發(fā)電機保護配置和原理北京紫光測控有限公司

2005年6月一、發(fā)電機保護配置1、電壓在3KV及以上，容量在600MW及以下的發(fā)電機，應按規(guī)程適當配置下列故障及異常運行保護（1）定子繞組相間短路保護（2）定子繞組接地保護（3）定子繞組匝間短路保護（4）發(fā)電機外部短路保護（5）定子繞組過電壓保護（6）定子繞組過負荷保護（7）轉(zhuǎn)子表層過負荷保護（及負序過負荷保護）（8）勵磁繞組過負荷保護（9）勵磁繞組（一點及兩點）接地保護（10）低勵、失磁保護（11）定子鐵芯過激磁保護（12）逆功率保護（13）頻率異常保護（14）失步保護（15）其它故障和異常運行保護2、各保護裝置根據(jù)故障和異常運行的性質(zhì)，按規(guī)定分別動作于下列之一停機：斷開斷路器、滅磁；關閉原動力。解列滅磁：斷開斷路器、滅磁；解列：斷開斷路器減出力：降低原動力縮小故障范圍：適當解開母線聯(lián)絡開關等程序跳閘：氣輪機先關主氣門，待逆功率保護動作后，跳發(fā)電機及滅磁；水輪機先關閉導水葉，再跳發(fā)電機及滅磁。信號：發(fā)出聲光告警信號。3、中小發(fā)電機保護配置若干原則對1MW以上的發(fā)電機，應裝設縱聯(lián)差動保護，作為相間短路故障主保護。對定子繞組為星型接線，每相有并聯(lián)分支且中性點有分支引出端子的發(fā)電機，應裝設單元件式橫差保護作為匝間短路保護。對與母線直連的發(fā)電機：當單相接地故障電流大于允許值（不考慮消弧線圈的補償作用）時，應裝設有選擇性的接地保護裝置。任何情況下當接地電流大于允許值時，保護應動作于停機，否則可動作于信號。對發(fā)變組：100MW以下發(fā)電機，應裝設保護區(qū)不小于90%的定子接地保護；100MW及以上發(fā)電機，應裝設保護區(qū)為100%的定子接地保護。對發(fā)電機外部短路故障，及作為主保護的后備：1MW及以上發(fā)電機，宜裝設復合電壓起動的過流保護；50MW及以上發(fā)電機可裝設負序過流保護和低壓過流保護，或采用低阻抗保護。各保護對與母線相連的故障應有規(guī)定的靈敏系數(shù)。各保護宜帶二段時限，短時限動作于縮小故障范圍或解列，較長時限動作于停機。水輪機應裝設定子過電壓保護，宜動作于解列滅磁。定子繞組為直接冷卻且過負荷能力較低（例如低于1.5倍60s）的發(fā)電機，應裝設由定時限和反時限兩部分組成的過負荷保護。對不對稱負荷、非全相運行及外部不對稱短路引起的負序電流，因按規(guī)定裝設轉(zhuǎn)子表層過負荷保護。對1MW以上水輪發(fā)電機，應裝設轉(zhuǎn)子一點接地保護；100MW以下氣輪發(fā)電機，一般裝設一點接地保護（只發(fā)信號）和兩點接地保護。100MW以下中小機組應裝設反映機端測量阻抗的低勵失磁保護。二、發(fā)電機保護原理1、比例制動式縱聯(lián)差動保護 差動保護是反應發(fā)電機定子相間短路故障的主保護。它不反應匝間短路故障。 差動保護比較被保護設備各引出端電流量的大小和相位。一般地，對如下圖所示電路，有：被保護對象被保護對象對發(fā)電機任意一相定子繞組，定義差動電流（即動作電流）和制動電流如下：折線ABC以上是動作區(qū)BC的斜率為k折線ABC以上是動作區(qū)BC的斜率為k2、復合電壓起動的過流保護 1MW及以上發(fā)電機，可裝設復合電壓起動的過流保護，作為相間短路故障的后備保護。通常在微機保護中可通過改變設置變成簡單過流保護或低壓起動的過流保護，具有更好的適應性，廣泛用于各種中小發(fā)電機。 保護通常帶兩段時限，其中較短時限用于減小故障范圍，較長時限跳發(fā)電機。3、負序過流保護 負序過流保護通常和低壓起動的過流保護一起，作為50MW及以上發(fā)電機的相間短路故障的后備保護。由負序過流保護反應兩相故障，而低壓起動的過流保護反應三相短路故障。 保護通常帶兩段時限。4、發(fā)電機定子接地保護發(fā)電機定子接地時的危害，主要表現(xiàn)在定子鐵芯燒傷和接地故障擴大為相間或匝間短路故障。接地點的間歇性弧光過電壓，易引起多點絕緣損壞，從而使輕微的故障擴大為災難性故障。對電動機來說情況也是如此，這一點有別于饋線上的單相接地故障。定子鐵芯燒傷后，檢修較困難，加上停機期間少發(fā)電的損失，通常經(jīng)濟代價大。為此，技術規(guī)程嚴格規(guī)定了定子單相接地故障電流允許值，額定電壓為10KV的發(fā)電機的接地故障電流允許值為3A。對與母線直接連接的發(fā)電機，當單相接地故障電流（不考慮消弧線圈的補償作用）大于允許值時，應裝設有選擇性的接地保護。保護原理很簡單，就是一只反應機端零序電流的過流繼電器。當單相接地故障電流不大于允許值時，可只發(fā)信號，當由于消弧線圈退出運行或其它任何原因?qū)е聠蜗嘟拥毓收想娏鞔笥谠试S值時，保護必須切換為動作于停機。對100MW以下發(fā)電機變壓器組中的發(fā)電機，應裝設保護區(qū)不小于90％的定子接地保護，即反應零序電壓的過電壓保護，其動作整定值應不大于10V，一般延時動作于發(fā)信號。5、轉(zhuǎn)子接地保護對1MW以上水輪發(fā)電機，應裝設轉(zhuǎn)子一點接地保護；100MW以下氣輪發(fā)電機，一般裝設一點接地保護（只發(fā)信號）和兩點接地保護。在微機保護中，一般采用“乒乓切換式”（或稱切換采樣式）轉(zhuǎn)子一點接地保護原理。見諸于各種資料的各種原理接線圖都大同小異，下頁圖是其中的一種。當發(fā)生轉(zhuǎn)子一點接地時，如果在轉(zhuǎn)子之外另有一個接地點（人為制造的接地點），則兩個接地點通過大地構(gòu)成了回路，并產(chǎn)生接地電流，參見下頁圖。通過電子開關S1和S2的導通與斷開的切換，可得到兩組不同的接地電流參數(shù)，每個接地電流參數(shù)都是接地電阻Rg和接地位置a

的線性函數(shù)。利用這兩組不同的參數(shù)，即可實時計算出接地電阻Rg和接地位置a兩個未知數(shù)，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子接地保護。在計算轉(zhuǎn)子接地電阻和接地位置時，假設轉(zhuǎn)子繞組本身的電阻等于零。實際上轉(zhuǎn)子繞組本身的電阻和Rx、Rz相比是完全可忽略不計的。發(fā)生轉(zhuǎn)子一點接地后，可記憶接地位置，此后若發(fā)生另外一點接地（即發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地），則計算出的接地位置會發(fā)生變化，從而可確認發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地故障。這是一種簡單的轉(zhuǎn)子兩點接地保護方案。因目前無更好的兩點接地判據(jù)，所以當發(fā)生一點接地后，最好是平穩(wěn)停機，檢查排除接地故障。當發(fā)電機轉(zhuǎn)子采用無刷勵磁時，由于無法真正地構(gòu)成圖示的回路，上述原理不能適用。另外，上述保護不能并列運行構(gòu)成雙重化保護，因為兩套回路并聯(lián)后互相影響，使得其中任何一套保護都無法準確計算出真正的轉(zhuǎn)子接地參數(shù)。6、定子過電壓保護 水輪機在突甩負荷的過程中，為同時保證機械方面的安全，轉(zhuǎn)速會有較大幅度的上升，從而引起定子繞組過電壓，威脅定子繞組主絕緣，所有水輪發(fā)電機都裝設過電壓保護，其動作電壓應根據(jù)定子繞組的絕緣狀況決定，一般情況下整定為Uop=1.5Un，t=0.5s，解列滅磁。對于可控硅整流勵磁的水輪機，則整定為Uop=1.3Un，t=0.3s。中小型汽輪機一般不裝過電壓保護。7、過負荷保護（對稱過負荷保護）對非直接冷卻的中小型發(fā)電機，過負荷保護采用單相式定時限過流保護，經(jīng)延時動作于信號，動作電流按發(fā)電機長期允許的負荷電流下能可靠返回的條件整定，對微機保護一般整定為1.1In。對直接冷卻的中型發(fā)電機，過負荷保護應有定時限和反時限兩部分。定時限部分與前述相同，但有條件時可動作于減負荷。反時限部分動作判據(jù)為：反時限部分動作于解列或程序跳閘。8、轉(zhuǎn)子表層負序過負荷保護（反時限負序過流保護）三相正序電流產(chǎn)生的磁場是工頻旋轉(zhuǎn)磁場，此旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子沒有相對運動，因而不在轉(zhuǎn)子體中產(chǎn)生感應電流。而負序電流在定、轉(zhuǎn)子間氣隙中產(chǎn)生反方向旋轉(zhuǎn)磁場，此旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子相對轉(zhuǎn)速為2倍工頻，因而在轉(zhuǎn)子表層感生倍頻電流。感生倍頻電流在轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中形成局部高溫，將轉(zhuǎn)子灼傷，如果局部結(jié)構(gòu)之間溫差過大，還可能發(fā)生機械故障，造成機組嚴重損壞。為此，需裝設轉(zhuǎn)子表層負序過負荷保護，即反時限負序過流保護。此負序過流保護有別于前述的作為發(fā)電機后備保護的負序過流保護，兩者作用完全不同。發(fā)電機長期承受負序電流的能力：正常情況下，只要負序電流不超過某個限額（用I2∞表示），發(fā)電機就可以長期承受，而不會對轉(zhuǎn)子造成損害。這個限額一般在0.04～0.10（標么值）之間，與轉(zhuǎn)子材料和結(jié)構(gòu)有關。發(fā)電機短時承受負序電流的能力：較大的負序電流，在短時間內(nèi)就會使轉(zhuǎn)子溫度升高。顯然，負序電流越大，溫度升高就越快，轉(zhuǎn)子能承受的時間就越短。假設在短時間內(nèi)轉(zhuǎn)子被加熱的部位被視為熱絕緣體，不散失熱量，則轉(zhuǎn)子受到的加熱能量應與負序電流的平方和持續(xù)時間的乘積成正比，而當這個乘積不超過某個限值（用A表示），轉(zhuǎn)子就是安全的，這個限值A就代表發(fā)電機短時承受負序電流的能力。用公式表示就是：反時限部分動作判據(jù)為：轉(zhuǎn)子表層負序過負荷保護動作曲線圖和邏輯框圖如下：9、低勵失磁保護發(fā)電機低勵或失磁后，將過渡到異步運行，轉(zhuǎn)子出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，定子電流增大，定子電壓下降，無功功率反向并增大；在轉(zhuǎn)子回路中出現(xiàn)差頻電流；電力系統(tǒng)中電壓下降，某些電源支路會過電流。在變化的過程中，電氣量出現(xiàn)搖擺。所有這些變化，在一定條件下，將破壞電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，威脅發(fā)電機本身的安全。從發(fā)電機機端測量阻抗來看，從正常負