电力系统主设备保护之发电机保护.pptx

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,电力系统主设备保护（,2,）,-,发电机保护,1.,发电机故障、不正常工作状态及保护方式,电力系统主设备保护之发电机保护第1页,发电机故障类型：,a,、发电机定子绕组相间短路（,d1,故障）；,最常发生,b,、发电机定子绕组匝间短路,（,1,）绕组同相同分支匝间短路（,d2,故障）；,（,2,）绕组同相不一样分支匝间短路（,d3,故障）；,c,、发电机定子绕组单相接地短路；,d,、发电机转子励磁回路一点或两点接地（,d4,故障）；,e,、失磁（低励）故障。,电力系统主设备保护之发电机保护,第2页,发电机不正常工作状态：,a,、定子绕组过负荷；,b,、转子表层过热；,因为外部不对称短路或系统非全相运行出现负序电流引发。,c,、定子绕组过电压；,d,、发电机逆功率运行（,主汽门突然关闭，转为电动机,）；,e,、励磁回途经负荷和过励磁；,f,、发电机频率上升或下降；,g,、发电机与系统之间失步；,电力系统主设备保护之发电机保护,第3页,a,、纵联差动保护，反应发电机定子绕组及引出线,相间短路,；,b,、定子绕组匝间短路保护；,c,、定子单相接地保护（接地电流超出允许值时）；,d,、负序过电流保护；,e,、对称过负荷保护；,f,、励磁回路一点或二点接地保护；,g,、失磁保护；,h,、失步保护；,I,、转子过负荷保护；,j,、逆功率保护；,k,、定子绕组过电压保护；,L,、发电机过励磁保护；,发电机保护配置：,电力系统主设备保护之发电机保护,第4页,2.,发电机纵差和横差保护,保护范围：,发电机定子绕组及引出线,相间短路,主保护。,发电机正常运行，差动回路不平衡电流较小，伴随外部短路电流增大，不平衡电流对应增大，为预防保护误动，通常采取比率制动式纵差保护,。,正常运行或外部故障情况下，流入差动继电器电流为,0,，内部故障时为故障电流。,比率制动式纵差保护：,电力系统主设备保护之发电机保护,第5页,发电机纵差保护与变压器纵差保护区分,1.,变压器各侧额定电压电流不一样，各侧,TA,不一样型，纵差保护 不平衡电流相对较大；,2.,变压器纵差保护对绕组匝间短路含有一定保护作用（铁心磁路耦合），而发电机纵差保护对定子绕组匝间短路完全没有保护作用；,3.,变压器纵差和发电机纵差均对绕组开焊故障没有保护作用需要配置其它保护方式；,4.,发电机纵差保护严格符合,KCL,定律，而变压器纵差保护其保护区内不但有电路联络，而且还包含磁路联络，存在励磁涌流问题；,电力系统主设备保护之发电机保护,第6页,发电机机端和中性点侧,TA,二次电流分别为,标积制动式纵差保护：,二侧电流标积定义为,正常运行和外部短路时 制动电流较大，,保护不易误动，发电机内部故障时，制动电流为零，,保护有较大灵敏度。,电力系统主设备保护之发电机保护,第7页,纵差保护并不是满足动作方程就动作，为预防,TA,断线引发保护误动，还需要加入其它判别逻辑,。,保护动作逻辑：,电力系统主设备保护之发电机保护,第8页,不完全纵差保护：,大型汽轮或水轮发电机每相定子绕组为两个或多个并联分支，,不完全差动保护在发电机中性点侧仅接入部分并联分支电流,与机端电流 组成纵差动保护，经过选择不一样电流互感器,变比，使得正常运行及外部短路时没有差动电流。,当发电机发生,相间、匝间短路和分支开焊故障,，差动电流超出动作电流时，不完全纵差保护动作切除故障。,电力系统主设备保护之发电机保护,第9页,发电机完全纵差保护，是发电机相间故障主保护。因为差动元件两侧,TA,型号、变比完全相同，受其暂态特征影响较小。其动作灵敏度也较高，但不能反应定子绕组匝间短路及开焊故障；,完全纵差保护与不完全纵差保护区分,不完全纵差保护除保护定子绕组相间短路之外，亦能反应定子绕组开焊及一些匝间短路。不过，因为在中性点侧只引入其一分支电流，故在整定计算时，应考虑各分支电流不相等产生差流。另外，当差动元件两侧,TA,型号不一样及变比不一样时，受系统暂态过程影响较大。,电力系统主设备保护之发电机保护,第10页,发电机横差保护：,发电机定子绕组,匝间短路,主保护。,1.,裂相横差保护,越大，环流越大，继电器电流越大；,越小，环流越小，继电器电流越小,有死区。,（,2,）同相不一样分支发生匝间短路,1,2,时，无环流，保护出现,死区,。,1,2,时，产生两个环流,（,1,）同相同分支发生匝间短路,电力系统主设备保护之发电机保护,第11页,优点：接线简单，不平衡电流小，灵敏性高，反应定子绕组匝间、相间及分支开焊故障。,注意滤除三次谐波电流引发不平衡电流。,每相分别装设,TA,（,6,个）和继电器（,3,个）,缺点：接线复杂，不平衡电流大；,2.,单元件横差保护,适合用于含有多个分支定子绕组且有两个以上中性点引出端子发电机。,动作电流按躲过区外短路时最大不平衡电流整定,电力系统主设备保护之发电机保护,第12页,TV,0,纵向零序电压保护,定子绕组发生匝间短路时，均会出现纵向不对称，产生纵向零序电压。经过装设专用电压互感器，互感器一次中性点与发电机中性点直接相连，而不允许再接地，在互感器开口三角形绕组取得纵向零序电压。,纵向零序电压保护：,电力系统主设备保护之发电机保护,第13页,6.3,发电机定子绕组单相接地保护,定子绕组单相接地故障普通是由定子线圈与铁芯之间绝缘损坏引发。大型发电机组定子绕组对地电容较大，发生接地故障时，接地电容电流比较大，可能使定子铁芯烧坏，故障点会出现局部弧光过电压，可能造成发电机绕组多点绝缘损坏，使得故障扩展成为危害更大相间或匝间短路故障。,定子绕组单相接地故障电流和暂态过电压大小均与发电机中性点接地方式相关。,发电机中性点接地方式讨论：,1.,发电机中性点直接接地方式，单相接地故障电流非常大，该方式不可取！,电力系统主设备保护之发电机保护,第14页,2.,发电机中性点不接地方式，单相接地故障电流为发电机三相对地电容电流，其值相对较小。但伴随单机容量不停增大，三相对地电容也对应增大，使单相接地故障电流增大，威胁发电机安全。,3.,发电机中性点经配电变压器高阻接地方式，利用接地电阻到达抑制暂态过电压作用。,曲线,3,发电机中性点高阻接地,当选择,单相接地故障暂态过电压不超出,2.6pu,但会使接地故障电流大于,4.,发电机中性点经消弧线圈接地方式，利用消弧线圈提供电感电流来赔偿发电机电容电流，到达抑制或减小单相接地故障电流作用。为防止发生传递过电压，消弧线圈必须按欠赔偿方式调整。,电力系统主设备保护之发电机保护,第15页,发电机频率偏移时，产生较严重暂态过电压。,曲线,1,发电机中性点经消弧线圈谐振接地方式,曲线,2,发电机中性点经消弧线圈谐振接地（消弧线圈中串接小电阻方式）,该方式现有效抑制了暂态过电压，同时也减小了单相接地故障电流，有利于发电机安全运行。,所以大型发电机组应该采取中性点经消弧线圈接地方式，使调整赔偿后接地残流小于允许值。发生单相接地故障后，接地保护动作于信号，发电机继续与系统并联，同时转移负荷，实现平稳停机检修。,电力系统主设备保护之发电机保护,第16页,发电机中性点经消弧线圈接地必须采取欠赔偿方式,主变高压侧发生接地故障时，故障点零序电压,U,0H,经主变耦合电容,C,M,传递到发电机侧,:,赔偿系数,:,K 1,欠,赔偿；,K 1,过赔偿；,K=1,全赔偿,假如采取,K 1,过赔偿；,1-(1/K)0,可能使,B,趋近无穷大，产生传递过电压。,电力系统主设备保护之发电机保护,第17页,机端经过渡电阻发生接地故障,当,地电位在以,AO,为直径半圆弧上,。,A,相,金属性短路时，非故障相电压升高,1.732,倍,。但不是最大稳态过电压。分析表明最大值可能到达,1.82,倍。,电力系统主设备保护之发电机保护,第18页,正常情况下,:,发电机三相电压中基波零序电压,3U,0,很小；单相接地故障时,:,就出现,3U,0,其大小与故障点位置相关。,发电机端各相对地电势：,定子绕组内部任一点发生金属性接地故障,电力系统主设备保护之发电机保护,第19页,适用：发电机变压器组单元接线,一、基波零序电压定子绕组单相接地保护,故障点基波零序电压为,：,基波零序电压保护动作判据为：,动作电压 按躲过正常运行时可能出现最大不平衡电压。,受以下几个原因影响,：,死区,电力系统主设备保护之发电机保护,第20页,1.,发电机三相对地电容不对称，造成中性点产生位移电压,中性点不接地时，假设三相电势,完全对称,，而,，则依据,KCL,定律，可有：,若中性点经消弧线圈接地时，依据,Thvenin theory,电力系统主设备保护之发电机保护,第21页,加入消弧线圈后，中性点电压为：,其中，,脱谐度,阻尼率,若在谐振条件下且消弧线圈为纯电感，则,只要三相对地电容略有不一样，产生,电力系统主设备保护之发电机保护,第22页,所以消弧线圈中宜加入电阻,R,，使,到达限制中性点电压,U,0,作用。,2.,主变高压侧发生接地故障时，高压侧基波零序电压,经耦合电容传递到发电机机端产生,（当基波零序电压保护灵敏度受到影响时，可考虑增设主变高压侧基波零序制动电压）,3.,发电机本身三次谐波电压（含有零序电压性质）影响，应装设三次谐波阻波步骤（,三次谐波过滤器,）。,4.,发电机三相电势不对称或,TV,传变特征误差产生零序基波不平衡电压。,电力系统主设备保护之发电机保护,第23页,缺点：,普通能够保护,85%,以上定子接地故障，但靠近中性点部分有一定保护死区。,死区,电力系统主设备保护之发电机保护,第24页二、利用三次谐波电压定子绕组单相接地保护,因为发电机气隙磁场非正弦波，在三相定子绕组中将感应产生各种谐波电动势，如,3,，,5,，,7,次谐波，使发电机三相电压偏离正弦波形，为此电机制造厂家采取短距绕组和分布绕组来最大程度减小或消除,5,，,7,次谐波，,3,次谐波不影响线电压波形，且铁芯局部饱和也是不可防止，所以发电机三相电压中，总是或多或少存在,3,次谐波成份。,1,.,发电机中性点不接地,对于一台孤立发电机，,则有，,电力系统主设备保护之发电机保护,第25页,若发电机与系统并列运行，,且中性点不接地，则有：,2,.,发电机中性点经消弧线圈接地,采取欠赔偿方式，,若不计电阻，消弧线圈以纯电感,L,表示，则有：,即赔偿系数,电力系统主设备保护之发电机保护,第26页,所以，机端 与中性点侧,3,次谐波电压之比,中性点,3,次谐波等效 容纳为：,所以，中性点,3,次谐波等效阻抗仍为容性。,机端,3,次谐波等效阻抗也为容性，且电容值大于中性点侧。,电力系统主设备保护之发电机保护,第27页,U,S3,/U,N3,（,1,）,/,当,Cg,，得等效电路。,对应齐次方程通解（自由分量）为：,电力系统主设备保护之发电机保护,第39页,对应非齐次方程解强制分量（新稳态量）为：,所以，一阶线性非齐次微分方程通解为：,设,t=0,时，,分布电容端电压,u,c,(0)=0,，得到：,所以，可得,：,电力系统主设备保护之发电机保护,第40页,所以，测量电阻上电压降,：,t=0,时，,分布电容电压,u,c,(0)=0,，,Rg,被短路，,t=,/2,时，,电力系统主设备保护之发电机保护,第41页,当发生励磁绕组接地故障时，对地电阻,R,g,下降，,U,M,(0),不变，,U,M,(,/2),增大。经过,检测,U,M,波形改变来反应励磁回路一点接地故障。,保护动作判据,：,电力系统主设备保护之发电机保护,第42页,四、切换采样式（乒乓式）励磁回路一点接地保护,K,为转子绕组接地点位置，当,S1,闭合，,S2,打开时为,状态,1,：,当,S2,闭合，,S1,打开时为,状态,2,：,（,R1,：,量测电阻）,利用微机保护计算能力，可计算出故障过渡电阻值 以及标识故障位置,K,，经过综合比较，就能够判断出励磁绕组是否发生了接地故障。,电力系统主设备保护之发电机保护,第43页,五、励磁回路两点接地保护,1.,检测定子电压二次谐波两点接地保护。,当励磁绕组发生两点接地或匝间短路时，气隙磁场对称性受到破坏，在定子绕组中感应出二次谐涉及其它偶次谐波电压，经过监测定子电压二次谐波含量，可实现转子两点接地及匝间短路保护。,2.,切换采样原理。,在发生一点接地后，能够经过计算得到一点接地,R,g,和,k,，今后保护继续按照原方法进行计算，当检测到,R,g,和,k,有改变时，依据其改变大小确认为两点接地故障。,，则判定为两点接地故障。,电力系统主设备保护之发电机保护,第44页,6.5,发电机失磁保护,发电机失磁通常是指发电机励磁异常下降或励磁完全消失故障，发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐步衰减至零，发电机感应电动势随之减小，其电磁转矩将小于原动机机械转矩，引发转子加速，使发电机功角,增大，当其超出静态稳定极限角时，发电机与系统失去同时。,电力系统主设备保护之发电机保护,第45页,发电机失磁危害：,1.,从系统中吸收大量无功功率，造成系统大量无功功率缺失，若系统无功贮备不足，则引发电力系统电压降低，甚至造成系统电压瓦解；并因过电流而使定子过热；,2.,失磁后发电机转速超出同时转速，在转子和励磁回路中将产生差频电流，形成附加损耗，使转子过热；,P,T,P,90,1,电力系统主设备保护之发电机保护,第46页,3.,失磁后发电机转矩和有功功率将发生周期性摆动，并经过定子传到机座上，引发机组振动，威胁机组安全；,4.,低励或失磁运行时，定子端部漏磁增加，将使端部和边缘铁芯过热，发生故障。,规程要求对于不允许失磁运行发电机及失磁对电力系统有重大影响发电机应装设专用失磁保护。,1.,对于汽轮发电机，其异步功率较大，调速器比较灵敏，可在较小转差下异步运行一段时间。,2.,对于水轮发电机，因为其异步功率较小，调速器不灵敏，失磁异步运行吸收无功功率大，机组振动大，所以水轮发电机失磁后普通不允许继续运行。,电力系统主设备保护之发电机保护,第47页,失磁保护判据组成：,存在问题：超高压远距离输电线电容电流较大，轻载情况下，系统电压较高，发电机被迫减小励磁电压，甚至进相运行，该判据易误动。,2.,利用机端测量阻抗改变检测低励失磁故障,1.,发电机失磁故障发生在转子回路中，可利用励磁电压显著降低组成判据,电力系统主设备保护之发电机保护,第48页,发电机在失磁过程中机端测量阻抗,1.,失磁后到失步前,等有功阻抗圆,其中，,电力系统主设备保护之发电机保护,第49页,2.,临界失步点（静稳极限阻抗圆）,汽轮发电机组,90,，发电机处于失去静态稳定临界状态,发电机从系统吸收无功功率,电力系统主设备保护之发电机保护,第50页,将 代入前式，得,静稳极限阻抗圆，其圆周为发电机以不一样有功功率,P,临界失稳时，机端测量阻抗轨迹。圆内为静稳破坏区，表示发电机已超出静稳极限，不能再保持同时运行。,电力系统主设备保护之发电机保护,第51页,R,jX,-jX,d,-jX,d,jXs,P1,P2,a,a,b,b,c,c,发电机失磁后，测量阻抗沿等有功阻抗圆向第四象限移动，当它与静稳极限阻抗圆相交时，表示机组运行处于静稳稳定极限，越过交点后，发电机将转入异步运行状态。,电力系统主设备保护之发电机保护,第52页,逆无功失磁判据,发电机正常运行时，向系统发出感性无功功率，发生失磁到失步前，无功功率 伴随,E,q减小和功角,增大而减小，,Q,值由正变为负，发电机吸收感性无功功率。,定子侧逆无功和过电流会同时出现，可组成逆无功失磁保护判据。,电力系统主设备保护之发电机保护,第53页,发电机机端经过渡电阻短路时，测量阻抗可能进入第四象限，静稳极限阻抗圆可能误动，为防止该情况发生，可采取异步边界阻抗圆组成失磁保护判据。,R,jX,-jX,d,-jX,d,jXs,Zg,1,Zg,2,Zg,3,Z,k,异步边界阻抗圆,电力系统主设备保护之发电机保护,第54页,系统发生振荡时，若两侧电动势相等，即使无穷大系统,Xs=0,，振荡中阻抗改变轨迹与异步边界阻抗圆相切，该失磁保护判据也不会误动。,R,jX,-jX,d,jX,d,jXs,Zg,振荡对异步边界阻抗圆影响,电力系统主设备保护之发电机保护,第55页,若失磁发电机与系统联络微弱，带重负荷，则失磁故障发生后，阻抗改变轨迹可能要经过较长延时才能进入异步边界阻抗圆内，可能造成该原理失磁保护未动作前，邻接线路对侧后备保护已经动作，造成事故扩大，对系统运行带来不利影响。,R,jX,-jX,d,-jX,d,jXs,异步边界阻抗圆分析,电力系统主设备保护之发电机保护,第56页,6.6,发电机失步保护,失步运行是因为发电机输出功率较大改变或系统中出现大扰动引发发电机与系统间发生振荡，当系统扰动或励磁调整不妥使发电机与系统间功角,大于静稳极限时，将因静稳破坏而失步。发电机失步运行时，电流、电压、有功功率和无功功率均出现大幅度波动。大型发电机变压器组阻抗相对增加，所以振荡中心常落在发电机附近或升压变压器范围内，振荡中机端电压周期性下降，严重影响厂用电及厂用机械稳定运行，甚至造成停机事故。,规程要求，,300MW,及以上发电机宜装设失步保护。,电力系统主设备保护之发电机保护,第57页,双遮挡器特征失步保护原理,假定，,电阻线,R1,、,R2,、,R3,、,R4,将阻抗平面分为,04,共,5,个区。正常运行时，机端测量阻抗大于,R1,，测量阻抗不会进入,04,区。加速失步时测量阻抗从,+R,向,R,方向改变，从右至左依次穿过电阻线；减速失步时测量阻抗轨迹从,R,向,+R,方向改变，从右至左依次穿过。,则，振荡中心落在机端保护安装处,M,电力系统主设备保护之发电机保护,第58页,6.7,转子表层负序过电流保护,电力系统中发生不对称短路或三相负荷不对称时，将有负序电流流过发电机定子绕组，它所产生旋转磁场与转子运动方向相反，以两倍同时转速切割转子，从而在转子中产生倍频电流，引发转子发烧；同时负序电流产生倍频交变电力力矩，还可能引发转子大轴和机座振动，造成发电机严重损坏。,发电机组承受负序电流能力主要由转子表层发烧情况来决定，大型发电机组要求转子表层过热保护与发电机承受负序电流能力相适应。可分为长久和短期承受负序电流能力。,电力系统主设备保护之发电机保护第59页,1.,发电机长久允许负序电流 ，是由转子材料和结构决定，经过稳态负序试验能够测定其大小。通常要求在额定负荷下，汽轮发电机 为,6%8%,，水轮发电机 不超出,12%,；,2.,发电机短时承受负序电流能力，与负序电流,I,2,大小及其连续时间,t,长短相关，负序电流在转子中所产生发烧量，正比于负序电流平方与所连续时间乘积，假定发电机转子为绝热体，发电机短时负序转子过热常数为,A,，则不使转子过热所允许负序电流和时间关系为,电力系统主设备保护之发电机保护,第60页,转子表层负序过负荷保护主要适合用于,100MW,及以上,A,值小于,10,发电机，保护通常由定时限过负荷和反时限过电流两部分组成。,1.,定时限过负荷保护,动作电流按发电机长久允许负序电流 下能可靠返回条件整定。,2.,负序反时限过电流保护,反时限动作特征由上限定时限、反时限和下限定时限三部分组成。,电力系统主设备保护之发电机保护,第61页,当发电机负序电流大于上限电流定值 时按上限动作时间 动作，假如负序电流低于下限反时限起动电流定值,时，按下限动作时间 动作，假如负序电流在上下限定值之间时，反时限部分开启，并进行热积累。,负序反时限特征能够真实模拟转子热积累过程，并能模拟散热过程。,动作方程：,电力系统主设备保护之发电机保护,第62页,6.8,发电机后备保护,发电机后备保护,：,低电压起动过电流保护；,复合电压起动过电流保护；,负序电流加单相式低电压起动过电流保护；,阻抗保护；,大型发电机变压器组要求配置双重化主保护，并有比较完善后备保护，有必要为高压母线提供后备，而高压超高压线路均设置有双重化主保护和后备保护，大型发变组后备保护普通不考虑作相邻线路远后备。,电力系统主设备保护之发电机保护,第63页,