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1、第一节 概 述发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。1故障类型及不正常运行状态：11 故障类型1) 定子绕组相间短路：危害最大；2) 定子绕组一相的匝间短路：可能发展为单相接地短路和相间短路；3) 定子绕组单相接地：较常见，可造成铁芯烧伤或局部融化；4) 转子绕组一点接地或两点接地：一点接地时危害不严重；两点接地时，因破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈震动或将转子绕组烧损；5) 转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失，即发电机低励或失磁：从电力系
2、统吸收无功功率，从而引起系统电压下降，如果系统中无功功率储备不足，将使电力系统中邻近失磁发电机的某些电压低于允许值，破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可使系统因电压崩溃而瓦解。6) 发电机与系统失步：会出现发电机的机械量和电气量与系统之间的振荡，这种持续的振荡对发电机组和电力系统产生有破坏力的影响；7) 发电机过励磁故障：并非每次都造成设备明显破坏，但多次反复过励磁，将因过热而使绝缘老化，降低设备的使用寿命。12 不正常运行状态1) 由于外部短路引起的定子绕组过电流：温度升高，绝缘老化；2) 由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷，温度升高，绝缘老化；3) 由于外部不对称短路或不
3、对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷：在转子中感应出100hz的倍频电流，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，从而导致发电机重大事故。此外还会引起发电机100Hz的振动；4) 由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压：调速系统惯性较大，在突然甩负荷时，可能出现过电压，造成发电机绕组绝缘击穿；5) 由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；6）由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率：当机炉保护动作或调速控制回路故障以及某些人为因素造成发电机转为电动机运行时，发电机将从系统吸收有功功率，即逆功率。危害：汽轮机尾部叶片有可能过热而造成事故。2 汽轮发电机保护类型1）发电机差动保护：定子
4、绕组及其引出线的相间短路保护；2）匝间保护：定子绕组一相匝间短路或开焊故障的保护；3）单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路的保护；4）发电机的失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失；5）过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同时兼作纵差动保护的后备保护；6）阻抗保护：反应外部短路，同时兼作纵差动保护的后备保护；7）转子表层负序电流保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时发电机定子绕组中出现的负序电流；8）过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护；9）过电压保护：反应突然甩负荷而出现的过电压；10）转子一点接地保护和两点接地保护：励磁回路的接地故障保护；11）逆功
5、率保护：当汽轮机主汽门误关闭而发电机出口断路器未跳闸，发电机失去原动力而变为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率时保护；12）规程规定，对频率降低和电压升高引起的铁芯工作磁密过高，300MW及以上发电机应装设过励磁保护；13）失步保护：反应机组发生振荡失步的保护，300MW 及以上机组配置。3定值计算中假设条件“大型发电机变压器继电保护整定计算导则”规定，为简化计算工作，可按下列假设条件计算短路电流：1）可不计发电机、调相机、变压器、架空线路、电缆线路等阻抗参数中的电阻分量；在很多情况下，可假设旋转电机的负序阻抗与正序阻抗相等。2）发电机及调相机的正序阻抗，可采用次暂态电抗Xd的饱和值。3）各
6、发电机的等值电动势（标么值）可假设为1且相位一致。4）只计算短路暂态电流中的周期分量，但在纵联差动保护装置（以下简称纵差保护）的整定计算中以非周期分量系数Kap考虑非周期分量的影响。5）发电机电压应采用额定电压值，系统侧电压可采用额定电压值或平均额定电压值，不考虑变压器电压分接头实际位置的变动。6）不计故障点的相间和对地过渡电阻。4保护出口方式根据GBl4285的规定，按照故障和异常运行方式性质的不同，机组热力系统和调节系统的条件，各项保护装置分别动作于： a）停机：断开发电机或发电机变压器组（简称发变组）断路器、灭磁，关闭原动机主汽门或导水叶，断开厂用分支断路器。 b）解列灭磁：断开发电机或
7、发变组断路器和厂用分支断路器、灭磁，原动机甩负荷。 c）解列：断开发电机或发变组断路器，原动机甩负荷。 d）降低励磁 e）减出力：将原动机出力减至给定值。 f）缩小故障范围（例如断开母联或分段断路器）。 g）程序跳闸：对于汽轮发电机，先关主汽门，待逆功率继电器动作后再断开发电机或发变组断路器并灭磁；对于水轮发电机，先将导水叶关到空载位置，待逆功率继电器动作后再断开发电机或发变组断路器并灭磁。 h）信号：发出声光信号。5设备阻抗图 应首先根据机组、主变阻抗参数、系统阻抗，画出以Sb=100MW,Ub=系统平均电压（如220kV系统为230V）为基准值的阻抗图。第二节 发电机保护定值计算1发电机比
8、率制动差动保护1.1作用原理下图为发电机纵差动保护的单相原理图，两组CT特性、变比一致，正常 区外接地时12 整定计算 图2 比率制动式差动保护的制动特性1) 差动保护的最小动作电流, 即图2中A点的纵座标Iop.0式中：Krel可靠系数，取1.5； Ign发电机额定电流； Iunb.0发电机额定负荷状态下，实测的差动保护中的不平衡电流。实际可取Iop.0=（0.100.30）Ign/na，一般宜选用（0.100.20）Ign/na。如果实测Iunb.0较大，则应尽快查清Iunb.0增大的原因，并予消除，避免因Iop.0过大而掩盖一、二次设备的缺陷或隐患。发电机内部短路时，特别是靠近中性点经过
9、渡电阻短路时，机端或中性点侧的三相电流可能不大，为保证内部短路时的灵敏度，最小动作电流Iop.0不应无根据地增大。2) 制动特性的拐点电流Ires.0定子电流等于或小于额定电流时，差动保护不必具有制动特性，因此 Ires.0=(0.81.0)Ign/na3) 制动系数S按最大外部短路电流下差动保护不误动的条件确定。A）外部短路最大不平衡电流计算Iunb.max=（KapKerKcc）Ik.max 式中：Kap非周期分量系数，取1.52.0； Kcc互感器同型系数，取0.5(同型)或1.0（不同型）； Ker互感器比误差系数，取0.1（10PCT）或0.05(5PCT)； Ik.max最大外部三
10、相短路电流周期分量 Ik.max按发电机空载，机端发生三相金属性短路计算(区外穿越), Ik.max= =（1/Xd）（Sb/Ugn）/naB）差动保护最大动作电流计算Iop.max=KrelIunb.maxKrel可靠系数，取1.5；C）制动系数S Ires.max=Ik.max S=（Iop.max-Iop.min）/（Ires.max-Ires.0）4) 比率差动保护灵敏度校核 按发电机未并网时，机端发生区内两相金属性短路故障校核差动保护灵敏度。Ik.min=0.866(1/Xd)Sb/Ugn）/naIop.min=Ik.minIres=Ik.min/2（或Ik.min）Iop= Iop
11、.0+S(Ires-Ires.0)Ksen=Iop.min /Iop25) 保护出口方式一般动作于停机，即跳开高压侧开关、厂变分支开关、灭磁开关，关主汽门，启动分支快切，并且启动失灵。2 发电机匝间保护 大型汽轮发电机很多只引出3个端子，特别是部分汽轮发电机定子绕组每相只有一个分支，中性点也只可能有3个引出端，对于定子绕组的匝间短路无法配置裂相横差保护和零序电流型横差保护。对于发电机定子绕组的匝间短路故障，国内正在使用的有故障分量负序方向保护和纵向基波零序电压保护。这里介绍使用较多的纵向基波零序电压保护。1.1 作用原理（P57）纵向基波零序电压保护用于保护发电机定子绕组匝间短路或开焊故障，实
12、际上此保护也反应发电机内相间短路。因为发电机中性点不直接接地，所以发电机内部相间、匝间短路表现为机端三相对中性点的不平衡，即对中性点而言机端出现纵向零序电压3U0；当发电机内部或外部发生单相接地故障时，机端三相对地出现横向零序电压3U0。为了只反应相间或匝间短路时的纵向零序电压3U0，必须装设专用PT。该PT一次中性点直接与发电机中性点连接，且不允许接地。取一极端例子，例如B 相机端对中性点N 金属性短路，则：3U0=（UAN+0+UCN）/nv=100V为了防止外部短路时误动作，一般会增设故障分量负序方向元件，当外部短路时负序方向由系统流入发电机，内部短路时负序方向由发电机流入系统。发电机正
13、常运行时，可能有较大的三次谐波电压，三次谐波电压与零序电压有相同的特征，所以要求保护装置三次谐波滤过比应大于801.2 整定计算1）纵向零序动作电压按躲过发电机正常运行时最大不平衡电压整定，设计值可初选为 U0.op23（V）发电机投运后，应经实测，对Uop定值进行适当修正，以提高灵敏度。2）故障分量负序方向元件可以根据厂家建议取值，如许继WBH-800保护I=0.02Ie ，U= 0.008Ue ，P=0.08%Sn3）动作时间 为防止外部短路暂态过程中保护误动作，保护动作时间可取0.1-0.2s。4) 保护出口方式一般动作于停机，即跳开高压侧开关、厂变分支开关、灭磁开关，关主汽门，启动分支
14、快切，并且启动失灵3发电机定子接地保护3.1发电机定子绕组单相接地的特点1）基波零序电压定子绕组的单相接地（定子绕组与铁芯间的绝缘破坏）是发电机最常见的一种故障，大中型发电机定子绕组中性点不接地或经高阻抗接地。它具有一般不接地系统单相接地短路特点 设A相距中性点处单相接地 发电机中性点将发生位移，产生零序电压。故障点零序电压为 当故障点在机端时，=1，=EA 当故障点在中性点时，=0，=02）三次谐波电压 几个结论：a) 汽轮发电机正常运行时，机端三次谐波电压U3T小于中性点三次谐波电压U3N，两者虽在大小上不相等，但相位完全一致；b) 当金属性接地故障点位于靠近中性点的半个绕组区域内（0.5
15、）时, U3N 绝对值小于U3T绝对值；当金属性接地故障点靠近机端时正好相反，此时和正常状态难以区分；c) 接地点越靠近中性点，比较三次谐波绝对值得接地保护能动作的过渡电阻越大，表现越灵敏；当接地点位于绕组中心（=0.5）时，保护能动作的过渡电阻为0；接地点靠近机端一侧（0.5），则金属性接地也不能动作。由以上简单分析可知，基波零序电压有动作死区。对于100MW 及以上发电机，应装设无动作死区（100%动作区）单相接地保护。常用的保护方案时基波零序过电压保护与三次谐波电压保护共同组成100%单相接地保护。3.2整定计算1）基波零序电压保护按躲过正常运行时中性点（或机端）的最大不平衡电压Uunb.max整定，即：Uop=Krel*Uunb.max ，Krel为可靠系数，取1.3；Uunb.max
