同步发电机保护

1、供配电系统继电保护供配电系统继电保护与设计供配电系统继电保护与设计 第六章第六章 同步发电机的继电保护同步发电机的继电保护南师大电自学院电气工程系南师大电自学院电气工程系供配电系统继电保护主主 要要 内内 容容第一节第一节 常见故障类型、不正常工作状态及其保护方式常见故障类型、不正常工作状态及其保护方式第二节第二节 发电机的纵差保护发电机的纵差保护第三节第三节 发电机定子绕组匝间短路保护发电机定子绕组匝间短路保护第四节第四节 发电机相间短路后备保护及过负荷保护发电机相间短路后备保护及过负荷保护第五节第五节 发电机定子绕组的接地保护发电机定子绕组的接地保护第六节第六节 发电机转子回路接地保护发电

2、机转子回路接地保护第七节第七节 发电机失磁保护发电机失磁保护第八节第八节 发电机发电机- -变压器组保护的特点与原理变压器组保护的特点与原理作作 业业供配电系统继电保护常见故障类型常见故障类型不正常工作状态不正常工作状态相应的保护方式相应的保护方式供配电系统继电保护故障类型定子绕组故障定子绕组故障： 相间短路相间短路 包括包括 一相的匝间短路一相的匝间短路 单相接地单相接地转子绕组故障转子绕组故障： 一点接地一点接地 包括包括 两点接地短路两点接地短路 转子绕组失磁转子绕组失磁可能引起发电机强烈振动，可能引起发电机强烈振动，甚至把转子绕组烧坏。甚至把转子绕组烧坏。导致发电机异步运行，导致发电机

3、异步运行，甚至解列。甚至解列。能使定子绕组绝缘能使定子绕组绝缘损坏，甚至引起发损坏，甚至引起发电机着火。电机着火。供配电系统继电保护不正常工作状态 由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于外部短路引起的定子绕组过电流； 负荷超过发电机额定容量而引起的过负荷；负荷超过发电机额定容量而引起的过负荷； 以上两种会引起定子绕组温度升高，加速绝缘以上两种会引起定子绕组温度升高，加速绝缘老化，缩短机组寿命，可能发展为定子绕组故障。老化，缩短机组寿命，可能发展为定子绕组故障。 定子绕组过电压；定子绕组过电压；可造成定子绕组绝缘击穿。可造成定子绕组绝缘击穿。 转子表层过热。转子表层过热。可造成转子局部灼伤，严重

4、可造成转子局部灼伤，严重时使护环受热松脱。时使护环受热松脱。 供配电系统继电保护保护方式l 纵差动保护纵差动保护：定子绕组及其引出线的相间短路：定子绕组及其引出线的相间短路保护保护l 横差动保护横差动保护：定子绕组一相匝间短路的保护：定子绕组一相匝间短路的保护l 单相接地保护单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短：对发电机定子绕组单相接地短路的保护路的保护 接地电容电流：接地电容电流：5A以下动作于信号以下动作于信号 5A以上动作于跳闸以上动作于跳闸供配电系统继电保护 发电机外部短路引起的过电流，可采用：发电机外部短路引起的过电流，可采用：l 过电流保护过电流保护，用于，用于1MW以下的小型

5、发电机。以下的小型发电机。l 复合电压启动的过电流保护复合电压启动的过电流保护，用于，用于1MW以上的以上的发电机。发电机。l 负序电流及单相式低电压启动的过电流保护负序电流及单相式低电压启动的过电流保护，用于用于50MW及以上的发电机。及以上的发电机。 反应不对称短路或三相负荷不对称而引起的负序过电反应不对称短路或三相负荷不对称而引起的负序过电流采用：流采用：l 负序过电流保护负序过电流保护：50MW及以上的发电机及以上的发电机供配电系统继电保护l过负荷保护过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护时作用于信号的保护l过电压保护过电压保护：反应突

6、然甩负荷而出现的过电压：反应突然甩负荷而出现的过电压l失磁保护失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失降或消失l转子一点接地保护和两点接地保护转子一点接地保护和两点接地保护：反应励磁：反应励磁回路的接地故障保护回路的接地故障保护l转子过负荷保护转子过负荷保护l逆功率保护逆功率保护：当汽轮机主汽门突然关闭，防止：当汽轮机主汽门突然关闭，防止汽轮机遭到损坏。汽轮机遭到损坏。l其它其它供配电系统继电保护注意注意： 保护动作与发电机出口断路器跳保护动作与发电机出口断路器跳闸时，闸时，必须同时跳开灭磁开关必须同时跳开灭磁开关，断，断开发电机励磁回路，以使转于回路开

7、发电机励磁回路，以使转于回路电流不会在定子绕组中再感应电动电流不会在定子绕组中再感应电动势，继续供给短路电流。势，继续供给短路电流。供配电系统继电保护 发电机纵差保护是发电机定子绕组及其引出线发电机纵差保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护。相间短路的主保护。 作用原理作用原理第二节第二节 发电机的纵差保护发电机的纵差保护供配电系统继电保护动作电流的整定计算 两个条件：两个条件：（1）躲大于发电）躲大于发电 机额定电流机额定电流 （CT二次断线时不二次断线时不误动）误动） （2）躲外部短路时的最大不平衡电流。）躲外部短路时的最大不平衡电流。 TANGrelKAopKIKI/TAKTAK

8、stnprelunbrelKAopKIKIKKKIKI/5 . 011 . 03 . 1/1 . 0.)3(max)3(maxmax供配电系统继电保护KopKopopIIANW60bsdsopsWWWopsTAbsdsTAopWKWWKANI60121)2(minopkSIIK2BCH-2型继电器线圈匝数计算 动作线圈计算值：取小而接近的整数作为整定值。即：式中Wds和WbS分别为差动线圈和平衡线圈的整定值，由实际抽头确定。则一次动作电流整定值为：3灵敏度校验供配电系统继电保护断线监视继电器动作电流整定计算断线监视继电器动作电流整定计算在中线上设电流继电器在中线上设电流继电器KA来设置断线预告

9、信号。来设置断线预告信号。动作电流整定：动作电流整定：IopKA=0.2INGKTA动作时限整定动作时限整定:大于发电机后备保护时限一个时限阶梯大于发电机后备保护时限一个时限阶梯供配电系统继电保护高灵敏度接线的差动保护高灵敏度接线的差动保护 2。电流整定NGopII55. 011。接线供配电系统继电保护带比率制动式的纵联差动保护带比率制动式的纵联差动保护 1。接线供配电系统继电保护2。工作原理动作量： U1 制动量： U2 当U1 U2时，Umn0，继电器动作。当U1 U2时，Umn0，继电器不动作。比率制动特性如图11-3(b)所示：图中Ires0有稳压管WY决定，直线PQ为WY未被击穿时的

10、情况。Ires0=（11.2）INGKTA （1）内部短路时， 较大，而 较小，继电器动作。（2）外部短路时， ，U1很小，而U2很大，继电器不动作。IIIIIIIIIIII供配电系统继电保护3 3。比率特性曲线。比率特性曲线供配电系统继电保护第三节 发电机定子绕组匝间短路保护 在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个都是由两个(或更多个或更多个)并联的绕组组成的。并联的绕组组成的。任一个绕组中发生匝间短路时，两个绕组中的电任一个绕组中发生匝间短路时，两个绕组中的电动势就不再相等，因而会由于出现电动势差而产动势就不再相等，因而会由于出现电动

11、势差而产生一个均衡电流，在两个绕组中环流。由此，利生一个均衡电流，在两个绕组中环流。由此，利用反应两个支路电流之差的原理，即可实现对发用反应两个支路电流之差的原理，即可实现对发电机定于绕组匝问短路的保护。电机定于绕组匝问短路的保护。供配电系统继电保护原理此接线复杂，保护中的不平衡电流也大，因此，此接线复杂，保护中的不平衡电流也大，因此，实际上已很少采用实际上已很少采用供配电系统继电保护实用接线 该接线没有互感器特性不同而引起的不平衡电该接线没有互感器特性不同而引起的不平衡电流，灵敏度高，接线也较简单。流，灵敏度高，接线也较简单。供配电系统继电保护 整定计算整定计算动作电流：动作电流：Iop=（

12、0.20.3）ING电流互感器变比：电流互感器变比：KTA =0.25ING5 评价评价优点：优点：简单，灵敏度高。简单，灵敏度高。缺点：缺点：有死区，对其它绕组接线形式的大型有死区，对其它绕组接线形式的大型机组无法适用。机组无法适用。供配电系统继电保护第四节 发电机的过电流保护及过负荷保护 发电机的过电流保护主要用来作为发电机定子绕组相间短路主保护（一般为纵差保护）的近后备保护，并同时作为发电机外部短路时的远后备保护。目前，发电机的过电流保护主要有三种。1。一般过电流保护，用于1MW以下的小型发电机；2。复合电压起动的过电流保护，用于1MW以上的发电机；3。负序过电流及单相低电压起动的过电流

13、保护，用于50MW以上的发电机。 前两种前面已作详细的介绍，本节重点介绍第三种保护形式。供配电系统继电保护二、二、复合电压起动的过电流保护供配电系统继电保护三、负序过电流保护的作用三、负序过电流保护的作用 当电力系统中发生当电力系统中发生不对称短路不对称短路或在正常远或在正常远行情况下行情况下三相负荷不平衡三相负荷不平衡时，在发电机时，在发电机定子定子绕组中将出现绕组中将出现负序电流负序电流，此电流在发电机空，此电流在发电机空气隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为两气隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为两倍的同步转速，因此将在倍的同步转速，因此将在转子绕组、阻尼绕转子绕组、阻尼绕组以及转子铁芯等部

14、件上组以及转子铁芯等部件上感应出感应出100Hz的的倍频倍频电流电流。供配电系统继电保护 该电流会该电流会引起转子过热引起转子过热，使得转子上电流密，使得转子上电流密度很大的某些部位度很大的某些部位(如转子端部、护环内表面等如转子端部、护环内表面等)，可能出现局部高温，甚至可能使护环受热松脱，可能出现局部高温，甚至可能使护环受热松脱，从而导致发电机的重大事故。从而导致发电机的重大事故。此外，负序气隙旋转磁场与转子电流之间以此外，负序气隙旋转磁场与转子电流之间以及正序气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生及正序气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生的的100Hz交变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和交

15、变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和定子机座上从而引起定子机座上从而引起100Hz的振动。的振动。供配电系统继电保护发电机负序过电流保护实际上是对发电机负序过电流保护实际上是对定子绕组定子绕组电流不平衡而引起转子过热的一种保护电流不平衡而引起转子过热的一种保护，因此应，因此应作为发电机的主保护方式之一。作为发电机的主保护方式之一。由于负序过电流保护不能反应于三相短路，由于负序过电流保护不能反应于三相短路，因此，当用它作为后备保护时，还需要附加装设因此，当用它作为后备保护时，还需要附加装设一个单相式的低电压起动过电流保护，以专门反一个单相式的低电压起动过电流保护，以专门反应三相短路。应三相短路。供

16、配电系统继电保护1。接线。接线供配电系统继电保护2。工作原理负序过电流反应不对称短路。一种是动作于信号的负序过负荷保护，另一种是动作于跳闸的负序过电流保护。单相低电压起动的过电流保护反应对称短路。 3。整定计算（1）负序过负荷继电器，动作于发信号动作电流：Iop20.1ING动作时限：比后备保护大一个时限阶梯。一般510s（2）负序过电流继电器，动作于跳闸动作电流：Iop20.5ING动作时限：比后备保护大一个时限阶梯。一般35s（3）低电压继电器整定方法同前。对大型机组应采用反时限负序过电流保护供配电系统继电保护负序反时限过流保护 对于大型发电机，应尽量采用能够模拟发电机对于大型发电机，应尽

17、量采用能够模拟发电机允许的负序电流曲线的负序反时限过流保护。允许的负序电流曲线的负序反时限过流保护。2*2IAt供配电系统继电保护供配电系统继电保护第五节 定子绕组的单相接地保护 根据安全的要求，发电机的外壳都是接地的，根据安全的要求，发电机的外壳都是接地的，因此，定子绕组因绝缘破坏而引起的因此，定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障单相接地故障比较普遍比较普遍。当接地电流比较大，能在故障点引起电。当接地电流比较大，能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定于铁心烧坏，并且也容弧时，将使绕组的绝缘和定于铁心烧坏，并且也容易发展成相间短路，造成更大的危害。我国规定，易发展成相间短路，造成更大的危害

18、。我国规定，当当接地电容电流等于或大于接地电容电流等于或大于5A时时，应装设，应装设动作于动作于跳闸跳闸的接地保护，当接地电流的接地保护，当接地电流小于小于5A时时，一般装，一般装设设作用于信号作用于信号的接地保护。的接地保护。供配电系统继电保护一、故障分析1发电机内部单相接地时三相网络接线图发电机内部单相接地时三相网络接线图 可见：可见：流过零序电流互感器的是外部电力系统电容流过零序电流互感器的是外部电力系统电容电流之和。零序功率方向为发电机流向外部系统。电流之和。零序功率方向为发电机流向外部系统。发电机内部单相接地时发电机内部单相接地时零序等效网络图零序等效网络图 供配电系统继电保护2外部

19、单相接地时零序等效网络图外部单相接地时零序等效网络图 可见：可见：流过零序电流互感器的是发电机本身的电流过零序电流互感器的是发电机本身的电容电流。零序功率方向为由外部系统流向发电机。容电流。零序功率方向为由外部系统流向发电机。 针对两种情况，如针对两种情况，如I0I0G可设零序电流保护；如可设零序电流保护；如两者相差不大，可设置零序功率方向保护。两者相差不大，可设置零序功率方向保护。供配电系统继电保护二、利用零序电流构成的定子接地保护二、利用零序电流构成的定子接地保护原理接线图 供配电系统继电保护工作原理：工作原理：（1）躲过外部单相短路时流过电流互感器的）躲过外部单相短路时流过电流互感器的3

20、I0和正常情况下的不平衡电流。和正常情况下的不平衡电流。（2）动作时限为）动作时限为12秒。秒。（3）为防止外部相间短路误动，用）为防止外部相间短路误动，用KL闭锁元件。闭锁元件。（4）中性点附近有保护死区中性点附近有保护死区。供配电系统继电保护三、利用零序电压构成的定子接地保护对于发电机变压器组对于发电机变压器组原理接线图原理接线图供配电系统继电保护100%定子接地保护 对中小型机组，允许中心点附近有一定保护死对中小型机组，允许中心点附近有一定保护死区，而对区，而对大型机组需装设保护范围为大型机组需装设保护范围为100%的单相的单相接地保护。接地保护。100%定子接地保护一般由两部分构成：定

21、子接地保护一般由两部分构成：u第一部分为零序电压保护，它可以保护第一部分为零序电压保护，它可以保护8590的定子绕组；的定子绕组；u第二部分保护则用来消除零序电压保护不能保第二部分保护则用来消除零序电压保护不能保护的死区。为提高可靠性，两部分的保护区应相互护的死区。为提高可靠性，两部分的保护区应相互重叠。重叠。供配电系统继电保护构成第二部分保护的方案主要有：构成第二部分保护的方案主要有：u 零序电压保护零序电压保护+附加支流的保护方式附加支流的保护方式u 加固定工频偏移电压加固定工频偏移电压u 利用三次谐波电压利用三次谐波电压供配电系统继电保护第六节 发电机转子回路接地保护发电机转子回路接地保

22、护分为两种情况：1。大容量机组（100MW以上）设置一点接地保护，延时动作于信号。一点接地后投入两点接地保护，延时动作于停机。2。中小型机组（100MW以下）一点接地保护采用定期检测装置，一点接地后投入两点接地保护，延时动作于停机。 供配电系统继电保护一、转子回路一点接地保护（一）定期检测装置（一）定期检测装置 1 1。接线。接线供配电系统继电保护2。工作原理（1）正常工作时，切换转换开关K，测得正、负极对地电压。因绝缘电阻分布均匀，测得UU12Ufd，Ufd是励磁电压。（2）当某一极对地绝缘降低时，设为正极，则U12Ufd，U12Ufd，可判定转子回路发生一点接地。（3）当两极中点左右发生一

23、点接地时，仍存在UU12Ufd，则无法判别，保护有死区。供配电系统继电保护（二）叠加直流电压式一点接地保护（二）叠加直流电压式一点接地保护 1 1接线图接线图供配电系统继电保护（1）正常工作时，流过继电器）正常工作时，流过继电器K的电流为：的电流为： I0（Ures12Ufd）（）（RkRme）式中：式中：Rme励磁绕组对地等效绝缘电阻。励磁绕组对地等效绝缘电阻。（2）设置继电器）设置继电器J动作电流。动作电流。 IdzjKKI0 式中：式中：KK可靠系数，取可靠系数，取1.5。（3）发生一点接地后：）发生一点接地后： Ij（UresUfd）(RkRme1） Rme1励磁绕组发生一点接地后的对

24、地等效绝励磁绕组发生一点接地后的对地等效绝缘电阻，式中：缘电阻，式中：励磁绕组接地点至负极匝数与总匝励磁绕组接地点至负极匝数与总匝数之比。因此，当负极接地时，数之比。因此，当负极接地时，为为0，电流最小；当正，电流最小；当正极接地时，极接地时，为为1，电流最大。，电流最大。2。工作原理供配电系统继电保护（4）灵敏度校验：）灵敏度校验： KlmIminIdzj 1.5 如取如取Ufd为为240V，U0为为60V，则要求：，则要求： RmeRk46，即可保证灵敏度。，即可保证灵敏度。 3评价：评价： 优点：优点：无死区，灵敏度不受励磁回路对地电容无死区，灵敏度不受励磁回路对地电容影响。影响。 缺点

25、：缺点：继电器内阻继电器内阻Rk电阻值不可能很小，对励电阻值不可能很小，对励磁绝缘电阻磁绝缘电阻Rme较低的水内冷发电机不适用。较低的水内冷发电机不适用。J供配电系统继电保护二、转子回路两点接地保护二、转子回路两点接地保护采用直流四臂电桥原理。采用直流四臂电桥原理。1 1。接线图。接线图供配电系统继电保护2 2。工作原理。工作原理（1）当）当E1点接地后投入该保护，按下按钮点接地后投入该保护，按下按钮SB，调，调滑动电阻滑动电阻R，使毫伏表读数为零。此时，使毫伏表读数为零。此时，R1R2R2R1。（2）松开）松开SB，连接片，连接片XB接入。当接入。当E2点接地后，点接地后，电桥失去平衡，继电

26、器电桥失去平衡，继电器J中有电流，动作于跳闸。中有电流，动作于跳闸。2缺点：缺点：（1）有死区，当）有死区，当E2点靠近点靠近1点时，可能不动作。点时，可能不动作。（2）如在毫伏表调零阶段发生第二点接地，将造）如在毫伏表调零阶段发生第二点接地，将造成严重后果。成严重后果。供配电系统继电保护第七节 发电机的失磁保护发电机的发电机的失磁失磁即发电机的励磁电流突然全部即发电机的励磁电流突然全部消失或者部分消失。消失或者部分消失。其产生的其产生的原因原因有：励磁机故障；励磁绕组开有：励磁机故障；励磁绕组开路或短路；自动灭磁开关误跳；误操作等。路或短路；自动灭磁开关误跳；误操作等。供配电系统继电保护失磁

27、运行失磁运行失磁运行指励磁电流下降引起感应电势下降，指励磁电流下降引起感应电势下降，导致电磁转矩下降小于原动机转矩，造成转子转导致电磁转矩下降小于原动机转矩，造成转子转速上升，功角增大，当功角超过静态稳定极限角速上升，功角增大，当功角超过静态稳定极限角时，发电机失去同步，进入异步运行。在发电机时，发电机失去同步，进入异步运行。在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出差频电流，超过同步转速后，转子回路中将感应出差频电流，此电流产生异步制动转矩，当异步转矩与原动机此电流产生异步制动转矩，当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行。转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行。供配电系

28、统继电保护发电机发电机异步运行的不利方面异步运行的不利方面：1从系统吸收大量感性无功，应引起系统无功不从系统吸收大量感性无功，应引起系统无功不足，从而导致系统电压下降。足，从而导致系统电压下降。2发出的有功功率比正常时小得多。发出的有功功率比正常时小得多。3转速高于同步转速，易造成转子过热。转速高于同步转速，易造成转子过热。4发电机受交变的异步力矩的冲击而发生振动。发电机受交变的异步力矩的冲击而发生振动。供配电系统继电保护发电机失磁对发电机本身的危害，并不像发发电机失磁对发电机本身的危害，并不像发电机内部短路那样迅速地表现出来。如果大型机电机内部短路那样迅速地表现出来。如果大型机组突然跳闸会给

29、机组本身造成大的冲击，对系统组突然跳闸会给机组本身造成大的冲击，对系统也会加重扰动。因此，除水轮发电机的失磁保护也会加重扰动。因此，除水轮发电机的失磁保护直接动作于跳闸外，一般汽轮发电机的失磁保护直接动作于跳闸外，一般汽轮发电机的失磁保护仅动作于减负荷，转入低负荷异步运行。如不能仅动作于减负荷，转入低负荷异步运行。如不能在允许的异步运行时间里消除失磁因素，保护再在允许的异步运行时间里消除失磁因素，保护再动作于跳闸。若大型机组失磁而危及系统安全时，动作于跳闸。若大型机组失磁而危及系统安全时，保护应尽快断开失磁发电机。保护应尽快断开失磁发电机。供配电系统继电保护第八节 发电机-变压器组保护随着大容量机组和大型发电厂的出现，随着大容量机组和大型发电厂的出现，发电发电机机变压器组变压器组的接线方式在电力系统中获得了广的接线方式在电力系统中获得了广泛的应用。在发电机和变压器每个元件上可能出泛的应用。在发电机和变压器每个元件上可能出现的故障和不正常运行状态，在发电机现的故障和不正常运行状态，在发电机变压器变压器组上也都可能发生，因此，其继电保护装置应能组上也都可能发生，因此，其继电保护装置应能反应发电机和变压器单独运行时所应该反应的那反应发电机和变压器单独运行时所应该反应的那些故障和不正常运行状态。些故障和不正常运行状态。供配电系统继电保护由于发