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1、发电机继电保护,7.1.1发电机的故障和异常运行状态 （一）发电机内部故障 发电机由定子绕组和转子绕组两部分构成。 常见故障： 定子绕组相间短路； 定子绕组单相匝间短路； 定子绕组单相接地； 转子绕组一点接地或两点接地； 转子励磁回路电流消失。,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1.1发电机的故障和异常运行状态 （二）发电机的不正常运行状态 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而引起的三相对称过负荷；外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷；突然甩负荷而引起的定子绕
2、组过电压； 励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷； 汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行等。,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1.2大型发电机组的特点及对继电保护的要求 对继保提出的新要求： 装设具有反时限特性的过负荷保护及过电流保护。 大型机组更需要性能完善的失磁保护 用灵敏的匝间短路保护和漏水保护 装气隙不均保护和设计新的反应匝间短路的横差保护 考虑后备保护灵敏度问题,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1.3 发电机保护装设的原则 总的原则针对发电机的故障类型和不正常状态，根据发电机的容量和重要程度和规程规定配置相应的保
3、护 保护配置 纵差动保护：对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路 接地保护：对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于规定的允许值时,应装设有选择性的接地保护装置.（如图7.1）,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1.3 发电机保护装设的原则,图 7.1发电机定子绕组单相接地故障电流允许值 * 对氢冷发电机为2.5,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,7.1.3 发电机保护装设的原则 匝间短路保护：对于定子绕组匝间短路，当定子绕组采用星形接线，每相有并联分支且中性点侧引出端安装CT时，应装设
4、横差保护。 外部短路引起的过电流保护：对于发电机外部短路引起的过电流可采用以下保护方式： 负序过电流保护或单相式低压启动过电流保护 复合电压启动过电流保护 过流保护 对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护；,7.2 发电机的纵差动保护,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，因此，它应能快速切断内部所发生的故障，同时在正常运行及外部故障时，又应能保证动作的选择性和工作的可靠性。,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.1工作原理利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成，因此在发电机中性点侧和引出线侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差动保护。,图7.2
5、发电机纵差保护单相原理图 （a）内部故障情况（b）正常运行及外部故障情况,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.1工作原理 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。保护原理：利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成。,图7.3 发电机纵差保护单相原理图 （a）内部故障情况 （b）正常运行及外部故障情况,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.1工作原理发电机内部故障时，如图（a）中的k1点短路，两侧电流互感器的一、二次侧电流如图所示，差动继电器中的电流为 。当 大于继电器的整定电流时，继电器动作。在正常运行或保护区外故障时，流过继电器的电流为两侧电流之差（ ），如图7.1
6、（b）所示（短路点k2）。在循环电流回路两臂引线阻抗相同、两侧电流互感器特性完全一致和铁芯剩磁一样的理想情况下，两侧二次电流相等（ ），流过继电器的电流为零。但实际上差动继电器中流过不大的电流，此电流称为不平衡电流。,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则 （一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动 保护装置整定电流继电器的整定电流电流互感器变比,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则 （一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动断线监视继电器的整定电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好。根据经验，一般选择为：,7.2 发电
7、机的纵差动保护,7.2.2 整定原则 （一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动,图7.4 具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线图,保护装置采用三相式接线，在差动回路的中线上接有断线监视继电器器KA，当任一相电流互感器回路断线时，它都能动作，经过延时发出信号。为了使差动保护的范围能包括发电机引出线（或电缆）在内，因此所使用的电流互感器应装设在靠近断路器的位置。,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则 （二）躲过外部故障时的最大不平衡电流 整定电流：（7-1） 考虑非周期分量的影响，并将稳态不平衡电流计算式带入（7-1）式得：（7-2）可靠系数，取1.3非周期分量
8、系数，当采用具有速饱和铁芯的差动继电器时，取1电流互感器同型系数，当型号相同时取0.5,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则 （二）躲过外部故障时的最大不平衡电流 1. 汽轮机组 汽轮机组出口处发生三相短路的最大短路电流约为，带入（7-2），差动继电器的整定电流为：2. 水轮机组 水轮机组出口处发生三相短路时的最大短路电流约为，差动继电器中的整定电流为：,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则 （三）灵敏度检效 灵敏度计算公式：为发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流时考虑以下两种情况： 1）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发电机供
9、给的短路电流 ，而 =0； 2）发电机采用自同期并列时，发电机出线端发生两相短路， 差动回路只有系统供给的短路电流 ， =0 。,要求：一般不小于2,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.3.1 装设匝间短路保护的必要性 根据情况出现了以下观点： 定子绕组匝间绝缘强度高于对地绝缘强度，可以不装匝间短路保护。 大型机组的定子同槽上下层线棒同属一相的很少，不再装设匝间短路保护。 总结：随着单机容量的增大，发电机定子绕组的并联分支数将增多，不考虑定子匝间短路及其保护是不合理的。,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.3.2 单元件横差保护,图7.5 发电机定子绕组匝间短路的电流分布 (a) 在某
10、一绕组内部匝间短路； (b)在同相不同绕组匝间短路,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.3.2 单继电器横差保护如（a）所示，当某一绕组内发生匝间短路时，由于故障支路与非故障支路的电动势不相等，因此，有一个环流产生，这时在差动回路中将有电流，当此电流大于继电器的整定电流时，保护动作。短路匝数 越多，则环流越大，而当 较小时，保护就不动作。因此，保护是有死区的。如（b）所示，在同相的两个分支间发生匝间短路，当12时，由于两个分支存在电势差，将分别出现两个环流 和 ，流入继电器内的电流为 。若这种短路发生在等位点上（即12）时，将不会有环流。因此，12或12 时，保护也出现死区。,7.3 发电
11、机定子绕组匝间短路保护,7.3.2 单继电器横差保护根据定子绕组匝间短路的特点，横差保护有两种接线方式： 比较每相两个分支绕组的电流之差。 在两组星形接线的中性点连线上装设一个电流互感器，将一组星形接线绕组的三相电流之和与另一组星形接线绕组的三相电流之和进行比较保护装置的整定电流，通常取发电机定子绕组额定电流2030，即：,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.3.3 定子绕组零序电压原理的匝间短路保护,图7.6 由负序功率闭锁的纵向零序电压匝间短路保护原理图,当发电机正常运行和外部相间短路时，TVN1辅助二次绕组没有输出电压，即3U0=0。当发电机内部或外部发生单相接地故障时，中性点电位升
12、高为U0 ，由于TVN1一次侧中性点不接地，开口三角绕组输出电压为0V。保护的零序动作电压由正常运行负荷工况下的零序不平衡电压U0.unb决定。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,根据安全运行经验：当接地电容电流大于等于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。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4.1 利用零序电流构成的定子接地保护接于零序电流互感器上的发电机零序电流保护，其整定值的选择原则如下： 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
13、小于规定的允许值。 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12 s的时限，以躲过外部单相接地瞬间，发电机暂态电容电流的影响。 为了减小死区的范围，尽量降低保护的起动电流。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护,图7.7 发电机电压系统的对地电容分布图,继电器的起动电压一般整定为1530V左右。,为了减小死区，可采取如下措施来降低起动电压：加装三次谐波带阻过滤器；对于高压侧中性点直接接地电网，利用保护装置的延时来躲过高压侧的接地故障；在高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压侧的零序电压将
14、发电机接地保护闭锁或利用它对保护实现制动。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护为提高可靠性，两部分的保护区应相互重叠。构成第二部分保护的方案主要有： 发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相电压的1015。当发电机定子绕组接地时，利用此偏移电压来加大故障点的电流（其值限制在1025A左右），接地保护即反应于这个电流而动作，使发电机跳闸。 附加直流或低频（20Hz或50Hz）电源，通过发电机端的电压互感器将其电流注入发电机定子绕组，当定子绕组接地时，保护装置将反应于此注入电流的增大而动作。 利用发电机固有的三次谐波电势，以发电机中性点侧和机端侧三
15、次谐波电压比值的变化，或比值和方向的变化，来作为保护动作的判据。,7.5 发电机的失磁保护,7.5.1 发电机失磁运行的后果失磁原因： 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 回路发生故障以及误操作等,7.5 发电机的失磁保护,7.5.1 发电机失磁运行的后果 失磁过程： 励磁电流衰减到零，发电机空载电势随励磁电流越来越小，造成空载电势下降。 空载电势下降输出电磁功率下降转子加速 功角增大，当功角超过稳定运行的极限角时，发电机失去同步转子绕组将从系统吸收无功以供给转子的感应励磁电流 转速达到一定值时，若功率达到新的平衡，则发电机进入稳定异步运行状态，即作为异
16、步发电机运行。,7.5 发电机的失磁保护,7.5.1 发电机失磁运行的后果 异步运行对电力系统的影响： 发电机输出电磁功率减少，转子加速，进入异步运行 失磁后将从系统吸收大量感性无功，端部发热 若系统无功充足，发电机最终可以稳定为异步运行状态，若无功缺额较大，可能引起电压不稳定，导致系统崩溃，造成大面积停电 转子过热 机组振动,7.5 发电机的失磁保护,7.5.1 发电机失磁运行的后果 异步运行对发电机的的影响： 汽轮机：调速灵敏，异步转差小，若无功充足，可允许异步运行一段时间。否则应切除 水轮机：调速慢，异步转差大，异步运行吸收无功量大，通常不允许异步运行对大容量发电机，通常装设失磁保护，动作于跳闸，减负荷或发出信号,
