P20 匝间短路及外部不对称故障均产生定子绕组负序电压,方向元件只在匝间短路时开放匝间短路保护 。保护的动作值只需按躲过与发电机正常负荷时允许的最大不对称度(一般取5%左右)相对应的的二次谐波电流整定 。转子二次谐波定子负序方向元件，防止发电机外部不对称故障保护误动负序功率方向元件分析2U2I2U2I机端电压中性点或机端电流_+2E2I2U结论ZS2222900UArgPI（1匝间短路2I2U2E

10、_+2E_+2U2IZS2ZS22U2I2U2I（2外部故障222900UArgPI222900UArgPI结论（2内部不对称相间故障结论2Ia.中性点2U2I222900UArgPI结论b.机端P20不反应发电机外部故障。10.3.4 纵向零序电压式匝间保护关键：纵向零序电压，TV一次侧中性点与发电机中性点相连要滤除三次谐波以提高灵敏度；必要时可采用具有制动特性的动作方程。单相接地时相对地电压有零序分量，相对中性点电压无零序分量。即纵向零序电压不反应单相接地。不灵敏段高定值低定值灵敏段三次谐波制动动作条件：3U0 & P20应设TV断线闭锁10.4 发电机的单相接地保护当接地电容电流

11、等于或大于5A时，应装设动作于跳闸的接地保护；当接地电流小于5A时，一般装设作用于信号的接地保护。中性点不接地或经过消弧线圈接地10.4.1 发电机定子绕组单相接地的特点单相接地时的零序电压AA(1)UEBBAUEECCAUEENAUE 机端零序电压0AAC33AUUUUaE 03U01单相接地时的零序电流电容电流00333AIj C UjC E 0033GsAIjCE 0033GgAIjCE 内部单相接地时外部单相接地时0Us0Cg0Cs0Ig0I_+TAs0INTkI0Us0Cg0Cs0Ig0I_+TAg0INTkI10.4.2 利用零序电流构成的定子接地保护动作电流需大于发电机单相接地电

12、流允许值发电机额定电压(kV)发电机额定容量(MW)接地电流允许值(A)6.3C0gI0sI0g内部单相接地外部单相接地I0sIactI0g延时12S保护动作于信号，必要时也可动作于停机。发电机未并列时采用机端零序电压监视绝缘10.4.3 利用零序电压构成的定子接地保护可用于发变组，中性点附近有死区0U3取自机端TV开口三角形或发电机中性点侧TV。整定值躲过不平衡电压不平衡电压形成原因：1发电机三次谐波电压， 2变压器高压侧接地时经电容耦合过来的零序电压。为提高灵敏度，需滤除三次谐波减小不平衡电压影响措施：1装设三次谐波滤过器，2延时躲过外部接地影响。采取以上措施后，整定值为510V，死区为5

13、10）%。01100103U0V）10%动作电压NT死区510%保护区10.4.4 利用基波零序电压和三次谐波电压构成的100定子接地保护保护分两部分：1反应基波零序电压 2反应三次谐波电压NT反应三次谐波电压反应基波零序电压保护区示意图1.发电机正常运行时的三次谐波电压T0U0NU和发电机电势中有固有的三次谐波电势E3s0C3g0C23-+g0C23LT0U0NUNT3E-+ -+g0C23L0NUNs0C3g0C23T0UT3E3E)1 (T00g0s0g0sN0(92)219(2)UKCCK CCU正常运行时)CC(31LKs0g0补偿系数内部单相接地时T0N01UU正常运行时T0N0U

14、U可以将T0N0UU作为定子绕组单相接地故障的判据，这样保护区为00.50 即T0N0UUNT反应三次谐波电压反应基波零序电压基波零序电压保护三次谐波电压保护或为了提高反应三次谐波电势定子绕组单相接地保护的灵敏度,可以采用以下带制动特性判据:中小型机组NTNUUUrelN0T0N0()KUUU大型机组NTNPUUUrelN0T0N0()KPUUUPIBICUCA&t2/0（当有记忆时）发电机复合电压过电流保护出口逻辑框图发信或跳闸如出口全停 ZAB 1 & ZBC ZCA TA断线 闭锁t1/0t2/0跳闸或发信低阻抗保护动作逻辑框图10.6 同步发电机的负序电流保护和过负荷保

15、护定子绕组负序电流转子绕组倍频电流附加涡流损耗，转子表层发热、机械振动发电机承受I2能力:长期 （68）%IN.G或 12%IN.G短时AtI22标幺值允许过热时间常数跟发电机类型与冷却方式有关相间短路后备保护兼转子表层过负荷保护负序电流保护两部分）：定时限过负荷；反时限过流反时限过流保护特性曲线三个部分）：上限定时限；反时限； 下限定时限a-b发热越限I段动作值bc未充分利用散热段动作值de未提供保护如采用定时限负序电流保护I段2actN.G0.5II13 5ts段2actN.G0.1II2510ts发热曲线不能与定时限电流曲线很好配合；且对热积累的过程不能反应。措施：采用反时限负序电流保护

16、。10.6.2.2 负序反时限过流保护aIAt22修正系数2It热容量曲线反时限负序电流曲线12曲线2保守，一般不选用曲线1利用发电机散热，一般采用此特性发电机负序保护逻辑IIupIIdowtupt1&t51跳闸或发信发信IIact高定值低定值过负荷定值反时限10.7 励磁回路接地保护一点接地保护一般动作于信号两点接地保护动作于跳闸励磁回路一点接地 无直接危害，可能发展成 为两点接地。励磁回路两点接地 短路电流可能烧坏转子绕 组和铁芯，转子磁场畸变 引起机组振动。保护配置：水轮发电机 设一点接地保护动作 于信号或停机。 汽轮发电机 设一点接地保护动作 于信号，设两点接地保护动作于 停机

17、。直流电桥叠加直流电压 叠加交流电压切换采样直流电桥利用定子二次谐波电压一点接地保护原理两点接地保护原理励磁回路一点接地检查装置 两表法单表法有死区叠加直流电压式一点接地保护K接通3050.1RUigEg6050.2RUigEgK不接通21126030giiRi i外加交流电压式一点接地保护延时动作于信号 00kcyuIzjxz未接地时0I01fyfyR ZkcRZuIzjx接地时切换采样式一点接地保护1f11f21f11f2S1S2(R+R +R )I -( R +R )I =E-( R +R )I +(2R+R +R )I =(1-)E接通断开时1f11f21f11f2S1S2(2R+R

18、+R )I -( R +R )I =E-( R +R )I +(R+R +R )I =(1-)E断开接通时联立四个方程，可得Rf=ER1/3U-R1-2R/3 10.7.3 励磁回路两点接地保护电桥平衡正常时保护不投入。励磁回路一点接地后，投入保护，调电桥使之平衡。两点接地后平衡被打破，保护动作于停机。+-K1mvmnUmnK2滤波限幅存在问题：1K1、K2相距较近时保护有死区 2K1、K2相继发生，发生时间相 隔较短时来不及投入保护。10.7.3 励磁回路两点接地保护定子二次谐波发电机转子绕组两点接地时，其气隙磁场将发生畸变，在定子绕组中将产生二次谐波负序分量电势。转子两点接地保护即反应定子

19、电压中二次谐波“负序分量。动作条件为负序二次谐波 大于整定值。22U逻辑框图高定值低定值转子一点接地10.8 同步发电机失磁保护发电机失磁：励磁电流消失或下降失磁原因：励磁绕组故障、励磁回路开路、 励磁系统故障、灭磁开关误跳、 自动调节励磁系统故障、误操作等。失磁后发电机运行的物理过程及其影响（1失磁后发电机运行的物理过程dEsUgUsgXI jdgXI jgIXdXsdEsUgUgIsinXUEPsdXUcosXUEQ2ssdsdXXX不稳定异步运行稳定异步运行临界失步P120c90PTPTabcd132ab1失磁后到失步前90 失磁的影响对系统的影响:无功缺额导致电压下降、有功功率摆动危及

20、系统稳定性。对失磁机组的影响：定子绕组过流、发热，转子上感应差频电流、发热，异步转矩导致机组振动。保护行为：动作于信号或跳闸，也可以减出力运行。由系统、机组情况决定失磁后机组可否继续运行。10.8.2 发电机失磁过程的机端测量阻抗机端测量阻抗为发电机失磁的主要判据ssgssgsgsggmjXUIUUIXI jUIUZs2smjXjQPUZs2j2smjXe1P2UZs2sjX,P2UP2U2s圆心半径P1 P2 P3 jXR0jXsP1 P2 P3 ZmPQArg（1失磁后到失步前的等有功过程PPT，阻抗轨迹为圆，称为等有功圆（2临界失步o90sd2sXXUQs2j2smjX)e1 (jQ2U

21、Z2)XX( j, 0sd2)XX(sd圆心半径jXR0jXs-jXdZm无功为常数,阻抗轨迹称等无功圆或临界失步圆。)902( jsdsdmoe2XX2XXjZ（3异步运行gI2X1XmXsr20s 时 sr2dm1mjX)XX( jZs时0sr2dm2m21mXj)XXXXX( jZ最终,Zm落于-jXd与-jXd之间。-jXd-jXdS较小S较大RjX异步阻抗圆异步阻抗圆（4临界电压圆高压母线电压为常数时Zm的轨迹。ggmIUZgssIUZgTTIUZTmTjXZZ)XX( jZZsTmsXdXTdEsUgUgIXsTUsTTUKU KT=0.80.9)XX( jZjXZZZUUKsTmTmsTsTTKT为常数时,Zm轨迹为圆临界电压圆s2T2TTXK1KX, 0s2TTXK1K圆心半径RjX0失磁保护的定子判据和辅助判据1.失磁保护的定子判据1)Zm沿等有功圆由象限进入象限 （A点2)Zm沿等有功圆进入等无功圆 （B点3)Zm进入异步阻抗圆 （C点）ACBRjX等有功圆等无功圆异步阻抗圆临界电压圆通常采用等无功圆临界失步圆或异步阻抗圆作为发电机失磁的定子判据。失磁保护的辅助(闭锁)判据1)励磁电压下降2)负序分量3)延时4)操作闭锁5)电压回路断线10.8.3 失磁保护逻辑U&BZUE&t3