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第7章发电机继电保护第七章发电机的继电保护基本要求学习内容习题与思考题2本章基本要求掌握发电机的纵差动和横差动保护;掌握单相接地保护;掌握发电机的负序过电流保护;掌握发电机的失磁保护;了解发电机-变压器组继电保护的特点返回3第一节
发电机的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式(1)发电机故障发电机由定子绕组和转子绕组两部分构成。定子绕组故障①定子绕组相间故障②定子绕组接地故障③定子绕组一相匝间故障转子绕组故障①转子绕组一点或两点接地故障②励磁消失4故障与保护配置:5故障与保护配置:6故障与保护配置:7故障与保护配置:8故障与保护配置:9(二)发电机不正常运行状态: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引起的三相对称过负荷外部不对称短路或不对称负荷引起的发电机负序过电流由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压励磁回路故障或强励时间过长引起的转子绕组过负荷由于汽轮机主气门突然关闭引起的发电机逆功率运行失步运行10不正常运行状态的继电保护:11不正常运行状态的继电保护:12不正常运行状态的继电保护:13对于300MW及以上发电机,应装设过励磁保护其他保护:14内部短路故障主要是指定子的各种相间和匝间短路故障,短路故障时被短接的绕组中将会出现很大的短路电流,严重损伤发电机本体,甚至使发电机报废,危害十分严重,发电机修复费用非常高。(二)定子绕组短路故障的特点:15定子短路故障种类:单相接地相间短路(电弧)(线棒间绝缘击穿)(端部放电)两点接地短路匝间短路16第二节
发电机的纵差动保护和横差动保护1.发电机的纵差动保护的整定计算和原理接线内部故障:快速而灵敏地切除故障外部故障:保证动作的选择性和工作的可靠性17纵差动保护接线方式(1)完全差动保护
特点:差动电流取自发电机机端和中性点引出端可以反映定子绕组各种类型的相间故障不能反映定子绕组匝间故障18纵差动保护接线方式(2)不完全差动保护
特点:差动电流取自发电机机端和定子绕组中性点侧部分分支可以反映定子绕组各种类型的相间故障可以反映定子绕组匝间故障19(1)在正常情况下,电流互感器二次回路断线时保护不应误动。保护装置和继电器的启动电流分别为断线后发生外部短路,则继电器中流过短路电流,保护仍要误动。20应装设断线监视装置:按躲开正常运行时的不平衡电流整定21在纵差动保护中,不平衡电流的稳态值为(2)启动电流按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定,此时继电器的整定电流应为由上式可得22出口处发生三相短路的最大短路电流约为对于汽轮发电机差动继电器的启动电路为23出口处发生三相短路的最大短路电流约为对于水轮发电机差动继电器的启动电路为24
按躲开不平衡电流条件整定的差动保护,其启动值都远较按躲开电流互感器二次回路断线的条件为小,因此,保护灵敏性就高。但在正常运行时情况下发生电流互感器二次回路断线时,在负荷电流的作用下,差动保护就有可能误动作。25当差动保护的整定值小于额定电流时,可不装设电流互感器回路断线的监视装置。当采用带有速饱和和变流器的差动继电器时,亦可利用差动线圈和平衡线圈的适当组合和联接,构成高灵敏度的纵差动保护。26(3)对100MW及以上大容量发电机,采用具有比率制动特性的差动继电器,即利用外部故障时的穿越电流实现制动。27
发电机纵差动保护的灵敏性(灵敏系数)Idmin为内部故障时流过保护装置的最小短路电流,应考虑以下两种情况: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,差动回路中只有有发电机供给的短路电流I1”,而I1’=0:发电机采用自同期并列时,在系统最小运行方式下,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I1’,而I1”=0。282.发电机匝间短路的横差动保护大容量发电机内部接线对发电机定子绕组匝间短路的保护,即横差动保护29利用因电势差在各绕组间产生的环流来实现(1)绕组内部发生匝间短路匝数a越多,则环流越大。a=0时,环流较小,保护有死区。30(2)在同相的两个绕组间发生匝间短路利用两个分支绕组短路点存在电势差而产生的环流来实现a1=a2时,环流较小,保护有死区。31横差动保护之一:两个电流互感器和一个继电器两个电流互感器和一个继电器32横差动保护之二:单继电器式33横差动保护之二:单继电器式实际发电机不同中性点之间存在不平衡电流的原因:定子同相而不同分支的绕组参数不完全相同,致使两端的电动势及分支电流有差异
发电机定子气隙磁场不完全均匀,在不同定子绕组中产生的感应电动势不同转子偏心,在不同的定子绕组中产生不同电动势存在三次谐波电流34横差动保护之二:单继电器式三次谐波过滤器没有因互感器的误差所产生的不平衡电流三次谐波电动势35(3)纵向零序电压式定子绕组匝间短路保护按躲开区外不对称短路时的最大不平衡电压整定,一般取2.5-3V。需要性能良好的三次谐波滤波器防止TVN1一次断线而引起保护误动作防止区外故障时匝间短路保护误动作36第三节
发电机的单相接地保护原因:定子绕组绝缘破坏而引起。占70%~80%影响:故障点引起电弧,使绕组的绝缘和定子铁芯烧坏,发展成相间短路。措施:接地电容电流大于5A时,跳闸;反之作用于信号。371.发电机定子绕组单相接地的特点由中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数38
故障点各相电动势为、、
各相对地电压分别为
因此故障点的零序电压为39发电机的零序电容电流和网络的零序电容电流为则故障点的接地电流为其有效值为。40发电机额定电压(kV)发电机额定容量(MW)接地电流允许值(A)6.3<50410.550-100313.8-15.75125-200218-203001发电机单相接地电流允许值41发电机内部故障发电机外部故障42发电机内部单相接地时,机端各相的对地电压分别为
机端的零序电压为43中性点不接地发电机等值零序网络故障点零序电流44中性点经消弧线圈接地发电机等值零序网络故障点零序电流452.利用零序电流构成的定子接地保护对直接连接在母线上的发电机,在实现接地保护时,应做到一次侧的接地电流(即零序电流)大于允许值时即动作跳闸。对零序电流互感器的要求:正常运行时,在三相对称负荷电流的作用下,在二次侧的不平衡输出应该能很小;接地故障时,在很小的零序电流作用下,在二次侧应有足够大的功率输出,以使保护装置能够动作。46当一次电流I’1一定时,电流互感器的输出视在功率为最大视在功率为Z2=Z’L时,Smax最大。尽量提高零序电流互感器的励磁阻抗。47接于零序电流互感器上的发电机零序电流保护,其整定原则:躲过外部单相接地时,发电机本身的电容电流以及由于零序电流互感器一次侧三相导线排列不对称,而在二次侧引起的不平衡电流。保护装置的一次动作电流应小于表7.1规定的允许值。为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起接地保护误动作,应在相间保护动作时将接地保护闭锁。保护装置一般带有1-2s的时限,以躲开外部单相接地瞬间,发电机暂态电容电流的影响。483.利用零序电压构成的定子接地保护(用于发电机-变压器组)发电机-变压器电压系统的对地电容分布49零序电压获取方法:机端电压互感器的开口三角输出中性点电压互感器二次输出中性点接地变二次输出零序电压获取中的不平衡输出互感器传变误差三次谐波由高压侧通过电容耦合的零序电压保护判据:50中性点三次谐波电压机端三次谐波电压三次谐波电压比(4)利用三次谐波电压构成的定子绕组单相接地正常运行时定子绕组三次谐波分布51单相接地时定子绕组三次谐波分布中性点三次谐波电压机端三次谐波电压三次谐波电压比52保护范围:靠近中性点侧50%的定子绕组接地故障,可靠反映利用零序电压和三次谐波电压构成100%定子接地保护保护判据:保护判据:53发电机-变压器组单相接地信号装置接线:中性点附近有死区加装三次谐波过滤器对于高压侧中性点直接接地电网,利用保护装置的延时躲开高压侧的接地故障。对于高压侧非中性点直接接地电网,利用高压侧的零序电压将发电机保护闭锁或利用它对保护实现制动。54发电机100%定子绕组单相接地保护:55第四节
发电机的负序过电流保护1.负序过电流保护的作用负序电流不对称短路负荷不平衡发热振动负序电流与转子过热量的关系:56负序电流与持续时间的关系:结论:发电机负序过电流保护是对定子绕组电流不平衡而引起转子过热的一种保护。57负序电流的危害定子绕组中的负序电流将在转子绕组中感应出100Hz的高频分量。该分量会在转子铁芯中产生涡流,导致转子发热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的100Hz交变电磁转矩,将同时作用在转子大轴和定子机座上,从而引起100Hz的振动,威胁发电机安全负序电流保护的作用作为防止发电机过热外部不对称故障的后备保护58发电机的负序电流及单相式低电压启动的过电流保护反应于三相对称短路反应于负序过电流592.定时限负序过电流保护低电压起动过电流保护,反应于三相对称短路整定值较大转子过热或后备保护整定值较小发出不对称负荷信号60负序过电流保护的整定原则:按照躲开电机长期允许的负序电流值和最大负荷下负序过滤器的不平衡电流来整定。一般情况下动作时限则应保证外部不对称短路时动作的选择性,一般采用5~10s。61负序过电流保护的整定原则:按照发电机短时间允许的负序电流来整定。对表面冷却的发电机组62发电机和变压器都有负序电流后备保护,则高压母线上发生不对称短路时,发电机负序过电流保护的灵敏系数应较变压器为低。I2js为发生外部故障且流过升压变压器的负序电流正好与其负序电流保护的起动电流相等时,流过被保护发电机的负序短路电流。动作时限仍按后备保护的原则逐级配合,一般取为3~5s。63(1)ab段:保护装置的动作时限(4s)大于发电机允许的时间,因此可能出现发电机已被破坏而保护尚未动作。64(2)bc段:保护装置的动作时限小于发电机的允许时间,从发电机继续安全运行的角度来看,在不该切除的时候就它切除了,因此没有充分利用发电机本身所具有的承受抚恤电流的能力。65(3)cd段:靠保护装置动作发出信号,然后由值班人员来处理的时间。当负序电流靠近c点附近时,发电机所允许的时间与保护装置的时间实际相差很小,因此有可能发生保护给出信号后,值班人员还未来得及处理,而发电机受害已超过允许时间。663.负序反时限过电流保护保护跳闸特性与负序电流曲线的配合67负序反时限过电流保护及负序过负荷信号保护:开放反时限部分的计时回路开放反时限部分的跳闸回路68第五节
发电机的失磁保护1.发电机的失磁运行及其产生的影响发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因: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。69励磁电流↓失磁感应电动势Ed↓原动机转矩>电磁转矩转子速度↑功角↑>静态稳定极限角失去同步超过同步转速转子回路中感应出电流异步制动转矩(fg–fs)异步转矩=原动机转矩异步发电机稳定运行70异步运行时对电力系统和发电机产生影响:从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。从电网中吸收无功功率将因此电网的电压下降。由于失磁发电机吸收大量的无功功率,因此为了其定子绕组的过电流,发电机所能发出的有功功率将较同步运行时有不同的降低。71异步运行时对电力系统和发电机产生影响:失磁后发电机的转速超过同步转速,因此在转子及励磁回路中将产生频率为ff-fs的交流电流(差频电流),因而形成附加的损耗,使发电机转子和励磁回路过热。当超速运行后,调速器立即关小汽门,使汽轮机的输出功率与发电机的异步功率很快达到平衡,在转差率小于0.5%的情况下即可稳定运行。722.发电机失磁后的机端测量阻抗等值电路向量图汽轮发电机-联络线的无穷大系统:73发电机送到受端的功率分别为正常运行时741)失磁后到失步前电磁功率无功功率↓发电机变为吸收感性的无功功率。75发电机端的测量阻抗为76等有功阻抗图772)临界失步点:(功角为90°)输送到受端的无功功率为Q为负值,表明临界失步时,发电机自系统吸收无功功率。78发电机端的测量阻抗为79临界失步阻抗圆(静态阻抗圆、无功阻抗圆)803)失步后的异步运行阶段发电机端的测量阻抗为异步电机等效图为81当发电机空载运行失磁时极端测量阻抗为最大,发电机失磁时,Zf将随着转差率的增大而减小,并位于第四象限内。82当ff→∞时,S→∞,R2/S趋近于零,Zf的数值为最小:83843.发电机在其他运行方式下的机端测量阻抗1)发电机正常运行时的机端测量阻抗向外输出有功功率和无功功率向外只输出有功功率向外输出有功功率和从电网吸收无功功率852)发电机外部故障时的机端测量阻抗大小和相位正比于短路点到保护安装点之间的阻抗863)发电机与系统间发生振荡时的机端测量阻抗874)发电机自同步并列时的机端测量阻抗
在发电机接近于额定转速,不加励磁而投入断路器的瞬间,与发电机空载运行时发生失磁的情况实质上是一样。
由于自同步并列的方式是在断路器投入后立即给发电机加上励磁,因此发电机无励磁运行的时间极短。884.失磁保护的构成方式
失磁保护应能正确反应发电机的失磁故障,而在发电机外部故障、电力系统振荡、发电机自同步并列以及发电机低励磁(同步)运行时不误动作。1)利用自动灭磁开关联锁跳开发电机断路器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失磁保护的方式:89
机端测量阻抗(第一象限→第四象限)发电机定子各参数变化:
无功功率改变方向(输出→吸收)
发电机端电压下降
功角增大
励磁电压降低,等90发电机失磁保护判据:1)主判据2)辅助判据静态边界阻抗圆判据异步阻抗圆判据无功方向判据系统三相电压降低励磁电压下降不出现负序分
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