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1、水电站自动化,重庆电力高等专科学校,第五章 水轮发电机的继电保护,5-1水轮发电机的故障、异常工作状态及保护装置 5-2水轮发电机的纵联差动保护 5-3水轮发电机定子匝间短路保护 5-4水轮发电机的电流电压保护 5-5水轮发电机定子接地保护 5-6水轮发电机转子绕组接地保护 5-7水轮发电机的失磁保护 5-8水轮发电机失步保护 5-9水轮发电机过励磁保护 5-10水轮发电机逆功率保护 5-11水轮发电机轴电流保护 5-12水轮发电机保护回路接线图举例 5-13发电机-变压器组的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-1水轮发电机的故障、异常工作状态及保护装置 发电机是电力系统中十分重要和贵
2、重的设备，发电机的安全运行直接影响电力系统的安全。 1、水轮发电机的故障 2、水轮发电机的异常工作状态 3、水轮发电机保护配置,第五章 水轮发电机的继电保护,一、水轮发电机的故障 1、发电机定子绕组相间短路 定子绕组相间短路会产生很大的短路电流，严重损坏发电机，甚至引起火灾。 2、发电机定子绕组匝间短路 定子绕组匝间短路会产生很大的环流，引起故障处温度升高，使绝缘老化，甚至击穿绝缘发展为单相接地或相间短路，扩大发电机损坏范围。 3、发电机定子绕组单相接地 定子绕组单相接地是发电机易发生的一种故障。单相接地后，其电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。,第五
3、章 水轮发电机的继电保护,一、水轮发电机的故障 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，对发电机没有直接危害。两点接地则转子绕组一部分被短接，不但会烧毁转子绕组，而且由于部分绕组短接会破坏磁路的对称性，造成磁势不平衡而引起机组剧烈振动，产生严重后果。水轮发电机组是凸极结构，机组剧烈振动后会破坏各轴承与轴瓦之间的间隙，造成“拉瓦”，排除故障需要相当长的停机时间，故绝不允许转子绕组两点接地现象出现。 5、发电机失磁 由于转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误动等原因，将造成转子失磁，失磁故障不仅对发电机造成危害，而且对电力系统安全也会造成严重影响。发电机失去励磁后，运行状态将变为电
4、动机运行。故不允许发电机失磁后继续运行。,第五章 水轮发电机的继电保护,二、发电机的不正常工作状态 1、由于外部短路、非周期合闸以及系统振荡等原因引起的过电流。 2、过负荷 3、过电压 特别是水轮发电机，因其调速系统惯性大，在突然甩负荷时，将引起过电压。 4、逆功率 发电机逆功率保护又称功率方向保护。一般而言，发电机的功率方向应该为由发电机流向母线，但是当发电机失由于某种原因，发电机有可能变为电动机运行，即从系统中吸取有功功率，这就是逆功率。当逆功率达到一定值时，发电机的保护动作，或动作于发信号或动作于跳闸。,第五章 水轮发电机的继电保护,三、水力发电机的保护配置 （一）一般原则 电压在3kV
5、及以上、容量在6MW以上550MW及以下的发电机应按本节中的规定，对下列故障及异常运行方式，装设相应的保护装置： 1、定子绕组相间短路： 2、定子绕组匝间短路； 3、定子绕组接地； 4、发电机外部相间短路； 5、定子绕组过电压； 6、定子绕组过负荷； 7、转子表层（负序）过负荷； 8、励磁绕组过负荷；,第五章 水轮发电机的继电保护,三、水力发电机的保护配置 （一）一般原则 9、励磁回路一点接地； 10、励磁电流异常下降或消失； 11、定子铁心过励磁； 12、调相运行与系统解列； 13、发电机逆功率； 14、失步； 15、轴承绝缘破坏。,第五章 水轮发电机的继电保护,三、水力发电机的保护配置 （
6、二）水轮发电机动作结果的解释 1、停机：断开发电机断路器、灭磁，关闭导水叶至机组停机状态； 2、解列灭磁：断开发电机断路器、灭磁，关导水叶至空载； 3、解列：断开发电机断路器、关导水叶至空载； 4、减出力：将水轮机出力减到给定值； 5、缩小故障影响范围：例如断开母联断路器等； 6、信号：发出声光信号,第五章 水轮发电机的继电保护,三、水力发电机的保护配置 （三） 基本保护的配置 1、 纵差动保护 反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，动作于瞬时跳开发电机开关、停机并灭磁。 2、横联差动保护 当发电机定子绕组有2个以上的分支且连接成双星形，每个分支都有引出线时，应装设横联差动保护反应定子绕
7、组匝间短路，动作结果同纵差动保护。 当不满足该条件时，取消该保护，待故障发展为相间短时，用纵差动保护反应。,第五章 水轮发电机的继电保护,3、零序保护 当发电机电压回路回路的接地电容电流（未经消弧线圈补偿）大于或等于5A时，保护动作于跳闸、停机、灭磁。当接地电容电流小于5A时，保护应动作信号。对单机容量100MW及以上的发电机，应尽量装设保护范围为100%的接地保护。 4、过电流保护 一般应配置低电压过流或复合电压过流保护反应外部短路引起的定子绕组过电流状态，并作为发电机的后备保护。 对单机容量为50MW及以上的发电机，一般装设负序过流及单相低电压起动的过流保护。,第五章 水轮发电机的继电保护
8、,5、定子过负荷保护 由于发电机对称过负荷引起的定子绕组过流，应装设反应一相电流的过负荷保护，延时动作于信号。 6、定子过电压保护 反应发电机突然甩负荷引起的定子绕组过电压现象，延时动作于跳开关、停机、灭磁。 7、转子绕组一点接地保护 水轮发电机组一般装设一点接地保护并，延时动作于信号。 8、转子回路过负荷：保护延时动作于信号，有时要求解列灭磁。,第五章 水轮发电机的继电保护,9、失磁保护 当不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时，连跳发电机断路器。 10、调相运行保护：反应调相运行从系统解列，延时停机。 11、过励磁保护：低定值延时动作于信号和减励磁电流；高定值动作于延时解列灭磁。 12、
9、贯流式、斜流式及大容量发电机逆功率保护：延时解列灭磁。 13、大容量发电机失步保护：一般作用于信号，也可作用于解列或自动减负荷。 14、轴电流保护：动作于信号或延时解列灭磁。 15、发电机转子表面（负序）过负荷保护：延时动作于信号。,第五章 水轮发电机的继电保护,三峡电站发电机保护的配置,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,三峡机组各种差动保护的动作特性,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护 发电机纵差动保护,是发电机内部及引出线上短路故障的主保护之一。 1、保护接线与构成原理 2、完全差动保护动作值整定 3、发电机固定比率制动式差动保护 4、发电
10、机变比率制动式差动保护 5、工频变化量比率制动式差动保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护 1、保护接线与构成原理,图中，KVI串接于三相电流互感器的中性线上，反应中性线上的电流大小，作为差动保护TA断线监视用，延时发信号。,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护 完全差动保护能反应发电机内部及引出线上的相间短路、大电流系统侧的单相接地短路故障。 （但不能反应发电机内部匝间短路及分支开焊）,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护 不完全纵差保护适用于每相定子绕组为多分支的大型发电机。它除了能反应发电机相间短路故障，还能反应定子线
11、棒开焊及分支匝间短路。其基本原理是利用定子各分支绕组间的互感，使未装设互感器的分支短路时，不完全纵差保护仍能可靠动作。,第五章 水轮发电机的继电保护,三峡机组,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护 2、常规完全差动保护动作整定 （中小型发电机，绕组无分支） （1）动作电流按两个条件整定（取大的） A、躲开二次侧不平衡电流: B、躲开TA二次侧断线影响 （2）断线监视的整定 （3）灵敏度校验,常规保护还要选择差动继电器的工作线圈和平衡线圈的匝数。,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护 3、固定比率制动式差动保护（完全差动和不完全差动） （1）动作特性,
12、第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作方程,完全纵差时,不完全纵差时,第五章 水轮发电机的继电保护,（3）逻辑框图1,发电机不完全纵差动保护一般使用单相出口方式,第五章 水轮发电机的继电保护,（3）逻辑框图2,发电机完全纵差动保护一般使用循环闭锁出口方式,第五章 水轮发电机的继电保护,（4）定值的整定 比率制动系数Kbrk 启动电流Iact0 拐点电流Ibrk0 负序电压U2 差动速断Is 灵敏度校验,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护 4、变比率制动式差动保护原理（1） （1）动作特性,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作方程,高值比例差动,比例差动,差动速断,
13、第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护 4、变比率制动式差动保护原理（2） （1）动作特性（三峡机组）,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作方程（三峡机组）,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护 5、工频变化量比率制动式差动保护 发电机内部轻微故障时，上述稳态差动保护由于负荷电流的影响，不能灵敏反应。为此可配置发电机工频变化量比率差动保护，并设有控制字方便投退。 工频变化量概念如下：,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,（1）动作特性,第五章 水轮发电机的继电保护,
14、（2）动作方程,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-3水轮发电机定子绕组匝间短路保护 一、横差保护 二、纵向零序电压式匝间保护,第五章 水轮发电机的继电保护,一、横差保护 是发电机定子绕组匝间短路（同分支匝间短路及同相不同分支之间的匝间短路）、线棒开焊的主保护，也能保护定子绕组相间短路。 类型： 单元件横差保护（零序电流横差保护） 裂相横差保护,第五章 水轮发电机的继电保护,1、单元件横差保护（零序电流横差保护） 适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。 正常情况下：每个并联分支的电势相等，各供出一半的负荷电流
15、，因此N与N点电位相等。 匝间短路时，两个绕组的电势不再相等，即因此N与N点电位不再相等。,第五章 水轮发电机的继电保护,（1）构成原理：装设在发电机两个中性点连线上的横差保护。,横差动保护电流互感器，发电机正常运行和外部短路时，有不平衡电流，主要分别为基波和三次谐波，但很小。发生匝间短路时，有较大的电流通过电流互感器。,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作特性及动作整定值,动作区,高定值段横差保护：相当于传统单元件横差保护，动作电流按躲过外部短路最大不平衡电流整定，通常可取,高灵敏横差保护：动作电流按躲过发电机正常运行时最大不平衡电流整定，可靠系数大于2，一般可取：,在发电机励磁回路一点
16、接地动作后，为防止励磁回路发生瞬时性两点接地时横差保护误动，保护切换为0.51.0S延时动作。,第五章 水轮发电机的继电保护,（3）动作逻辑,考虑到在发电机转子绕组两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动，故在转子一点接地后，使横差保护带一短延时动作。,第五章 水轮发电机的继电保护,（4）横差动保护在下列情况下存在死区：,第五章 水轮发电机的继电保护,2、裂相横差保护 （1）构成原理：,同相两分支的两电流互感器的二次侧，反极性串联，将差流送入保护。正常运行时，两支路电流相等，差动电流为为不平衡电流；发生匝间短路时，由于两支路电路不再相等，差动电流超过整定值后，将触发保护动作。,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）相绕组多并联分支时的裂相横差保护：,将每相如a1、a3、a5分支电流互感器TA2的二次侧并联，a2、a4分支电流互感器TA2二次侧并联，按照上述方法构成裂相横差保护，见下图。,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作特性及动作值的整定：,0.4-0.5,第五章 水轮发电机的
