第7章发电机保护

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1、,第7章 发电机保护,同步发电机的基本结构,一、基本结构,20万KW机组,三峡水电厂70万机组转子吊装,完工后的汽轮发电机转子,7.1 概述,发电机的安全运行直接影响电力系统的安全。发电机由于结构复杂，在运行中可能发生故障和不正常工作状态，特别是现代的大中型发电机的单机容量大，对系统影响大，损坏后的修复工作复杂且工期长，所以对继电保护提出了更高的要求。针对发电机的故障和不正常工作状态，应装设性能完善的继电保护装置。,1、发电机可能发生的故障及其相应的保护,1）发电机定子绕组 相间短路,2）发电机定子绕组 匝间短路,3）发电机定子绕组单相接地,定子绕组单相接地是易发生的一种故障。单相接地后，其电

2、容电流流过故障点的定子铁芯，当此电流较大或持续时间较长时，会使铁芯局部熔化。因此，应装设灵敏的反应全部绕组任一点接地故障的100%定子绕组单相接地保护。,4）发电机转子绕组一点接地和两点接地,转子绕组一点 接地，由于没 有构成通路， 对发电机没有 直接危害。,再发生另一点接地， 则转子绕组一部分 被短接，会烧毁转 子绕组，由于部分 绕组短接，破坏磁 磁路的对称性，造 成磁势不平衡而引 起机组剧烈振动， 产生严重后果。,5）发电机失磁,造成危害：,失磁原因,2、发电机的不正常工作状态及其相应的保护,不 正 常 工 作 状 态,负荷超过发电机额定值、负 序电流超过发电机长期允许值,发电机突然甩负荷

3、,主汽门突然关闭而发 电机断路器未断开,过电流保护,过负荷保护,过电压保护,逆功率保护,发电机保护动作跳开发电机断路器 的同时，还应断开发电机励磁电流。,7.2 发电机的纵差保护,纵差保护作用：反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。,1、发电机纵差保护,1）差动保护的基本工作原理,保护基本原理：比较发电机两侧的电流的大小 和相位，它是反映发电机及其引出线的相间故 障。发电机纵联差动保护的构成的两侧电流互 感器同变比、同型号。,正常运行及外部故障时：,保护区内故障：,2）原理接线,2、差动保护整定计算,按电流互感器二次断线条件：,按最大不平衡电流条件：,两条件取较大值为整定

4、值。,灵敏度：,：发电机出口短路时，流经保护最小的周期性短路电流。,3、比率制动式发电机纵差保护,基本原理：基于保护的动作电流随着外部故障的短路电流而产生的最大不平衡电流的增大而按比例的线性增大，且比最大不平衡电流增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作。,制动电流：将外部故障的短路电流作为制动电流。,差动电流：把流入差动回路的电流作为动作电流。,完全差动,制动电流：,差动电流：,不完全差动,制动电流：,差动电流：,保护动作条件,保护动作特性,1）正常运行时,制动电流,2）外部短路时,制动电流数值大、差动电流数值小，保护不动作。,制动电流,差动 电流,3）内部故障时,制动电流为：

5、,两侧短路电流之差，数值小。,差动电流为：,保护动作。,发电机未并列时,制动电流为：,差动电流为：,保护动作。,保护动作逻辑,单相出口方式,循环闭锁出口方式,比率制动式发电机差动保护的整定,比率制动系数,启动电流,拐点电流,差动速断定值,解除TA断线功能差流,差动保护灵敏度校验,3.标积制动式差动保护原理,1）标积制动量,2）动作方程,3）分析标积制动式差动保护的动作特性,第三节 同步发电机定子绕组匝间短路保护,同分支匝间短路,不同分支匝间短路,一、横联差动保护,横差保护作为发电机定子匝间短路、线棒开焊的主保护 使用，也能保护到不同分支的相间故障,横差保护可分为单元横差保护和裂相横差保护两种,

6、1单元件横差保护的接线方式及其特点,2保护的原理分析,1）当定子绕组的同分支匝间短路时：,2）定子绕组不同分支间发生短路时：,3)保护的接线,常规单元件横联差动保护原理,切换片正常运行时投12位置,保护不带延时。 转子一点接地时，投13位置，保护带延时， 为转子两点接地故障做好准备。,保护装设了3次谐波 滤过器，降低保护动作 电流，提高灵敏度。,微机型单元横差保护,构成原理,动作方程,保护逻辑,保护动作值：,动作电流：,电流互感器变比：,缺点,同相两分支间匝间短路，当短路点位置差别较小时，也存在死区。,需增设0.51秒的延时，以躲过转子回路的瞬时两点接地故障。 t1= 0.51秒,二、纵向零序

7、电压原理的匝间短路保护,适用于中性点侧没有6个或4个引出端子的发电机定子匝间短路。 该保护利用发电机定子绕组发生匝间短路时，机端三相对发电机中性点出现的零序电压而构成。,零序电压匝间短路保护原理接线图,1.保护的构成原理,专用PT纵向零序电压匝间保护,纵向零序电压原理构成的保护方案。在发电机的出口装设一个专用全绝绝缘电压互感器，其一次绕组中性点直接与发电机中性点相连而不接地。所以，该电压互感器二次绕组不能用来测量相对地电压。只有当发电机内部发生匝间短路或者对中性点不对称的各种相间短路时，破坏了三相对中性点的对称，产生了对中性点的零序电压，即纵向零序电压，在它的开口三角绕组才有输出电压，即3U0

8、0，使零序电压匝间短路保护正确动作。为防止低定值零序电压匝间短路保护在外部短路时误动作，还采用一些制动或闭锁量。,零序电压匝间保护用电压互感器 n并联分支发电机零序等效电路,专用TV纵向零序电压匝间保护,4)零序电压匝间保护原理方框图,负序功率闭锁的零序电压匝间保护原理方框图 l三次谐波滤过器；2断线闭锁保护；3跳闸出口,裂相横差保护基本原理,1）参上图说明裂相横差的原理,2）裂相横差的死区原因及死区位置,微机型裂相横差保护,交流回路,动作方程及特性,动作特性,保护逻辑,动作电流按躲正常工况下的不平衡电流整定,拐点电流躲失磁、失步时的不平衡电流,比率制动系数按躲区外故障的最大暂态不平衡电流来整

9、定,定值的整定,三、反应转子回路2次谐波电流的匝间短路保护,原理：匝间短路在转子绕组出现2次谐波电流 ，利用此特点构成保护。,正常运行、三相对称短路及系统 振荡时，发电机定子绕组三相电流 对称，保护不会动作。,发电机不对称运行 或不对称短路时,转子回路中将出现2次谐波电流。 为了避免保护的误动， 采用负序功率方向继电器闭锁的措施。,原因：匝间短路时的负序功率方向 与不对称运行时或发生不对称短 路时的负序功率方向相反。,第四节 发电机定子绕组单相接地保护,定子绕组单相接地的危害,接地电流允许值：,对大中型发电机定子绕组单相接地保护的基本要求：,1、定子单相接地时电压电流的分布,每相对地电压为：,

10、故障点零序电压：,结论：故障点零序电压与成正比， 故障点离中性点越远，零序电压越高。,在机端接地时：,在中性点处接地时：,发电机单相接地时，零序电流分布,定子单相接地时，有线路电容电流流过机端，此电 流的大小与接地点位置有关，即与 成正比，可以 利用此零序电流构成定子接地保护,动作方程,整定原则：参见教材,2、利用零序电流构成的定子接地保护,1）反映零序电压保护原理接线,缺点：保护在离中性点附近接地存在动作死区。,3、反应基波零序电压的接地保护,提高 保护 灵敏 度措 施：,注意：在中性点附近接地仍有5%的死区。,4、反应基波零序电压和3次谐波电压 构成的发电机定子100%接地保护,在发电机相

11、电势中，除基波之外，还含有一定分量的谐波，其中主要是3次谐波，3次谐波值一般不超过基波10%。,1）正常运行时定子绕组中3次谐波电压分布,机端3次谐波电压：,中性点谐波电压：,比值：,结论：正常运行时，机端3次谐波电压总 是小于中性点3次谐波电压。,2）定子绕组单相接地时3次谐波电压的分布,有,其比值为：,结论,100%定子单相接地保护原理,动作判据,保护逻辑,第五节 发电机转子回路接地保护,当转子回路发生一点接地故障时，动作于信号； 当转子回路两点接地时，动作于跳闸。,一、转子回路一点接地保护,1保护原理:切换采样式转子一点接地保护,2.整定计算,当接地电阻的高定值整定为10K时，延时(41

12、0秒)动作于发信号； 当接地电阻低定值整定为10K时，延时(14秒)动作于跳闸。,二、转子两点接地保护,第六节 发电机的过负荷保护,（2）发电机允许过负荷的特性,二、定子绕组的过负荷保护 保护的动作电流，按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定。 三、转子绕组的过负荷保护 由定时限电流保护和反时限电流保护两部分组成。定时限部分经延时动作于信号；反时限部分动作于解列灭磁。 四、转子表层的过负荷保护 一般由定时限负序电流保护和反时限负序电流保护两部分组成。定时限负序电流保护动作于信号，反时限负序电流保护动作于跳闸。,发电机定子过负荷保护,定子过负荷保护反应发电机定子绕组的平均发热状况。保

13、护动作量同时取发电机机端、中性点定子电流。 反时限保护由三部分组成: 下限启动, 反时限部分, 上限定时限部分。 上限定时限部分设最小动作时间定值。 当定子电流超过下限整定值Iszd时, 反时限部分起动, 并进行累积。反时限保护热积累值大于热积累定值保护发出跳闸信号。反时限保护, 模拟发电机的发热过程, 并能模拟散热。当定子电流大于下限电流定值时, 发电机开始热积累, 如定子电流小于额定电流时, 热积累值通过散热慢慢减小。,发电机定子过负荷保护,KSzd: 发电机发热时间常数，Ksrzd：发电机散热效应系数，Iezd：发电机额定电流二次值。,负序过负荷保护,负序过负荷反应发电机转子表层过热状况

14、，也可反应负序电流引起的其它异常。保护动作量取机端、中性点的负序电流。 当负序电流超过下限整定值I2szd时，反时限部分起动, 并进行累积。反时限保护热积累值大于热积累定值保护发出跳闸信号。负序反时限保护能模拟转子的热积累过程，并能模拟散热。发电机发热后，若负序电流小于I2l时，发电机的热积累通过散热过程，慢慢减少；负序电流增大，超过I2l时，从现在的热积累值开始，重新热积累的过程。,负序过负荷保护,式中I2：发电机负序电流，Iezd:发电机额定电流，I2l：发电机长期运行允许负序电流（标么值），A：转子负序发热常数。,第七节 发电机的失磁保护,一、发电机失磁运行及其产生的影响 1）发电机失磁

15、，对机组本身产生危害。 2）发电机失磁运行对电力系统的影响。 二、发电机失磁保护的配置 大型发电机通常装设专门的失磁保护，动作于信号、减负荷、或停机。,发电机失磁的原因,1、灭磁开关误跳闸而转子线圈经灭磁电阻短接 2、转子线圈短路 3、转子线圈回路断线而开路 4、硅整流的故障 5、自动调节励磁装置的故障等,发电机的失磁的影响,1、当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。 2、由于感应电势逐渐减小，导致电磁功率小于原动机的功率，转子加速，功角增大，有可能超过静稳极限而导致发电机和系统失步。 3、发电机失磁后将从并列运行的电力系统中吸取电感性无功功率供给转子励磁电流，在定子绕组中感应电势。

16、 4、在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率为 的电流，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。失磁前有功越大，稳定异步转差越大，吸收无功越大 。转子绕组短路引起失磁比转子绕组开路失磁，转差小。,由于失磁导致失步后的影响,1、需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。 2、由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，如果电力系统的容量较小或无功功率的储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压 、或其它邻近点的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。 3、由于失磁发电机吸收了大量的无功功率，因此为了防止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程度的降低，吸收的无功功率越大，则降低的越多。 4、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 的交流电流，因而形成附加的损耗，使发