1、第八章 同步發(fā)電機的繼電保護,8.1 發(fā)電機故障和不正常運行及其保護,1、發(fā)電機故障類型,發(fā)電機的安全運行直接影響電力系統(tǒng)的安全。發(fā)電機由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運行中可能發(fā)生故障和不正常工作狀態(tài)，特別是現(xiàn)代的大中型發(fā)電機的單機容量大，對系統(tǒng)影響大，損壞后的修復(fù)工作復(fù)雜且工期長，所以對繼電保護提出了更高的要求。針對發(fā)電機的故障和不正常工作狀態(tài)，應(yīng)裝設(shè)性能完善的繼電保護裝置。,（1）定子繞組相間短路：定子繞組相間短路會產(chǎn)生很大的短路電流，嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)電機。應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。,（2）發(fā)電機定子繞組匝間短路：匝間短路將出現(xiàn)很大的環(huán)流，使絕緣老化，甚至擊穿絕緣發(fā)展為單相接地或相間短路，擴大發(fā)電機損壞范圍。,（3

2、）發(fā)電機定子繞組單相接地：定子繞組單相接地是易發(fā)生的一種故障。單相接地后，其電容電流流過故障點的定子鐵芯，當(dāng)此電流較大或持續(xù)時間較長時，會使鐵芯局部熔化。,8.1 發(fā)電機故障和不正常運行及其保護,（4）勵磁回路一點接地或兩點接地：轉(zhuǎn)子繞組一點接地，由于沒有構(gòu)成通路，對發(fā)電機沒有直接危害。再發(fā)生另一點接地，則轉(zhuǎn)子繞組一部分被短接，會燒毀轉(zhuǎn)子繞組，由于部分繞組短接，破壞磁路的對稱性，造成磁勢不平衡而引起機組劇烈振動，產(chǎn)生嚴(yán)重后果。,（5）勵磁電流消失：勵磁系統(tǒng)故障或自動滅磁開關(guān)誤跳閘造成勵磁電流消失。發(fā)電機將轉(zhuǎn)入異步運行，從系統(tǒng)吸收無功，引起電壓下降。定子電流增加及轉(zhuǎn)子局部過熱。,8.1 發(fā)電機故

3、障和不正常運行及其保護,2、發(fā)電機不正常運行狀態(tài),（1）定子繞組過電流：外部短路引起繞組過電流，將使繞組溫度升高，可能發(fā)展成內(nèi)部故障。,（2）對稱過負(fù)荷：使繞組過熱。,（3）轉(zhuǎn)子過熱：不對稱短路將在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)出倍頻電流，可能造成轉(zhuǎn)子局部灼傷，嚴(yán)重時使護環(huán)受熱松脫。,8.1 發(fā)電機故障和不正常運行及其保護,（4）定子繞組過電壓：突然甩負(fù)荷造成轉(zhuǎn)速升高，定子繞組絕緣可能擊穿。,（5）發(fā)電機逆功率：汽門突然關(guān)閉，斷路器未斷開，將從系統(tǒng)吸收功率，使汽輪機受到損傷。,3、相應(yīng)保護,（1）縱聯(lián)差動保護：對1MW以上發(fā)電機的定子繞組及其引出線的相間短路，應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。,8.1 發(fā)電機故障和不正常運

4、行及其保護,（2）定子繞組匝間短路保護：定子繞組星形接線，每相有并聯(lián)分支且中性點側(cè)有分支引出端的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)橫聯(lián)差動保護。對于中性點側(cè)只有三個引出端的大容量發(fā)電機，可采用零序電壓式或轉(zhuǎn)子二次諧波電流式匝間短路保護。,（3）定子繞組單相接地保護：對直接聯(lián)于母線的發(fā)電機定子繞組單相接地故障，當(dāng)單相接地故障電流(不考慮消弧線圈的補償作用)大于或等于表7-1規(guī)定的允許值時，應(yīng)裝設(shè)有選擇性的接地保護。,8.1 發(fā)電機故障和不正常運行及其保護,額定電壓 額定容量 接地電流允許值,汽輪發(fā)電機,汽輪發(fā)電機,水輪發(fā)電機,水輪發(fā)電機,（氫冷 ）,8.1 發(fā)電機故障和不正常運行及其保護,發(fā)-變組容量在100MW以

5、下的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)保護區(qū)不小于定子繞組90%的定子繞組接地保護；容量100MW及以上的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)保護區(qū)為100%的定子繞組接地保護，保護動作于信號，必要時也可動作于停機。,（4）勵磁回路一點或兩點接地保護:水輪發(fā)電機一般只裝設(shè)勵磁回路一點接地保護，小容量機組用定期檢測裝置；100MW以下汽輪發(fā)電機，一般采用定期檢測裝置，對兩點接地故障，裝設(shè)兩點接地保護。轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷發(fā)電機和100MW及以上的汽輪發(fā)電機，裝設(shè)一點接地保護和兩點接地保護裝置。,8.1 發(fā)電機故障和不正常運行及其保護,（5）失磁保護:對不允許失磁運行的發(fā)電機，或失磁對電力系統(tǒng)有重大影響的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)專用的失磁保護。,（6）對于發(fā)

6、電機外部短路引起的過電流 1）過電流保護:用于1MW及以下的小型發(fā)電機。 2）復(fù)合電壓啟動的過電流保護:一般用于1MW以上的發(fā)電機。 3）負(fù)序過電流及單相低電壓過電流保護:一般用于50MW及以上的發(fā)電機。,8.1 發(fā)電機故障和不正常運行及其保護,4）低阻抗保護:當(dāng)電流保護靈敏度不足時采用。,（7）過負(fù)荷保護:定子繞組非直接冷卻的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)定時限過負(fù)荷保護。,（8）過電壓保護:水輪發(fā)電機或100MW及以上的汽輪發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)過電壓保護。,（9） 逆功率保護 :大容量的發(fā)電機組應(yīng)考慮裝設(shè)逆功率保護。,8.1 發(fā)電機故障和不正常運行及其保護,發(fā)電機保護的出口方式有： 1）停機:斷開斷路器，滅磁，

7、關(guān)閉汽門或?qū)怼?2）解列滅磁:斷開斷路器，滅磁，原動機甩負(fù)荷。 3）解列:斷開發(fā)電機斷路器，原動機甩負(fù)荷。 4）減出力:將原動機出力減到給定值。 5）減勵磁:將發(fā)電機勵磁電流減到給定值。 6）勵磁切換:將勵磁電源由工作勵磁電源系統(tǒng)切換到備用勵磁電源系統(tǒng)。 7）廠用電切換:由廠用工作電源供電切換到備用電源供電。 8）發(fā)信號:發(fā)聲光信號。,8.1 發(fā)電機故障和不正常運行及其保護,8.2 發(fā)電機差動保護,縱差保護作用：反應(yīng)發(fā)電機定子繞組及其引出線的相間短路，是發(fā)電機的主要保護。,1、比率制動差動保護,（1）差動保護的基本工作原理,保護基本原理：比較發(fā)電機兩側(cè)的電流的大小和相位，它是反映發(fā)電機及其

8、引出線的相間故障。發(fā)電機縱聯(lián)差動保護的構(gòu)成的兩側(cè)電流互感器同變比、同型號。,8.2 發(fā)電機差動保護,正常運行及外部故障時：,8.2 發(fā)電機差動保護,保護區(qū)內(nèi)故障：,結(jié)論：保護區(qū)內(nèi)故障差動回路測量到電流為故障點短路電流。,（ 2）原理接線,8.2 發(fā)電機差動保護,8.2 發(fā)電機差動保護,2、微機比率制動式差動保護,差動電流取兩側(cè)電流相量和：,制動電流取值：,差動接線有電流和與電流差接線兩種。,8.2 發(fā)電機差動保護,動作條件：,制動電流：,差動電流：,8.2 發(fā)電機差動保護,1)當(dāng)正常運行時，,制動電流為,，保護不動作。,8.2 發(fā)電機差動保護,為兩側(cè)短路電流之差，數(shù)值?。?，數(shù)值大，保護動作。

9、,8.2 發(fā)電機差動保護,3.縱差保護的動作邏輯,8.2 發(fā)電機差動保護,2、 差動保護整定計算,（1）最小動作電流,（2）最小拐點電流,（3）制動曲線斜率,靈敏度：,：發(fā)電機出口短路時，流經(jīng)保護最小的周期性短路電流。,8.2 發(fā)電機差動保護,3、發(fā)電機標(biāo)積制動原理差動保護,為提高差動保護靈敏度，微機保護采用標(biāo)積原理差動保護，其動作方程為,標(biāo)積制動系數(shù)；,8.2 發(fā)電機差動保護,保護不動作。,當(dāng)BC兩相區(qū)外短路時，情況同正常運行。,8.2 發(fā)電機差動保護,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,在容量較大的發(fā)電機中，每相繞組有兩個并聯(lián)支路，每個支路的匝間或支路之間的短路稱為匝間短路故障。由于縱差保護不能反

10、映同一相的匝間短路，當(dāng)出現(xiàn)同一相匝間短路后，如不及時處理，有可能發(fā)展成相間故障，造成發(fā)電機嚴(yán)重?fù)p壞，因此，在發(fā)電機上應(yīng)該裝設(shè)定子繞組的匝間短路保護 。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,8.3.1 橫聯(lián)差動保護,保護裝設(shè)了3次諧波濾過器，降低保護動作電流，提高靈敏度。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,切換片正常運行時投1-2位置,保護不帶延時。轉(zhuǎn)子一點接地時，投1-3位置，保護帶延時，為轉(zhuǎn)子兩點接地故障做好準(zhǔn)備。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,定子繞組匝間短路時，故障相繞組的兩個分支的電勢不相等，因而在定子繞組中出現(xiàn)環(huán)流，該電流大于保護的動作電流，則保護動作。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,正常運行或外部短

11、路時，每一分支繞組供出該相電流的一半，流過中性點連線的電流只是不平衡電流，故保護不動作。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,動作電流:,電流互感器變比：,缺點:1)單相分支匝間短路的短接的匝數(shù)較少時，存在動作死區(qū)。 2) 同相兩分支間匝間短路，當(dāng)短路點位置差別較小時，也存在死區(qū)。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,8.3.2 反映零序電壓的匝間短路保護,大容量發(fā)電機其結(jié)構(gòu)緊湊，無法裝設(shè)橫差保護。 發(fā)電機中性點一般不直接接地，正常運行發(fā)電機三相機端與中性點之間的電動勢是平衡；當(dāng)發(fā)生定子繞組匝間短路時，部分繞組被短接，機端三相電動勢不平衡，出現(xiàn)縱向零序電壓。,因定子繞組匝間短路會出現(xiàn)縱向零序電壓，正常運行或定

12、子繞組出現(xiàn)其他故障縱向零序電壓幾乎為零，因此，通過反應(yīng)發(fā)電機三相對中性點的縱向零序電壓可以構(gòu)成匝間短路保護。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,發(fā)電機內(nèi)部或外部單相接地故障時，機端三相對地之間會出現(xiàn)零序電壓。但與匝間短路情況是不一樣。為檢測發(fā)電機的匝間短路，必須測量縱向零序電壓，為此應(yīng)裝設(shè)專用電壓互感器。電壓互感器的一次側(cè)星形中性點直接與發(fā)電機中性點相連接。 專用電壓互感器的開口三角側(cè)的電壓僅反應(yīng)縱向零序電壓，而不反應(yīng)機端對地的零序電壓。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,特點：發(fā)電機定子繞組匝間短路時，機端會出現(xiàn)負(fù)序電壓、負(fù)序電流及負(fù)序功率，且負(fù)序功率的方向是從發(fā)電機內(nèi)部流向系統(tǒng)。 外部不對稱故障，負(fù)序

13、功率與匝間短路方向相反。外部不對稱故障負(fù)序功率方向動作，閉鎖保護。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,零序動作電壓：,定子繞組匝間短路保護動作電壓；,可靠系數(shù)，可取0.8；,匝間短路時最小的縱向零序電壓。,根據(jù)運行經(jīng)驗，二次動作電壓可取2.53V。,8.3.3反應(yīng)轉(zhuǎn)子回路2次諧波電流的匝間短路保護,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,原理：匝間短路在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生2次諧波電流 ，利用此特點構(gòu)成保護。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,正常運行、三相對稱短路及系統(tǒng)振蕩時，發(fā)電機定子繞組三相電流對稱，保護不會動作。,發(fā)電機不對稱運行或不對稱短路時：轉(zhuǎn)子回路中將出現(xiàn)2次諧波電流。為了避免保護的誤動，采用負(fù)序功率方向繼電

14、器閉鎖的措施。,8.3 發(fā)電機匝間短路保護,原因：匝間短路時的負(fù)序功率方向與不對稱運行時或發(fā)生不對稱短路時的負(fù)序功率方向相反。,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,定子繞組單相接地的危害： 1）接地電流會產(chǎn)生電弧，燒傷鐵芯，使定子繞組鐵芯疊片燒結(jié)在一起，造成檢修困難。 2）接地電流會破壞繞組絕緣，擴大事故，若一點接地未及時發(fā)現(xiàn)，很有可能發(fā)展成繞組的匝間或相間短路故障，嚴(yán)重?fù)p傷發(fā)電機。,接地電流允許值：,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,當(dāng)發(fā)電機接地故障電流大于允許值時，應(yīng)裝設(shè)有選擇性接地保護。,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,對大中型發(fā)電機定子繞組單相接地保護的基本要求：,1）繞組有10

15、0%的保護范圍。 2）當(dāng)發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地故障時，保護應(yīng)有足夠靈敏度。,7.4.1反應(yīng)基波零序電壓的接地保護,處每相對地電壓為：,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,故障點零序電壓：,結(jié)論：故障點零序電壓與成正比，故障點離中性點越遠(yuǎn)，零序電壓越高。,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,在機端接地時：,在中性點處接地時：,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,保護構(gòu)成：1）反映零序電壓保護原理接線,缺點：保護在離中性點附近接地存在動作死區(qū)。,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,提高保護靈敏度措施：,1）加裝3次諧波濾過器。,2）高壓側(cè)中性點直接接地電網(wǎng)中,利用保護延時躲過高壓側(cè)接地故障。,3）高壓

16、側(cè)中性點非直接接地電網(wǎng)中，利用高壓側(cè)接地出現(xiàn)的零序電壓閉鎖或者制動發(fā)電機接地保護。,注意：在中性點附近接地仍有5%的死區(qū)。,8.4.2 反應(yīng)基波零序電壓和3次諧波電壓構(gòu)成的發(fā)電機定子100%接地保護,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,在發(fā)電機相電勢中，除基波之外，還含有一定分量的諧波，其中主要是3次諧波，3次諧波值一般不超過基波10%。,1、正常運行時定子繞組中3次諧波電壓分布,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,機端3次諧波電壓：,中性點3次諧波電壓：,比值：,結(jié)論：正常運行時，機端3次諧波電壓總是小于中性點3次諧波電壓。,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,2、定子繞組單相接地時3次諧波

17、電壓的分布,有,其比值為：,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,結(jié)論：,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,零序電壓隨變化特性：,8.4 發(fā)電機定子繞組單相接地保護,總結(jié)：1）正常情況機端3次諧波小于中性點處3次諧波電壓；,2）當(dāng)離中性點處不足50%的范圍內(nèi)接地，機端3次諧波電壓大于中性點處3次諧波電壓 。,3）原理：利用機端3次諧波電壓作為動作量，利用中性點處3次諧波電壓作為制動量，構(gòu)成接地保，越靠近中性點保護越靈敏。可與其它保護一起構(gòu)成發(fā)電機定子100%接地保護。,8.5 發(fā)電機勵磁回路接地保護,1、勵磁回路一點接地保護,當(dāng)勵磁繞組絕緣嚴(yán)重下降或損壞時，會引起勵磁回路的接地故障，最常見的是

18、勵磁回路一點接地故障。發(fā)生一點接地故障后，勵磁回路對地電壓將升高，在某些條件下會誘發(fā)第二點接地，勵磁回路發(fā)生兩點接地故障將嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)電機。,8.5 發(fā)電機勵磁回路接地保護,1）絕緣檢查裝置,正常運行時，電壓表V1，V2的讀數(shù)相等。當(dāng)勵磁回路對地絕緣水平下降時，V1與V2的讀數(shù)不相等。,缺點：中點附近接地時，存在動作死區(qū)。,8.5 發(fā)電機勵磁回路接地保護,2）直流電橋式一點接地保護,正常時電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)勵磁繞組發(fā)生一點接地時，電橋失去平衡。,缺點:接地點靠近勵磁回路兩極時保護靈敏度高，而接地點靠近中點M時，存在死區(qū)。,8.5 發(fā)電機勵磁回路接地保護,措施：1）在電阻R1的橋臂中串接非線性元

19、件穩(wěn)壓管，其阻值隨外加勵磁電壓的大小而變化，因此，保護裝置的死區(qū)隨勵磁電壓改變而移動位置。這樣在某一電壓下的死區(qū)，在另一電壓下則變?yōu)閯幼鲄^(qū)，從而減小了保護拒動的機率。,8.5 發(fā)電機勵磁回路接地保護,2）轉(zhuǎn)子偏心和磁路不對稱等原因，使轉(zhuǎn)子繞組中點對地電壓不保持為零，而是在一定范圍內(nèi)波動。利用此電壓來消除保護死區(qū)。,2、勵磁回路兩點接地保護,8.5 發(fā)電機勵磁回路接地保護,兩點接地，故障點流過很大短路電流，電弧可能燒傷轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子磁場發(fā)生畸變，力矩不平衡，致使機組振動 ?？赡苁蛊状呕?工作原理：當(dāng)勵磁回路K1點 發(fā)生接地后，投入刀閘S1并 按下按鈕SB，調(diào)節(jié)的滑動觸 點，使電橋平衡。,8.5

20、發(fā)電機勵磁回路接地保護,調(diào)整平衡后，合上S2，將保護投入工作。,當(dāng)勵磁回路第二點發(fā)生接地時，電橋平衡遭到破壞，電流繼電器中有電流通過，若電流大于繼電器的動作電流，保護動作。,8.5 發(fā)電機勵磁回路接地保護,缺點：1）若故障點K2點離第一個故障點K1點較遠(yuǎn)，則保護的靈敏度較好；反之，若K2點離K1點很近，保護將拒動，因此保護存在死區(qū)，死區(qū)范圍在10%左右。,8.5 發(fā)電機勵磁回路接地保護,2）若第一個接地點K1點發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組的正極或負(fù)極端，則因電橋失去作用，不論第二點接地發(fā)生在何處，保護裝置將拒動，死區(qū)達100%。,8.5 發(fā)電機勵磁回路接地保護,3）由于兩點接地保護只能在轉(zhuǎn)子繞組一點接地后投

21、入，所以對于發(fā)生兩點同時接地，或者第一點接地后緊接著發(fā)生第二點接地的故障，保護均不能反映。,8.6 發(fā)電機失磁保護,8.6.1 發(fā)電機失磁及原因,低勵故障或完全失磁：造成低勵故障的原因通常是由于主勵磁機或副勵磁機故障；勵磁系統(tǒng)有些整流元件損壞或自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不正確動作及操作上的錯誤。完全失磁通常是由于自動滅磁開關(guān)誤跳閘，勵磁調(diào)節(jié)器整流裝置中自動開關(guān)誤跳閘，勵磁繞組斷線或端口短路以及副勵磁機勵磁電源消失等。,8.6 發(fā)電機失磁保護,8.6.2發(fā)電機失磁后機端測量阻抗的變化規(guī)律,測量阻抗：指從發(fā)電機端向系統(tǒng)方向所看到的阻抗。,失磁后機端測量阻抗的變化是失磁保護的重要判據(jù)。,以發(fā)電機與無窮大系統(tǒng)并列運

22、行為例進行討論：,8.6 發(fā)電機失磁保護,失磁進入異步穩(wěn)定狀態(tài)三階段：1）失磁后到失步前,2）臨界失步點,3）失步后,（1）失磁后到失步前的階段,8.6 發(fā)電機失磁保護,失磁后到失步前，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子存在慣性，失步前的失磁發(fā)電機滑差很小，發(fā)電機輸出的有功功率基本上保持失磁前輸出的有功功率值，可近似看作恒定，而無功功率則從正值變?yōu)樨?fù)值。,8.6 發(fā)電機失磁保護,8.6 發(fā)電機失磁保護,結(jié)論：因系統(tǒng)電抗、電壓、發(fā)電機輸出有功不變，測量阻抗變化軌跡是圓。,8.6 發(fā)電機失磁保護,其圓心座標(biāo)：,圓半徑：,8.6 發(fā)電機失磁保護,2）臨界失步點( ),表示發(fā)電機從系統(tǒng)吸收無功，且為常數(shù)。,8.6 發(fā)電機失磁保護,簡化后測量阻抗為：,3）失步后異步運行階段,機端測量阻抗：,