电力系统继电保护——发电机继电保护.ppt

第7章 发电机继电保护,返回总目录,本章讲述了发电机故障、不正常运行状态及其各种保护方式，重点讲述了发电机纵差动保护、定子匝间短路保护、单相接地保护和失磁保护的工作原理及整定计算，最后对逆功率保护、低频保护及失步保护等予以介绍。,本章内容,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保 护方式 7.2 发电机的纵差动保护 7.3 发电机定子绕组匝间短路保护 7.4 发电机定子绕组单相接地保护 7.5 发电机的失磁保护 7.6 发电机的其他保护 思考题与习题,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,发电机是电力系统中重要的设备。保证发电机的安全和防止其本身遭受损害对电力系统的稳定运行、对负荷的不间断供电起着决定性作用。发电机在运行过程中要承受短路电流和过电压的冲击，同时发电机本身又是一个旋转的机械设备，它在运行过程中还要承受原动机械力矩的作用和轴承摩擦力的作用。因此，发电机在运行过程中出现故障及不正常运行情况就不可避免。,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 1.发电机的内部故障 内部故障主要是由定子绕组及转子绕组绝缘损坏引起的，常见的故障有：(1)定子绕组相间短路。(2)定子绕组单相匝间短路。(3)定子绕组单相接地。(4)转子绕组一点接地或两点接地。(5)转子励磁回路电流消失。2.发电机的不正常运行状态 不正常运行状态主要有：(1)外部短路引起的定子绕组过电流。(2)负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷。(3)外部不对称短路或不对称负荷(如单相负荷，非全相运行等)而引起的发电机负序过电流和过负荷。,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,(4)突然甩负荷而引起的定子绕组过电压。(5)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)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 随着电力工业的飞跃发展，大机组的陆续投运，与中、小型机组相比，大机组在设计、结构及运行方面有许多特点，相应的对继电保护提出了新的要求，具体有如下表现。(1)大容量机组的体积不随容量成比例增大，即有效材料利用率高，但却直接影响了机组的惯性常数明显降低，使发电易于失步，因此很有必要装设失步保护；其次，发电机热容量与铜损、铁损之比明显下降，使定子绕组及转子表面过负荷能力降低，为了确保大型发电机组在安全运行条件下充分发挥过负荷的能力，应装设具有反时限特性的过负荷保护及过电流保护。(2)电机参数、增大 其后果是：短路电流水平下降，要求装设更灵敏的保护。定子回路时间常数显著增大，定子非周期分量电流衰减缓慢，使继电保护用的电流互感器的工作特性严重恶化，同时也加重了不对称短路时转子表层的附加发热，使负序保护进一步复杂化。,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,发电机平均异步力矩大为降低，因此失磁异步运行时滑差大，从系统吸收感性无功多，允许异步运行时的负载小、时间短，所以大型机组更需要性能完善的失磁保护。由于增大，发电机由满载突然甩负荷引起的过电压就较严重。(3)大型机组采用水内冷、氢内冷等复杂的冷却方式，故障几率增加。(4)单机容量增大，汽轮机组轴向长度与直径之比明显增大，从而使机组振荡加剧，匝间绝缘磨损加快，有时候可能引起冷却系统故障。因此，应当用灵敏的匝间短路保护和漏水保护(对水内冷机组)。(5)大型水轮机组的转速低，直径大，气隙不均匀，将引起机组振荡加剧，因此要装气隙不均保护。若定子绕组并联分支多且有中性点，应设计新的反应匝间短路的横差保护。(6)大型机组励磁系统复杂，故障几率也增多，发电机过电压、失磁的可能性加大，若采用自并励励磁系统，还需考虑后备保护灵敏度问题。综上所述，并考虑到大型机组造价高、结构复杂，一旦发生故障，其检修难度大、时间长、造成经济损失大，因此，要求大型机组的继电保护进一步的完善化，,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,即不但要提高原有保护的性能，还要探索多功能、新原理的故障预测装置，用计算机技术使保护与安全监测和综合自动化控制更好的结合。,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 针对以上故障及不正常运行状态，一般发电机应装设以下继电保护装置：(1)对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差保护装置。(2)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)大于表7-1规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护装置。对于发电机变压器组，对容量在100MW以下的发电机，应装设保护区不小于定子绕组串联匝数90%的定子接地保护；对容量在100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护，保护带时限动作于信号，必要时动作于切机。,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,表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,(3)对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形连接、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护；对200MW及以上的发电机，有条件时可装设双重化横差保护。(4)对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：负序过电流及单元件低电压启动的过电流保护，一般用于50MW及以上的发电机。复合电压(包括负序电压及线电压)启动的过电流保护，一般用于1MW及以上的发电机。过电流保护用于1MW以下的小型发电机保护。带电流记忆的低压过电流保护用于自并励发电机。对于由不对称负荷或外部不对称短路所引起的负序过电流，一般在50MW及以上的发电机上装设负序过电流保护。对于由对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护。对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护。,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,对于发电机励磁回路的一点接地故障，对1MW及以下的小型发电机可装设定期检测装置；对1MW以上的发电机应装设专用的励磁回路一点接地保护。对于发电机励磁消失故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；对采用半导体励磁以及100MW及以上采用电动机励磁的发电机，应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护。对于转子回路的过负荷，在100MW及以上，并且采用半导体励磁系统的发电机上，应装设转子过负荷保护。对于汽轮发电机主汽门突然关闭而出现的发电机变电动机运行的异常运行方式，为防止损坏汽轮机，对200MW及以上的大容量汽轮发电机宜装设逆功率保护；对于燃气轮发电机，应装设逆功率保护。对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护。其他保护：如当电力系统振荡影响机组安全运行时，在300MW机组上，宜装设失步保护；当汽轮机低频运行会造成机械振动，叶片损伤，对汽轮机危害极大时，可装设低频保护；当水冷发电机断水时，可装设断水保护等。,7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式,为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，使定子绕组中不再感应出电动势，继续供短路电流。,7.2 发电机的纵差动保护,发电机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。在保护范围内发生相间短路时，应瞬间断开发电机断路器和自动灭磁开关。,7.2.1 工作原理 这种保护是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。两组电流互感器之间为纵差动保护的范围。电流互感器二次绕组按照循环电流法接线，即如果两组电流互感器一次侧的极性分别以中性点侧和母线侧为正极性，则二次侧同极性相连接。差动继电器与两侧电流互感器的二次绕组并联。保护的单相原理接线如图7.1所示。发电机内部故障时，如图7.1(a)中的点短路，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(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,(a)内部故障情况(b)正常运行及外部故障情况图7.1 发电机纵差保护单相原理图,7.2 发电机的纵差动保护,纵差保护在原理上不反应负荷电流和外部短路电流，只反应发电机两侧电流互感器之间保护区内的故障电流，因此，纵差保护在时限上不必与其他时限配合，可以瞬时动作于跳闸。,7.2 发电机的纵差动保护,7.2.2 整定原则 1.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 如图7.1所示，假设流过电流互感器2TA的二次引线发生了断线，则电流 被迫变为零，此时，在差动继电器中将流过 电流，当发电机在额定容量运行时，此电流即为发电机额定电流变换到二次侧的电流，用 表示。在这种情况下，为防止差动保护误动，应整定保护装置的启动电流大于发电机的额定电流，引入可靠系数后，则保护装置和继电器的整定电流分别为(7-1)式中 电流互感器变比。这样整定之后，在正常运行情况下，任一相电流互感器二次回路断线时，保护将不会误动作。但如果在断线后又发生了外部短路，则继电器回路中要流过短路电流，保护仍然要误动。为防止这种情况的发生，在差动保护中，一般装设断线监视装置，当断线后，它动作发出信号，运行人员接到信号后即应将差动保护退出工作。,7.2 发电机的纵差动保护,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)为了防止断线监视装置在外部故障时由于不平衡电流的影响而误发信号，取其动作时限大于发电机后备保护的时限。具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线如图7.2所示。,7.2 发电机的纵差动保护,图7.2 具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线图,7.2 发电机的纵差动保护,保护装置采用三相式接线(1KD3KD为差动继电器)，在差动回路的中线上接有断线监视继电器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。2.躲过外部故障时的最大不平衡电流 整定电流为(7-3)考虑非周期分量的影响，并将稳态不平衡电流计算式 代入式(7-3)得(7-4)式中 可靠系数，取1.3；非周期分量系数，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,对于汽轮机组，其出口处发生三相短路的最大短路电流约为，代入式(7-4)中，则差动继电器的整定电流为(7-5)对于水轮机组，由于电抗 的数值比汽轮机组大，其出口处发生三相短路时的最大短路电流约为，则差动继电器中的整定电流为(7-6)对于内冷的大容量发电机组，其电抗数值也较上述汽轮机组为大，因此，差动继电器的启动电流较汽轮机组小。综上可见，按躲过不平衡电流的条件整定的差动保护，其启动值远小于按躲过 电流互感器二次回路断线时的整定值，因此，保护的灵敏性就高。但这样整定后，在正常运行情况下发生电流互感器二次回路断线时，在负荷电流的作用下，差动保护可能误动，就这点看，可靠性较差。当差动保护的定值小于额定电流时，可不装设电流互感器二次回路断线监视装置。运行经验表明，只要重视对差动保护回路的维护与检查，如采取防震措施，以防接线端子松脱，检修时测量差动回路的阻抗，并与以前的值比较等，在实际运行中发生该类故障的几率还是很少的。,7.2 发电机的纵差动保护,3.灵敏度校验 保护装置灵敏度校验按下式计算：(7-7)式中 发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流。实际上应考虑下面两种情况：(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给的短路电流，而 0。(2)发电机采用自同期并列(此时发电机先不加励磁，电动势 E 0)时，在系统最小运行方式下，发电机出线端发生两相短路，此时，差动回路只有系统供给的短路电流，而=0。对灵敏系数的要求一般不小于2。应该指出，上述灵敏系数的校验，都是以发电机出口处发生两相短路为依据的，此时短路电流较大，一般都能够满足灵敏系数的要求。但当内部发生轻微的 故障，例如经绝缘材料的过渡电阻短路时，短路电流的数值往往较小，差动保 护不能启动，此时只有等故障进一步发展以后，保护方能动作，而这时可能已,7.2 发电机的纵差动保护,对发电机造成更大的危害。因此，尽量减小保护装置的启动电流，以提高差动保护对内部故障的反应能力还是很有意义的，发电机的纵差动保护可以无延时地切除保护范围内的各种故障，同时又不反应发电机的过负荷和系统振荡，且灵敏系数一般较高。因此，纵差动保护毫无例外地用作容量在1MW以上发电机的主保护。,7.2 发电机的纵差动保护,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 由于发电机纵差保护不反应定子绕组一相匝间短路，因此，发电机定子绕组一相匝间短路后，如不能及时进行处理，则可能发展成相间故障，造成发电机严重损坏。因此，在发电机上(尤其是大型发电机)应装设定子匝间短路保护。以往对于双星形接线而且中性点侧引出6个端子的发电机，通常装设单元件式横联差动保护(简称横差保护)。但是，对于一些大型机组，出于技术上和经济上的考虑，发电机中性点侧常常只引出三个端子，更大的机组甚至只引出一个中性点，这就不可能装设常用的单元件式横差保护。在这种情况下，便出现了以下观点：(1)定子绕组匝间绝缘强度高于对地绝缘强度，因此绝缘破坏引起的故障 首先应该是定子单相接地，随后才发展为匝间或相间短路，现在已有无死区的100%定子接地保护，因此可以不装匝间短路保护。这种观点有一定的根据，但也确有首先发生匝间短路而后再发展为接地故障或相间短路的实例。考察匝间短路的发生过程，首先是看匝间绝缘，由于定子线棒变形或受振动而发生机械磨损，以及污染腐蚀、长期的受热和老化都会使匝间绝缘逐步劣化，这就构成了匝间短路的内因，不能肯定匝间绝缘的劣化一定晚于对地绝缘。更重要的是，外来冲击电压的袭击，给定子匝间绝缘造成极大威胁，因为冲击电压波沿定子绕组的分布是不均匀的，,波头愈陡，分布愈不均匀，一个波头为3ns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%，因此由机端进入的冲击波，完全可能首先在定子绕组的始端发生匝间短路。鉴于此，大型机组往往在机端装设三相对地电容器和磁吹避雷器，即使如此，也不能认为再也没有发生匝间短路的可能和完全不必装设匝间短路保护了。(2)另一种观点认为，大型机组的定子同槽上、下层线棒同属一相的很少，因此，即使上、下层绝缘破坏也主要是相间短路，既然装设单元式横差保护有困难，就不再装设匝间短路保护。实际上这是一种错觉，多极的水轮发电机，很多情况下定子同槽上、下层线棒同相的已超过，大型汽轮发电机，极数也不一定再是2，现以运行中的60万kW两极汽轮发电机为例，其定子总槽数为42，同槽上、下层同相的槽数为18(均为同相但不同分支的)，约占总槽数的42.86%，完全有发生匝间短路的可能。在实际中因未装设匝间短路保护以致在发生匝间短路时严重损坏发电机的例子是有的。总之，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 单继电器横差保护 在大容量发电机组中，由于额定电流很大，其每相都做成两个及其以上绕组的并联，如图7.3所示。,图7.3 大容量发电机内部接线示意图,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,在正常情况下，两个绕组中的电势相等，各供的负荷电流。当任一各绕组中发生匝间短路时，两个绕组中的电动势就不再相等，因而会由于出现电动势差而产生一个均衡电流，在两个绕组中环流。因此，利用反应两个支路电流之差的原理，即可实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，此即横差保护，现对其原理分述如下。如图7.4(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。如图7.4(b)所示，在同相的两个分支间发生匝间短路，当 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)时，将不会有环流。因此，或 时，保护也出现死区。根据定子绕组匝间短路的特点，横差保护有两种接线方式。一种是比较每相两个分支绕组的电流之差，这种方式每相需装设两个差接的电流互感器，三相共需六个电流互感器和三个继电器。由于这种方式接线复杂，且流过继电器的不平衡电流较大，故实际中很少采用。另一种接线方式是在两组星形接线的,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,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。这种方式由于只用一个电流互感器，不存在两个电流互感器的误差不同所引起的不平衡电流问题，因而启动电流小，灵敏度高，加上接线简单，故目前广泛采用。单继电器式横差保护原理接线图如图7.5所示。,(a)在某一绕组内部匝间短路(b)在同相不同绕组匝间短路 图7.4 发电机定子绕组匝间短路的电流分布,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,图7.5 单继电器式横差保护原理接线图 按这种接线方式，当发电机出现三次谐波电动势(用E3表示)时，由于三相都是同相位的，因此，如果任一支路的E3与其他支路的不相等时，都会在两组星形中性点的连线上出现三次谐波的环流，并通过互感器反应到保护中去，这是不希望的，为此采用了三次谐波过滤器2，以滤掉三次谐波的不平衡电流，提高灵敏度。,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,保护装置的整定电流，根据运行经验，通常取发电机定子绕组额定电流的20%30%，即(7-8)当转子回路两点接地时，横差保护可能误动。这是因为，当两点接地后转子磁极的磁通平衡遭到破坏，而定子同一相的两个绕组并不是完全位于相同的定子槽中，因而其感应的电动势就不相等，这样就会产生环流，使差动保护误动。运行经验表明，当励磁回路发生永久性的两点接地时，由于发电机励磁电动势的畸变而引起空气隙磁通发生较大的畸变，发电机将产生异常的振动，此时励磁回路两点接地保护应动作于跳闸。在这种情况下，虽然按照横差保护的工作原理来看它不应该动作，但由于发电机已有必要切除，因此，横差保护动作与跳闸也是允许的。基于上述考虑，目前已不采用励磁回路两点接地保护动作时闭锁横差保护的措施。为了防止在励磁回路中发生偶然性的瞬间两点接地时引起横差保护误动，因此，当励磁回路发生一点接地后，在投入两点接地保护的同时，也应将横差保护切换至带0.5s1s的延时动作于跳闸。在图7.5中，当励磁回路未发生接地故障时，切换片XB接通直接启动出口继电器5的回路，而当励磁回路发生一点接地后，则切换到启动时间继电器4的回路，此时需经延时后才动作于跳闸，即满足了以上所提出的要求。按以上原理构成的横差保护，也能反应定子绕组上可能出现的分支开焊故障。,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所示为由负序功率闭锁的纵向零序电压匝间短路保护的原理示意图。图中PT一次侧中性点必须与发电机中性点直接相连，而不能再直接接地，正因为TVN1的一次侧中性点不接地，因此，其一次绕组必须采用全绝缘，且不能被用来测量相电压，故图7.6中的TVN1是零序电压匝间短路保护专用电压互感器。开口三角绕组安装了具有三次谐波滤过器的高灵敏性过电压继电器。,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,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,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，虽然一次系统出现了零序电压，即一次侧三相对地电压不再平衡，中性点电位升高为U0，但由于TVN1一次侧中性点不接地，所以即使中性点的电位升高，但三相电压仍然对称，故开口 三角绕组输出电压为0V。只有当发电机内部发生匝间短路或发生对中性点不对称的各种相间短路时，TVN1一次对中性点的电压不再平衡，开口三角绕组才有电压输出，从而使零序匝间短路保护正常 动作。为了防止低定值零序电压匝间短路保护在外部短路时误动，设有负序功率方向闭锁元件。因为三次谐波不平衡电压随外部短路电流增大而增大，为提高匝间短路保护的灵敏性，就必须考虑闭锁措施。采用负序功率闭锁是一成熟的措施，因为发电机内部相间短路以及定子绕组分支开焊，负序源位于发电机内部，它所产生的负序功率一定由发电机流出。而当系统发生各种不对称运行或不对称故障时，负序功率由系统流入发电机，这是一个明确的特征量，利用它和零序电压构成匝间短路是十分可取的。,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,为防止TVN1一次熔断器熔断而引起保护误动，还必须设有电压闭锁装置，如图7.6所示。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 决定，中的成分主要是三次谐波电压，为此，在零序电压继电器中采用滤过比高的三次谐波滤波器和阻波器。一般负荷工况下的基波零序不平衡电压(二次值)为百分之几伏，所以整定为1V左右。外部短路时，急剧增长，但由于有负序功率方向元件闭锁，故不会引起误动。国内上述有闭锁的零序电压匝间保护短路保护 整定为1V左右；国外进口机组无负序功率方向元件闭锁的保护一般整定为3V左右。当然整定值越高死区就越大。可以看出，该保护由零序电压、功率方向和电压断线闭锁三部分组成，装置比较复杂，灵敏性也不太高，因此适于在不装设单元件横差保护的情况下采用。值得指出的是，一次中性点与发电机中性点的连线如发生绝缘对地击穿，就形成发电机定子绕组单相接地故障，如果定子接地保护动作于跳闸，这无疑就扩大了故障范围。,7.3 发电机定子绕组匝间短路保护,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,根据安全的要求，发电机的外壳都是接地的，因此，定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍。当接地电流比较大，能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定子铁芯烧坏，并且也容易发展成相间短路，造成更大的危害。根据运行经验，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；当接地电容电流小于5A时，一般装设作用于信号的接地保护。,7.4.1 发电机定子绕组单相接地的特点 现代的发电机，其中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，因此，当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络(即与发电机有直接电联系的各元件)对地电容电流之和，而不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变。如图7.7(a)所示，假设A相接地发生在定子绕组距中心点 处，表示由中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数，则故障点各相电势为、和，而各相对地电压分别为,(7-9),7.4 发电机定子绕组单相接地保护,三相网络图(b)零序等效图图7.7 发电机内部单相接地电流分布,因此，故障点的零序电压为(7-10)上式表明，故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而改变。由此可作出发电机内部单相接地的零序等效网络，如图7.7(b)所示。图中为发电机每相的对地电容，C0l为发电机以外电压网络每相对地的等效电容。由此即可算出发电机的零序电容电流和网络的零序电容电流分别为,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,(7-11)则故障点总的接地电流即为(7-12)其有效值为，式中 为发电机的相电势，一般在计算时，常用发电机网络的 平均额定相电压 来代替，即表示为。流经故障点的接地电流也与 成正比，因此当故障点位于发电机出线端子附近时，=1，接地电流最大，其值为。发电机定子绕组单相接地故障电流的允许值，应采用制造厂的规定值，如无规定值时，可参照表7-1所列的数据。当发电机内部单相接地时，流经发电机零序电流互感器TA0一次侧的零序电流为发电机以外电压网络的对地电容电流，如图7.7(b)所示。而当发电机外部单相接地时，如图7.8所示，流过TA0的零序电流为发电机本身的对地电容电流。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,发电机内部单相接地时，实际上无法直接获得故障点的零序电压，而只能借助于机端的电压互感器来进行测量。由图7.7可见，当忽略各相电流在发电机内阻抗上的压降时，机端各相的对地电压应分别为(7-13),图7.8 发电机外部单相接地的零序等效网络图,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,其相量关系如图7.9所示。,图7.9 发电机内部单相接地时的机端电压相量图由此可得机端的零序电压为,(7-14)和故障点的零序电压相等。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4.2 利用零序电流构成的定子接地保护 对直接连接在母线上的发电机，当发电机电压网络的接地电容电流大于表7-1的允许值时，不论该网络是否装有消弧线圈，均应装设动作于跳闸的接地保护。当接地电容电流小于允许值时，则装设作用于信号的接地保护。在实现接地保护时，应做到当一次侧的接地电流(即零序电流)大于允许值时即动作于跳闸，因此，就对保护所用的零序电流互感器提出了很高的要求。一方面是正常运行时，在三相对称负荷电流(常达数千安)的作用下，在二次侧的不平衡输出应该很小，另一方面是接地故障时，在很小的零序电流作用下，在二次侧应有足够大的功率输出，以使保护装置能够动作。零序电流互感器的等效回路如图7.10所示(各参数均折合到二次侧)，其中 为一次绕组的漏抗，为励磁阻抗，代表二次绕组的漏抗和所接继电器阻抗之和。当一次电流 一定时，电流互感器的输出功率为,(7-15),7.4 发电机定子绕组单相接地保护,输出最大功率的条件应为=0，解此方程式得，因此，最大功率为(7-16)由此可见，尽量提高零序电流互感器的励磁阻抗，然后设计选取继电器的阻抗，使，就可以提高保护的灵敏度。,图7.10 零序电流互感器的等效回路图,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,目前我国采用的是用优质高磁导率硅钢片做成的零序电流互感器，其磁化曲线起始部分的磁导率很高，因而在很小的一次电流作用下，就具有较高的励磁阻抗和二次输出功率，能满足保护灵敏性的要求，而结构并不复杂。随着静态继电器的广泛使用，这一问题将能得到更好的解决。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：(1)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。(2)保护装置的一次动作电流应小于表7-1规定的允许值。(3)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。(4)保护装置一般带有1 s2 s的时限，以躲过外部单相接地瞬间，发电机暂态电容电流(其数值远较稳态时的)的影响。因为，如果不带时限，则保护装置的启动电流就必须按照大于发电机的暂态电容电流来整定。当发电机定子绕组的中性点附近接地时，由于接地电流很小，保护将不能启动，因此零序电流保护不可避免地存在一定的死区。为了减小死区的范围，就应该在满足发电机外部接地时动作选择性的前提下，尽量降低保护的启动电流。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4.3 利用零序电压构成的定子接地保护(用于发电机变压器组)一般大、中型发电机在电力系统中大都采用发电机变压器组的接线方式，在这 种情况下，发电机电压网络中，只有发电机本身、连接发电机与变压器的电缆以及变压器对地电容(分别以、表示)，其分布如图7.11所示。当发电机单相接地后，接地电容电流一般小于允许值。对于大容量的发电机变压器组，若接地后的电容电流大于允许值，则可在发电机电压网络中装设消弧线圈予以补偿。由于上述三项电容电流的数值基本上不受系统运行方式变化的影响，因此，装设消弧线圈后，可以将接地电流补偿到很小的数值。在上述两种情况下，均可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,图7.11 发电机电压系统的对地电容分布图,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,发电机在正常运行时，发电机相电压中含有三次谐波，因此，在机端电压互感器接成开口三角形的一侧也有三次谐波电压输出，此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高、低压绕组之间有电容存在，因此，在发电机机端会产生零序电压。为了保证动作的选择性，保护装置的整定值应躲过正常运行时的不平衡电压(包括三次谐波电压)，以及变压器高压侧接地时在发电机机端产生的零序电压。根据运行经验，继电器的启动电压一般整定为15V30V左右。按以上条件的整定保护，由于整定值较高，因此，当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而出现死区。为了减小死区，可采取如下措施来降低启动电压。(1)加装三次谐波带阻过滤器。(2)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。(3)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发电机接地保护闭锁或利用它对保护实现制动。采取以上措施后，零序电压保护范围虽然有所提高，但在中性点附近接地时仍然有一定的死区。,由以上可见，利用零序电流和零序电压构成的接地保护，对定子绕组都不能达到100%的保护范围。对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或发生漏水(指水内冷的发电机)等原因，都可能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现，则一种可能是进一步发展成匝间或相间短路；另一种可能是如果又在其他地方发生接地，则形成两点接地短路。这两种结果都会造成发电机严重损坏，因此，对大型发电机组，特别是定子绕组用水内冷的机组，应装设能反应100%定子绕组的接地保护。目前，100%定子接地保护装置一般由两部分组成，第一部分是零序电压保护，如上述它能保护定子绕组的85%以上，第二部分保护则用来消除零序电压保护不能保护的死区。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：(1)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10%15%。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10A25A左右)，接地保护即反应于这个电流而动作，使发电机跳闸。(2)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。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,(3)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。以上方案中，有些本身就具有保护区达100%的性能，此时可利用零序电压作为后备，以进一步提高可靠性。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4.4 利用三次谐波电压构成100%的定子绕组单相接地保护 1.发电机三次谐波电动势的分布特点 由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电动势除基波分量外，还含有高次谐波分量。其中三次谐波电动势虽然在线电动势中可以将它消除，但在相电动势中依然存在。因此，每台发电机总有约百分之几的三次谐波电动势。如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点N和机端S，且每相的电容大小为，并将发电机端引出线、升压变压器、厂用变压器及电压互感器等设备的每相对地电容 也等效地放在机端，并设三次谐波电动势为，则正常运行时的等效网络如图7.12所示，由此可算出中性点及机端的三次谐波电压分别为,图7.12 发电机三次谐波电动势和对地电容的等值电路图,(7-17),(7-18),此时，机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压之比为 1(7-19),由式(7-19)可见，在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压总是大于发电机端的三次谐波电压。极限情况是发电机出线端开路()时，。当发电机中性点经消弧线圈接地时，其等效电路如图7.13所示，设基波电容电流得到全部补偿，则(7-20),7.4 发电机定子绕组单相接地保护,图7.13 发电机中性点接消弧线圈时，三次谐波电动势及对地电容的等值电路图,此时发电机中性点侧对三次谐波的等值电抗为(7-21),7.4 发电机定子绕组单相接地保护,将式(7-20)代入式(7-21)整理后得(7-22)发电机端对三次谐波的等值电抗为(7-23),因此，发电机端三次谐波电压和中性点三次谐波电压之比为(7-24),7.4 发电机定子绕组单相接地保护,上式表明，接入消弧线圈以后，中性点的三次谐波电压在正常运行时比机端三次谐波电压更大。在发电机出线端开路时，则(7-25)在正常运行情况下，尽管发电机的三次谐波电动势E3随着发电机的结构及运行状况而改变，但是其机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压的比值总是符合以上关系的。当发电机定子绕组发生金属性单相短路时，设接地发生在距中性 点处，其等值电路如图7.14所示。此时不论发电机中性点是否接有消弧线圈，恒有(7-26)则(7-27),7.4 发电机定子绕组单相接地保护,、随 变化的关系如图7.15所示。当 50%时，恒有。,图7.14 发电机内部单相接地时，三次谐波电动势分布等值电路图,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,图7.15、随 变化的曲线 因此，如果利用机端三次谐波电压作为动作量，用中性点侧三次谐波电压作为制动量来构成接地保护，且当 时为保护的动作条件，则在正常运行时保护不可能动作，而当中性点附近发生接地时，则具有很高的灵敏性。利用这种原理构成的接地保护，可以反应定子绕组中性点侧约50%范围以内的接地故障。,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,2.反应三次谐波电压比值和基波零序电压组合而成的100%定子接地保护 原理接线如图7.16所示。图中 和 分别表示从发电机端和中性点侧电压互感器二次侧所取出的交流电压，以输入保护装置。,图7.16 反应三次谐波电压比值和基波零序电压3 的100%定子接地保护原理接线图,7.4 发电机定子绕组单相接地保护,反应于三次谐波电压比值而动作的保护部分如下：由电抗互感器TX1、TX2的一次线圈分别与电容C1、C2组成三次谐波串联谐振回路，由电感 L1、L2分别与电容C3、C4组成50Hz串联谐振回路。当有三次谐波电压输入时，在每个电抗互感器的一次侧回路中，由于三次谐波的感抗和容抗互相抵消只剩下回路的电阻，因此，虽然 和 的输入电压很小，但也能产生较大的电流，因而在二次侧就有较大的电压输出。当有基波零序电压输入时，由于电抗互感器一次侧回路对它呈现很大的阻抗，而且在二次侧还接有对50Hz串联谐振的滤波回路，因此，二次侧也仅有很小的电压输出。这样，由TX1的二次输出电压正比于发电机端三次谐波电压，TX2的二次输出电压正比于发电机中性点三次谐波电压，将这两个电压信号经整流滤波后，用环流法接线进行幅值比较，则a、b两点间的电压为,(7-28),7.4 发电机定子绕组单相接地保护,当 0时，执行回路动作。调节电位器 便可改变保护的整定值。如上所述，利用三次谐波电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中 50%范围内的单相接地故障，且当故障点愈接近中性点，保护的灵敏性愈高；而利用基波零序电压构成的保护，则可以反应 15%以上范围的单相接地保护，且当故障点愈接近发电机出线端时，保护的灵敏性愈高。因此，利用三次谐波电压比值和基波零序电压的组合，构成了100%的定子绕组接地保护。,7.5