电机发电机变压器的特点及保护配置.docx

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电机发电机变压器的特点及保护配置

1.绪论

1.1.大型机组的特点

1.2.大型机组继电保护的配置

2.大型机组的继电保护

2.1.发电机差动保护

2.2.变压器差动保护

2.3.发电机定子匝间短路保护

2.4.发电机定子接地保护

2.5.阻抗保护

2.6.负序电流保护

2.7.变压器零序保护

2.8.发电机失磁保护

2.9.发电机过负荷保护

2.10.励磁绕组的过负荷保护

2.11.过励磁保护

2.12.发电机过电压保护

2.13.意外加电压保护

2.14.发电机低频保护

2.15.逆功率保护

2.16.发电机失步保护

2.17.断路器失灵保护

2.18.发电机断水保护

2.19.变压器瓦斯保护

2.20.变压器冷却器全停保护

3.大型发电机组继电保护的实用举例

3.1.吴泾二厂600MW发电机组继电保护的配置

3.2.发变组数字式保护装置简介及组屏

3.2.发电机故障举例分析

附：

1.发变组保护配置图

2.发变组的整定计算

1.绪论

1.1.大型机组的特点

随着电力系统的发展，单机容量的不断增大，大型机组的安全运行已日益引起人们的重视。

由于大型发机组在国民经济中举足轻重，提高其继电保护水平，已是保证电力生产安全发供电的一项重要任务。

与中小型机组相比，大型机组的特点如下：

1.1.1.电抗增大短路比减小

表1—1部分汽轮发电机参数

容量

短路比fKo

Xd”

表么值

Xd’

标么值

Td’

Td”

100及

以下

0.70

0.125

0.21

0.11

0.10-0.16

0.11

300

0.636

0.168

0.223

0.041

0.219

0.09

0.041

600

0.54

0.22

0.35

0.035

0.35

1.20

0.035

表1—1示出了标准中小型汽轮发电机及部分大型汽轮发电机的参数。

由表可见，大型机组的电抗要比中小型机组明显增大，相应短路比则减小到0.65以下，因此大型机组的短路电流普遍下降，对继电保护动作灵敏性明显不利。

大型机组电抗的增大，还使发电机的平均转矩由中小型机组的2—3倍额定转矩降低至额定转矩左右，以致失磁异步运行时滑差加大，相应从系统吸取感性无功增多，将威胁系统的稳定运行。

另外，Xd的增大则使机组输出自然功率极限Pm降低，由此造成机组静稳储备系数Kch减小，因此在系统受到较大扰动时易失去静态稳定。

1.1.2.定子回路时间常数Ta增大

由表1—1可见，大型机组Ta以及它与Td”的比值均显著增大，亦即短路电流中的非周期分量相对周期分量的衰减要缓慢得多，这不仅使断路器遮断条件恶化，而且还加重了转子附加发热，此外电流互感器也易饱和，以致影响继电保护工作。

1.1.3.惯性时间常数降低

大型机组尽管容量增大，但由于其材料利用率较高，故其体积和重量并不随之成比例增大，由此其惯性时间常数降低，在扰动下，机组易于失步，发生振荡。

1.1.4.热容量减小

大型机组为提高材料利用率，普遍采用直冷方式。

如目前采用的水、氢、氢冷却方式，由此不仅使冷却系统复杂，易出故障，而且机组承受过负荷的能力也显著降低。

大型机组与中小型机组相比，1.5倍额定电流的允许持续时间由120秒降至33秒，2倍转子额定电流的允许持续时间由30秒降至15秒，而转子承受负序电流的能力（I22t）则由30—40s降至10s。

1.1.5.轴向长度与直径之比增大

单机容量的增大，使机组轴向长度与直径之比明显增大，此使机组运行时振动加剧，匝间绝缘磨损加快，易导致匝间短路和冷却系统故障。

1.1.6.多采用发电机—变压器单元结线

大型机组为简化配电装置结构，降低基建造价和故障几率，普遍采用发电机—变压器单元结线，此使机组与系统之间阻抗比例发生变化，因此振荡中心易落在机端附近，使振荡过程对机组及厂用电系统影响加剧。

1.1.7.励磁系统复杂

大型机组励磁系统环节多，结构复杂，故障几率大，由其引起的机组过电压、过励磁及失磁现象亦相应增多。

1.1.8.忌讳频繁起停

大型汽轮发电机组起停特别费时耗钱，因此不宜频繁起停，更忌紧急跳闸停机。

1.2.大型机组继电保护的配置

1.2.1.配置原则

大型机组造价昂贵，在系统中作用重要，一旦发生故障，不仅危及机组，而且严重影响系统安全运行，酿成巨大经济损失和恶劣社会影响，因此在考虑其继电保护的总体配置时，应辨证权衡，力求合理，完善和可靠，着眼点既要将机组损害降至最低，又要避免不必要的突然停机，以确保系统安全运行。

1.2.2.大型机组继电保护的配置特点

a）快速保护实行了双重化配置。

如：

发电机、主变及高压厂变均配置了两套彼此独立的差动保护，确保快速切除故障，满足系统稳定要求。

同时配置了定子匝间短路保护，以弥补差动保护的不足，防护定子匝间短路的危害。

b）强化了后备保护的配置，使机组在各种短路时都有完善的后备保护。

由于大型发电机通常与升压变压器采用单元制接线，在它们之间一般不装设断路器，因此在考虑它们的后备保护时，多把它们视为一个整体。

c）针对大型机组各种危及安全运行的异常工况，配置了比较齐全的异常运行保护，如定子接地、定子对称过负荷、逆功率、失磁、失步、持续低频、意外加电压、过电压和过激磁等保护。

d）针对220kV系统单相接地几率大（约占各类故障的80%—90%）和主变中性点接地可能变化的特点，在变压器中性点配置了比较完善的二段式零序电流保护和零序电压保护，并兼作相邻线路单相接地的远后备保护。

e）由于大型机组热容量小，承受负序电流的能力较差，因此对后备保护的动作时间要求就十分苛刻，以我厂600MW机组为例，其承受负序电流的能力为10A，如不考虑短路电流衰减，则在机端以及主变高压侧发生两相短路时的允许时间分别为1.13秒和3.09秒，如计及非周期分期的影响，则允许的时间还要缩短。

因此同中小型机组后备保护的动作时间相比大型机组后备保护的动作时间要短得多。

f）由于一般母线保护多为单套配置，有时母线保护还因某种原因（如调试、检修、试验或消缺）需退出运行，故往往采用发变组后备保护兼作母线的近后备保护。

g）主变高压侧专门配置了非全相保护和开关失灵保护，以防止发变组出口断路器非全相运行及保护动作、开关拒动时，由相邻元件后备保护切除故障，时间过长的弊端。

2.大型机组的继电保护

2.1.发电机差动保护

发电机定子相间故障是一种严重短路故障，其对机组的危害相当严重，将会造成很大的经济损失。

针对大型机组电抗增加，短路电流水平下降的特点，为避免外部故障时保护误动，都采用按比率制动原理构成的继电器组成差动保护。

其灵敏度和快速性较过去的BCH-2型继电器有明显提高。

2.2.变压器差动保护

2.2.1.变压器差动保护的特点

就工作原理而言，变压器差动保护与发电机差动保护相同，所不同的是前者建立在各侧磁势（IW）相等的基础上，后者建立在两侧电流相等的基础上，另外就是变压器差动不平衡电流远比发电机差动不平衡电流为大。

2.2.1.1.差动不平衡电流大

变压器正常运行时有励磁电流。

由于该电流只流经变压器的电源侧，因此通过电流互感器反应到差动回路中，就构成不平衡电流。

在正常情况下，此电流很小，一般不超过额定电流的3%—5%，在外部故障时，由于电压降低，励磁电流也减小，它们影响就更小，因此在实际整定时可不予考虑。

2.2.1.2.变压器励磁涌流大

在变压器空载投入时和外部短路故障切除后的暂态过程中，可能会产生很大的励磁涌流。

在最不利的瞬间（电压瞬时值过零）投入变压器。

如铁芯中的剩磁（φsy）的方向和暂态过程中的非周期磁通（φfzq）的方向一致时，则铁芯中的总磁通可达到φΣzd=2φzg+φsy（φzg为周期分量磁通，在加入电压的瞬间，如忽略剩余磁通φsy，则由于φΣ=0；所以φfzq=-φzq，在经历半个周期后，如不考虑φfzq衰减，则φΣzd=2φzq。

）。

由此铁芯严重饱和，造成励磁电流的增长远较磁通的增长为快，并在极短的时间内达到很大的数值，其值可达变压器额定电流的8—10倍。

同时电流中含有数值很大的非周期分量和大量高次谐波（主要是二次谐波和三次谐波），因此励磁涌流的变化曲线为尖顶波，并且在最初瞬间几乎全部偏于时间轴的一边，励磁涌流在开始瞬间衰减较快（经0.5—1秒后，其值通常不超过额定值的0.25—0.5倍），但在大型变压器中，要完全衰减则需要经过几十秒的时间。

消除励磁涌流影响的方法:

a）利用提高保护的动作值来躲过励磁涌流，这样整定的保护叫差动电流速断元件，它的缺点是灵敏度往往不高（如LCD-5A型继电器即附有该元件）。

b）利用中间速饱和变流器在非周期分量的影响下急剧饱和，传变性能变坏的原理来躲过励磁涌流（如BCH—1，BCH—4型差动继电器）。

c）利用带短路线圈的速饱和变流器来躲过励磁涌流（如BCH—2型差动继电器）。

d）利用二次谐波制动（如LCD—5A型差动继电器）。

2.2.1.3.变压器两侧电流相位不同

如变压器采用Y/△—11接线方式时，两侧电流之间就有30˚的相位差。

因此，即使两侧电流互感器二次电流数值相等，但相位不同在差动回路中仍会有不平衡电流产生。

为消除该不平衡电流，应针对变压器接线方式，相应对两侧电流互感器采用不同接线方式（如对Y/△—11接线方式变压器，变压器Y形侧的电流互感器接成三角形，△形侧的电流互感器接成星形。

），以校正其次级电流相位。

2.2.1.4.电流互感器的变比无法选得完全合适

变压器各侧电流值不同，为使它们次级电流相等，一般通过选择不同变比的电流互感器以满足要求。

但实际情况是产品的标准变比不可能正好和计算变比完全相同，由此势必产生不平衡电流。

消除该不平衡电流的方法：

a）用辅助自耦变流器或特制专用辅助变流器。

b）用差动继电器的平衡线圈（如BCH型继电器）。

2.2.1.5.电流互感器的型式不同

变压器由于各侧电流、电压值均不同，因此各侧电流互感器型号也就很难选得一致。

这就意味着电流互感器磁化特性和励磁电流有差异，此差异势必形成差动不平衡电流，为躲过此不平衡电流，一般需通过整定计算，从定值上以求躲过。

2.2.1.6.带负荷调压的变压器在运行中需要改变分接头

变压器在运行中往往需要根据系统运行电压的要求而改变调压抽头，这一改变势必改变变压器的变比，由此又要产生新的不平衡电流。

为消除此不平衡电流，随之不断改变辅助自耦变流器的变比或继电器平衡线圈的匝数是不现实的，因此，只能通过提高继电器的定值以求躲过。

2.3.发电机定子匝间短路保护

2.3.1.概述

2.3.1.1.产生定子匝间短路的原因

发电机在正常运行中，定子绕组由于电晕腐蚀、长期受热、机械振动以及机械磨损等因素的影响，匝间绝缘将会逐步劣化，如一旦遭受雷电波或操作过电压的冲击，便会经受严峻考验。

由于冲击电压波沿定子绕组的分布是不均匀的，并且波头越陡，分布越不均匀，如一个波头为3MS的冲击波，在绕组的第一个匝间可能承受全部冲击电压的25%，因此匝间电压的这种严重异常分布不仅会加速匝间绝缘急速老化，而且完全可能是致命一击，立即引发定子绕组的部分匝间绝缘击穿。

其后，在匝间电势的作用下，短路绕组内将形成甚大的短路环流，理论分析表明，其值甚致超过机端三相短路电流，因此定子绕组匝间短路是发电机不容忽视的一种严重故障形式。

2.3.1.2.装设定子匝间短路保护的必要性

a）故障统计表明，在发电机各类型式的故障中，定子匝间短路占有一定比例，如前所述，其危害较大，严重时将超过出口三相短路，此对造价昂贵的大型机组是不允许的。

b）定子接地保护不能完全代替定子匝间短路保护。

这是因为已经劣化或受到机械损伤的定子绕组在受到外来电压波的冲击下首先发生的将是匝间短路而不是接地短路，如待匝间短路演变为定子接地，则往往遗误时机，使机组破坏达到难以容忍的地步。

c）实践表明，发电机在运行中尚有开焊断线的可能，其危害同样不容忽视，虽然其并非匝间短路，但一些性能完善的定子匝间短路保护，同样亦能反映，因此配置定子匝间短路保护往往可收到“一箭双雕”之功效。

2.3.1.3.定子匝间短路保护的类型

a）横差保护

b）二次谐波定子匝间短路保护

c）负序功率方向保护

d）零序电压定子匝间短路保护

目前在大型机组中使用较多的是利用定子匝间短路后三相电势对称性遭受破坏，机端出现纵向（各相对中性点）零序电压的原理来构成。

定子匝间短路保护其结构简单，但需装设专供保护使用的全绝缘电压互感器。

2.3.2.零序电压定子匝间短路保护

2.3.2.1.工作原理

其继电器输入电压接于机端压变的开口三角形绕组侧，为躲开定子接地时的横向（机端各相对地）零序电压，确保准确获取纵向零序电压，此初级绕组接成星形，其中性点与发电机直接相连，并采取不接地方式。

按此接线后，在发电机出口发生单相接地时，中性点对地电压将会升高到相电压，为此，压变初级绕组绝缘要求按全电压水平构成。

2.3.2.2.保护动作情况

发电机正常运行或外部相间短路时，由于机端电压无零序电压分量，开口三角形绕组反映的只是不平衡电压，继电器可从定值上考虑躲过，故保护不会动作。

发电机定子绕组或外部发生接地故障时，机端三相对中性点电压仍保持对称。

虽然此时故障相对地电压为零，机端三相对地电压已不再对称，亦即有横向（相对地）零序电压出现，但由于该保护的PT一次绕组中性点并不接地，对横向零序电压并不反映，开口三角绕组反映的乃是各相对中性点的零序电压（即纵向零序电压），故开口三角绕组输出仍为不平衡电压，保护也不会动作。

当发电机定子绕组发生匝间短路或对中性点不对称的各种相间短路时，发电机机端三相对中性点电压的对称性遭到破坏，由此出现纵向零序电压，保护动作。

为提高可靠性，在匝间保护中还可引入负序功率方向元件作为闭锁。

另外，为防止在该PT原方回路发生一相或两相断线时（如熔断器熔断）开口三角绕组将会出现相当于发电机相电压的不平衡电压，或在该PT付方另一星形绕组回路发生一相或两相断线时，由于三相磁通不平衡，开口三相绕组也会出现较大不平衡电压，可能造成保护误动，专门配置了电压回路断线闭锁回路。

2.4.发电机定子接地保护

2.4.1.概述

定子绕组单相接地是发电机最常见的一种故障形式，随着大型机组新型冷却技术的应用，其发生几率也愈加增大，因定子接地而损坏电机的事故发生多起。

发电机定子接地的危害程度取决于接地电流的大小。

过去，我国规定定子接地故障电流允许值为5A，这是根据苏联30年代对接地电容电流与允许持续时间关系的研究，并且以故障区铁芯熔介直径不超过1公分，无须拆散修理为前提而制定的标准。

随着电力生产的发展和大型机组的投产应用，实践表明，这个标准需要加以修正。

根据我国1980年左右专题研究结果，为了避免定子铁芯叠片烧结和防止其发展成相间短路或匝间短路，大型机组定子接地电流允许值仅为1—2A（表2—1）。

不难看出，这对定子接地保护性能提出了以下更高的要求：

a）应具有100%保护区（即无动作死区）

此点很重要，因为尽管大型机组的定子绕组按全绝缘水平设计，并且中性点在正常运行时电位甚低，但由于大型机组多采用水内冷技术，中性点因渗漏引起绝缘老化而致接地故障仍是可能的，如果保护不能对此反映，则势必发展成严重的相间短路或匝间短路，后果将难以设想。

表2—1接地电流允许值

发电机额定电压（kV）

发电机额定容量（MW）

接地电流允许值（A）

6.3

≤50

10.5

50—100

13.8—15.75

125—200

18—20

300—600

b）应灵敏可靠

确切地说，就是在定子绕组内任何一处发生接地故障，保护均应有足够的灵敏度。

此点对大型机组尤有特殊意义，因为渗漏所引起的绝缘老化毕竟有个渐变过程，如果保护能在定子绕组某点（特别是中性点）绝缘老化的早期阶段（此时可视成该点经中间电阻接地）即能灵敏反映，则可有效地制止故障发展。

否则，持续的漏水不仅使渗漏处绝缘进一步劣化，而且还可能损坏同一线槽其它导线或相邻线槽导线绝缘，以致最后发展成危险的两点接地短路，其后果同样难以设想。

接地保护的灵敏度，通常以定子绕组中性点发生接地时保护能够动作的最大过渡电阻值恒量，一般不应低于5—10K，原则上是在100%保护区的前提下愈高愈好。

2.4.2.100%定子接地保护

其由反映机端零序电压的零序电压元件和反映机端及中性点三次谐波电压差值的三次谐波电压元件组成。

利用三次谐波电压覆盖电压死区。

2.4.2.1.零序电压元件

零序电压取自机端电压互感器。

正常运行时，机端三相电压基本对称，机端压变开口三角形绕组输出为不平衡电压（一般不超过10V），由于元件已在定值上考虑躲过，故保护不会动作。

定子绕组接地时，如接地点不在绕组中性点位置，则机端三相对地电压对称性遭破坏，由此机端将出现零序电压，其大小与接地位置有关如图2—1所示，设接地点位于A相，其从中性点算起，占该相总匝数的百分比为α，接地处各相对地电压分别为：

UAd＝0

UBd=αEB-αEA

UCd=αEC-αEA

接地处各相对地零序电压为：

UAo=UBo=UCo

=1/3（UAα+UBα+UCα）

=1/3[0+（αEB-αEA）+（αEC-αEA）]

=1/3[α（EA+EB+EC）-3αEA]

=αEA

由于接地电流非常小，定子绕组感抗又远小于对地容抗，所以可以忽略零序电流在定子绕组上的压降，这样接地处零序电压UAo既是发电机中性点的位移电压，也是发电机机端任一相对地零序电压，其反映到机端压变开口三角绕组的有效值为：

当接地点在机端时，α=1，Uo=EA，压变开口三角形绕组电压为100V；

当接地点在中性侧时，α=0，Uo=0，压变开口三角形绕组电压为零。

图2—1

αEB

αEC

αEA

3UA0

UCd

UBd

αEAUAd（1-α）EAUA

αEBUBd（1-α）EBUB

αECUCd（1-α）ECUC

开口三角形绕组电压随接地点位置的变化关系如图2—2所示。

100

图2—2

3U0.2（V）

020406080100

α（%）

由图可见，零序电压元件的定值实际上即决定了元件保护区的大小，其值愈小，保护范围就愈大，相应保护死区也愈小。

如元件定值为20V，则自定子绕组引线端算起，在80%的定子绕组范围内发生接地故障，保护均能反映，尚余20%的定子绕组即为保护死区。

为了扩大保护区，缩小死区，就应减小元件定值，但应注意，元件的定值并非可以随意变动，它的确定应以可靠躲过不平衡电压为前提，否则在正常运行中将有误动的危险，这是不允许的。

此外还应指出，过分追求元件小定值亦无意义，因为如果接地点在中性侧时，实际并无零序电压，此时即使元件定值再小，也无法反映。

所以零序电压元件保护死区的出现是由于零序电压不能反映所有接地，亦即由于保护本身的构成原理所带来的缺憾，因此仅靠零序电压元件本身是无法彻底解决死区问题的，必须另辟蹊径，由此三次谐波电压元件应运而生。

2.4.2.2.三次谐波电压元件

a）三次谐波电压的由来

实践表明，发电机不论容量大小，也不论是隐极机或凸极机，由于气隙磁场波形不可能完全按正弦分布，加之定子齿槽对磁路均匀的破坏，磁路饱和以及电枢反映等因素的影响，在定子绕组的感应电势中除了基波以外，总会有一些高次谐波成份，它们中的5次、7次谐波对发电机电势波形、效率及运行性能影响最大，故在结构设计和工艺制造中，都被极大地予以削弱，而三次谐波则因其具有零序性质，对线电压影响不大而未引起人们注意，从而得以比较大的比例留存下来。

据实侧，在汽轮发电机相电压中，三次谐波电压一般可为额定电压的千分之几到百分之十左右。

b）发电机正常运行时，三次谐波电压的分布

3Cm

3Cf

（b）合成等值电路图

（a）三相等值电路图

图2—3发电机正常运行时三次谐波等值电路图

发电机正常运行时，三次谐波等值电路如图2—3所示，图中，E3为发电机三次谐波相电势，Us和Un分别为机端和中性点对地三次谐波电压，Cf为发电机定子绕组每相对地分布电容。

Cm为发电机机端各元件的每相对地电容（包括升压变压器低压绕组，高压厂变绕组以及电压互感器等）。

由图可见，发电机机端及中性点对地容抗分别为：

XS=1/[ω（3/2Cf+3Cm）]=1/[3ω（Cf/2+Cm）]

XN=1/（3/2ωCf）=2/（3ωCf）

机端三次谐波对地电压为：

US=E3/（XS+XN）XS

中性点三次谐波对地电压为：

UN=E3/（XS+XN）XN

它们之间的比值为：

US/UN=XS/XN={1/[3ω（Cf/2+Cm）]}/[2/（3ωCf）]

=Cf/（Cf+2Cm）<1

所以UN>US，即在发电机正常运行时，中性点三次谐波电压总是大于机端三次谐波电压。

c）发电机定子绕组单相接地时的三次谐波电压分布

设接地点位于某相定子绕组α处（α为接地点至中性点之间的匝数占该相总匝数的百分比），其等值电路图如图2—4所示。

αE3（1-α）E3

Cm+

αE3（1-α）E3

（a）三相等值电路图

（b）合成等值电路图

Cm+

3Cf

图2—4发电机定子接地时三次谐波等值电路图

由图可见：

US=（1-α）E3

UN=αE3

它们之间的比值为：

US/UN=（1-α）E3/αE3=（1-α）/α

如α=0则US/UN→∞　　　即US>>UN;

如α=50%则US/UN=1　　　即US=UN;

如α=100%则US/UN=0　　即US<

由上分析可见，只要接地发生在距中性点50%的定子绕组区域内，机端三次谐波电压总是大于中性点三次谐波电压，并且接地点愈近中性点，其差值也愈大，由此启示人们，如以机端三次谐波电压作为动作量，而以中性点三次谐波电压为制动量，即可覆盖零序电压元件的死区。

构成100%

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