第七章发动机的保护

第七章发动机的保护§7发电机保护

§7-1发电机故障类型,不正常运行状态及相应保护方式一、故障类型及保护方式定子（及引出线）：相间短路纵差保护（1000KW以上）匝间短路横差保护（大容量，双绕组）单相接地接地保护（Ic>5A则跳闸；Ic<5A则发信号）转子：一点接地一点接地保护或定期检测装置两点接地两点接地保护失磁失磁保护二、不正常状态及保护方式1、外部短路→过电流

——过流保护（低电压启动或复合电压启动的过流）2、三相对称过负荷——过负荷保护3、外部不对称短路或不对称过负荷→负序过流

——负序过流保护（5万KW以上）4、突然甩负荷→定子过电压

——过电压保护（水轮发电机）5、转子过负荷

——转子过负荷保护（10万KW以上，可控硅励磁机组）6、主汽门突然关闭→逆功率

——逆功率保护（大容量，汽轮发电机）§7-2发电机G的纵差保护和横差保护一、纵差保护基本原理：与线路纵联差动及变压器纵联差动相同。作用：反映G内部（包括机端引线）相间短路的主保护。作用对象：出口QF，灭磁开关，停机。1、完全纵差与不完全纵差的差动电流Icd与制动电流Izh

(1)完全纵差：可反映G内部相间短路，但不能反映匝间短路和开焊故障。

相间短路（）匝间短路或开焊（）（：出口侧电流；：中性点侧电流）差动电流Icd=||；制动电流Izh=||/2

(2)不完全纵差：可反映G内部相间短路、匝间短路和开焊故障。出口侧TA1接相电流，而中性点侧TA2只接每相部分分支的电流，同时为了保证在正常运行及外部短路时差动电流为0，需进行分支比例调整。正常运行及外部短路匝间短路或开焊（IT/IN=K）（IT/IN≠K）分支系数K=(正常)相电流/(正常)分支电流差动电流Icd=||；制动电流Izh=||/22、比率制动特性及整定计算：(1)最小启动电流Idz.min：躲过正常工况下最大差动不平衡电流。一般Idz.min=(0.3~0.4)Ie.2

(2)拐点电流Izh.min：一般取Izh.min=(0.5~0.8)Ie.2

(3)制动特性斜率Kzh：躲过外部短路最大不平衡差动电流。一般Kzh=0.3~0.5（不完全纵差Kzh应适当偏大）(4)差动速断动作电流Idz.max：一般取Idz.max=(4~8)Ie.2

(5)内部短路灵敏度校验：要求机端两相金属性短路的灵敏系数Klm>2.0

二、发电机横差保护作用：反映G内部绕组（不含机端引线）相间短路、匝间短路和开焊故障的主保护作用对象：出口QF，灭磁开关，停机1、裂相横差保护（即三元件横差，构成相对复杂，作为单元件横差的补充）(1)G正常运行或外部短路时两支绕组电势相等，故两支电流大小相等，差动电流Icd=0

(2)同一支绕组上匝间短路（：短路匝数占整支匝数的百分比）两绕组电势不相等→环流Id→较大Icd=2Id/nTA

→0时，Icd→0，拒动出现死区(3)同相不同支绕组上匝间短路（1，2）两绕组电势不相等→环流I'd→较大Icd=2I’d/nTA

=(1－2)→0时，Icd→0，拒动出现死区(4)相间短路产生较大Id→较大Icd=Id/nTA

(5)开焊故障：某支开焊时，一支无电流、一支有电流→较大Icd=Ifh/nTA

2、零序电流横差保护（也称单元件横差或高灵敏度横差，构成简单且灵敏度高）在每相多分支的多个中性点连线上接入零序电流式横差保护：左星形：IL=IA.L+IB.L+IC.L

右星形：IR=IA.R+IB.R+IC.R

则：Icd=|IL－IR|/nTA

(1)正常运行及外部短路时：Icd=Ibp(很小)，保护不动作。(2)匝间短路时（）：

Icd=Id/nTA（环流，很大），保护动作。→0时，Icd→0，保护拒动出现死区。(3)转子两点接地→转子磁场畸变→横差保护误动。措施：*G有转子两点接地保护时，转子一点接地后横差保护改为经短延时t出口。*G无转子两点接地保护时，转子一点接地后横差保护不延时，允许横差保护瞬时出口。§7-3发电机定子绕组单相接地保护（发电机中性点接地方式：不接地或经消弧线圈接地或经高阻接地）一、发电机定子绕组单相接地的特点设A相绕组接地：（：接地点到中性点间的绕组占整个绕组的百分比）1、零序电压┌UAD=EA－EA

各相对地电压：

│

UBD=EB－EA

└UCD=EC－EA

零序电压：3U0=(UAD＋UBD＋UCD)=－3EA

（3U0随变化）2、零序电流2、零序电流发电机对地电容电流：

3I’0G＝jωCG3U0＝－jωCG3EA

网络对地电容电流：

3I’0S＝jωCS3U0＝－jωCS3EA

故障点总对地电容电流：

3Id0＝3I’0G＋3I’0S＝－jω(CG＋CS)3EA*发电机定子接地时，其出口TA0所测零序电流：

3I0G＝3I’0S＝－jωCS3EA

其值较大（CS较大）；方向：G→母线*外部系统单相接地时，发电机出口TA0所测零序电流：

3I0G＝3I’0G＝－jωCG3EA

（此时=1）其值较小（CG较小）；方向：母线→G二、利用零序电流构成定子接地保护反映接地电容电流Ic>5A的情况，有选择性动作于跳闸。为减小不平衡电流，TA0采用高导磁率的零序电流互感器。零序电流保护整定值选择原则：(1)躲过（大于）外部系统单相接地时G所测得的零序电流（即G本身的电容电流3I’0G＝ωCG3EX，EX：相电压）；并应躲过正常运行时TA0一次三相导线排列不对称→Ibp(2)保护一次动作电流应尽量小(灵敏度高)，且应保证<5A。(3)为防止外部相间短路时TA0出现的Ibp.max→接地保护误动，在过流保护动作时应将接地保护闭锁。(4)为防止外部单相接地瞬间较大的暂态电流（>>ωCG3EX）→接地保护误动，接地保护应带有1~2S的延时。三、利用零序电压构成定子接地保护反映接地电容电流Ic<5A的情况，无选择性动作于信号。

G定子单相接地时，出现零序电压3U0=3EX→保护动作。整定原则：3U0.dz.j>Ubp

（一般3U0.dz.j=15~30V）当→0时（接地点靠近中性点），

3U0→0，保护拒动，出现死区。四、100%定子接地保护1、构成方式第一部分：零序电压保护，死区：=5%~10%（靠中性点侧）┌附加直流电源第二部分：│附加交流电源└利用G固有三次谐波电势2、三次谐波电压保护基本原理常规三次谐波保护动作条件：机端三次谐波电压US3>中性点三次谐波电压UN3

（即：US3/UN3>1）(1)正常运行时中性点对地电抗：XN3=1/(jω3CG)；机端对地电抗：XS3=1/[jω3(CG+CS)]

中性点三次谐波电压：

UN3=XN3E3/(XN3+XS3)

机端三次谐波电压：

US3=XS3E3/(XN3+XS3)

则：US3/UN3=XS3/XN3=(CG)/(CG+CS)<1，即：US3<UN3

动作条件不满足，不动作。(2)定子绕组单相接地时设F点金属性接地（距中性点比例为）

UN3=E3，US3=(1-)E3

故：US3/UN3=(1-)/

*<50%时（F点靠中性点侧），

US3>UN3，满足动作条件，动作*>50%时（F点靠机端侧），

US3<UN3，不满足动作条件，不动作零序电压保护和三次谐波电压保护互相补充（死区互补）→100%定子接地保护。实际定子接地往往并非金属性→三次谐波电压保护灵敏度不高（保护范围达不到中性点侧的50%）3、三次谐波定子接地保护改进判据

改进型动作条件：

|US3－Kp·UN3|>β·|UN3|

适当调整复系数Kp使正常运行时：

|US3－Kp·UN3|=0

当靠中性点定子绕组接地：

US3↑,

UN3↓→|US3－Kp·UN3|↑↑>β·|UN3|

→保护灵敏动作

当靠机端定子绕组接地：

US3↓,

UN3↑→|US3－Kp·UN3|↑>β·|UN3|

→保护动作

（可见改进型的三次谐波保护甚至可以单独作为100%定子接地保护）

§7-4发电机过流保护一、复合电压启动（或低电压启动）的过流保护（同变压器过流保护）二、负序过负荷及负序过流保护（用于50MW及以上的发电机）三相不对称短路或不对称负荷→负序过流→转子倍频电流→转子过热、振动。发电机允许发热条件：I2*2·t≤A

(负序电流I2*大→允许的时间t短)A：发电机转子允许发热量；

I2*：以Ie.G为基准的负序电流标幺值）1、定时限负序过负荷及负序过流1、定时限负序过负荷及负序过流

[II2>]元件→跳闸，反映负序过流（整定值大）

[III2>]元件→发信号，反映负序过负荷（整定值小）整定计算及特性分析：(1)负序过负荷部分（小定值）*动作电流III2.dz整定：躲过发电机长期允许负序电流I2.：III2.dz=I2.=I2.

经验公式：汽轮发电机：III2.dz=(0.06~0.08)Ie.2

水轮发电机：III2.dz=(0.1~0.2)Ie.2

*动作延时tII：取6~9S(2)负序过流部分（大定值）*动作电流II2.dz整定：①II2.dz.*≤

tjs：计算时间，即运行人员可采取措施消除负序电流所需的充足时间，取120s。当I2*<II2.dz.*时，允许时间ty>tjs，可人工处理，保护不必动作当I2*>II2.dz.*时，允许时间ty<tjs，来不及人工处理，保护动作一般A=30~40，则：II2.dz=(0.5~0.6)Ie.2

（汽轮发电机用0.5；水轮发电机用0.6）②与相邻元件的后备保护配合（本后备保护Klm<相邻设备后备保护Klm）

II2.dz=Kk·I2.jsKk：配合系数，取1.1~1.3

I2.js：计算电流，即相邻设备后备保护范围末端不对称短路时流过本设备的最大负序电流。*动作时限tI：按阶梯原则与相邻元件后备保护配合：

tG=tT＋t，一般为3~5秒(3)负序定时限过流保护特性分析：设：反映不对称过负荷发信号部分：整定值0.1Ie.G；时限t=10S

反映不对称短路跳闸部分：整定值0.5Ie.G；时限t=4S

ab段：保护尚未动作，G已经过热。

bc段：未能充分利用G本身的承受能力

cd段：I2→0.5Ie.G时（靠近C点），允许时间ty不够长，不对称过负荷部分发信号后，无充裕时间保证人工处理。

de段：保护根本不反应。2、负序反时限过流保护（适用于大型G）为更好地与发电机承受能力匹配，采用反时限特性。反时限过流保护：动作时限t与通入G的电流成反比变化。

G绝热条件下：I2*2·ty=A

则：ty=A/I2*2

考虑到G转子的散热条件，允许一定的温升裕度，保护实际动作特性取：

tb=A/(I2*2－)

（：裕度常数）§7-5发电机失磁保护（后备保护）一、发电机失磁及其产生的影响1、失磁的特点设正常运行于a点，(1)低励失磁→励磁电流↓→Ed↓→功角曲线P()下降，至b点→P<Pm→转子加速,功角↑→P回升至c点，P=Pm；由于惯性继续↑→P>Pm→转子减速，按等面积法则至d点（加速面积abc=减速面积cde），开始↓→P回落至c点，P=Pm；由于惯性继续↓→P<Pm→转子加速……，经加速、减速循环往复的衰减振荡稳定在c点——稳定振荡（同步振荡）。(2)若严重失磁→曲线P()大幅下降→可提供的减速区面积chf<加速面积abc→惯性↑的减速过程中，冲过f点，即尚未将加速面积的能量耗尽又出现P<Pm→转子又加速，不断↑→异步运行（失步）。2、失磁的影响

G发出的无功：(1)失磁→Ed↓，↑→G发出的Q持续下降，当↑=90°时，

Q=→无功反向(发电机吸收无功以建立磁场，进相)，

继续↑→反向无功↑→系统无功缺额→系统电压U↓→电压崩溃。(2)由于从系统吸收大量无功，为防止定子过流，有功P↓。(3)G转子转速↑→G频率fG>系统频率fS

→转子中出现滑差(fG－fS)交流→