同步发电机保护培训材料

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1、同步发电机保护培训材料同步发电机必须装设专门的，性能完善的的继电保护装置。一旦发电机发生故 障，保护装置能快速而有选择性地将发电机从系统中切除，并进行灭磁。同步发 电机处于不正常状态时，保护装置能及时发出信号，以便人员处理。 发电机保护根据故障类别和不正常运行状态设置保护。1 故障类型1) 定子绕组相间短路：危害最大，烧损铁芯和绕组，甚至损坏机组。2) 定子绕组一相的匝间短路：可能发展为单相接地短路和相间短路3) 定子绕组单相接地：较常见，可造成铁芯烧伤或局部融化4) 转子绕组一点接地或两点接地，指绕组对铁芯的短路：一点接地时危害不严重；两点接地时，因破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强

2、烈震动或将转子绕组烧损。5) 励磁回路一点接地或两点接地短路。励磁回路一点接地短路时，由于 没有构成电流回路，对发电机无直接危害，若不及时处理，再发生另一点 接地，成为两点接地，将不仅烧坏转子绕组和铁芯，转子励磁回路励磁电 流急剧下降或消失：从系统吸收无功功率，造成失步，从而引起系统电压 下降，甚至可使系统崩溃。2 不正常运行状态1) 由于外部短路引起的定子绕组过电流：温度升高，绝缘老化2) 由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷：温度升高，绝缘老化3) 由于外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷：需要指出的是，发电机发生外部不对称短路故障时，负序电流通过发电机

3、定子绕组，产生负序磁场，在转子中感应出 100hz 的倍频电流，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，而导致发电机重大事故。此外，引起发电机的LOOhz 的振动。4) 由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压：调速系统惯性较大发电机，在突然甩负荷时，电枢反应迟缓，转速急剧上升，可能出现过电压，造成发电机绕组绝缘击穿。5) 由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷：6) 由于汽轮机主气门突然关闭或水轮机调速器关闭而断路器未断开，引起的发电机逆功率：当机炉保护动作或调速控制回路故障以及某些人为因素造成 发电机转为同步电动机运行时，发电机将从系统吸收有功功率，即逆功率。7) 发电机失步。发电机失步

4、时，发电机与系统发生振荡，当振荡中心落在发电 机变压器组内，高，低压母线电压将大幅波动，威胁厂用电设备安全。此 外，定子绕组过热，其端部遭受机械损伤。8) 频率降低。当频率降低与叶片自振频率时，导致叶片发生共振，是的叶片疲 劳损坏或出现断裂，此外，还会引起发电机，变压器的过励磁。2、发电机保护类型：1 发电机纵差动保护：定子绕组及其引出线的相间短路保护2 横差动保护：定子绕组一相匝间短路的保护3 定子单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路的保护4 发电机的失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失5 过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同时兼作纵差动保护的后备保护6 负序电流保护：

5、反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中出 现的负序电流7 过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护8 过电压保护：反应突然甩负荷而出现的过电压9 转子一点接地保护和两点接地保护：励磁回路的接地故障保护10转子过负荷保护：11逆功率保护：当汽轮机主汽门误关闭而发电机出口断路器未跳闸，发电机失 去原动力而变为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率。危害：汽轮机尾 部叶片有可能过热而造成事故。12.低频和高频保护：对于容量300MW及以上机组，设置低频保护。大春河一，二级电站设置了低频和高频切机保护。1 发电机纵差动保护：定子绕组及 其引出线的相间短路保护2 横差动保护：

6、定子绕组一相匝间短路的保护3 单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路的保护4 发电机的失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失5 过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同时兼作纵差动保护的后备保护6 负序电流保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中出 现的负序电流7 过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护8 过电压保护：反应突然甩负荷而出现的过电压9 转子一点接地保护和两点接地保护：励磁回路的接地故障保护10逆功率保护：当汽轮机主汽门误关闭而发电机出口断路器未跳闸，发电机失 去原动力而变为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率。危害：汽轮机尾 部叶

7、片有可能过热而造成事故。3. 发电机纵差保护纵差保护是发电机内部相间短路故障的主保护，为提高灵敏度，对容量在100MW 及以上的采用比率制动式纵差保护。下图为发电机纵差动保护的单相原理图。发电机纵差保护原理与正常运行和外部短路故障时，流过变压器的是穿越性电 流， IK = I1 -I2 =0。由于两侧电流互感器型号，变比相同原因，发电机纵差保护的不平衡电流要 比变压器小，但发生外部短路故障时，由于非周期分量电流的影响，差动回路中 将出现较大的暂态不平衡电流。暂态不平衡电流有三个特点： 一暂态不平衡电流的最大值较同样情况下的稳态不平衡电流的最大值大； 二暂态不平衡电流含有显著的非周期分量电流，电

8、流波形几乎完全偏向时间轴 的一侧； 三暂态不平衡电流并不在短路故障时发生的时刻有最大值，而要迟后一些时间， 这是一次电流中非周期分量电流通过励磁回路时所造成的。纵差保护的动作电流应躲过外部短路时的最大不平衡电流，既Ioper.k = KrelIunb.max = 10%KrelKaperKst Ik.max/nTA式中：10% 电流互感器的误差Krel 可靠系数Kaper 非周期分量影响系数aperKst 同型系数Ik.max 外部短路故障时由发电机供给的最大短路电流 k.max nTA 电流互感器变比 但上式整定的动作电流通常小于最大负荷电流，有较高灵敏度，但正常情况下电 流互感器二次回路断

9、线时，断线相差动回路中将流过负荷电流，造成误动作。为 此，动作电流应大于发电机额定电流，既Ioper.k = Krel Ik/nTA式中： Krel 可靠系数In 发电机额定电流nTA 电流互感器变比这样整定后，二次回路断线时保护虽不会发生误动作，但在断弦期间恰遇外部 故障时，保护仍会误动作。采用断线监视后，延时发出信号。但降低纵差保护的 灵敏度。 为不降低灵敏度，采用高灵敏的纵差保护，即采用在各相接入平衡线圈和差动线 圈的方法，平衡线圈和差动线圈的极性相反。虽然可提高灵敏度，但由于动作电流按躲过区外短路故障时在差动回路中的最大不平衡电流来进行整定的，这样保护有一定死区,特别是故障点存在过渡电

10、阻 时死区要增大。说明：综上所述发实现电机纵差保护的可靠，灵敏度和防误动作需要考虑到的因 素有：1、纵差保护的动作电流应躲过外部短路时的最大不平衡电流，以区分区 内和区外故障；2、整定的动作电流通常小于最大负荷电流，为避免流互感器二 次回路断线，造成误动作，动作电流应大于发电机额定电流但降低保护的灵敏度 3、虽采用高高灵敏的纵差保护但仍解决不了因动作电流按要躲过区外短路故障 时在差动回路中的最大不平衡电流，护有一定死区。关键词：最大不平衡电流，区内和区外故障，保护灵敏度，死区为解决以上问题的措施是采用比率制动的纵差保护。发电机纵差保护遇到的主要问题是区外短路故障时的不平衡电流的影响。比率制动的

11、工作原理：区外短路故障时，发电机流过的是穿越性电流，因此差动回路中电流|11-12| 的差动电压ud是较小数值，但区内故障时，电流12流向发生改变，差动回路中 电流|11 + I2|，此时的差动电压ud是较大数值。因此设置制动电流为|11 + 12| 相应的制动电压Ubrk：注意：该部分的理解重点和难点是|11 和ud都是矢量，有大小值和方向。I2| 时 ud 小；|I1 + 12| 时 ud 大。II, I2|I1 - I2| 时|I1 + I2| 时鉴别ud Ubrk的波形宽度可以判断是否是区内故障，从而可构成发电机的纵差保护。下图为发电机比率纵差保护的制动特性图图中AB为直线段，其中OA

12、=IoperO，直线斜率为：Pl； BC为直线段，直线斜率 为：p2,B点的动作电流Ioper B = IoperO + P l.Ibrk.B。制动特性曲线ABC 以上的区域为继电器动作区，以下为制动区。继电器的制动特性为ABC折线，且p2p 1,有如下优点：一、区外短路故障 时，Ibrk=|ll + 12|较大，相应的差动回路中不平衡电流也较大，因P2也有较 大值，继电器动作电流也增大，继电器不会动作，故增强了继电器躲过区外区外 短路故障时不平衡电流的能力。二、区内短路故障时，Ibrk=|ll-I2|较小，如II与12相等，则Ibrk接近于 零值，此时继电器动作电流也较小，即使Ibrk不为零

13、值，因Pl较小，动作电流 也增加不大，这样不仅提高了内部短路故障时保护的灵敏度，而且使保护死区大 为缩小。关键词：IoperO, Ibrk.B,p1,p2, |I1 -12| , |I1 + I2| 比率纵差保护动作出口：跳发电机出口断路器、灭磁开关、关导水叶、电气事故 发信。大春河一，二级电站发电机比率差动保护装置的设置原理为： 比率差动原理差动动作方程如下：I I 0( I Iop.0 + S(Ires res.O丿(res Ires.0 时丿式中：Iop为差动电流，I为差动最小动作电流整定值，Ires为制动电流，Ires.0 为最小制动电流整定值，S为比率制动特性的斜率。各侧电流的方向都

14、以指向发 电机为正方向，见图 5.1.1。差动电流：I = I T + I N opT N制动电流： I =_res2式中：IT，IN分别为机端、中性点电流互感器(TA)二次侧的电流即说明中的 I1 和 I2。保护采用三取二出口方式。TA断线判别当任一相差动电流大于0.2倍的额定电流时启动TA断线判别程序，满足下 列条件认为TA断线：a. 本侧三相电流中至少一相电流为零；b. 本侧三相电流中至少一相电流不变；c. 最大相电流小于1.2倍的额定电流。d.保护逻辑框图见图注：所有保护逻辑图中保护硬压板、各段软压板均未画出，实际逻辑中，保护各段软压板均存在，保护硬压板以实际工程为准。图 5.1.2

15、发电机差动保护逻辑框图4、发电机横差动保护(发电机定子匝间短路保护) 发电机定子匝间短路分为：1、同一绕组或同一分支绕组中的匝间短路；2、一相 中不同分支绕组间的匝间短路。发电机定子绕组发生匝间短路故障时，三相电动势对发电机中性点呈纵向不对 称状态，有以下特点；1、出现纵向零序电压，是机端和发电机中性点之间的电压，与接地短路故障时 出现的零序电压不同，后者的零序电压是机端与大地之间的电压既横向零序电 压。2、出现纵向负序电压，并产生相应的负序电流。因负序电压是纵向的，所以该 负序功率与不对称短路故障时的横向负序功率有本质上的差别。3、定子负序电流建立的负序磁场，在励磁回路中感应出二次谐波电动势

16、、电流， 二次谐波电流又在定子侧感应出其他高次谐波电动势、电流，如此反复相互影响， 其结果是在励磁回路、定子绕组中出现一系列高次谐波电动势、电流分量。4、对双Y形的定子绕组，故障时会在两中性点连接处出现电流。发电机横差动保护保护方式有：单元式横差保护、纵向零序电压匝间短路保护、 励磁绕组二次谐波电流的匝间保护。单元式横差保护原理：要求发电机绕组为双Y形绕组接线，且中性点侧有六个 引出端自。发生匝间短路故障时，由于双Y形接线绕组的中性点有电流出现，因 此取中性点连线上的电流可构成定子绕组的匝间短路保护。单元式横差保护实现应注意问题：1、保护应躲过不平衡电流：保护回路中的不平衡电流主要来自三次谐波

17、。可利 用变流器二次侧的电容旁路以提高保护的灵敏度。2、励磁两点接地时，两中性点接线中的不平衡电流，保护动作。通过对励磁两 点接地时，延时0.5 Is后动作以区分，励磁两点接地和横差保护动作。3、当同一分支绕组中发生匝间短路或一相中不同分支绕组间发生匝间短路，因 同相两个分支的电动势不相等，在中性点连线中产生环流。当环流大于动作电流 时，保护动作；若小于保护动作电流时，保护不动，从而出现死区。纵向零序电压匝间短路保护通过装设专用全绝缘的电压互感器，其一次侧中性点与发电机中性点相连但不 能接地运行。用开口三角形专测纵向零序电压；用负序功率方向元件区分匝间短 路和内、外部短路故障；用TV断弦闭锁继

18、电器，应在断线时发出信号。该种保护在发电机启动过程中将失去保护作用，同时保护存在动作死区。励磁绕组二次谐波电流的匝间保护在发电机定子绕组匝间短路时，在励磁回路中必有二次谐波电流。保护利用电 抗器取出励磁绕组中的二次谐波电流。大春河一，二级电站横差保护的设置原理：高灵敏零序电流型横差保护，作为发电机内部匝间、相间短路及定子绕组开 焊的主保护。保护原理本保护检测发电机定子多分支绕组的不同中性点连线电流（即零序电流）10中 的基波成分，保护判据为：op op.0式中：Iop为横差电流，Iop0为动作电流的整定值。发电机正常运行时，接于两中性点之间的横差保护，不平衡电流主要是基波， 在外部短路时，不平

19、衡电流主要是三次谐波成分，为降低保护定值和提高灵敏度， 保护中还增加有三次谐波阻波功能。横差保护瞬时动作于出口。5.2.2 定值整定计算5.2.2.1 定值整定计算a. 高灵敏零序电流型横差保护动作电流设计值可初选为 0.05Ign/NTA（Ign 为 发电机额定电流，Nta为横差保护用互感器变比）；b. 高灵敏零序电流型横差保护动作电流运行值应如下整定：I = K - K 飞+（I/ K ）2setrel aperunb.l.maxunb.3.max 3Krel为可靠系数，取1.31.5；Kaper 为暂态系数取 2；aperIunb丄max为最大外部短路电流时横差TA二次侧输出端的基波零序

20、不平衡 电流；Iunb3max为最大外部短路电流时横差TA二次侧输出端（未经过三次谐波 阻波器过滤的）三次谐波不平衡电流；Iunb丄max及Iunb.3.max都可通过机端常规短路试验（/Win）曲线的延伸而获 得；K为三次谐波滤过比，K3100oIset为横差保护TA二次侧（即保护端子）动作电流的整定值。 以上公式可根据自学深入研究。注意：大春河梯级电站发电机保护中未设有反映发电机定子匝间短路的横差动保 护发电机容量小，发电机中性点不接地运行，发电机为双Y形绕组，在定子中存 在，其主要原因是同槽不同相的问题，机匝间短路现象发生几率小。4. 发电机后备保护 在发电机主保护拒动，外部相间短路故障

21、时，保护拒动，这些情况用发电机后备 保护动作跳闸。大型发电机组后备保护采用两段组成。 I 段动作值按躲过高压母线短路故障整 定，保护区不延伸过高压母线，保护动作后经延时动作停机； II 段按高压母线 短路故障时能可靠动作整定，动作时间与相邻线路 I 段配合，最长时间不得超过 发电机允许时间。保护原理由复合电压元件及三相过流元件“与”构成。即复合电压元件与三相过流元件 均满足条件后，经延时启动保护跳闸。复合电压元件复合电压元件由负序过电压和低电压判据组成，负序电压反映系统的不对称 故障，低电压反映系统对称故障及不对称相间故障。下列两个条件中任一条件满足时，复合电压元件动作。U UU2为负序电压整

22、定值；2 2op2opU II为动作电流整定值；op op5.7.4 保护逻辑框图图 5.7 保护逻辑框图实际大春河一，二级电站中，也是分两段整定（见图，机组LCUB柜保护逻辑 图）中经tl时间的延时后跳主变高压侧，说明I段是按按高压母线短路故障时 能可靠动作整定；经t2时间的延时后跳发电机出口断路器、跳灭磁开关，电气 事故发信机组甩负荷。定子绕组单相接地保护发电机定子单相接地保护特点UCU01- a)E，AU=1- a)E，U =BC1- a)E，CU =1/3(U +U +U)= -aE0 A B C A单相接地时流经故障点的总电流是：IK=-3jV(C +C ) aEOf OG A以上公

23、式表明：在U随接地点a的位置发生变化，靠中性点附近单相接地时, 0零序电压很小；在机端发生单相接地时，零序电压最大。此外根据短路点位置，即在发电机内部和发电机外部发生接地短路时，形成的零 序电容电流通道不同。大春河一，二级电站采用发电机和变压器连接的运行方式，采用零序电压保护方 式。零序电压从发电机出口的机端开口电压互感器的开口三角形上取得。 保护原理基波零序电压保护发电机从机端算起的 85%95%的定子绕组单相接地。 基波零序电压动作判据为：其中3U0取机端零序电压，Uop为基波零序电压整定值。定值整定定值整定计算基波零序过电压保护该保护的动作电压应按躲过正常运行时中性点单相电压互感器或机端

24、三相 电压互感器开口三角绕组的最大不平衡电压Uunb.max整定，即：U K Uop rel unb. max式中，Krel为可靠系数，取1.21.3。Uunb.max为实测不平衡电压，其中含有大量三次谐波。为了减小Uop,可以增 设三次谐波阻波环节，使Uunb.max主要是很小的基波零序电压，大大提高灵敏度, 此时Uop5V,保护死区5%。当Uop 10V时，应校验高压系统和高厂变低压 侧发生接地短路时传递到机端的基波零序电压，以免误动。5、发电机转子一点接地和两点接地保护发电机励磁回路接地姑丈包括一点接地和两点接地。励磁回路接地指励磁绕组 绝缘击穿或损坏，使励磁绕组导体与转子铁芯接触。励磁

25、回路一点接地，对发电 机无损坏，但再发生第二点接地，形成两点接地，则励磁绕组部分被短接，会烧 坏绝缘和转子铁芯，以及造成机组振动。转子一点接地工作原理：测量励磁回路对地的绝缘电阻值，当电阻降低至某一给定值时即动作 Rg 为实际测量的转子回路对地电阻值，测量范围（0。200kQ）。动作方程RgVRSET，延时动作于信号。保护装置设有外加的交流电源消失发告警信号，实时显示转子回路对地电阻。（通过外加共频电压的方法，测量转子回路对地电阻值Rg）。当励磁回路中发生一点接地后，两点接地保护投入。 发电机励磁回路中发生两点接地或匝间短路时，因励磁绕组匝数减少，高频阻抗 与正常情况下相比有较大改变，可通过测

26、量高频阻抗实现两点接地的保护。保护 动作于跳闸。通过外加高频电流通过电抗器转换为电压后，测量励磁绕组阻抗Zm,当Zm90| P | PsetPset 为逆功率保护动作整定值。保护经延时（Is600s）可用于发信号，也可用于跳闸。5.6.2保护动作特性见图 5.6.1，保护逻辑框图见图 5.6.2。图 5.6.1 保护动作特性图 5.6.2 发电机逆功率保护逻辑图定值整定定值整定计算a. 动作功率 Pset 的计算 Pset=Krel （ P1+ P2 ）式中：Krel可靠系数，取0.50.8；P1 汽轮机在逆功率运行时的最小损耗，一般取额定功率的 3%4%；P2 发电机在逆功率运行时的最小损耗

27、，一般取额定功率的 1%1.5%。8. 发电机负序电流保护和过负荷保护当发电机内，外部发生不对称短路故障或三相负荷严重不对称时，定子绕组 将流过负序电流，建立负序磁场，转子感应出 100Hz 的交流电流，将引起局部 高温导致严重灼伤。此外，产生的两倍工频交变电磁力矩作用在转子大轴个定子 机座上，引起机组振动。发电机具有一定的承受负序电流的能力。注意：发电机负序电流保护与发电机过负荷保护的原理基本相同，采用定时限 保护和反时限保护。但在发电机机端或变压器高压侧出线发生短路故障时，纵差保护、母线保护、 线路保护、线路速断保护将故障切除，反时限负序电流保护只能起后备保护。 大春河一，二级电站仅使用定

28、时限负序电流保护。发电机过负荷保护发电机在运行过程中由于种种原因，定子绕组和励磁绕组可能发生过负荷，过 负荷导致定子绕组温度升高。定子过负荷保护用于发电机作为定子绕组过流和定子绕组过负荷保护，接成 三相式，取其中的最大相电流判别。主要保护发电机定子绕组的过负荷或外部故 障引起的定子绕组过电流，由定时限过负荷和反时限过流两部分组成。5.11.1 保护原理定时限过负荷按发电机长期允许的负荷电流能可靠返回的条件整定。反时限 过流按定子绕组允许的过流能力整定。发电机定子绕组承受的短时过电流倍数与 允许持续时间的关系为：Kt =12 一 (1 + a)*式中：K定子绕组过负荷常数I*定子额定电流为基准的

29、标幺值(I/IN，I为最大相电流IN发电机额定电流)a与定子绕组温升特性和温度裕度有关，一般为0.010.02。5.11.2保护特性曲线见图 5.11.1，逻辑框图见图 5.11.2图 5.11.1 特性曲线图中：t2为反时限延时上限，t3为反时限延时下限。图 5.11.2 逻辑框图注：定时限过负荷是当发电机最大相电流Il Iset时，延时tl后5.8 过流保护 过流保护可作为发电机故障或过负荷的灵敏启动及延时元件。保护判断三相 电流中最大值大于整定值时动作（用于励磁变过流保护时判断 A、C 相电流中最 大值）。5.8.l 定值整定清单定值名称整定范围备注过流保护动作电流0.1/n12/n延时

30、时间0.1s10s以下为保护软压板过流保护软压板V：投入X：退出5.9 速断保护 速断保护可作为消除差动保护死区或作为发电机机端相间短路的辅助保护。保护判断三相电流中最大值大于整定值时动作（用于励磁变速断保护时判断 A、C 相电流中最大值）。5.9.l 定值整定清单定值名称整定范围备注速断保护动作电流0.1/n12/n以下为保护软压板速断保护软压板V：投入X：退出过电压保护 过电压保护可作为过压启动、闭锁及延时元件。保护取三相线电压，当任 线电压大于整定值，保护即动作。5.12.1 定值整定清单定值名称整定范围备注过电压保护动作电压100V150V延时时间0.1s10s以下为保护软压板过电压保护软压板V：投入X：退出TV 断线判别5.14.1 判据原理 采用零序电压型的单组电压互感器 TV 断线判别原理：a. IU + U + U -K*3U l18V 三相电流都小于1.2倍额定电流；（单相、a b c0两相断线）其中，当接地方式为1时，K=1/y3，当接地方式为0时，K= 訂。b. 三相电压都小于8V,且任一相电流大于0.04倍额定电流，三相电流都小 于 1.2 倍额定电流； （三相断线）满足上述任一条件后延时80ms发TV断线信号。本判据可用于闭锁相关保护。