发电机继电保护教学课件PPT.ppt
2023/3/2,电力系统继电保护,1,发电机保护,发电机的故障和不正常运行状态及其保护方式发电机相间短路的纵差动保护发电机定子绕组匝间短路保护发电机定子绕组单相接地保护发电机失磁保护发电机励磁回路接地保护发电机负序电流保护发电机的其他保护,2023/3/2,电力系统继电保护,2,2-1 发电机故障和不正常状态及保护方式,1、发电机的故障及其危害、保护方式定子绕组的相间短路：巨大的短路电流，烧坏发电机 瞬时动作的纵差动保护定子绕组匝间短路（同相同分支、同相异分支）：巨大的短路电流，烧坏发电机 瞬时动作的匝间短路保护定子单相接地（绕组对铁芯短接）：电弧灼伤铁芯、破坏绕组绝缘、故障发展 100%定子绕组接地保护,2023/3/2,电力系统继电保护,3,2-1 发电机故障和不正常状态及保护方式,失磁（完全失磁、部分失磁）：危害发电机、影响系统的安全 失磁保护转子一点、二点接地故障：二点接地引起机组剧烈振动 转子一点接地保护和二点接地保护,2023/3/2,电力系统继电保护,4,2、发电机不正常运行状态及其保护方式,定子绕组负荷不对称运行（出现负序电流）：定子绕组不对称过负荷保护（转子表层过热保护）定子绕组对称过负荷：对称过负荷保护转子绕组过负荷：转子绕组过负荷保护逆功率：逆功率保护过激磁：过激磁保护系统振荡引起发电机失步：失步保护其他保护：定子绕组过电压保护、低频运行保护、非全相运行保护等,2023/3/2,电力系统继电保护,5,3、保护装置的控制对象保护出口方式,（1）发变组全停：跳主变高压侧、发电机、高厂变，灭磁，关主汽门，厂用电切换（2）解列灭磁：跳发电机、高厂变，灭磁，汽轮机甩负荷（3）解列：跳发电机（4）减出力：减少汽轮机输出功率（5）发信号：发出声、光信号（6）母线解列：对双母线系统，断开母线联络断路器,2023/3/2,电力系统继电保护,6,3、保护装置的控制对象保护出口方式,（1）发变组全停：跳主变高压侧、发电机、高厂变，灭磁，关主汽门，厂用电切换（2）停机：跳发电机，灭磁，关主汽门（3）解列灭磁：跳发电机，灭磁，汽轮机甩负荷（4）解列：跳发电机（5）孤岛运行：跳主变高压侧、汽轮机减负荷带厂用（6）程序跳闸：关主汽门，逆功率动作，跳发电机，灭磁（7）减励磁（8）减出力：减少汽轮机输出功率（9）厂用电源切换（10）发信号：发出声、光信号（11）母线解列：对双母线系统，断开母线联络断路器,2-2 发电机相间短路的纵差动保护,作用：反应发电机内部定子绕组及其引出线相间短路，主保护，外部故障不误动,配置：在发电机中性点和靠近发电机出口断路器处分别按相装设型号、变比相同的电流互感器，二次侧按环流法连接,原理：比较发电机绕组两端电流的大小和相位，正常和外部故障时：相同；内部故障时不同,2023/3/2,电力系统继电保护,8,1、基本原理,KA：差动继电器，接差动回路,正常运行或外部故障时 KA的电流：,KA不动作,保护区内故障时 KA的电流：,当 时,KA动作,TA1、TA2：同型号 同变比,2023/3/2,电力系统继电保护,9,实际正常运行及外部故障时：,不平衡电流,流入KA的电流：,-同型系数，取0.5-非周期分量影响系数,取11.5-TA最大误差系数,取0.1,KA的动作电流,问题：动作电流大，灵敏度低,提高灵敏度：减小动作电流,1、基本原理,2023/3/2,电力系统继电保护,10,2-3发电机子绕组匝间短路保护,1、单继电器式横差保护,定子绕组每相两并联分支分别接成星形，两个星形中性点连接线上接入TA，经高次谐波过滤器Z接至电流继电器KA。,用于定子绕组每相有两个并联支路且每一支路中性点侧都有引出端的发电机，反应定子绕组的匝间短路。,2023/3/2,电力系统继电保护,11,正常运行或外部故障时，两中性点等电位，连接线上无电流或仅有数值不大的不平衡电流通过，保护不动作。,定子绕组匝间短路，故障相绕组的两个分支的电势不等，因而在定子绕组中出现环流，通过中性点连线，若该电流大于保护的动作电流，则保护动作。,2023/3/2,电力系统继电保护,12,（1）保护存在死区。当一个分支短路匝数很小或两分支短路时匝数相近时，中性点连线上通过的电流可能小于继电器动作值，保护装置不动作。（2）三次谐波引起保护可能误动作。正常运行情况下，若三相电动势的波形中含有三次谐波及三次谐波的倍数次谐波分量，且当任一支路的三次谐波电动势与其他支路不相等时，将有三次谐波流过电流互感器。为此，采用了高次谐波滤过器Z，使高次谐波电流不致流入电流继电器KA。（3）励磁回路发生两点接地故障时，单继电器式横差动保护可能动作。定子同一相的两并联分支回路电动势不等，形成环流。若其值大于保护动作值，将使横差动保护动作。励磁回路发生一点接地后，利用切换片SO 将横差保护切换到带时限动作于跳闸。动作时限通常可取为0.51S。,讨论：,2023/3/2,电力系统继电保护,13,2-3发电机定子绕组匝间短路保护,2、反应发电机各相对中性点的零序电压匝间短路保护,原理：发生匝间短路时，机端三相电压对发电机中性点不对称，出现零序电压。,配置：TV 一次绕组中性点与发电机中性点直接连接，电压互感器TV测量该零序电压,TV 开口三角侧接入三次谐波滤波器Z 及零序过电压继电器KV。,2023/3/2,电力系统继电保护,14,（1）三次谐波滤波器用于减小发电机正常运行时固有三次谐波对保护的影响。（2）零序电压继电器的动作电压应躲过正常运行和外部故障时三次谐波滤波器输出的最大不平衡电压采取外部故障时闭锁保护的措施。这样，零序电压继电器的动作电压只需按躲过正常运行时的不平衡电压整定。（3）TV 回路断线时可能造成保护误动作，因此需要装设电压回路断线闭锁装置。（4）原理简单，灵敏度较高，能反应零序电压的匝间短路保护，还能反应定子绕组开焊故障。适用于中性点只有三个引出端的发电机匝间短路保护，但是保护接线复杂。,讨论：,2023/3/2,电力系统继电保护,15,2023/3/2,电力系统继电保护,16,2-4发电机定子绕组单相接地保护,产生：发电机定子绕组与铁心间绝缘遭到破坏（铁心接地）,主要危害：接地电流产生电弧烧伤铁心，铁心叠片烧结，维修困难接地电流破坏绕组绝缘，扩大事故,发电机定子绕组接地保护：安全电流：不产生电弧的单相接地电流接地电流小于安全电流：保护动作于信号接地电流大于安全电流：保护立即动作于跳闸停机,对大中型发电机定子绕组接地保护的基本要求：对绕组有100%的保护范围经过渡电阻接地故障，应有足够灵敏度,2023/3/2,电力系统继电保护,17,1、零序电压保护的基本原理,A相绕组距中性点 处单相接地,零序电压随接地点位置而变化。,2023/3/2,电力系统继电保护,18,(1）大机组中性点采用高阻接地。小机组中性点装设消弧线圈，抵消单相接地时的电容电流，使接地电流减小到允许值以下。为防止系统运行方式改变时，产生谐振，引起过电压，出口有直供负荷时，采用过补偿方式，即ILIc，无直供负荷时，采用欠补偿。(2）当发电机定子绕组单相接地时，利用零序电压随接地点而变化的特点，可以构成基波零序电压保护以及在此基础上的某些100 定子接地保护。（3）利用内部故障与外部故障流过零序电流互感器TA0 的零序电流数值不同的特点，可以构成零序电流接地保护。,讨论：,2023/3/2,电力系统继电保护,19,（1）定子接地点的接地电流不应超过安全电流，一般地，应小于1.0 1.5A，以保证发电机定子铁芯的安全。（2）定子接地保护应有100 保护区，不允许存在死区。（3）保护区内任何一点发生接地故障，保护应有足够灵敏度。,发电机100%定子接地保护的要求：,对于中小型发电机而言，由于认为在正常运行时，中性点电位等于或接近于零，发生绝缘击穿的可能性极小，保护有死区还是可以允许的。对于双水内冷的大型发电机，要求具有100 保护区且灵敏度较高的定子接地保护。,2023/3/2,电力系统继电保护,20,(1）反应三次谐波电压的方式。它能可靠地覆盖零序电压保护的死区，与零序电压保护一起组成100%定子接地保护。(2）利用外加电源进行对地检测，以实现100 保护。如中性点外加工频电压法、人工二次谐波电流法，外加低频电压或编码信号以及外加直流电源等。(3）利用接地故障产生的行波以实现保护。,发电机定子100 接地保护实现的方法：,2023/3/2,电力系统继电保护,21,动作电压：510V保护死区：,1、基波零序电压保护,2023/3/2,电力系统继电保护,22,2、三次谐波零序电压保护,正常运行时的三次谐波电压,定子单相接地时的三次谐波电压,2023/3/2,电力系统继电保护,23,正常运行时的三次谐波电压关系,定子单相接地时的三次谐波电压关系,+基波零序电压保护,100%保护范围：,基波零序电压：机端侧约90%保护范围，机端短路灵敏度最高三次谐波：中性点侧约50%保护范围，中性点短路灵敏度最高,2、三次谐波零序电压保护,2023/3/2,电力系统继电保护,24,2-5发电机励磁回路的接地保护,励磁回路接地：（1）励磁回路一点接地：不会形成接地电流通路，因此对发电机无直接危害。但励磁回路对地电压将增加，在最不利情况下，将比正常时增大一倍，因而容易导致第二点接地。（2）励磁回路发生两点接地：部分励磁绕组被短接，造成转子磁场发生畸变，致使机组振动。故障点电弧将烧坏转子绕组与铁芯。接地电流可能使汽轮机汽缸磁化。对于大型汽轮发电机，宜采用动作于信号的励磁回路一点接地保护和动作于停机的两点接地保护。,2023/3/2,电力系统继电保护,25,2-6发电机失磁保护,失磁：励磁电流异常下降或励磁电流完全消失的故障。励磁回路异常下降：励磁电流的降低超过了静态稳定极限所允许的程度。造成失磁的主要原因：主励磁机或副励磁机故障、励磁系统故障、操作上过量调整以及励磁回路开路等。,对不允许失磁运行的发电机，失磁保护应动作于跳闸。对允许失磁运行的发电机，失磁保护动作于发信号，并要求失磁保护与切换励磁、自动减载等自动控制相结合，以取得发电机失磁后的最好处理效果。,2023/3/2,电力系统继电保护,26,失磁对电力系统的危害：(1）低励或失磁的发电机将从系统吸收无功，引起系统电压下降。如果系统无功储备不足，将使邻近故障机组的系统某点电压低于允许值，使电源与负荷间失去稳定，甚至造成电力系统因电压崩溃而瓦解。(2）一台机失磁电压下降，电力系统中的其他机组在自动调整励磁装置作用下将增大无功输出，从而可能使某些机组、线路过负荷，其后备保护可能误动作，使故障范围扩大。(3）一台机失磁后，由于有功功率的摆动以及系统电压的下降，可导致相邻正常发电机与系统之间或系统回路之间发生振荡，造成严重后果。,2023/3/2,电力系统继电保护,27,失磁对发电机本身的危害：低励或失磁后，发电机进入异步运行(1）转子回路中出现差频电流，产生附加损耗，使转子发热加大，转子本体与槽楔、护环的接触面局部过热。（2）由机端观测到的发电机等效电抗降低，从系统吸收的无功功率增加。重负荷下失磁，定子因过电流而过热。(3）发电机的转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动，使发电机的定子、转子和基座受到异常的机械力冲击。转差周期性变化，最大值可达4 5%，发电机周期性地严重超速。(4）定子端部漏磁增加，使端部部件和边段铁芯过热。这一情况通常是限制发电机失磁异步运行能力的主要条件。,2023/3/2,电力系统继电保护,28,失磁保护构成的方式：大机组利用测量定子回路参数变化作为主判据，而利用测量转子励磁电压下降等作为辅助判据，共同来判断失磁故障的。,失磁，阻抗元件KR 动作励磁电压降低，Ue 动作，与门2 有输出，发失步信号,作为失磁判据的定子回路参数 机端测量阻抗的变化 无功功率方向的变化,2023/3/2,电力系统继电保护,29,判据一：发电机失磁后，无功功率改变方向，由发出感性无功功率变为吸收感性无功功率。,判据二：进一步越过静稳阻抗边界，发电机开始失步。失磁前发电机送出的有功功率越大，则由失磁到失步的时间越短。失步前，失磁故障对机组本身以及系统不会造成危害。,判据三：发电机失步后，随滑差的增大，进入异步运行状态。,当外部故障、系统振荡、长线充电、自同期和电压回路断线时，机端测量阻杭也会进入静稳阻杭边界和异步阻抗边界。因此，由延时来躲过振荡、外部故障、PT断线等。,2023/3/2,电力系统继电保护,30,2-7 发电机负序电流保护,负序磁场：方向与转子运动方向相反，在转子本体、槽楔、励磁绕组感生倍频电流，引起额外损耗和发热产生2倍频交变电磁转矩，机组100Hz振动,机组承受负序电流能力：转子表层发热情况确定,负序电流保护（转子表层过热保护）：与承受负序电流能力相匹配,不对称短路或负荷不对称，定子绕组中产生负序电流,2023/3/2,电力系统继电保护,31,转子发热特点及负序电流反时限动作判据,发电机长期承受负序电流的能力 规程：在额定负荷下汽轮发电机持续负序电流 负序电流超过长期允许值时，保护延时发报警信号,发电机短时承受负序电流的能力 发热量与流经发电机的负序电流平方和持续时间成正比,-与发电机型式及冷却方式有关的常数,负序电流保护动作判据：考虑散热修正系数K,发电机允许负序电流与允许持续时间的关系（绝热）,2023/3/2,电力系统继电保护,32,上限定时限：与发-变组高压侧两相短路保护配合下限定时限：按发电机长期允许I2整定，且外部故障切除后返回反时限特性：动作于跳闸解列,转子表层过热保护方案,2023/3/2,电力系统继电保护,33,2-8 发电机异常工况保护,一、发电机（变压器）的过励磁保护过励磁：磁通密度过大危害：反复过励磁，过热而绝缘老化，降低设备的使用寿命。原因：电压的升高，频率的降低,1、变压器过励磁 大型电力变压器，为节省材料、减轻重量，额定磁通密度与饱和磁通密度相近。电压频率比增大时，工作磁密增大，励磁电流随之增大。铁芯饱和后，励磁电流急剧增大，出现过励磁状态。,2023/3/2,电力系统继电保护,34,易发生过励磁的情况升压变压器在未与系统并列之前，由于误操作而使发电机电压过高；切机过程中灭磁开关拒动；发电机一变压器组出口断路器跳闸后，由于自动调节励磁装置失灵而使电压迅速升高。正常情况下突然甩负荷也要引起相当严重的过励磁：因为励磁调节系统和原动机调速系统都是由惯性环节组成的，突然甩负荷后，电压要迅速上升，而频率上升缓慢，因而比值U/f 上升，使变压器过励磁，不过其持续时间较短。,危害：励磁电流非正弦，含大量高次谐波分量，使铁芯和其他金属构件涡流损耗大大增加，致使变压器发热情况严重。,2023/3/2,电力系统继电保护,35,规程规定：500kV 变压器对频率降低和电压升高引起的铁芯工作磁密过高和300MW 及以上发电机应装设过励磁保护。造价高、检修困难、停电损失较大,作用：防止绕组及铁芯等过热，是后备快速保护,原理：通过反应U/f 比值来检验磁密，从而反应过励磁状况,辅助电压互感器FYH：一次侧接于系统电压互感器的二次侧，二次侧接RC 串联回路。在电容C 上抽取电压进行整流、滤波，再将直流信号电压加至保护装置的执行元件。,2023/3/2,电力系统继电保护,36,正常情况下电容C 的端电压,Uc 与工作磁通密度B 成正比，即Uc 能够反应U/f的变化情况。变压器过励磁时，Uc 增大，当Uc 达到继电器动作电压时，可使电平检测器动作，发出过励磁信号或直接跳闸。,过励磁保护简单易行，整定值由变压器饱和磁通密度决定。可做成两段式，一段整定过励磁倍数较高，以相应的较短延时动作于跳闸；二段整定过励磁倍数较低，以相应的较长延时动作于声光信号。,电压互感器变比nYH，辅助电压互感器变比nF,2023/3/2,电力系统继电保护,37,2、发电机过励磁,2-8 发电机异常工况保护,（1）发电机过励磁倍数曲线一般要比变压器低些。（2）发电机气隙较大，铁芯平均磁密较低，冷却好。,发变组的过励磁保护装于发电机端部的电压互感器上。,若变压器低压侧额定电压比发电机额定电压低（约5%),则过励磁保护的动作值应按变压器的饱和磁通密度整定.若变压器低压侧额定电压等于或大于发电机的额定电压，则过励磁保护的动作值应按发电机的饱和磁通密度整定。,发电机一变压器组，通常也装设两段过励磁保护，一段按变压器的过励磁倍数整定，一段按发电机过励磁倍数整定。,2023/3/2,电力系统继电保护,38,二、过电压保护,2-8 发电机异常工况保护,主要原因：(1）发电机甩负荷时的转速升高及其电枢反应的消失。调速系统和自动调整励磁装置都由惯性环节组成，励磁调节过程比较迟缓，励磁调节系统的时间常数较大，励磁电流不能突变，转速仍将上升，发电机电压在短时间内也要上升，可达1.3 1.5 倍额定电压，持续时间可达几秒钟。(2）励磁系统调节器故障。功频调整系统或自动调整励磁装置退出运行时，发生甩负荷，过电压持续时间更长。(3）电容负荷引起自励磁。,2023/3/2,电力系统继电保护,39,过电压的危害：对发电机定子绕组的绝缘有威胁，使升压变压器励磁电流剧增，引起变压器过励磁，使铁芯饱和损耗增大，甚至损坏绝缘。,设计和整定过电压保护的依据：发电机承受过电压的能力，随机组不同而不同。,发电机主绝缘的工频耐压水平：1.3 倍额定电压，持续60s。一般地，采用一段式定时限过电压保护即可，当U1.3Ue时，保护动作，经0.5S 延时，可发信号，也可全停及起动断路器失灵保护。,2023/3/2,电力系统继电保护,40,2-8 发电机异常工况保护,三、发电机的逆功率保护,危害：对发电机无危害，但危害汽轮机，残留在汽轮机尾部的蒸汽与长叶片摩擦，使叶片过热。,逆功率：保护动作或者调速控制回路故障关闭主汽门时，发电机断路器未跳闸之前，随着机组动能下降，发电机迅速转为电动机运行，从系统吸取有功功率。,规定：逆功率不超过10%额定有功功率，时间不得超过3min。,2023/3/2,电力系统继电保护,41,2-8 发电机异常工况保护,逆功率保护：由两段构成，第一段动作时限tl，按躲过系统振荡整定，取210S 发信号，以防发电机并列或失步时误动作。第二段动作时限为t2，根据发电机允许的最大逆功率运行时间整定，约23min 动作于跳闸。,2023/3/2,电力系统继电保护,42,2-8 发电机异常工况保护,四、过负荷保护,原因：系统中切除了部分电源，出现的短时冲击性负荷、大型电动机自起动、发电机强行励磁、失磁运行、同期误操作及振荡等。危害：温升过高,原理：反应平均发热状况装设三套过负荷保护：（1）定子绕组过负荷保护（2）励磁绕组过负荷保护。（3）转子表层过负荷保护，即负序电流保护。,1发电机的过负荷,2023/3/2,电力系统继电保护,43,2-8 发电机异常工况保护,2 定子绕组的过负荷保护,过负荷保护由定时限和反时限两部分组成。,发电机过负荷的倍数越大，允许持续运行的时间越短。,2023/3/2,电力系统继电保护,44,2-8 发电机异常工况保护,定时限部分的动作电流按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定，经延时动作于信号，并可动作于减出力。定时限部分的动作电流小，用来作为反时限定子负荷保护的闭锁元件（保护装置中个别元件损坏可能引起反时限延时回路误动作）。,反时限部分是定子绕组在发热方面的安全保护，动作特性按定子绕组的过负荷能力确定，动作于解列，按制造厂提供的反时限要求作用于跳闸的。,应能反应电流变化时 定子励磁绕组的热积累过程。,2023/3/2,电力系统继电保护,45,2-8 发电机异常工况保护,3 励磁绕组的过负荷保护（1）转子励磁绕组的主保护（2）主励磁机定子绕组差动保护的后备保护（3）主励磁机差动保护范围外部交流部分的主保护,原因：强行励磁或励磁系统故障，使励磁绕组过负荷。,励磁绕组承受过负荷的能力：较低，一般在2 倍额定励磁电流时仅允许持续20 s 左右，允许过负荷时间最多1 20s。,设置：转子电流超过额定值时带时限作用于信号，并根据转子及励磁系统允许过负荷的特性，以较短时限降低励磁电流，必要时以较长的时限跳开发电机断路器及灭磁开关。,构成：类似定子过负荷保护。,2023/3/2,电力系统继电保护,46,2-8 发电机异常工况保护,五、频率异常（失频）保护,发电机运行频率接近或等于汽轮机各级叶片自振频率时，将导致共振、材料疲劳、叶片或拉筋断裂，造成严重事故。不可逆的积累过程规定频率下允许累计运行时间。频率升高，多发生在甩负荷之后，系统有功功率过剩，将由调速器或功频调节装置动作于降低原动机的出力，必要时从系统切除部分机组。频率降低，多发生在重负荷运行时，系统出现有功功率缺额，应增加原动机出力，或在本机组之外采取措施（使调频机组增加原动机出力，投入备用机组，按频率自动减负荷）。,作用：保护汽轮机，防止汽轮机叶片及其拉筋的断裂事故。,2023/3/2,电力系统继电保护,47,2-8 发电机异常工况保护,保护的构成：频率元件：静态继电器，测量频率时间累计元件：机械计数器，用以累计频率异常的运行时间，即监视频率状况和累计偏离时间。,原理：当时间累计元件达到规定值时，动作于声光信号，解列或跳闸停机（尽量避免不必要地切除发电机）。（1）说明有断裂的可能，并不立即要断裂。（2）会进一步减少发出的有功功率，促使频率进一步降低，造成恶性循环而终致系统崩溃瓦解。,通常不设置频率升高部分，只设置低频保护。,设置：监视频率状况，根据预先划分的频率段自动累计各段异常运行时间，无论达到哪一频率段相应的规定累计运行时间，保护均动作于声光信号。,2023/3/2,电力系统继电保护,48,2-8 发电机异常工况保护,六、低电压保护,设置:（1）三相低电压元件接于发电机出口PT。当两相低电压元件动作时经延时（t=2s，躲过系统振荡）机组解列。（2）低电压整定值应躲开正常运行时可能出现的最低电压（3）采用了PT 断线闭锁装置，以防止PT 断线时保护误动作。,作用：反应机端或主变高压侧电压降低，原因：发电机部分或全部失去励磁时由于从系统吸收大量的无功功率，可能造成的系统电压的崩溃。,2023/3/2,电力系统继电保护,49,发电机保护,发电机的故障、不正常运行状态,发电机的保护方式,纵差动保护,定子接地保护,负序电流保护（转子表层过热保护）,保护原理、保护范围不平衡电流提高保护灵敏度-比率制动特性,基波零序电压保护（零序电压特点、保护动作死区）三次谐波零序电压保护（三次谐波电压特点、保护范围100%保护范围,必要性反时限特性保护方案,
