大型机组继电保护 2002.1.31 目 录1.绪论1.1.大型机组的特点1.2.大型机组继电保护的配置2.大型机组的继电保护2.1.发电机差动保护2.2.变压器差动保护2.3.发电机定子匝间短路保护2.4.发电机定子接地保护2.5.阻抗保护2.6.负序电流保护2.7.变压器零序保护2.8.发电机失磁保护2.9.发电机过负荷保护2.10.励磁绕组的过负荷保护2.11.过励磁保护2.12.发电机过电压保护 阿2.13.意外加电压保护2.14.发电机低频保护2.15.逆功率保护2.16.发电机失步保护2.17.断路器失灵保护2.18.发电机断水保护2.19.变压器瓦斯保护2.20.变压器冷却器全停保护3.大型发电机组继电保护的实用举例3.1.某厂600MW发电机组继电保护的配置3.2.发变组数字式保护装置简介及组屏3.2.发电机故障举例分析附：1.发变组保护配置图 2.发变组的整定计算431. 绪 论1.1. 大型机组的特点随着电力系统的发展，单机容量的不断增大，大型机组的安全运行已日益引起人们的重视由于大型发机组在国民经济中举足轻重，提高其继电保护水平，已是保证电力生产安全发供电的一项重要任务。
与中小型机组相比，大型机组的特点如下：1.1.1. 电抗增大短路比减小表1—1 部分汽轮发电机参数容量MW短路比fKoXd”表么值Xd’ 标么值Xd标么值TasTd’sTd”s100及以下0.700.1250.210.110.10- 0.160.113000.6360.1680.2230.0410.2190.090.0416000.540.220.350.0350.351.200.035表1—1示出了标准中小型汽轮发电机及部分大型汽轮发电机的参数由表可见，大型机组的电抗要比中小型机组明显增大，相应短路比则减小到0.65以下，因此大型机组的短路电流普遍下降，对继电保护动作灵敏性明显不利大型机组电抗的增大，还使发电机的平均转矩由中小型机组的2—3倍额定转矩降低至额定转矩左右，以致失磁异步运行时滑差加大，相应从系统吸取感性无功增多，将威胁系统的稳定运行另外，Xd的增大则使机组输出自然功率极限Pm降低，由此造成机组静稳储备系数Kch减小，因此在系统受到较大扰动时易失去静态稳定1.1.2. 定子回路时间常数Ta增大由表1—1可见，大型机组Ta以及它与Td”的比值均显著增大，亦即短路电流中的非周期分量相对周期分量的衰减要缓慢得多，这不仅使断路器遮断条件恶化，而且还加重了转子附加发热，此外电流互感器也易饱和，以致影响继电保护工作。
1.1.3. 惯性时间常数降低 大型机组尽管容量增大，但由于其材料利用率较高，故其体积和重量并不随之成比例增大，由此其惯性时间常数降低，在扰动下，机组易于失步，发生振荡1.1.4. 热容量减小大型机组为提高材料利用率，普遍采用直冷方式如目前采用的水、氢、氢冷却方式，由此不仅使冷却系统复杂，易出故障，而且机组承受过负荷的能力也显著降低大型机组与中小型机组相比，1.5倍额定电流的允许持续时间由120秒降至33秒，2倍转子额定电流的允许持续时间由30秒降至15秒，而转子承受负序电流的能力（I22t）则由30—40s降至10s1.1.5. 轴向长度与直径之比增大单机容量的增大，使机组轴向长度与直径之比明显增大，此使机组运行时振动加剧，匝间绝缘磨损加快，易导致匝间短路和冷却系统故障1.1.6. 多采用发电机—变压器单元结线大型机组为简化配电装置结构，降低基建造价和故障几率，普遍采用发电机—变压器单元结线，此使机组与系统之间阻抗比例发生变化，因此振荡中心易落在机端附近，使振荡过程对机组及厂用电系统影响加剧1.1.7. 励磁系统复杂大型机组励磁系统环节多，结构复杂，故障几率大，由其引起的机组过电压、过励磁及失磁现象亦相应增多。
1.1.8. 忌讳频繁起停大型汽轮发电机组起停特别费时耗钱，因此不宜频繁起停，更忌紧急跳闸停机1.2. 大型机组继电保护的配置1.2.1. 配置原则大型机组造价昂贵，在系统中作用重要，一旦发生故障，不仅危及机组，而且严重影响系统安全运行，酿成巨大经济损失和恶劣社会影响，因此在考虑其继电保护的总体配置时，应辨证权衡，力求合理，完善和可靠，着眼点既要将机组损害降至最低，又要避免不必要的突然停机，以确保系统安全运行1.2.2. 大型机组继电保护的配置特点a) 快速保护实行了双重化配置如：发电机、主变及高压厂变均配置了两套彼此独立的差动保护，确保快速切除故障，满足系统稳定要求同时配置了定子匝间短路保护，以弥补差动保护的不足，防护定子匝间短路的危害b) 强化了后备保护的配置，使机组在各种短路时都有完善的后备保护由于大型发电机通常与升压变压器采用单元制接线，在它们之间一般不装设断路器，因此在考虑它们的后备保护时，多把它们视为一个整体c) 针对大型机组各种危及安全运行的异常工况，配置了比较齐全的异常运行保护，如定子接地、定子对称过负荷、逆功率、失磁、失步、持续低频、意外加电压、过电压和过激磁等保护d) 针对220kV系统单相接地几率大（约占各类故障的80%—90%）和主变中性点接地可能变化的特点，在变压器中性点配置了比较完善的二段式零序电流保护和零序电压保护，并兼作相邻线路单相接地的远后备保护。
e) 由于大型机组热容量小，承受负序电流的能力较差，因此对后备保护的动作时间要求就十分苛刻，以我厂600MW机组为例，其承受负序电流的能力为10A，如不考虑短路电流衰减，则在机端以及主变高压侧发生两相短路时的允许时间分别为1.13秒和3.09秒，如计及非周期分期的影响，则允许的时间还要缩短因此同中小型机组后备保护的动作时间相比大型机组后备保护的动作时间要短得多f) 由于一般母线保护多为单套配置，有时母线保护还因某种原因（如调试、检修、试验或消缺）需退出运行，故往往采用发变组后备保护兼作母线的近后备保护g) 主变高压侧专门配置了非全相保护和开关失灵保护，以防止发变组出口断路器非全相运行及保护动作、开关拒动时，由相邻元件后备保护切除故障，时间过长的弊端2. 大型机组的继电保护2.1. 发电机差动保护发电机定子相间故障是一种严重短路故障，其对机组的危害相当严重，将会造成很大的经济损失针对大型机组电抗增加，短路电流水平下降的特点，为避免外部故障时保护误动，都采用按比率制动原理构成的继电器组成差动保护其灵敏度和快速性较过去的BCH-2型继电器有明显提高2.2. 变压器差动保护2.2.1. 变压器差动保护的特点就工作原理而言，变压器差动保护与发电机差动保护相同，所不同的是前者建立在各侧磁势（IW）相等的基础上，后者建立在两侧电流相等的基础上，另外就是变压器差动不平衡电流远比发电机差动不平衡电流为大。
2.2.1.1. 差动不平衡电流大变压器正常运行时有励磁电流由于该电流只流经变压器的电源侧，因此通过电流互感器反应到差动回路中，就构成不平衡电流在正常情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的3%—5%，在外部故障时，由于电压降低，励磁电流也减小，它们影响就更小，因此在实际整定时可不予考虑2.2.1.2. 变压器励磁涌流大在变压器空载投入时和外部短路故障切除后的暂态过程中，可能会产生很大的励磁涌流在最不利的瞬间（电压瞬时值过零）投入变压器如铁芯中的剩磁（φsy）的方向和暂态过程中的非周期磁通（φfzq）的方向一致时，则铁芯中的总磁通可达到φΣzd=2φzg+φsy(φzg为周期分量磁通，在加入电压的瞬间，如忽略剩余磁通φsy，则由于φΣ=0；所以φfzq=-φzq，在经历半个周期后，如不考虑φfzq衰减，则φΣzd=2φzq由此铁芯严重饱和，造成励磁电流的增长远较磁通的增长为快，并在极短的时间内达到很大的数值，其值可达变压器额定电流的8—10倍同时电流中含有数值很大的非周期分量和大量高次谐波（主要是二次谐波和三次谐波），因此励磁涌流的变化曲线为尖顶波，并且在最初瞬间几乎全部偏于时间轴的一边，励磁涌流在开始瞬间衰减较快（经0.5—1秒后，其值通常不超过额定值的0.25—0.5倍），但在大型变压器中，要完全衰减则需要经过几十秒的时间。
消除励磁涌流影响的方法:a) 利用提高保护的动作值来躲过励磁涌流，这样整定的保护叫差动电流速断元件，它的缺点是灵敏度往往不高（如LCD-5A型继电器即附有该元件）b) 利用中间速饱和变流器在非周期分量的影响下急剧饱和，传变性能变坏的原理来躲过励磁涌流（如BCH—1，BCH—4型差动继电器）c) 利用带短路线圈的速饱和变流器来躲过励磁涌流（如BCH—2型差动继电器）d) 利用二次谐波制动（如LCD—5A型差动继电器）2.2.1.3. 变压器两侧电流相位不同如变压器采用Y/△—11接线方式时，两侧电流之间就有30˚的相位差因此，即使两侧电流互感器二次电流数值相等，但相位不同在差动回路中仍会有不平衡电流产生为消除该不平衡电流，应针对变压器接线方式，相应对两侧电流互感器采用不同接线方式（如对Y/△—11接线方式变压器，变压器Y形侧的电流互感器接成三角形，△形侧的电流互感器接成星形以校正其次级电流相位2.2.1.4. 电流互感器的变比无法选得完全合适变压器各侧电流值不同，为使它们次级电流相等，一般通过选择不同变比的电流互感器以满足要求但实际情况是产品的标准变比不可能正好和计算变比完全相同，由此势必产生不平衡电流。
消除该不平衡电流的方法：a) 用辅助自耦变流器或特制专用辅助变流器b) 用差动继电器的平衡线圈（如BCH型继电器）2.2.1.5. 电流互感器的型式不同变压器由于各侧电流、电压值均不同，因此各侧电流互感器型号也就很难选得一致这就意味着电流互感器磁化特性和励磁电流有差异，此差异势必形成差动不平衡电流，为躲过此不平衡电流，一般需通过整定计算，从定值上以求躲过2.2.1.6. 带负荷调压的变压器在运行中需要改变分接头变压器在运行中往往需要根据系统运行电压的要求而改变调压抽头，这一改变势必改变变压器的变比，由此又要产生新的不平衡电流为消除此不平衡电流，随之不断改变辅助自耦变流器的变比或继电器平衡线圈的匝数是不现实的，因此，只能通过提高继电器的定值以求躲过2.3. 发电机定子匝间短路保护2.3.1. 概述2.3.1.1. 产生定子匝间短路的原因发电机在正常运行中，定子绕组由于电晕腐蚀、长期受热、机械振动以及机械磨损等因素的影响，匝间绝缘将会逐步劣化，如一旦遭受雷电波或操作过电压的冲击，便会经受严峻考验由于冲击电压波沿定子绕组的分布是不均匀的，并且波头越陡，分布越不均匀，如一个波头为3MS的冲击波，在绕组的第一个匝间可能承受全部冲击电压的25%，因此匝间电压的这种严重异常分布不仅会加速匝间绝缘急速老化，而且完全可能是致命一击，立即引发定子绕组的部分匝间绝缘击穿。
其后，在匝间电势的作用下，短路绕组内将形成甚大的短路环流，理论分析表明，其值甚致超过机端三相短路电流，因此定子绕组匝间短路是发电机不容忽视的一种严重故障形式2.3.1.2. 装设定子匝间短路保护的必要性a) 故障统计表明，在发电机各类型式的故障中，定子匝间短路占有一定比例，如前所述，其危害较大，严重时将超过出口三相短路，此对造价昂贵的大型机组是不允许的b) 定子接地保护不能完全代替定子匝间。