300MW发变组保护详解.docx
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300MW发变组保护详解
第一章概述
第一节发变组的故障及异常状况
一、发电机可能发生的故障和异常运行状况及所需保护
由于发电机结构复杂，发生故障的可能性较大，同时系统故障的可能性也较大，系统故障甚至可能损伤发电机，按照各种故障对发电机可能造成的损坏程度的不同，发电机的故障一般可分为故障和异常运行两大工况，并各自设置相应的保护。
大型发电机可能的故障和相应的保护综述如下：
（1）定子绕组相间短路故障。
会引起巨大的短路电流，严重烧损发电机。
需要装设瞬时动作的纵联差动保护。
（2）定子绕组匝间短路故障。
故障时同样会引起巨大短路电流而烧毁发电机。
要求装设瞬时动作的专用匝间短路保护。
（3）定子绕组单相接地故障。
是常见的故障之一，通常因绝缘破坏使得绕组对铁心短路而引起，故障时的接地电流引起的电弧一方面灼伤铁心，另一方面会进一步破坏绝缘，导致严重的定子绕组两点接地，造成匝间或相间短路。
因此对于大型发电机，规定装设能灵敏地反应全部绕组接地故障的100%定子绕组接地保护。
（4）发电机转子接地故障。
又分为一点接地和两点接地。
转子一点接地后可能诱发转子绕组两点接地，而两点接地会因磁场不平衡而引发机组剧烈震动，造成灾难性后果。
因此大型汽轮发电机要求同时装设转子回路一点接地和两点接地保护。
（5）发电机失磁故障。
发电机失磁或部分失磁是发电机常见故障之一，要求及时检测到失磁故障，并根据失磁过程的发展，采用不同的措施，来保证系统和发电机的安全，因此需要装设失磁保护。
除此之外，各种系统异常工况或调节装置故障也可能使发电机处在异常运行状态，从而危及发电机安全，因此也需要装设相应的保护装置。
如：
（1）负荷不对称出现的负序电流可能引起发电机转子表层过热，需装反时限不对称过负荷保护。
（2）对于对称过负荷，需装反时限对称过负荷保护。
（3）对于励磁回路过负荷，需要装设反时限转子过负荷保护。
（4）与系统并列运行的发电机可能因机、炉保护动作等原因将汽门关闭而引起逆功率运行，为防止汽轮机叶片与残留尾气剧烈摩擦过热而损坏汽轮机，应装设逆功率保护。
（5）为防止过激磁而损坏铁心，应装设过激磁保护。
（6）其他异常运行的状态还有：
定子绕组过电压、低频运行、非全相运行、失步运行等，也应装设相应的保护。
（7）当电压互感器或电流互感器发生断线故障时，会引起某些保护误动或拒动，因此需要装设相应的电压互感器或电流互感器断线检测和闭锁装置。
二、变压器可能发生的故障和异常运行状况及所需保护
变压器是电力系统中十分重要的元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。
为了防止变压器发生各类故障和异常运行对电力系统安全运行造成不应有的损失，根据有关规程规定，应对变压器的故障和异常运行方式设立相应的继电保护。
（1）防止变压器绕组和引出线相间短路、直接接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的差动保护。
（2）防止变压器油箱内部各种短路或断线故障及油面降低的瓦斯保护。
（3）防止直接接地系统中变压器外部接地短路的接地中性点零序电流保护、零序电压保护及放电间隙的零序电流保护。
（4）防止变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护的后备的过电流保护或阻抗保护。
（5）防止对称过负荷的过负荷保护。
（6）反应变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障的相应保护。
第二节发变组保护配置的原则
大型发变组结构复杂，有可能发生多种类型的故障和异常运行工况，因此需要设置几十种保护，并要求这些保护既有明确职责范围又能相互配合。
目前国内已经形成各种不同的保护功能的配置方案，这些都大同小异，但又各具特点。
遵循以下原则：
1.各项保护功能配置完善；2.选用的保护原理性能优良，有成熟的运行经验，满足各项技术要求；3.实现双重化配置；4.组屏合理，双重化的两套保护系统应分屏设置，非电量保护和电气量保护也应分屏设置，以确保在发变组不停运状况下可以对其中任何一套保护系统进行检修、调整、调试，同时要求二次回路设计正确简明，接线安全可靠；5.保护系统应尽可能结构简单，具备友好的人机界面，合理的通信组网功能。
各项保护功能投退和整定操作清晰简便，支持现场调试和调整功能，易于使用和维护；6.保护出口设计合理，配置灵活，以满足紧急状态下不同的动作要求和允许根据实际运行条件方便地进行调整。
发变组保护功能可按设备故障性质分故障保护和异常运行保护两大类；按输入量性质分为电气量保护和非电气量保护两大类；按保护对象分为电气设备故障和动力机械设备故障两大类。
故障保护用以反映保护区域内发生的各种相间短路、匝间短路及接地短路等各种类型的短路故障。
这些故障会对发变组造成直接破坏，这类保护构成发变组的保护主体，通常称为主保护。
另外，还需要考虑发变组主保护失效，以及辅机和外部相连系统的故障对发变组的破坏问题，也需要配置保护，通常称为后备保护。
因此故障保护可分为主保护和后备保护。
异常保护用以反映各种可能对发变组造成危害的异常运行工况，包括可能不利于动力机械设备的异常工况，不过这些工况可能不会很快或不会直接造成对机组的破坏，为异常工况配置的保护通常也归于后备保护的范畴。
第三节大型发变组的继电保护的特点
发电机-变压器组的接线方式在电力系统中获得了广泛的应用。
发电机和变压器在单独运行时可能出现的各种故障和异常运行状态，在发电机-变压器组中都可能发生。
因此，发电机-变压器组的保护与发电机，变压器的类型基本相同。
由于发电机-变压器组相当于一个工作单元，故某些同类型的保护可以合并，例如全组公共的纵差动保护、后备保护和过负荷保护等，减少保护的总套数，提高了经济性。
发电机-变压器组保护的特点如下：
一、纵差动保护的特点
当发电机和变压器之间无断路器时，一般共用一套纵差动保护，如图1-3-1（a）所示。
该种接线方式适用于容量不大的机组或发电机装有横差动保护的机组，对于容量为100MW以上的机组或采用一套共用纵差动保护对发电机内部故障的灵敏性不满足要求时，应加装发电机纵差动保护，如图1-3-1（b）所示。
当发电机和变压器间有断路器时，发电机和变压器应分别装设纵差动保护，厂用分支线也应包括在变压器的纵差动保护范围内，如图1-3-1（c）所示。
二、后备保护的特点
发电机-变压器组的后备保护，同时兼作相邻元件的后备保护。
当实现后备保护而使保护装置接线复杂时，可缩短对相邻线路后备作用范围，但对相邻母线上的三相短路应有足够的灵敏性。
发电机-变压器组后备保护的电流元件应接在发电机中性点侧的电流互感器上，电压元件接在发电机端的电压互感器上。
当有厂用分支线时，后备保护应带两段时限；以第一段时限动作跳开变压器高压侧断路器，以第二段时限跳开各侧断路器及发电机的灭磁开关。
对于大型发电机-变压器组，为确保快速切除故障，可采用双重纵差动保护，在发电机-变压器组高压侧加装一套后备保护，作为相邻母线保护的后备，其接线图如图1-3-1（d）所示。
图1-3-1发电机—变压器组纵差保护的配置
（a）公用一套纵差动保护（b）发电机和变压器分别装设纵差动保护
（c）发电机和变压器间有断路器时的纵差动保护（d）双重化纵差动保护
三、发电机侧接地保护的特点
在发电机-变压器组中，发电机单相接地时，由于发电机电压系统所连接元件不多，接地电容电流较小（小于5A）,因此接地保护可采用简单的零序电压保护或完善的100%定子接地保护，并动作于信号。
第二章30万汽轮发变组的保护配置
第一节30万汽轮发变组组一次接线图
对不同容量的机组和不同的接线方式，设计方案各有不同。
这一章，以某300MW、220KV发变组保护的工程为例说明。
图2-1-1为30万汽轮发电机-变压器组的一次接线图。
图2-1-130万汽轮发变机组的一次接线图
由上图可知，该发变组采用单元接线，发电机出口侧没有装设断路器，发电机中性点经TA16接地。
主变压器高压侧接入220kV系统，220kV侧采用双母线接线方式，主变压器高压侧中性点直接接地或经放电间隙接地。
高压厂用工作变压器采用低压分裂绕组变压器，其高压侧从发电机出口处引接，两个低压绕组分别接6kV高压厂用工作母线的A、B段上。
第二节30万汽轮发变组互感器的配置
一、电流互感器的配置
由于篇幅所限，本文仅列出本文所涉及的保护所需的互感器配置。
（以下相应保护用简称，对应保护全称见下节1）发电机中性点侧装设了3组电流互感器（TA1～TA3），TA1用于大差，TA2用于发差，TA3用于定子过负荷、负序过负荷、复压过流；定子绕组两中性点上装设了零序电流互感器，TA01用于匝间保护；机端装设了3组电流互感器（TA4～TA6），TA4用于主变差，TA5用于匝间、逆功率、失磁、失步，TA6用于发差；励磁机两侧各装设了一组电流互感器，TA31用于励磁机过流，TA32用于励磁过负荷、转子接地、失磁。
主变压器高压侧并装设了3组电流互感器（TA7～TA9），TA7用于阻抗保护、非全相、启动失灵，TA8用于主变差，TA9用于大差；主变压器中性点侧共装设了2组零序电流互感器，TA16用于主变零序，TA17用于间隙零序。
高压厂用工作变压器高压侧装设了2组电流互感器（TA10、TA11），TA10用于厂变差，TA11用于主变差；低压侧两分支各装设了2组电流互感器（A段：
TA12、TA13，B段：
TA14、TA15），TA12、TA14用于厂变差，TA13、TA15用于大差。
二、电压互感器的配置
发电机机端装设了2组电压互感器（TV1、TV2），TV1用于匝间保护，TV2用于匝间、逆功率、定子接地、失磁、失步、过压、低频、低压过流、起停机。
保护所需的发电机中性点侧电压，从TV6取得；主变压器高压侧，从220KV母线电压互感器TV3取得；高压厂用变压器低压侧电压，从6KV高压厂用工作母线A、B段上装设的电压互感器（TV4、TV5）取得。
第三节30万发变组保护配置及动作行为
一、300MW汽轮发电机-变压器组继电保护配置
1.发－变组故障及异常保护
（1）发电机差动保护（发差）；
（2）主变压器差动保护（主变差）；
（3）发－变组差动保护（大差）；
（4）高压厂用变压器差动保护（厂变差）；
（5）匝间短路保护（匝间）；
（6）100%定子接地保护（定子接地）；
（7）转子一点接地保护（转子接地）；
（8）定子过负荷保护（定子过负荷）；
（9）转子表面负序过负荷保护（负序过负荷）；
（10）发电机复合电压起动的过电流保护（复压过流）；
（11）励磁绕组过负荷保护（励磁过负荷）；
（12）过电压保护（过压）；
（13）主变压器或发电机的过激磁保护（过激磁）；
（14）发电机逆功率保护（逆功率）；
（15）程序跳闸逆功率保护（程跳逆功率）；
（16）失磁保护（失磁）；
（17）失步保护（失步）；
（18）低频保护（低频）；
（19）起停机保护（起停机）；
（20）误上电保护；
（21）主变压器阻抗保护（阻抗）；
（22）主变压器间隙零序保护（间隙零序）；
（23）主变压器零序过电流保护（主变零序）；
（24）高厂变压器高压侧复合电压起动的过电流保护（厂变过流）；
（25）高厂变压器低压A、B分段过电流保护（厂变过流）；
2.非电量保护
（1）主变压器瓦斯保护；
（2）主变压器压力释放保护；
（3）主变压器冷却器故障保护；
（4）主变压器绕组温度；
（5）主变压器油温；
（6）主变压器油位；
（7）高厂变压器瓦斯保护；
（8）高厂变压器压力释放保护；
（9）高厂变压器冷却器故障保护；
（10）高厂变压器油温；
（11）高厂变压器油位；
3.其他保护
（1）发电机断水保护；
（2）断路器非全相和断口闪络保护；
（3）热工保护；
（4）励磁系统故障保护；
二、保护装置的控制对象
各保护装置动作后所控制的对象，依保护装置的性质、选择性要求和故障处理方式的不同而不同。
对于发电机双绕组变压器组通常有以下几种处理方式：
全停：
停汽机、停锅炉、断开高压侧断路器、灭磁、断开高压厂用变压器低压侧断路器、使机炉及其辅机停止工作。
解列灭磁：
断开高压侧断路器、灭磁、断开高压厂用变压器低压侧断路器。
解列：
断开高压侧断路器。
减出力：
减少原动机的输出功率。
发信号：
发出声光信号或光信号。
母线解列：
对双母线系统，断开母线联络断路器，缩小故障波及范围。
发变组保护配置及其部分动作行为表
序号
保护装置名称
保护动作行为
说明
停机
程序跳闸
信号
增减
出力
增减
励磁
1
发电机差动保护
▲
2
主变差动保护
▲
3
发变组差动保护
▲
4
发电机匝间短路保护
▲
5
转子一点接地保护
▲
6
转子两点接地保护
▲
7
复合电压过电流保护
▲
8
主变阻抗保护
▲
9
发电机定子接地保护
基波零序电压保护
▲
▲
三次谐波电压保护
▲
10
主变零序保护
母线解列
11
定子对称过负荷保护
定时限
▲
反时限
▲
12
转子表层过负荷
定时限
▲
反时限
▲
13
转子过负荷
定时限
▲
反时限
▲
解列灭磁
14
发电机失磁保护
▲
▲
▲
▲
15
发电机逆功率保护
▲
▲
16
发电机失步保护
▲
▲
17
发电机低频保护
▲
▲
18
发电机起停机保护
▲
正常停用，起停机时投入
19
发电机意外突加电压保护
▲
20
高压断路器非全相运行保护
▲
21
高压断路器断口闪络保护
灭磁
22
高压断路器失灵保护
起动失灵装置
23
主变瓦斯保护
轻瓦斯
▲
重瓦斯
▲
第三章发变组保护原理
第一节反映短路故障的保护
一、发电机的差动保护
发电机纵联差动保护用来对付发电机定子绕组和引出线的相间短路故障这类对发电机危害极大的严重故障，是发电机的主保护之一，按照比较发电机机端侧和中性点侧电流大小和相位的原理构成，应瞬时作用于全停。
（一）发电机纵差保护的接线方式
由于发电机结构的特殊性，发电机纵差保护根据获取电流的方式不同，有完全纵差保护和不完全纵差保护两种。
1．发电机完全纵差保护
发电机完全纵差保护是利用比较发电机每相定子绕组首末两端全相电流的大小和相位的原理构成。
图3-1-1所示为发电机完全纵差保护的单相原理接线示意图。
将变比KTA相同的两个电流互感器分别装设在发电机出口侧和中性点侧的同一相上，使流过差动保护装置的电流为每相定子绕组首末两端的全相电流。
完全纵差保护能灵敏地反应发电机定子绕组及引出线的相间短路，但对定子绕组的匝间短路和定子绕组的分支开焊故障却没有作用。
2．发电机不完全纵差保护
不完全纵差保护是一种同时反应发电机相间短路、匝间短路和分支开焊故障的新型发电机纵差保护。
它是通过比较发电机机端每相定子的全相电流和中性点侧每相定子的部分相电流大小和相位而构成。
不完全纵差保护之所以能反应发电机内部各种短路和开焊故障，是由于
三相定子绕组分布在同一定子铁芯上，不同相间和不同匝间存在或大或小的
互感联系，当未装设互感器的定子分支绕组发生故障时，通过互感磁通可以
在装设互感器的非故障定子分支绕组中感受到故障的发生，使不完全纵差保
护动作。
两者的基本原理相同，只是在保护的整定值计算时有所不同。
（二）发电机纵差保护的原理
纵差保护的原理较多，现就常见的两种原理进行介绍。
1．比率制动式发电机纵差保护原理
比率制动式发电机纵差保护的原理与变压器比率制动纵差保护类似。
电流参考方向：
中性点侧电流的方向以指向发电机为正方向，机端侧电流以流出发电机为正方向。
（1）动作电流和制动电流的定义：
为保证比率制动式发电机纵差保护正确工作，
动作电流为Iop=|
1-Kb
2|
制动电流为Ires=
|
1+Kb
2|
式中
1——机端侧定子相电流；
2——中性点侧定子全相电流或分支绕组相电流；
Kb——平衡系数，Kb=
1／
2，Kb=1时为完全纵差保护接线方式，Kb＞1时为不完全纵差保护接线方式。
（2）纵差保护的动作判据及动作特性：
纵差保护的动作判据为
Iop≥Iop，min,Ires＜Ires，min
Iop≥Iop，min+Kres（Ires-Ires，min），Ires＞Ires，min
式中Iop——差动电流；
Iop，min——最小动作电流整定值，一般取（0.3～0.5）
（
为发电机额定电流）；
Ires——制动电流；
Ires，min——最小制动电流整定值，一般取（0.8～1.0）
；
Kres－比率制动系数，一般取0.3～0.5。
当以上两个方程任一满足时，差动元件动作。
2．标积制动式发电机纵差保护原理
标积制动式发电机纵差保护是利用基波电流相量的标量积构成的比率制动特性的差动保护，是相量幅值比率制动的另一种形式。
电流参考方向同上。
标积制动式纵差保护的动作电流、制动电流及其动作判据为
动作电流IOP=|
1-
2|
制动电流Ires=S|
1||
2|cosθ
动作判据|
1-
2|≥S|
1||
2|cosθ
式中θ——
1和
2之间的相位差；
S——标积制动系数，通常取1。
当发电机正常运行或保护区外短路时，
1=
2,θ=0，制动量最大，动作量最小，保护可靠不动。
当保护区内短路时，
1=﹣
2,θ=180°，制动量为负值，动作量最大
，保护动作且灵敏。
（三）发电机纵差保护逻辑框图
采用循环闭锁方式动作逻辑的发电机纵差保护逻辑框图如图3-1-4所示。
当发电机纵差保护的两相或三相差动元件同时动作时，纵差保护才出口跳闸。
为防止一点在区内另一点在区外的两点接地故障发生，当有一相纵差元件动作且同时有负序电压时，纵差保护出口跳闸；若只有一相纵差元件动作而无负序电压时，判为TA断线；若负序电压长时间存在而无差电流时，判为TV断线。
二、变压器的纵联差动保护
变压器的纵联差动保护（简称纵差保护）不但可以正确区分内、外的短路，而且能瞬时切除保护区域内的故障。
因此，变压器纵差保护是变压器的主保护之一。
（一）变压器纵差保护的原理
变压器纵差保护基本原理与发电机纵差保护原理相似，按比较被保护变压器各侧电流的大小和相位的原理构成。
为了实现这一比较，在变压器各侧装设一组电流互感器TA，TA的一次电流回路的机性端节母线侧，将TA二次侧的同极性端子相连接。
如图3-1-5所示双绕组变压器纵差保护单相原理接线图。
显然，变压器纵差保护的范围为变压器各侧电流互感器TA所限定的全部区域，即变压器高低压绕组、套管、引出线等。
下面就图3-1-5所示双绕组变压器为例，分析变压器纵差保护原理。
1．正常运行和外部发生故障时
保护不动作；
2.变压器内部发生故障时
保护动作将故障切除。
（二）变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同之处
不同之处有以下几点：
1.变压器各侧的额定电压和额定电流各不相同，因各侧TA的型号不同，而且各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致。
这将使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器纵差保护的最大制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。
2.变压器高压绕组有调压分接头，有的还要求带负荷调节，使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都相应增大。
3.对于定子绕组的匝间短路，发电机纵差保护完全没有作用，变压器各侧绕组的匝间短路通过变压器铁心磁路的耦合改变了各侧电流的大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路保护作用。
4.无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，它们的完全纵差保护均不能动作，但变压器还可以依靠瓦斯保护或压力保护。
5.变压器纵差保护范围除包括各侧绕组外，还包括变压器的铁心，即变压器综合差保护区域内不仅有电路还有磁路。
三、发电机匝间短路保护
由于大容量发电机的额定电流很大，其每相定子绕组都有两个并联的分支绕组构成。
每个分支的匝间或分支之间的短路，就称为发电机定子绕组的匝间短路故障。
当定子绕组匝间短路时，被短接的部分绕组内将产生大的环流，引起故障处温度升高，绝缘损坏，并转换为单相接地故障或相间短路故障，损坏发电机。
因此在发电机上应装设定子匝间短路保护。
根据发电机匝间短路时的特点，可以提出各种不同原理的匝间短路保护方案。
（一）单元件式横联差动保护
发电机正常运行情况下，每相定子绕组的两个分支上电势相等，各供出一半负荷电流；当任一相绕组中发生匝间短路时，两个绕组中的电势不相等，因而在两个分支绕组中产生环流。
根据这特点，构成了发电机的匝间短路保护—单元件式横联差动保护。
1.保护的接线及其特点
如图3-1-6所示，单元件式横联差动保护采用一只电流互感器，装于两分支绕组中性点的连线上，利用分支绕组中性点之间连线上流过的零序电流来实现保护。
且该保护由于只采用一只电流互感器，不存在电流互感器特性不同引起的不平衡电流，所以保护接线简单，灵敏度高。
通常又称该保护为高灵敏的单元件式横联差动保护。
a
b
该保护实质上是把定子三相绕组的一半绕组中的三相电流之和与三相绕组的另一半绕组中的三相电流之和进行比较，利用发生各种匝间短路时中性点连线上的环流而实现的。
因此该保护只适合于：
（1）定子绕组中性点侧引出6个或4个端子的发电机;
（2）中性点侧引出端子较多的水轮发电机;
2.保护原理分析
该保护原理接线如图3-1-7所示
（1）正常运行或外部故障时:
保护装置装设了三次谐波滤过器1，以消除三
次谐波电流的影响，提高灵敏度。
所以，正常运行
或外部故障时，三次谐波滤过器1滤除了三次谐波
产生的不平衡电流
，通过带有延迟的保护装置2的电流小于其整定值，即
＜
，保护不动作。
（2）当定子绕组的同分支匝间短路时:
当同分支匝间短路时，由于故障支路和非故障支路电动势不等，有环流
产生，中性点连线上的电流互感器有故障电流
流过当
电流大于保护的动作电流整定值时，保护动作于跳闸。
（3）定子绕组同相不同分支之间发生短路时:
当同相的两个分支绕组间发生匝间短路，且
时，由于两个支路的电动势差，分别产生两个环流
和
。
此时中性点连线上流过的电流
=
，当
电流大于保护的动作电流整定值时，横联差动保护动作于跳闸。
（4）保护存在死区
由上述分析可知，单元件式横联差动保护有一定的死区。
当定子绕组同分支短路且短路匝数a很小时或者同相不同分支间的短路匝数相同及差别较小时，保护不能动作。
（二）纵向零序电压原理的匝间短路保护
零序电压原理的匝间保护是匝间短路保护的另一种方案。
该保护利用发电机定子绕组发生匝间短路时，机端三相对发电机中性点出现的零序电压而构成。
1.保护的构成原理
在发电机机端侧装设专用的电压互感器TV0，且TV0一次绕
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