1、2022-8-15第10章 发电机保护12022-8-15第10章 发电机保护2第一节 发电机的故障类型、异常工作情况和继电保护方式相间短路匝间短路接地短路一点接地二点接地2022-8-15第10章 发电机保护3相间短路匝间短路单相接地短路定子绕组纵差动保护匝间短路保护定子接地保护转子一点接地保护转子两点接地保护一点接地两点接地转子绕组一、故障类型及保护配置2022-8-15第10章 发电机保护4失磁失磁保护二、异常工作情况及保护配置定子绕组过电流及过负荷相间短路后备保护、过负荷保护定子绕组过电压定子绕组过电压保护发电机逆功率、频率降低、失步逆功率保护低频保护 失步保护转子过负荷转子过负荷保护
2、2022-8-15第10章 发电机保护5定子正序旋转磁场定子负序旋转磁场转子二次谐波 定子负序 转子二次谐波电流 转子表层过热 100Hz的振动 定子负序过负荷、过电流保护 定子负序电流危害2022-8-15第10章 发电机保护610.2 同步发电机的差动保护完全差动保护不完全差动保护相间短路相间短路匝间短路10.2.1差动保护接线2022-8-15第10章 发电机保护7完全差动保护接线无故障时无故障时相间故障时相间故障时DNT0IIIDNT0III2022-8-15第10章 发电机保护8假设每相有n个分支无故障时无故障时相间故障或匝间短路时相间故障或匝间短路时不完全差动保护接线DNT0InI
3、IDNT0InII2022-8-15第10章 发电机保护9要点：基本原理同线路差动保护和变压器差动保护接线简单、不平衡电流较小接线简单、不平衡电流较小中性点附近有死区中性点附近有死区关键问题是如何降低动作电流、提高灵敏度、减小死区2022-8-15第10章 发电机保护1010.2.2完全差动保护动作值整定（1）保护起动电流整定1）躲过外部故障产生的最大不平衡电流k.actrelunb.maxIK Irelaperssk.maxTA0.1/K KK InTA10%误差可靠系数1.3非周期分量系数11.3；如采取了措施去掉非周期分量影响时取1。同型系数0.5外部短路时的最大短路电流2022-8-1
4、5第10章 发电机保护11若汽轮发电机K.maxN.G8IIK.actN.GTA0.5 0.6/IIn发电机额定电流则发电机正常运行时若TA二次回路断线会误动。2）防止TA二次回路断线导致误动a.设TA二次回路断线监视装置TAG.Nact.kn/IIb.若水轮发电机K.maxN.G5IIK.actN.GTA0.3 0.4/IIn则.3coseeNTAPII GUen2022-8-15第10章 发电机保护12（2）发电机差动保护灵敏度校验senk.minact2KII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：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
5、回路串只有由发电机供给的短路电流。发电机采用自同期并列时(此时发电机先不加励磁,因此,发电机的电势E0),在系统最小运行方下,发电机出线端发生两相短路,此时,差动回路中只有由系统供给的短路电流。为提高灵敏度，一般采用具有制动特性的差动继电器。2022-8-15第10章 发电机保护1310.2.3发电机比率制动式差动保护原理同变压器差动保护，不平衡电流较小。dact0brkbrk0dbrkbrkbrk0act0brkbrk0ds.().IIIIIKIIIIIII动作方程actIbrkIact0Ibrk0IbrkK速断动作区动作区制动区TNbrk2III制动电流dTNIII差动电流不完全差动接线时
6、TNFbrk2IKII制动电流K为分支系数 动作特性2022-8-15第10章 发电机保护14保护动作逻辑框图两种出口方式：单相出口方式及循环闭锁出口方式特点：需设置专门的TA断线闭锁，当差电流较大时解除TA断线闭锁，适于不完全纵差接线。单相出口方式2022-8-15第10章 发电机保护15特点：三取二，适于完全纵差接线。循环闭锁出口方式内外部不同相同时接地故障2022-8-15第10章 发电机保护16比率制动式发电机纵差保护定值整定1.比率制动系数Kbrk：躲过出口三相短路时最大不平衡电流完全差动：0.30.5不完全差动：0.52.启动电流Iact0：躲过正常工况最大不平衡电流，0.30.4
7、IN.G3.拐点电流Ibrk0：建议按躲过外部故障切除后的暂态过程中产生的最大不平衡电流整定；不完全纵差取值要大一点。0.50.8IN.G 其余参数请参照具体的保护说明书。2022-8-15第10章 发电机保护17比率制动式发电机纵差保护定值整定校验灵敏度：机端两相短路brk1Iact1IdIactIbrkIact0Ibrk0IbrkKbrk1Iact1Idsenact12IKI2022-8-15第10章 发电机保护1810.2.4.变数据窗式标积制动纵差保护原理完全差动制动量0brkNTIcos(180)I ITINI外部故障o180制动量最大内部故障o0制动量转为动作量，灵敏度高不完全差动
8、0brkNF TIcos(180)KII变数据窗：故障初期适当提高S，即增加制动量；故障数据充分时再降低S，从而提高灵敏度。动作方程2cos(180)TNNTIIIIS2022-8-15第10章 发电机保护19与循环闭锁的比率制动式差动保护逻辑一样。动作框图2022-8-15第10章 发电机保护2010.3 同步发电机定子绕组匝间短路保护横差保护 纵向零序电压式匝间保护 反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护 完全纵差动保护不能反应匝间短路 2022-8-15第10章 发电机保护21匝间短路分析120I2022-8-15第10章 发电机保护22设A相短路匝数占总匝数的比例为A0EIZ两中性点间
9、电流I0Z为电流流经回路的绕组阻抗0ABCA3(1)UEEEE 纵向零序电压相对于中性点的零序电压三相电势不相等定子负序电流转子二次谐波电气量特点：（1）纵向零序电压纵向零序电压（机端对中性点），零序电流零序电流（2）纵向负序电压纵向负序电压，负序电流负序电流，转子倍频电流转子倍频电流2022-8-15第10章 发电机保护2310.3.1横联差动保护单元件横差保护裂相横差保护适于每相两分支两中性点引出线适于每相两分支，且每分支都有线引出2022-8-15第10章 发电机保护24单元件横差保护保护测量两个中性点之间连线上的电流保护测量两个中性点之间连线上的电流保护反应匝间短路及定子绕组开焊故障，
10、保护在保护反应匝间短路及定子绕组开焊故障，保护在 较小时较小时有有死区死区。2022-8-15第10章 发电机保护25保护动作电流应大于正常或外部故障时不平衡电流一般Iact=(0.30.4)IN.G（1）滤除三次谐波以提高保护的灵敏性。（2）为防止转子两点接地时磁场空间不对称造成保护误动，在转子一点接地后横差保护带0.51S延时动作。注：2022-8-15第10章 发电机保护26裂相横差保护分相横差保护保护测量每相两个分支之间的电流差为提高保护的灵敏性，可采用具有制动特性的差动原理，如比率制动、标积制动等。A2IA1IA1A2II正常运行差电流为0，匝间短路有差电流。2022-8-15第10
11、章 发电机保护2710.3.3 反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护动作条件：I2&P20I2 匝间短路产生定子绕组纵向负序电压、电流，在转子上感应出的二次谐波电流。P20 匝间短路及外部不对称故障均产生定子绕组负序电压,方向元件只在匝间短路时开放匝间短路保护。保护的动作值只需按躲过与发电机正常负荷时允许的最大不对称度(一般取5%左右)相对应的的二次谐波电流整定。2022-8-15第10章 发电机保护28转子二次谐波定子负序方向元件，防止发电机外部不对称故障保护误动2022-8-15第10章 发电机保护29负序功率方向元件分析2U2I2U2I机端电压中性点或机端电流_+2E2I2U结论ZS2
12、222900UArgPI（1）匝间短路2022-8-15第10章 发电机保护302I2U2E_+2E_+2U2IZS2ZS22U2I2U2I（2）外部故障222900UArgPI222900UArgPI结论（2）内部不对称相间故障结论2Ia.中性点2U2I222900UArgPI结论b.机端P20不反应发电机外部故障。2022-8-15第10章 发电机保护3110.3.4 纵向零序电压式匝间保护关键：纵向零序电压，TV一次侧中性点与发一次侧中性点与发电机中性点相连电机中性点相连2022-8-15第10章 发电机保护32要滤除三次谐波以提高灵敏度；必要时可采用具有制动特性的动作方程。单相接地时相
13、对地电压有零序分量，相对中性点电压无零序分量。即纵向零序电压不反应单相接地。2022-8-15第10章 发电机保护33不灵敏段高定值低定值灵敏段三次谐波制动动作条件：3U0&P20应设TV断线闭锁2022-8-15第10章 发电机保护3410.4 发电机的单相接地保护当接地电容电流等于或大于5A时，应装设动作于跳闸的接地保护；当接地电流小于5A时，一般装设作用于信号的接地保护。中性点不接地或经过消弧线圈接地2022-8-15第10章 发电机保护3510.4.1 发电机定子绕组单相接地的特点单相接地时的零序电压AA(1)UEBBAUEECCAUEENAUE 机端零序电压0AAC33AUUUUaE
14、 03U012022-8-15第10章 发电机保护36单相接地时的零序电流电容电流00333AIj C UjC E 0033GsAIjCE 0033GgAIjCE 内部单相接地时外部单相接地时0Us0Cg0Cs0Ig0I_+TAs0INTkI0Us0Cg0Cs0Ig0I_+TAg0INTkI2022-8-15第10章 发电机保护3710.4.2 利用零序电流构成的定子接地保护动作电流需大于发电机单相接地电流允许值发电机额定电压(kV)发电机额定容量(MW)接地电流允许值(A)6.3C0gI0sI0g内部单相接地外部单相接地I0sIactI0g延时12S保护动作于信号，必要时也可动作于停机。发电
15、机未并列时采用机端零序电压监视绝缘2022-8-15第10章 发电机保护3910.4.3 利用零序电压构成的定子接地保护可用于发变组，中性点附近有死区0U3取自机端TV开口三角形或发电机中性点侧TV。整定值躲过不平衡电压不平衡电压不平衡电压形成原因：1）发电机三次谐波电压，2）变压器高压侧接地时经电容耦合过来的零序电压。为提高灵敏度，需滤除三次谐波2022-8-15第10章 发电机保护40减小不平衡电压影响措施：1）装设三次谐波滤过器，2）延时躲过外部接地影响。采取以上措施后，整定值为510V，死区为（510）%。01100103U0（V）10%动作电压NT死区510%保护区2022-8-15
16、第10章 发电机保护4110.4.4 利用基波零序电压和三次谐波电压构成的100定子接地保护保护分两部分：1）反应基波零序电压反应基波零序电压 2）反应三次谐波电压反应三次谐波电压NT反应三次谐波电压反应基波零序电压保护区示意图2022-8-15第10章 发电机保护421.发电机正常运行时的三次谐波电压T0U0NU和发电机电势中有固有的三次谐波电势E3s0C3g0C23-+g0C23LT0U0NUNT3E-+-+g0C23L0NUNs0C3g0C23T0UT3E3E)1(T00g0s0g0sN0(92)219(2)UKCCK CCU正常运行时)CC(31LKs0g0补偿系数内部单相接地时T0N
17、01UU2022-8-15第10章 发电机保护43正常运行时T0N0UU可以将T0N0UU作为定子绕组单相接地故障的判据，这样保护区为00.50 即T0N0UUNT反应三次谐波电压反应基波零序电压基波零序电压保护三次谐波电压保护或2022-8-15第10章 发电机保护44为了提高反应三次谐波电势定子绕组单相接地保护的灵敏度,可以采用以下带制动特性判据:中小型机组NTNUUUrelN0T0N0()KUUU大型机组NTNPUUUrelN0T0N0()KPUUUPIBICUCA&t2/0（当有记忆时）发电机复合电压过电流保护出口逻辑框图发信或跳闸如出口全停2022-8-15第10章 发电机保护47
18、ZAB 1&ZBC ZCA TA断线 闭锁t1/0t2/0跳闸或发信低阻抗保护动作逻辑框图2022-8-15第10章 发电机保护4810.6 同步发电机的负序电流保护和过负荷保护定子绕组负序电流转子绕组倍频电流附加涡流损耗，转子表层发热、机械振动发电机承受I2能力:长期（68）%IN.G或12%IN.G短时AtI22标幺值允许过热时间常数跟发电机类型与冷却方式有关相间短路后备保护兼转子表层过负荷保护2022-8-15第10章 发电机保护49负序电流保护（两部分）：定时限过负荷；反时限过流反时限过流保护特性曲线（三个部分）：上限定时限；反时限；下限定时限2022-8-15第10章 发电机保护50
19、a-b发热越限I段动作值bc未充分利用散热段动作值de未提供保护如采用定时限负序电流保护I段2actN.G0.5II13 5ts段2actN.G0.1II2510ts2022-8-15第10章 发电机保护51发热曲线不能与定时限电流曲线很好配合；且对热积累的过程不能反应。措施：采用反时限负序电流保护。2022-8-15第10章 发电机保护5210.6.2.2 负序反时限过流保护aIAt22修正系数2It热容量曲线反时限负序电流曲线12曲线2保守，一般不选用曲线1利用发电机散热，一般采用此特性2022-8-15第10章 发电机保护53发电机负序保护逻辑IIupIIdowtupt1&t51跳闸或发
20、信发信IIact高定值低定值过负荷定值反时限2022-8-15第10章 发电机保护5410.7 励磁回路接地保护一点接地保护一般动作于信号两点接地保护动作于跳闸2022-8-15第10章 发电机保护55励磁回路一点接地 无直接危害，可能发展成 为两点接地。励磁回路两点接地 短路电流可能烧坏转子绕 组和铁芯，转子磁场畸变 引起机组振动。保护配置：水轮发电机 设一点接地保护动作 于信号或停机。汽轮发电机 设一点接地保护动作 于信号，设两点接地保护动作于 停机。2022-8-15第10章 发电机保护56直流电桥叠加直流电压 叠加交流电压切换采样直流电桥利用定子二次谐波电压一点接地保护原理两点接地保护
21、原理2022-8-15第10章 发电机保护57励磁回路一点接地检查装置 两表法单表法有死区2022-8-15第10章 发电机保护58叠加直流电压式一点接地保护K接通3050.1RUigEg6050.2RUigEgK不接通21126030giiRi i2022-8-15第10章 发电机保护59外加交流电压式一点接地保护延时动作于信号 00kcyuIzjxz未接地时0I01fyfyR ZkcRZuIzjx接地时2022-8-15第10章 发电机保护60切换采样式一点接地保护1f11f21f11f2S1S2(R+R+R)I-(R+R)I=E-(R+R)I+(2R+R+R)I=(1-)E接通断开时1f
22、11f21f11f2S1S2(2R+R+R)I-(R+R)I=E-(R+R)I+(R+R+R)I=(1-)E断开接通时联立四个方程，可得Rf=ER1/3U-R1-2R/3 2022-8-15第10章 发电机保护6110.7.3 励磁回路两点接地保护电桥平衡正常时保护不投入。励磁回路一点接地后，投入保护，调电桥使之平衡。两点接地后平衡被打破，保护动作于停机。+-K1mvmnUmnK2滤波限幅2022-8-15第10章 发电机保护62存在问题：1）K1、K2相距较近时保护有死区 2）K1、K2相继发生，发生时间相 隔较短时来不及投入保护。2022-8-15第10章 发电机保护6310.7.3 励磁
23、回路两点接地保护定子二次谐波发电机转子绕组两点接地时，其气隙磁场将发生畸变，在定子绕组中将产生二次谐波负序分量电势。转子两点接地保护即反应定子电压中二次谐波“负序”分量。动作条件为负序二次谐波 大于整定值。22U2022-8-15第10章 发电机保护64逻辑框图高定值低定值转子一点接地2022-8-15第10章 发电机保护6510.8 同步发电机失磁保护发电机失磁：励磁电流消失或下降失磁原因：励磁绕组故障、励磁回路开路、励磁系统故障、灭磁开关误跳、自动调节励磁系统故障、误操作等。2022-8-15第10章 发电机保护66失磁后发电机运行的物理过程及其影响（1）失磁后发电机运行的物理过程dEsU
24、gUsgXI jdgXI jgIXdXsdEsUgUgIsinXUEPsdXUcosXUEQ2ssdsdXXX2022-8-15第10章 发电机保护67不稳定异步运行稳定异步运行临界失步P120c90PTPTabcd132ab1）失磁后到失步前（90 2022-8-15第10章 发电机保护68失磁的影响对系统的影响:无功缺额导致电压下降、有功功率摆动危及系统稳定性。对失磁机组的影响：定子绕组过流、发热，转子上感应差频电流、发热，异步转矩导致机组振动。保护行为：动作于信号或跳闸，也可以减出力运行。由系统、机组情况决定失磁后机组可否继续运行。2022-8-15第10章 发电机保护6910.8.2
25、发电机失磁过程的机端测量阻抗机端测量阻抗为发电机失磁的主要判据ssgssgsgsggmjXUIUUIXI jUIUZs2smjXjQPUZ2022-8-15第10章 发电机保护70s2j2smjXe1P2UZs2sjX,P2UP2U2s圆心半径P1 P2 P3 jXR0jXsP1 P2 P3 ZmPQArg（1）失磁后到失步前的等有功过程PPT，阻抗轨迹为圆，称为等有功圆等有功圆2022-8-15第10章 发电机保护71（2）临界失步o90sd2sXXUQs2j2smjX)e1(jQ2UZ2)XX(j,0sd2)XX(sd圆心半径jXR0jXs-jXdZm无功为常数,阻抗轨迹称等无功圆等无功圆
26、或临临界失步圆界失步圆。)902(jsdsdmoe2XX2XXjZ2022-8-15第10章 发电机保护72（3）异步运行gI2X1XmXsr20s 时 sr2dm1mjX)XX(jZs时0sr2dm2m21mXj)XXXXX(jZ最终,Zm落于-jXd与-jXd之间。-jXd-jXdS较小S较大RjX异步阻抗圆异步阻抗圆2022-8-15第10章 发电机保护73（4）临界电压圆高压母线电压为常数时Zm的轨迹。ggmIUZgssIUZgTTIUZTmTjXZZ)XX(jZZsTmsXdXTdEsUgUgIXsTUsTTUKU KT=0.80.9)XX(jZjXZZZUUKsTmTmsTsTT2
27、022-8-15第10章 发电机保护74KT为常数时,Zm轨迹为圆临界电压圆临界电压圆s2T2TTXK1KX,0s2TTXK1K圆心半径RjX02022-8-15第10章 发电机保护75失磁保护的定子判据和辅助判据1.失磁保护的定子判据1)Zm沿等有功圆由象限进入象限 （A点）2)Zm沿等有功圆进入等无功圆 （B点）3)Zm进入异步阻抗圆 （C点）ACBRjX等有功圆等无功圆异步阻抗圆临界电压圆2022-8-15第10章 发电机保护76通常采用等无功圆等无功圆（临界失步圆临界失步圆）或异步阻抗圆异步阻抗圆作为发电机失磁的定子判据。失磁保护的辅助(闭锁)判据1)励磁电压下降2)负序分量3)延时4
28、)操作闭锁5)电压回路断线2022-8-15第10章 发电机保护7710.8.3 失磁保护逻辑U&BZUE&t3T30t2T20t1T10Y3Y2Y1转子电压机端电流机端电压高压侧电压电压断线电压断线跳闸跳闸减负荷减负荷断线闭锁2022-8-15第10章 发电机保护7810.9 同步发电机失步保护、逆功率保护发电机失步危害使机端电压随振荡作大幅度波动，厂用机械难以稳定运行。逆功率危害造成发电机“飞车”2022-8-15第10章 发电机保护79加速失步减速失步失步时测量阻抗的轨迹测量阻抗依次穿越一次动作特性则为失步。失步保护特性2022-8-15第10章 发电机保护80一种用于程序跳闸（先关汽门
29、及减负荷、待逆功率继电器动作后跳闸、灭磁）一种用于正常运行时监视，防止运行于电动机状态。两种逆功率继电器2022-8-15第10章 发电机保护8110.10.1发电机（变压器）过励磁保护过励磁运行 铁心发热过激磁倍数电压与频率之比2UfWBSUBkf2022-8-15第10章 发电机保护82定时限反时限2022-8-15第10章 发电机保护8310.10.2 发电机过电压保护过电压运行 损坏绝缘200Mw及以上汽轮发电机宜装设过电压保护，其定值一般取Uact=1.3UN，t=0.5s,，动作于解列灭磁。2022-8-15第10章 发电机保护84配置总原则：加强主保护、简化后备保护、加强异常工况
30、保护主保护双重化近后备保护2022-8-15第10章 发电机保护852022-8-15第10章 发电机保护86主变保护2022-8-15第10章 发电机保护87发电机保护2022-8-15第10章 发电机保护88发电机保护2022-8-15第10章 发电机保护89厂高变保护2022-8-15第10章 发电机保护90励磁保护2022-8-15第10章 发电机保护91保护名称性质动作行为全停信号程序跳闸其他1发电机差动主2主变压器差动主3发变组大差动主4主变压器瓦斯及压力释放阀主5低阻抗保护（主变压器高压侧）后备6定子闸间短路保护主7主变压器零序电流保护后备8定子接地保护3U0主三次谐波异常9定子对称过负荷定时限异常反时限异常10定子不对称过负荷定时限异常反时限异常11发电机过励磁定时限异常反时限异常12发电机失磁保护异常13逆功率1（经主汽门闭锁）异常14逆功率2（不经主汽门闭锁）异常15发电机失步异常16转子一点接地异常17转子两点接地异常18断水保护异常19发电机低频保护异常20高压短路器失灵后备启动母差21主变冷却器故障异常发电机保护动作行为
