發(fā)電機變壓器組繼電保護(hù)及自動裝置

發(fā)電機變壓器組繼電保護(hù)及自動裝置第一節(jié)發(fā)電機繼電保護(hù)同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)最重要和昂貴的設(shè)備，它的安全運行直接影響到電力系統(tǒng)的安全。然而，在發(fā)電機運行過程中，其定子繞組和轉(zhuǎn)子回路都可能出現(xiàn)故障和異常情況。當(dāng)故障發(fā)生后，對系統(tǒng)的影響較大，同時修復(fù)工作復(fù)雜且工期長，經(jīng)濟損失也較大。因此，發(fā)電機必須裝設(shè)專門的、性能完善的繼電保護(hù)裝置。一旦發(fā)生故障，保護(hù)裝置能快速而有選擇性地將發(fā)電機從系統(tǒng)中切除，并進(jìn)行滅磁。同步發(fā)電機處于不正常運行狀態(tài)時，保護(hù)裝置應(yīng)能及時發(fā)出信號，以便運行人員進(jìn)行處理。一、故障類型及異常工況狀態(tài)

故障類型定子繞組相間短路:破壞絕緣，燒壞鐵芯匝間短路:破壞縱絕緣，進(jìn)而發(fā)展為單相接地或相間短路單相接地:鐵芯局部熔化轉(zhuǎn)子繞組一點接地或兩點接地:兩點接地時燒壞勵磁繞組和鐵芯，破壞轉(zhuǎn)子磁通對稱性，引起發(fā)電機振動，對于水輪發(fā)電機和同步調(diào)相機，危害更大勵磁電流急劇下降或消失:發(fā)電機要從系統(tǒng)吸取大量的無功功率，引起定子過電流，同時發(fā)電機可能失去同步而進(jìn)入異步運行，若系統(tǒng)無功儲備不足，將引起電壓下降，嚴(yán)重時會危機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。異常工況狀態(tài)定子繞組過電流過負(fù)荷負(fù)序過電流和過負(fù)荷定子繞組過電壓轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷逆功率二.大容量發(fā)電機組的特點

大容量發(fā)電機組指的是容量在200MW以上汽輪發(fā)電機和容量在125MW以上的水輪發(fā)電機。大容量發(fā)電機組有如下特點。1.短路比減小(短路比意義是對應(yīng)于空載額定電壓的勵磁電流下三相穩(wěn)態(tài)短路時的短路電流與額定電流之比)、電抗增大2.慣性時間常數(shù)降低3.熱容量降低

4.時間常數(shù)增大此外，大容量發(fā)電機組采用直接冷卻方式，絕緣水平相對有所降低，且冷卻系統(tǒng)較復(fù)雜，發(fā)生故障的幾率相對增多；由于單機容量增大，機組軸向長度與直徑之比增大，容易引起氣隙不均勻，使振動加劇。三.發(fā)電機的繼電保護(hù)配置

根據(jù)GB/T14285-2006《繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》的要求，發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)以下繼電保護(hù)裝置。發(fā)電機保護(hù)縱聯(lián)差動保護(hù)接地保護(hù)接地電容電流≥5A時動作于跳閘的零序電流保護(hù)接地電容電流<5A時作用于信號保護(hù)區(qū)為100％的定子接地保護(hù)橫聯(lián)差動保護(hù)過電流負(fù)序過電流及單相式低電壓起動過電流保護(hù)復(fù)合電壓(負(fù)序電壓及線電壓)起動的過電流保護(hù)過電流保護(hù)負(fù)序電流保護(hù)過負(fù)荷保護(hù)過電壓保護(hù)水輪發(fā)電機設(shè)一點接地保護(hù)汽輪發(fā)電機定期檢測一點接地；大容量機組裝設(shè)—點接地保護(hù)和兩點接地保護(hù)轉(zhuǎn)子回路保護(hù)發(fā)電機保護(hù)失磁保護(hù)轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)。逆功率保護(hù)失步保護(hù)低頻保護(hù)斷水或漏水保護(hù)斷路器斷口逆閃絡(luò)保護(hù)

為了快速消除發(fā)電機內(nèi)部的故障，在保護(hù)動作于發(fā)電機斷路器跳閘的同時，還必須動作于自動滅磁開關(guān)，斷開發(fā)電機勵磁問路，以使轉(zhuǎn)子回路電流不會在定于繞組中再感應(yīng)電勢，繼續(xù)供給短路電流。四.發(fā)電機保護(hù)出口方式

如上所述，發(fā)電機不同的保護(hù)，出口方式不同。根據(jù)故障和異常運行狀態(tài)的性質(zhì)及動力系統(tǒng)的條件，按規(guī)定分別作用于：停機是指斷開發(fā)電機斷路器、滅磁，對汽輪發(fā)電機還要關(guān)閉主汽門，對水輪發(fā)電機還要關(guān)閉導(dǎo)水翼。解列滅磁是指斷開發(fā)電機斷路器，滅磁，汽輪機甩負(fù)荷。解列是指斷開發(fā)電機斷路器，汽輪機甩負(fù)荷。減出力是指將原動機出力減至給定值。程序跳閘對汽輪發(fā)電機來說，是指首先關(guān)閉主汽門，待逆功率繼電器動作后，再跳開發(fā)電機斷路器并滅磁；對水輪發(fā)電機，是指首先將導(dǎo)水翼關(guān)到空載位置，再跳開發(fā)電機斷路器并滅磁。減勵磁將發(fā)電機勵磁電流減到至定值。勵磁切換將勵磁電源系統(tǒng)由工作勵磁電源系統(tǒng)切換到備用勵磁電源系統(tǒng)。廠用電源切換由廠用工作電源供電切換到備用電源供電。分出口動作于單獨回路。信號發(fā)出聲光信號。五．同步發(fā)電機的縱差動保護(hù)

縱差動保護(hù)是發(fā)電機內(nèi)部相間短路故障的主保護(hù)。圖4.1發(fā)電機完全縱差保護(hù)交流接入回路完全縱差動

不完全縱差動實現(xiàn)制動,動作值的整定可只按躲過發(fā)電機正常運行時的不平衡電流，三、發(fā)電機比率制動式差動保護(hù)

1、動作方程與動作特性

完全縱差時不完全縱差時

（二）發(fā)電機縱差動保護(hù)的基本工作原理1．發(fā)電機比率制動式差動保護(hù)工作原理完全縱差時不完全縱差時（三）比率制動式發(fā)電機縱差保護(hù)定值整定

①啟動電流Iact0

按躲過正常工況下最大不平衡差流來整定。不平衡差流產(chǎn)生的原因：主要是差動保護(hù)兩側(cè)TA的變比誤差，保護(hù)裝置中通道回路的調(diào)整誤差。對于不完全縱差，尚需考慮發(fā)電機每相各分支電流的不平衡。一般

Iact0=（0.3～0.4）IN.G

②拐點電流Ibrk0Ibrk0的大小，決定保護(hù)開始產(chǎn)生制動作用的電流大小，建議按躲過外部故障切除后的暫態(tài)過程中產(chǎn)生的最大不平衡差流整定。③比率制動系數(shù)Kbrk（按避開外部）1、保護(hù)最大動作電流整定1）保護(hù)裝置的最大動作電流按避開外部故障時的最大不平衡電流整定。一般取為1.3取1型號相同時為0.5不完全縱差取值要大一點。一般Ibrk0=（0.5～0.8）IN.GKbrk應(yīng)按躲過區(qū)外三相短路時產(chǎn)生的最大暫態(tài)不平衡差流來整定。通常，對發(fā)電機完全縱差Kbrk=0.3～0.5;

對于不完全縱差保護(hù)，當(dāng)兩側(cè)差動TA型號不同時，取Kbrk=0.5，以躲過區(qū)外故障因兩側(cè)TA暫態(tài)特性不同及轉(zhuǎn)子偏心而造成的不平衡差流等。④負(fù)序電壓U2

解除循環(huán)閉鎖的負(fù)序電壓（二次值）可取U2=（9～12）V。⑤差動速斷倍數(shù)Is

對于發(fā)電機的差動速斷，其作用相當(dāng)于差動高定值，應(yīng)按躲過區(qū)外三相短路時產(chǎn)生的最大不平衡差流來整定，一般取Is=4～8（倍）。⑥解除TA斷線功能差流倍數(shù)Ict

通常Ict=0.8～1.2IN.G。發(fā)電機額定電流IN.G⑦差動保護(hù)靈敏度校驗必須滿足機端兩相金屬性短路時，差動保護(hù)的靈敏系數(shù):Ksen≥2⑥解除TA斷線功能差流倍數(shù)Ict

通常Ict=0.8～1.2IN.G。發(fā)電機額定電流IN.G⑦差動保護(hù)靈敏度校驗必須滿足機端兩相金屬性短路時，差動保護(hù)的靈敏系數(shù):Ksen≥23、保護(hù)動作邏輯框圖發(fā)電機縱差保護(hù)的出口方式，有兩種設(shè)置：單相出口方式及循環(huán)閉鎖出口方式。當(dāng)采用循環(huán)閉鎖出口方式時，為提高發(fā)電機內(nèi)部及外部不同相同時接地故障（即兩相接地短路）時保護(hù)動作的可靠性，采用負(fù)序電壓解除循環(huán)閉鎖（即改成單相出口方式）。對于單相出口方式，設(shè)置專門的TA斷線判別，并當(dāng)差電流大于解除TA斷線閉鎖電流倍數(shù)Ict時可解除TA斷線判別功能。圖10-4單相出口方式發(fā)電機縱差保護(hù)邏輯框圖發(fā)電機不完全縱差動保護(hù)一段使用單相出口方式。

圖10-5循環(huán)閉鎖出口方式發(fā)電機縱差保護(hù)邏輯框圖

發(fā)電機完全縱差動保護(hù)推薦使用循環(huán)閉鎖出口方式。六．同步發(fā)電機的定子繞組匝間短路保護(hù)1.發(fā)電機縱向零序電壓式匝間短路保護(hù)

保護(hù)采用兩段式：I段為次靈敏段，II段為靈敏段。動作方程:

定值取值建議（1）縱向零序電壓動作值及動作電壓的整定原則是：能可靠躲過正常工況下由發(fā)電機縱向不對稱及專用TV三相參數(shù)不一致產(chǎn)生的零序電壓，而在定子繞組發(fā)生最小匝間短路時能可靠動作。對于由上海電機廠生產(chǎn)的定子繞組呈單Y型連接、容量為125MW的汽輪發(fā)電機，可取8V以上；而對于國內(nèi)生產(chǎn)的定子繞組呈雙Y型連接、容量為200MW～300MW的汽輪發(fā)電機，可取5V~8V?？扇。?.4~0.8），一般約3V左右。三次諧波額定電壓取發(fā)電機額定負(fù)荷下三次諧波電勢2~5V三次諧波增量制動系數(shù)一般取0.4~0.5縱向零序電壓式匝間保護(hù)，應(yīng)帶一個小延時動作，以確保在專用TV一次斷線時能可靠不動作。運行實踐表明：t0=0.15~0.2秒是合理的。2.匝間短路的裂相橫差保護(hù)

七．同步發(fā)電機的定子單相接地保護(hù)表10-1發(fā)電機單相接地電流允許值發(fā)電機額定電壓(kV)發(fā)電機額定容量(MW)接地電流允許值(A)6.3<50410.550-100313.10-15.75125-2002①110-203001①對于氫冷發(fā)電機,允許值為2.5A。定子接地保護(hù)方案基波零序電壓式定子接地保護(hù)，保護(hù)范圍為由機端至機內(nèi)90%左右的定子繞組單相接地故障?？勺餍C組的定子接地保護(hù)。也可與三次諧波定子接地保護(hù)合用，組成大、中型發(fā)電機的100%定子接地保護(hù)。1、基波零序電壓式定子接地保護(hù)故障點的零序電壓為發(fā)電機基波零序電壓式定子接地保護(hù)原理圖 100％定子接地保護(hù)裝置組成：第—部分是零序電壓保護(hù)，保護(hù)定子繞組的85％以上；第二部分保護(hù)則用來消除零序電壓保護(hù)不能保護(hù)的死區(qū)。為提高可靠性，兩部分的保護(hù)區(qū)應(yīng)相互重總疊。2、利用基波零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成的100％定子接地保護(hù)1）、發(fā)電機三次諧波電勢的分布特點

產(chǎn)生原因：由于發(fā)電機氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響?？梢姡涸谡＿\行時，發(fā)電機中性點側(cè)的三次諧波電壓U3N總是大于發(fā)電機端的三次諧波電壓U3S。極限情況是當(dāng)發(fā)電機出線端開路時:U3S＝U3N

機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓之比為

當(dāng)發(fā)電機定子繞組發(fā)生金屬性單相接地時，設(shè)接地發(fā)生在距中性點a處，此時不管發(fā)電機中性點是否接有消弧線圈，恒有：動作量：機端三次諧波電壓U3S；制動量：中性點側(cè)三次諧波電壓UN3；保護(hù)的動作條件：U3S>U3N保護(hù)范圍：反應(yīng)定子繞組中性點側(cè)約50％范圍內(nèi)的接地故障。三次諧波定子接地保護(hù)交流接入回路絕對值比較式定子接地保護(hù)的動作方程為K1、K3三次諧波式定子接地保護(hù)調(diào)整系數(shù)定值

浮動電壓門坎。

定子接地保護(hù)邏輯框圖2、基波零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成的定子單相接地保護(hù)(1)保護(hù)原理

基波零序電壓保護(hù)：發(fā)電機距機端95％范圍內(nèi)定子繞組單相接地故障（中性點附近有5%的死區(qū)）；

三次諧波電壓保護(hù)：發(fā)電機中性點附近定子繞組的單相接地。動作判據(jù)為 Uset——為實測基波不平衡電壓。當(dāng)UOP＜10V時，應(yīng)校驗高壓系統(tǒng)接地短路時傳遞到機端的基波零序電壓，以免誤動。2)三次諧波電壓比的整定。若實測發(fā)電機正常運行時的最大三次諧波電壓比值設(shè)為K0，則取K＝(1.05～1.15)K0。取1.2～1.3

若發(fā)電機機端電壓互感器變比為不管發(fā)電機中性點接地方式如何，中性點電壓互感器變比應(yīng)滿足八．發(fā)電機相間短路后備保護(hù)1\同步發(fā)電機復(fù)合電壓過流保護(hù)保護(hù)1、構(gòu)成原理及邏輯框圖（0.7～0.75）UN（8%~10%）UN圖4.19發(fā)電機復(fù)合電壓過電流保護(hù)出口邏輯框圖2、阻抗保護(hù)（包括發(fā)電機、變壓器）發(fā)電機變壓器低阻抗保護(hù)，主要作為發(fā)電機及變壓器相間短路的后備保護(hù)，有時還兼作相鄰設(shè)備（母線、線路等）相間短路的后備保護(hù)。該保護(hù)主要由三個相間阻抗元件構(gòu)成。阻抗元件的接入電壓和接入電流，可以取自機端TV及TA的二次，也可以取自主變高壓側(cè)或中壓側(cè)TV及TA二次。圖4.20發(fā)電機低阻抗保護(hù)動作邏輯框圖正向阻抗及反向阻抗的整定對于發(fā)電機變壓器組的阻抗保護(hù)，當(dāng)阻抗保護(hù)的輸入電壓及電流取自機端時，阻抗園應(yīng)整定為具有偏移度的方向阻抗園。此時：ZF=ZT（變壓器的二次阻抗）阻抗保護(hù)的動作延時，應(yīng)大于相鄰線路保護(hù)距離I段的動作時間，而小于相鄰線路對側(cè)距離II段的動作時間

當(dāng)阻抗保護(hù)的輸入電壓及電流取自主變高壓側(cè)時，阻抗園應(yīng)整定為過原點的下拋園。此時，3、發(fā)電機反時限對稱過負(fù)荷保護(hù)

作用：是發(fā)電機定子的過熱保護(hù)，主要用于內(nèi)冷式大型汽輪發(fā)電機。構(gòu)成原理：保護(hù)反映發(fā)電機定子電流的大小，其輸入電流同發(fā)電機定時限過負(fù)荷及過電流保護(hù)，即可為發(fā)電機TA二次某一相電流，或者為三相電流。該保護(hù)由定時限和反時限兩部分構(gòu)成。動作方程

定時限部分：反時限部分動作特性當(dāng)發(fā)電機的電流大于定時限動作整定值時，經(jīng)延時發(fā)信號；而大于反時限啟動電流值時，保護(hù)的動作時間與電流大小成反比，出口作用于解列或程序跳閘。保護(hù)的反時限特性曲線由三部分構(gòu)成：上限短延時、反時限及下限長延時。其特性曲線如圖所示。4、發(fā)電機反時限不對稱過負(fù)荷保護(hù)

發(fā)電機反時限不對稱過負(fù)荷保護(hù)，適用于大型內(nèi)冷式汽輪發(fā)電機。是發(fā)電機的轉(zhuǎn)子過熱保護(hù)，也叫轉(zhuǎn)子表層過熱保護(hù)。構(gòu)成原理保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機定子電流中的負(fù)序分量。其輸入電流為發(fā)電機TA二次三相電流。保護(hù)由定時限和反時限二部分構(gòu)成。動作方程

定時限部分：反時限部分九．發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護(hù)圖4.25疊加直流式轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)原理圖DGT-801P48十．發(fā)電機失磁保護(hù)（阻抗原理）DGT-801P51十一.發(fā)電機失步保護(hù)P58一、發(fā)電機的失磁運行及其產(chǎn)生的影響

失磁故障——指勵磁突然全部消失或部分消失使勵磁電流低于靜穩(wěn)極限所對應(yīng)的勵磁電流。1、失磁原因：★勵磁回路開路，勵磁繞組斷線滅磁開關(guān)誤動作，勵磁調(diào)節(jié)裝置的自動開關(guān)誤動，可控硅勵磁裝置中部分元件損壞★勵磁繞組由于長期發(fā)熱，絕緣老化或損壞引起短路★運行人員調(diào)整等2、失磁后的基本物理過程：功角特性關(guān)系：

轉(zhuǎn)子運動方程：異步功率

電氣角加速度

機組的慣性時間常數(shù)●Ed↓→Pe↓PT不變轉(zhuǎn)子加速→δ↑→P=PT。δ由δ1→δ2→δ3變化。當(dāng)δ<900時，發(fā)電機未失步——同步振蕩階段；當(dāng)δ=900（靜態(tài)穩(wěn)定極限角）——臨界失步狀態(tài)；

在發(fā)電機超過同步轉(zhuǎn)速后，轉(zhuǎn)子回路將感應(yīng)出頻率為fG-fs的差頻電流，該電流將產(chǎn)生異步功率Pac，當(dāng)Pac=PT即進(jìn)入穩(wěn)態(tài)的異步運行階段。2、失磁的影響對電力系統(tǒng)：

※吸收Q→U↓，無功儲備不足，將因電壓崩潰而瓦解。

※U↓→其它發(fā)電機Q↑→過電流→后備保護(hù)動作，故障擴大。

※失磁→失步→振蕩→甩負(fù)荷。對發(fā)電機：

※轉(zhuǎn)子