第五章 水轮发电机保护

1、水电站自动化水电站自动化n重庆电力高等专科学校重庆电力高等专科学校n发电机是电力系统中十分重要和贵重的设备，发电机是电力系统中十分重要和贵重的设备，发电机的安全运行直接影响电力系统的安全。发电机的安全运行直接影响电力系统的安全。n1 1、水轮发电机的故障、水轮发电机的故障n2 2、水轮发电机的异常工作状态、水轮发电机的异常工作状态n3 3、水轮发电机保护配置、水轮发电机保护配置一、水轮发电机的故障一、水轮发电机的故障n1 1、发电机定子绕组相间短路、发电机定子绕组相间短路n 定子绕组相间短路会产生很大的短路电流，严重损坏发电定子绕组相间短路会产生很大的短路电流，严重损坏发电机，甚至引起火灾。机

2、，甚至引起火灾。n2 2、发电机定子绕组匝间短路、发电机定子绕组匝间短路n 定子绕组匝间短路会产生很大的环流，引起故障处温度升定子绕组匝间短路会产生很大的环流，引起故障处温度升高，使绝缘老化，甚至击穿绝缘发展为单相接地或相间短路，高，使绝缘老化，甚至击穿绝缘发展为单相接地或相间短路，扩大发电机损坏范围。扩大发电机损坏范围。 n3 3、发电机定子绕组单相接地、发电机定子绕组单相接地n定子绕组单相接地是发电机易发生的一种故障。单相接地后，定子绕组单相接地是发电机易发生的一种故障。单相接地后，其电容电流流过故障点的定子铁芯，当此电流较大或持续时其电容电流流过故障点的定子铁芯，当此电流较大或持续时间较

3、长时，会使铁芯局部熔化。间较长时，会使铁芯局部熔化。一、水轮发电机的故障一、水轮发电机的故障n4 4、发电机转子绕组一点接地和两点接地、发电机转子绕组一点接地和两点接地n转子绕组一点接地，对发电机没有直接危害。两点接地则转转子绕组一点接地，对发电机没有直接危害。两点接地则转子绕组一部分被短接，不但会子绕组一部分被短接，不但会烧毁转子绕组烧毁转子绕组，而且由于部分，而且由于部分绕组短接会破坏磁路的对称性，造成磁势不平衡而引起机组绕组短接会破坏磁路的对称性，造成磁势不平衡而引起机组剧烈振动剧烈振动，产生严重后果。水轮发电机组是凸极结构，机组，产生严重后果。水轮发电机组是凸极结构，机组剧烈振动后会破

4、坏各轴承与轴瓦之间的间隙，造成剧烈振动后会破坏各轴承与轴瓦之间的间隙，造成“拉瓦拉瓦”，排除故障需要相当长的停机时间，故绝不允许转子绕组两点排除故障需要相当长的停机时间，故绝不允许转子绕组两点接地现象出现。接地现象出现。n5 5、发电机失磁、发电机失磁n由于转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误动等原因，由于转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误动等原因，将造成转子失磁，失磁故障不仅对发电机造成危害，而且对将造成转子失磁，失磁故障不仅对发电机造成危害，而且对电力系统安全也会造成严重影响。发电机失去励磁后，运行电力系统安全也会造成严重影响。发电机失去励磁后，运行状态将变为电动机运行。故不允许发电

5、机失磁后继续运行。状态将变为电动机运行。故不允许发电机失磁后继续运行。二、发电机的不正常工作状态二、发电机的不正常工作状态n1 1、由于外部短路、非周期合闸以及系统振荡等原因引起的、由于外部短路、非周期合闸以及系统振荡等原因引起的过电流。过电流。n2 2、过负荷、过负荷n3 3、过电压、过电压n特别是水轮发电机，因其调速系统惯性大，在突然甩负荷时，特别是水轮发电机，因其调速系统惯性大，在突然甩负荷时，将引起过电压。将引起过电压。n4 4、逆功率、逆功率n发电机逆功率保护又称功率方向保护。一般而言，发电机的发电机逆功率保护又称功率方向保护。一般而言，发电机的功率方向应该为由发电机流向母线，但是当

6、发电机失由于某功率方向应该为由发电机流向母线，但是当发电机失由于某种原因，发电机有可能变为电动机运行，即从系统中吸取有种原因，发电机有可能变为电动机运行，即从系统中吸取有功功率，这就是逆功率。当逆功率达到一定值时，发电机的功功率，这就是逆功率。当逆功率达到一定值时，发电机的保护动作，或动作于发信号或动作于跳闸。保护动作，或动作于发信号或动作于跳闸。 三、水力发电机的保护配置三、水力发电机的保护配置n（一）一般原则（一）一般原则n 电压在电压在3kV3kV及以上、容量在及以上、容量在6MW6MW以上以上550MW550MW及以下的发电机应及以下的发电机应按本节中的规定，对下列故障及异常运行方式，

7、装设相应的按本节中的规定，对下列故障及异常运行方式，装设相应的保护装置：保护装置：n 1 1、定子绕组相间短路：、定子绕组相间短路：n 2 2、定子绕组匝间短路；、定子绕组匝间短路；n 3 3、定子绕组接地；、定子绕组接地；n 4 4、发电机外部相间短路；、发电机外部相间短路；n 5 5、定子绕组过电压；、定子绕组过电压；n 6 6、定子绕组过负荷；、定子绕组过负荷；n 7 7、转子表层（负序）过负荷；、转子表层（负序）过负荷；n 8 8、励磁绕组过负荷；、励磁绕组过负荷；n 三、水力发电机的保护配置三、水力发电机的保护配置n（一）一般原则（一）一般原则n 9 9、励磁回路一点接地；、励磁回路

8、一点接地；n 1010、励磁电流异常下降或消失；、励磁电流异常下降或消失；n 1111、定子铁心过励磁；、定子铁心过励磁；n 1212、调相运行与系统解列；、调相运行与系统解列；n 1313、发电机逆功率；、发电机逆功率；n 1414、失步；、失步；n 1515、轴承绝缘破坏。、轴承绝缘破坏。三、水力发电机的保护配置三、水力发电机的保护配置n（二）水轮发电机动作结果的解释（二）水轮发电机动作结果的解释n1 1、停机：、停机：断开发电机断路器、灭磁，关闭导水叶至机组停断开发电机断路器、灭磁，关闭导水叶至机组停机状态；机状态；n2 2、解列灭磁：、解列灭磁：断开发电机断路器、灭磁，关导水叶至空载；

9、断开发电机断路器、灭磁，关导水叶至空载；n3 3、解列：、解列：断开发电机断路器、关导水叶至空载；断开发电机断路器、关导水叶至空载；n4 4、减出力：、减出力：将水轮机出力减到给定值；将水轮机出力减到给定值；n5 5、缩小故障影响范围：、缩小故障影响范围：例如断开母联断路器等；例如断开母联断路器等；n6 6、信号：、信号：发出声光信号发出声光信号三、水力发电机的保护配置三、水力发电机的保护配置n（三）（三） 基本保护的配置基本保护的配置n1 1、 纵差动保护纵差动保护n 反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，动作于反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，动作于瞬时跳开发电机开关、停机

10、并灭磁。瞬时跳开发电机开关、停机并灭磁。n2 2、横联差动保护、横联差动保护n当发电机定子绕组有当发电机定子绕组有2 2个以上的分支且连接成双星形，每个个以上的分支且连接成双星形，每个分支都有引出线时，应装设横联差动保护反应分支都有引出线时，应装设横联差动保护反应定子绕组匝间定子绕组匝间短路短路，动作结果同纵差动保护。，动作结果同纵差动保护。n当不满足该条件时，取消该保护，待故障发展为相间短时，当不满足该条件时，取消该保护，待故障发展为相间短时，用纵差动保护反应。用纵差动保护反应。n3 3、零序保护、零序保护n 当发电机电压回路回路的接地电容电流（未经消弧线圈补当发电机电压回路回路的接地电容电

11、流（未经消弧线圈补偿）大于或等于偿）大于或等于5A5A时，保护动作于跳闸、停机、灭磁。当接时，保护动作于跳闸、停机、灭磁。当接地电容电流小于地电容电流小于5A5A时，保护应动作信号。对单机容量时，保护应动作信号。对单机容量100MW100MW及及以上的发电机，应尽量装设保护范围为以上的发电机，应尽量装设保护范围为100%100%的接地保护。的接地保护。n4 4、过电流保护、过电流保护n 一般应配置低电压过流或复合电压过流保护反应外部短路一般应配置低电压过流或复合电压过流保护反应外部短路引起的定子绕组过电流状态，并作为发电机的引起的定子绕组过电流状态，并作为发电机的后备保护后备保护。n对单机容量

12、为对单机容量为50MW50MW及以上的发电机，一般装设负序过流及单及以上的发电机，一般装设负序过流及单相低电压起动的过流保护。相低电压起动的过流保护。n5 5、定子过负荷保护、定子过负荷保护n 由于发电机对称过负荷引起的定子绕组过流，应装设反应由于发电机对称过负荷引起的定子绕组过流，应装设反应一相电流的过负荷保护，延时动作于信号。一相电流的过负荷保护，延时动作于信号。n6 6、定子过电压保护、定子过电压保护n 反应发电机突然甩负荷引起的定子绕组过电压现象，延时反应发电机突然甩负荷引起的定子绕组过电压现象，延时动作于跳开关、停机、灭磁。动作于跳开关、停机、灭磁。n7 7、转子绕组一点接地保护、转

13、子绕组一点接地保护n 水轮发电机组一般装设一点接地保护并，延时动作于信号。水轮发电机组一般装设一点接地保护并，延时动作于信号。n8 8、转子回路过负荷：、转子回路过负荷：保护延时动作于信号，有时要求解列保护延时动作于信号，有时要求解列灭磁。灭磁。n9 9、失磁保护、失磁保护n 当不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时，连跳发当不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时，连跳发电机断路器。电机断路器。n1010、调相运行保护：、调相运行保护：反应调相运行从系统解列，延时停机。反应调相运行从系统解列，延时停机。n1111、过励磁保护：、过励磁保护：低定值延时动作于信号和减励磁电流；高低定值延时动作

14、于信号和减励磁电流；高定值动作于延时解列灭磁。定值动作于延时解列灭磁。n1212、贯流式、斜流式及大容量发电机、贯流式、斜流式及大容量发电机逆功率保护逆功率保护：延时解列：延时解列灭磁。灭磁。n1313、大容量发电机、大容量发电机失步保护失步保护：一般作用于信号，也可作用于：一般作用于信号，也可作用于解列或自动减负荷。解列或自动减负荷。n1414、轴电流保护轴电流保护：动作于信号或延时解列灭磁。：动作于信号或延时解列灭磁。n1515、发电机、发电机转子表面（负序）过负荷保护转子表面（负序）过负荷保护：延时动作于信号。：延时动作于信号。三峡电站发电机保护的配置三峡电站发电机保护的配置三峡机组各种

15、差动保护的动作特性三峡机组各种差动保护的动作特性发电机纵差动保护发电机纵差动保护, ,是发电机内部及引出线上短路是发电机内部及引出线上短路故障的故障的主保护之一主保护之一。n1 1、保护接线与构成原理、保护接线与构成原理n2 2、完全差动保护动作值整定、完全差动保护动作值整定n3 3、发电机固定比率制动式差动保护、发电机固定比率制动式差动保护 n4 4、发电机变比率制动式差动保护、发电机变比率制动式差动保护n5 5、工频变化量比率制动式差动保护、工频变化量比率制动式差动保护n1 1、保护接线与构成原理、保护接线与构成原理信号跳 QF跳 灭 磁 开 关至 延 时 信 号图中，图中，KVI串接于三

16、相电流互感器的中性线上，反应中性线上的电流大小，作串接于三相电流互感器的中性线上，反应中性线上的电流大小，作为差动保护为差动保护TA断线监视用，延时发信号。断线监视用，延时发信号。n完全差动保护完全差动保护能反应发电机内部及引出线上的相间短路、能反应发电机内部及引出线上的相间短路、大电流系统侧的单相接地短路故障。大电流系统侧的单相接地短路故障。 （但不能反应发电机内（但不能反应发电机内部匝间短路及分支开焊）部匝间短路及分支开焊）n不完全纵差保护不完全纵差保护适用于每相定子绕组为多分支的大型发适用于每相定子绕组为多分支的大型发电机。它除了能反应发电机相间短路故障，还能反应定子线电机。它除了能反应

17、发电机相间短路故障，还能反应定子线棒开焊及分支匝间短路。其基本原理是利用定子各分支绕组棒开焊及分支匝间短路。其基本原理是利用定子各分支绕组间的互感，使未装设互感器的分支短路时，不完全纵差保护间的互感，使未装设互感器的分支短路时，不完全纵差保护仍能可靠动作。仍能可靠动作。三峡机组三峡机组n2 2、常规完全差动保护动作整定、常规完全差动保护动作整定n（中小型发电机，绕组无分支）（中小型发电机，绕组无分支）n（1 1）动作电流按两个条件整定（取大的）动作电流按两个条件整定（取大的）nA A、躲开二次侧不平衡电流、躲开二次侧不平衡电流: :nB B、躲开、躲开TATA二次侧断线影响二次侧断线影响n（2

18、 2）断线监视的整定）断线监视的整定n（3 3）灵敏度校验）灵敏度校验3.max.maxssap10%koprelunbrelTAIIKIKKKn（ ）GNoprelTAIIKn0.2GNopTAIIn2)2(min.opksenIIK常规保护还要选择差动常规保护还要选择差动继电器的工作线圈和平继电器的工作线圈和平衡线圈的匝数。衡线圈的匝数。n3 3、固定比率制动式差动保护（完全差动和不完全差动）固定比率制动式差动保护（完全差动和不完全差动） n（1 1）动作特性）动作特性0dactII00()dbrkbrkbrkactIKIIIdsII（2 2）动作方程）动作方程00000()dactbrk

19、brkdactbrkbrkbrkbrkbrkdsIIIIIIKIIIIIIdTNIIIdTNFIIKI 完全纵差时完全纵差时 不完全纵差时不完全纵差时 brkI2TNIIbrkI2TNFIKI KTA为分支系数，发电机中性点全电流与流经不完全纵差一次电流之比。（3 3）逻辑框图）逻辑框图1 1发电机不完全纵差动保护一般使用单相出口方式发电机不完全纵差动保护一般使用单相出口方式n（3 3）逻辑框图）逻辑框图2 2发电机完全纵差动保护一般使用循环闭锁出口方式发电机完全纵差动保护一般使用循环闭锁出口方式（4 4）定值的整定）定值的整定n比率制动系数比率制动系数K Kbrkbrkn启动电流启动电流I

20、Iact0act0n拐点电流拐点电流I Ibrk0brk0n负序电压负序电压U U2 2n差动速断差动速断I Is sn灵敏度校验灵敏度校验0.3 0.50.5brkbrkKKTA完全纵差： 不完全纵差：（两侧差动型号不同时） 0(0.2 0.3)/actNGTAIIn (0.5 0.8)/brkNGTAIIn2(9 12)UV(48)/dNGTAIIn(2).min2ksenactIKI （ 机 端 两 相 短 路 ）n4 4、变、变比率制动式差动保护原理（比率制动式差动保护原理（1 1） n（1 1）动作特性）动作特性(34)/SNGTAIInn（2 2）动作方程）动作方程(34)/dNG

21、TAIIn高值比例差动高值比例差动比例差动比例差动差动速断差动速断n4 4、变、变比率制动式差动保护原理（比率制动式差动保护原理（2 2） n（1 1）动作特性（三峡机组）动作特性（三峡机组）n（2 2）动作方程（三峡机组）动作方程（三峡机组）n5 5、工频变化量比率制动式差动保护、工频变化量比率制动式差动保护n发电机内部轻微故障时，上述稳态差动保护由于负发电机内部轻微故障时，上述稳态差动保护由于负荷电流的影响，不能灵敏反应。为此可配置发电机荷电流的影响，不能灵敏反应。为此可配置发电机工频变化量比率差动保护，并设有控制字方便投退。工频变化量比率差动保护，并设有控制字方便投退。n工频变化量概念如

22、下：工频变化量概念如下：（1 1）动作特性）动作特性n（2 2）动作方程）动作方程一、横差保护一、横差保护是发电机定子绕组匝间短路（同分支匝间短路及同是发电机定子绕组匝间短路（同分支匝间短路及同相不同分支之间的匝间短路）、线棒开焊的主保护，相不同分支之间的匝间短路）、线棒开焊的主保护，也能保护定子绕组相间短路。也能保护定子绕组相间短路。类型：类型：n单元件横差保护单元件横差保护（零序电流横差保护）（零序电流横差保护）n裂相横差保护裂相横差保护1 1、单元件横差保护单元件横差保护（零序电流横差保护）（零序电流横差保护）适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点适用于每相定子绕组为多分支

23、，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。引出的发电机。正常情况下：正常情况下：每个并联分支的电势相等，各供出一半的负荷每个并联分支的电势相等，各供出一半的负荷电流，因此电流，因此N N与与NN点电位相等。点电位相等。匝间短路时，匝间短路时，两个绕组的电势不再相等，即因此两个绕组的电势不再相等，即因此N N与与NN点电点电位不再相等。位不再相等。（1 1）构成原理：装设在发电机两个中性点连线上的横差保）构成原理：装设在发电机两个中性点连线上的横差保护。护。NN 横差动保护电流互感器，发电机正常运行和外部短横差动保护电流互感器，发电机正常运行和外部短路时，有不平衡电流，主要分别为基波和三次谐波，但

24、路时，有不平衡电流，主要分别为基波和三次谐波，但很小。发生匝间短路时，有较大的电流通过电流互感器。很小。发生匝间短路时，有较大的电流通过电流互感器。（2 2）动作特性及动作整定值）动作特性及动作整定值zdI1b r kKNTAIn.maxI相动作区动作区高定值段横差保护：高定值段横差保护：相当相当于传统单元件横差保护，动作于传统单元件横差保护，动作电流按躲过外部短路最大不平电流按躲过外部短路最大不平衡电流整定，通常可取衡电流整定，通常可取dI高灵敏横差保护：高灵敏横差保护：动作电流动作电流按躲过发电机正常运行时最大按躲过发电机正常运行时最大不平衡电流整定，可靠系数大不平衡电流整定，可靠系数大于

25、于2 2，一般可取：，一般可取：0.05NzdTAIIn在发电机励磁回路一点接地动作后，为防止励磁回路发生瞬时在发电机励磁回路一点接地动作后，为防止励磁回路发生瞬时性两点接地时横差保护误动，保护切换为性两点接地时横差保护误动，保护切换为0.51.0S延时动作。延时动作。（3 3）动作逻辑）动作逻辑 考虑到在发电机转子绕组两点接地短路时发电机气隙磁考虑到在发电机转子绕组两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动，故在转子一点接地后，使横差保场畸变可能致使保护误动，故在转子一点接地后，使横差保护带一短延时动作。护带一短延时动作。（4 4）横差动保护在下列情况下存在死区：）横差动保护在下列情况

26、下存在死区：2 2、裂相横差保护、裂相横差保护（1 1）构成原理：）构成原理： 同相两分支的两电流互感器的二次侧，反极性串联，将同相两分支的两电流互感器的二次侧，反极性串联，将差流送入保护。正常运行时，两支路电流相等，差动电流为差流送入保护。正常运行时，两支路电流相等，差动电流为为不平衡电流；发生匝间短路时，由于两支路电路不再相等，为不平衡电流；发生匝间短路时，由于两支路电路不再相等，差动电流超过整定值后，将触发保护动作。差动电流超过整定值后，将触发保护动作。（2 2）相绕组多并联分支时的裂相横差保护：）相绕组多并联分支时的裂相横差保护：将每相如将每相如a1、a3、a5分支电流互感器分支电流互

27、感器TA2的二次侧并联的二次侧并联，a2、a4分支电流互分支电流互感器感器TA2二次侧并二次侧并联，联，按照上述方法按照上述方法构成裂相横差保护，构成裂相横差保护，见下图。见下图。（2 2）动作特性及动作值的整定：）动作特性及动作值的整定：0.4-0.5三峡机组裂相横差保护：三峡机组裂相横差保护：三峡机组各种差动保护的动作特性三峡机组各种差动保护的动作特性二、纵向零序电压式匝间保护二、纵向零序电压式匝间保护1 1、构成原理、构成原理该保护反映的是发电机纵向零序电压的该保护反映的是发电机纵向零序电压的基波分量基波分量，并用其，并用其三三次谐波增量次谐波增量作为制动量。作为制动量。发电机正常运行或

28、相间短路时，无零序电压。发电机正常运行或相间短路时，无零序电压。定子绕组单相接地时，故障相对地电压等于零，中性点对定子绕组单相接地时，故障相对地电压等于零，中性点对地电压为相电压，地电压为相电压，三相定子绕组对中性点电压仍然对称三相定子绕组对中性点电压仍然对称，不，不出现机端对绕组中性点的零序电压。（中性点不接地）出现机端对绕组中性点的零序电压。（中性点不接地）当定子绕组发生匝间短路，形成纵向不对称（指机端相对当定子绕组发生匝间短路，形成纵向不对称（指机端相对于中性点不对称于中性点不对称) )时，便出现机端三相对中性点电压不对称。时，便出现机端三相对中性点电压不对称。 机端对中性点的零序序电压

29、为机端对中性点的零序序电压为纵向零序电压纵向零序电压，取自机端专，取自机端专用用TVTV的开口三角输出端。的开口三角输出端。TVTV应全绝缘应全绝缘, ,其一次中性点不允许接其一次中性点不允许接地，而是通过高压电缆与发电机中性点联接起来。地，而是通过高压电缆与发电机中性点联接起来。2 2、接线原理、接线原理3 3、动作判据、动作判据零序电压基波通道与三次谐波通道相互独立，并采用硬件滤零序电压基波通道与三次谐波通道相互独立，并采用硬件滤波回路和软件滤波算法滤去零序电压基波通道的三次谐波分波回路和软件滤波算法滤去零序电压基波通道的三次谐波分量，滤去三次谐波电压通道的基波分量。量，滤去三次谐波电压通

30、道的基波分量。保护采用两段式，保护采用两段式，I I段为次灵敏段，段为次灵敏段，IIII段为灵敏段：段为灵敏段：0000l00l0303003030300l3333333333hnnhIUUIIUUUUK UUUUUUK UU段： 段： 并且（）（）测得的零序电压基波测得的零序电压3次谐波三次谐波增量、保护定值4 4、逻辑框图、逻辑框图为防止专用为防止专用TVTV一次断线时保护误动，引入一次断线时保护误动，引入TVTV断线闭锁；另外，断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他原因产生的纵向零序电压使保护误动，为防止区外故障或其他原因产生的纵向零序电压使保护误动，引入负序功率方向闭锁。引入负序功率方向

31、闭锁。电压平衡式电压平衡式TVTV断线逻辑框图断线逻辑框图n在发电机机端配置相间阻抗保护，作为发电机相间故障的后在发电机机端配置相间阻抗保护，作为发电机相间故障的后备保护，电压量取发电机机端备保护，电压量取发电机机端TVTV1 1相间电压相间电压，电流量取发电机，电流量取发电机后备电流通道后备电流通道相间电流相间电流。n(1)(1)阻抗特性的选择：阻抗特性的选择：nA A、当某段阻抗反向定值整定为零时，选择方向阻抗圆；、当某段阻抗反向定值整定为零时，选择方向阻抗圆；nB B、当某段阻抗正向定值大于反向定值时，选择偏移阻抗圆；、当某段阻抗正向定值大于反向定值时，选择偏移阻抗圆；nC C、当某段阻

32、抗正向定值与反向定值整定为相等时，选择全、当某段阻抗正向定值与反向定值整定为相等时，选择全阻抗圆。阻抗圆。n阻抗保护的方向指向由整定值整定实现，一般正方向指向发阻抗保护的方向指向由整定值整定实现，一般正方向指向发电机外。电机外。n(2)(2)阻抗特性阻抗特性nI I为相间电流，为相间电流，U U为对应相间电压，为对应相间电压，ZnZn为阻抗反向整定值，为阻抗反向整定值，Zp Zp 为阻抗正向整定值。为阻抗正向整定值。75m最灵敏角n(3)(3)阻抗元件的比相动作方程阻抗元件的比相动作方程n（4 4）阻抗保护启动元件动作方程）阻抗保护启动元件动作方程n阻抗保护的起动元件采用阻抗保护的起动元件采用

33、相间电流工频变化量起动相间电流工频变化量起动或或负序电负序电流元件起动流元件起动，开放，开放500ms500ms，期间若阻抗元件动作则保持。工频，期间若阻抗元件动作则保持。工频变化量起动元件的动作方程为：变化量起动元件的动作方程为：n其中：其中：IIt t为浮动门坎，随着变化量输出增大而逐步自动提为浮动门坎，随着变化量输出增大而逐步自动提高。取高。取1.251.25倍可保证门槛电压始终略高于不平衡输出，保证倍可保证门槛电压始终略高于不平衡输出，保证在系统振荡和频率偏移情况下，保护不误动。在系统振荡和频率偏移情况下，保护不误动。I Ithth为固定门坎。为固定门坎。当相间电流的工频变化量大于当相

34、间电流的工频变化量大于0.2I0.2In n 时，起动元件动作。时，起动元件动作。n(5)(5)阻抗保护的动作逻辑阻抗保护的动作逻辑n复合电压过流保护作为发电机、变压器、高压母线和相邻线复合电压过流保护作为发电机、变压器、高压母线和相邻线路故障的后备。复合电压过流设两段定值、各一段延时，路故障的后备。复合电压过流设两段定值、各一段延时，第第段段动作于跳母联开关或其他开关，动作于跳母联开关或其他开关，第第段段动作于停机。电动作于停机。电流电压一般取自发电机的同一侧流电压一般取自发电机的同一侧TATA和和TVTV；发变组；发变组TATA取自发电取自发电机中性点侧。机中性点侧。n(1)(1)复合电压

35、元件：复合电压元件：n复合电压元件由相间低电压和负序电压或门构成，有两个控复合电压元件由相间低电压和负序电压或门构成，有两个控制字（即过流制字（即过流I I段经复压闭锁，过流段经复压闭锁，过流IIII段经复压闭锁）来控制段经复压闭锁）来控制过流过流I I 段和过流段和过流II II 段经复合电压闭锁。当过流经复压闭锁控段经复合电压闭锁。当过流经复压闭锁控制字为制字为11时，表示本段过流保护经过复合电压闭锁。时，表示本段过流保护经过复合电压闭锁。n(2)(2)电流记忆功能：电流记忆功能：n对于自并励发电机，在短路故障后电流衰减变小，故障电流对于自并励发电机，在短路故障后电流衰减变小，故障电流在过

36、流保护动作出口前可能已小于过流定值，因此，复合电在过流保护动作出口前可能已小于过流定值，因此，复合电压过流保护起动后，过流元件需带记忆功能，使保护能可靠压过流保护起动后，过流元件需带记忆功能，使保护能可靠动作出口。控制字动作出口。控制字“自并励发电机自并励发电机”在保护装置用于自并励在保护装置用于自并励发电机时置发电机时置“1”1”。对于自并励发电机，过流保护必须经复合。对于自并励发电机，过流保护必须经复合电压闭锁。电压闭锁。n(3)TV (3)TV 断线对复合电压闭锁过流的影响断线对复合电压闭锁过流的影响n装置设有整定控制字（装置设有整定控制字（即即TV TV 断线保护投退原则断线保护投退原

37、则）来控制）来控制TV TV 断线时复合电压元件的动作行为。当装置判断出本侧断线时复合电压元件的动作行为。当装置判断出本侧TV TV 断线断线时：时：n若若“ “ TVTV断线保护投退原则断线保护投退原则”控制字为控制字为1 1时，表示复合时，表示复合电压元件不满足条件；电压元件不满足条件；n若若TV TV 断线保护投退原则断线保护投退原则控制字为控制字为0 0时，表示复合时，表示复合电压元件满足条件，这样复合电压闭锁过流保护就变为电压元件满足条件，这样复合电压闭锁过流保护就变为纯纯过流保护过流保护。n(4)(4)发电机复压过流保护出口逻辑：发电机复压过流保护出口逻辑：22220222240(

38、 ti dtItAIti 水轮发电机）为在时间内 的平均值（标么值）有两种保护：有两种保护：保护由两段式组成保护由两段式组成: I段段 经经t1（4s)延时动作于跳闸；延时动作于跳闸；段段 经经t2(510s)延时动作于信号。延时动作于信号。GNactII.25 . 0GNactII.21 . 0蓝色曲线为动作特性蓝色曲线为动作特性I段段II段段反时限上限延时定值反时限上限延时定值反时限下限延时定值反时限下限延时定值反时限负序电流起动定值反时限负序电流起动定值反时限上限负序电流值反时限上限负序电流值上下限定时上下限定时反时限反时限(1.5 1.7)opNUU0.3 0.5tsK(1)AKABA

39、BKCACUEUEaEUEaEA AB BC C0( )KKK1()3kaABCAUUUUaE 故障点零序电压结论：结论：机端零序电压将随故障点位置不同而改变；当机端零序电压将随故障点位置不同而改变；当机端单相接地时（机端单相接地时（11） ，在中性点附近单相接地时（在中性点附近单相接地时（00） ，0( )kaAUE 0( )0kaU0( )000( )00333333OGAKaGGOlAKallIjCUjCaEIjC UjC aE ( )0003 ()=3k aAAGlIjCCaEjCaE 0lC30003300003)(2)(22ECCCUECCCCUSGGSSGSGN中性点对地绝缘，发

40、电机正常运行时中性点对地绝缘，发电机正常运行时中性点接消弧线圈，发电机正常运行时中性点接消弧线圈，发电机正常运行时AO可见：在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波可见：在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压电压U U3N3N总是大于发电机端的三次谐波电压总是大于发电机端的三次谐波电压U U3S3S。极限情。极限情况是当发电机出线端开路（即发电机孤立运行）时况是当发电机出线端开路（即发电机孤立运行）时: :U U3S3SU U3N3N 333333(1)1NTTNUaEUa EUaUa3030012SGNGSUCUCC作用：作用：（1）限制过电压）限制过电压（2）限制接地故障电流）限制接地故

41、障电流（3）为定子接地保护提供电源）为定子接地保护提供电源常用于常用于200MW以上的大型机组。以上的大型机组。3 3 0 03 30 07219 ( )S S G SN N GSUXCCUXCC AUBUCUBCAIBICIaCbCcCcIdIdLI中中性性点点经经大大电电阻阻接接地地1MW以上的水轮发电机以上的水轮发电机都装设一点接地保护，动作于都装设一点接地保护，动作于信号，不装设两点接地保护。信号，不装设两点接地保护。E为转子电压为转子电压为绕组百分数为绕组百分数Rg为接地电阻为接地电阻R1为信号电阻为信号电阻R为辅助电阻为辅助电阻1g11g21g11g2R+R +R )I -(R +

42、R )I = aE- R +R )I +(2R+R +R )I =(1-a)E（1g11g21g11g22R+R +R )I -(R +R )I = aE- R +R )I +(R+R +R )I =(1-a)E（1112211212=,/UR IIUR IIU UkUkE E令（)，（),1g1ER2RR-R3 U31133UU 一点接地设有两段动作值，灵敏段动作于报一点接地设有两段动作值，灵敏段动作于报警，普通段可动作于信号、也可动作于跳闸。警，普通段可动作于信号、也可动作于跳闸。1122(12 )()(12 )()SgyxSgyxgUUI RRRUUIRRRR正半周时： 2负半周时：-2

43、可解得： 和12II、1U1122()()SgyxSgyxgUUI RRRUUIRRRR正半周时： 负半周时：-可解得： 和1U检测漏电流大轴（600）负极（602）1ggRR1t信号计算Rg跳闸 注入电源配置在保护装置内，该原理可选择从转子注入电源配置在保护装置内，该原理可选择从转子绕组单端注入或双端注入，能够在未加励磁电压的情况绕组单端注入或双端注入，能够在未加励磁电压的情况下监视转子绝缘，在转子绕组上任一点接地时，灵敏度下监视转子绝缘，在转子绕组上任一点接地时，灵敏度高且一致，并能满足无刷励磁机组转子接地保护的要求。高且一致，并能满足无刷励磁机组转子接地保护的要求。失磁故障失磁故障指励磁

44、突然全部消失或部分消失，使励磁电指励磁突然全部消失或部分消失，使励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流。（流低于静稳极限所对应的励磁电流。（U型曲线？）型曲线？）1、失磁原因、失磁原因引起失磁的原因大致有：引起失磁的原因大致有：发电机转子绕组故障发电机转子绕组故障励磁系统故障励磁系统故障自动灭磁开关误跳闸自动灭磁开关误跳闸励磁系统误操作等。励磁系统误操作等。2、失磁后的基本物理过程、失磁后的基本物理过程功角特性功角特性：2011sinsin22dqdEUUPxxx 1800稳定稳定不稳定不稳定900002201111cossin222dqdqdE UUUQxxxxx PQ，PQ稳稳稳 18018

45、0= 稳0Q3、失磁的影响、失磁的影响（1）对水轮发电机的影响）对水轮发电机的影响A A、对于凸极结构的水轮发电机，异步转矩与水轮机转矩很、对于凸极结构的水轮发电机，异步转矩与水轮机转矩很难达到新的平衡，将引起发电机有功和无功的剧烈震荡，发难达到新的平衡，将引起发电机有功和无功的剧烈震荡，发电机电机转子绕组将产生很高的感应过电压转子绕组将产生很高的感应过电压。B B、当发电机失磁而后失步时，需要从电力系统吸收很大的、当发电机失磁而后失步时，需要从电力系统吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场无功功率以建立发电机的磁场 ，机端电压很低机端电压很低。C C、失磁后发电机的转速超过额定转速，在转子及励

46、磁回路、失磁后发电机的转速超过额定转速，在转子及励磁回路中将产生频率为中将产生频率为f ff f-f-fs s的交流电流，因而形成附加的损耗，使的交流电流，因而形成附加的损耗，使发电机的发电机的转子和定子过热转子和定子过热 。D D、水轮发电机的纵轴和横轴呈现明显的不对称，在重负荷水轮发电机的纵轴和横轴呈现明显的不对称，在重负荷下失磁时，发电机的转矩、有功功率要发生剧烈的周期性的下失磁时，发电机的转矩、有功功率要发生剧烈的周期性的摆动，将有很大的电磁转矩周期性地作用到发电机的轴系上，摆动，将有很大的电磁转矩周期性地作用到发电机的轴系上，引发机组的振动引发机组的振动 。因此水轮发电机失磁失步将直

47、接威胁到机组的安全，基本因此水轮发电机失磁失步将直接威胁到机组的安全，基本上是不允许发生这种情况。上是不允许发生这种情况。 （2）对电力系统的影响）对电力系统的影响A A、发电机失磁后，不但不能向系统送出无功功率，而且还、发电机失磁后，不但不能向系统送出无功功率，而且还要从系统中吸收要从系统中吸收Q Q，造成系统电压，造成系统电压U U下降。如果系统无功储备下降。如果系统无功储备不足，将因电压崩溃而瓦解。不足，将因电压崩溃而瓦解。B B、系统电压、系统电压U U下降，为了供给失磁发电机无功功率，其它下降，为了供给失磁发电机无功功率，其它发电机发电机Q Q必然增大，形成过电流，使其后备保护动作，

48、故障必然增大，形成过电流，使其后备保护动作，故障扩大。扩大。 C C、发电机失磁后，进入失步状态，将造成系统振荡，甩掉、发电机失磁后，进入失步状态，将造成系统振荡，甩掉大量甩负荷。大量甩负荷。D D、发电机失磁时必定限制了发电机的出力，或者将造成发、发电机失磁时必定限制了发电机的出力，或者将造成发电机停机，影响电厂向电网提供电能，对于容量大的系统中电机停机，影响电厂向电网提供电能，对于容量大的系统中的重要机组而言，失磁将危及电网的安全供电。的重要机组而言，失磁将危及电网的安全供电。因此，水轮发电机必须装设失磁保护。通常装置设有三段因此，水轮发电机必须装设失磁保护。通常装置设有三段失磁保护功能，

49、失磁保护失磁保护功能，失磁保护段动作于切换备励，也可动作于段动作于切换备励，也可动作于信号，信号，段经母线电压低动作于跳闸，段经母线电压低动作于跳闸，段动作于跳闸。段动作于跳闸。通常失磁保护的实现，有下列一些方式：通常失磁保护的实现，有下列一些方式：（1）灭磁开关联跳保护）灭磁开关联跳保护利用自动灭磁开关常闭接点联跳发电机断路器。这种方式利用自动灭磁开关常闭接点联跳发电机断路器。这种方式只能保护因灭磁开关误跳闸引起的失磁事故，不能保护其它只能保护因灭磁开关误跳闸引起的失磁事故，不能保护其它原因引起的失磁事故。原因引起的失磁事故。（2）常规失磁保护装置）常规失磁保护装置发电机变压器组保护一般利用

50、失磁后发电机定子参数变化发电机变压器组保护一般利用失磁后发电机定子参数变化的特点构成失磁保护。如反应于机端测量阻抗由第一象限进的特点构成失磁保护。如反应于机端测量阻抗由第一象限进入第四象限，无功功率改变方向，机端电压下降，功角增大，入第四象限，无功功率改变方向，机端电压下降，功角增大，励磁电流、电压变化等。目前发电机保护基本采用这种原理。励磁电流、电压变化等。目前发电机保护基本采用这种原理。（3）转子过电压失磁保护）转子过电压失磁保护水轮发电机在失磁时而后失步时，由于定子绕组与转子绕水轮发电机在失磁时而后失步时，由于定子绕组与转子绕组之间存在互感电抗，转子侧将感应出非常高的过电压，通组之间存在

51、互感电抗，转子侧将感应出非常高的过电压，通过检测这种过电压，可以判断发电机是否失步，据此可以实过检测这种过电压，可以判断发电机是否失步，据此可以实现水轮发电机的失磁保护。现水轮发电机的失磁保护。1()gGa ddgUZjXjX jXI 一次典型的失磁过程机端电压、电流波形0 .5dj X失磁时的功率、转子电压变化波形主要常用失磁保护判据主要常用失磁保护判据定子阻抗判据：定子阻抗判据：静稳圆静稳圆或或异步圆异步圆转子电压判据：转子电压判据：低电压判据低电压判据 变励磁低变励磁低 电压判据电压判据 低电压判据：低电压判据：母线电压母线电压或或机端电压机端电压减出力有功判据减出力有功判据无功反向辅助

52、判据无功反向辅助判据失步前，失步前，P基本不变基本不变 等有功过程。等有功过程。22222=jj22gsgsGggssSSjssSUUjI XZIIUUjXjXPQPQUUjXePP)(QfPQarctg对于水轮发电机组，当对于水轮发电机组，当=稳稳时，发电机处于失去静态稳定时，发电机处于失去静态稳定的临界状态，故称为临界失步点。的临界状态，故称为临界失步点。根据功角方程，求得根据功角方程，求得稳稳后，进而求出对应的后，进而求出对应的P和和Q，根据下，根据下式，可求得对应式，可求得对应=稳稳时的的阻抗圆时的的阻抗圆.2.gSGSgUUZjXPjQI失步后的阻抗轨迹，最终将稳定在第四象限，这是因

53、为进失步后的阻抗轨迹，最终将稳定在第四象限，这是因为进入稳态异步运行后，同步发电机成为异步发电机，其等效电入稳态异步运行后，同步发电机成为异步发电机，其等效电路与异步电动机类似。路与异步电动机类似。-djX。（2 2）发电机带很大功率时，）发电机带很大功率时， 212()0.5gadGdgaddUXXZj XjjXIXXjX 工程上实际取 以以 和和 为两个端点，并取为两个端点，并取 为直径，也为直径，也可以构成一个圆，如图所示。它反映稳态异步运行时可以构成一个圆，如图所示。它反映稳态异步运行时Z=f(sZ=f(s）的特性，简称异步运行阻抗圆。的特性，简称异步运行阻抗圆。发电机在异步运行阶段，

54、机发电机在异步运行阶段，机端测量阻抗进入临界失步阻抗圆内，并最终落在端测量阻抗进入临界失步阻抗圆内，并最终落在 的范围内。的范围内。djX0.5ddXX0.5ddjXjX0,180 ,0.50sGdsZjX 振荡时，假设X此时。在其它 时，测量阻抗沿虚线变化；当X时，虚线往上移动。可见用异步运行阻抗圆可与振荡阻抗轨迹加以区分。常用失磁保护判据常用失磁保护判据定子阻抗判据：定子阻抗判据：静稳圆静稳圆 或异步圆或异步圆转子电压判据：转子电压判据：低电压判据、变励磁低电压判据低电压判据、变励磁低电压判据 低电压判据：低电压判据：母线电压或机端电压母线电压或机端电压减出力有功判据减出力有功判据无功反向

55、辅助判据无功反向辅助判据（1）异步边界阻抗圆判据）异步边界阻抗圆判据NoImage（2）静稳极限阻抗圆特性判据）静稳极限阻抗圆特性判据根据发电机机端正序电压和机端正序电流计算机端根据发电机机端正序电压和机端正序电流计算机端阻抗，当阻抗进入静稳极限阻抗圆，阻抗保护起动。阻抗，当阻抗进入静稳极限阻抗圆，阻抗保护起动。 在发电机外部短在发电机外部短路、系统振荡、长路、系统振荡、长线路充电、自同期线路充电、自同期并列、电压回路断并列、电压回路断线时，失磁阻抗继线时，失磁阻抗继电器可能误动作，电器可能误动作，故应用辅助判据闭故应用辅助判据闭锁阻抗保护。锁阻抗保护。 失磁故障时，如转子电压突然下降到零或负值，失磁故障时，如转子电压突然下降到零或负值，励磁励磁低电压判据低电压判据迅速动作（在发电机实际抵达静稳极限之前）；迅速动作（在发电机实际抵达静稳极限之前）；失磁或低励故障时，如转子电压逐渐下降到零或减至某一失磁或低励故障时，如转子电压逐渐下降到零或减至某一值，值，变励磁低电压判据变励磁低电压判据动作。动作。 低励、失磁故障将导致机组失步，失步后转子电压和低励、失磁故障将导致机组失步，失步后转子电压和发电机输出功率作大幅度波动，通常会使励磁电压判据、发电机输出功率作大幅度波动，通常会