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1、发电机母线保护第1页，本讲稿共53页第八章 发电机保护n发电机的安全运行对于保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用n同时，发电机本身也是十分昂贵的电气设备n因此，应该针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的发电机继电保护装置第2页，本讲稿共53页第一节 发电机的故障类型和不正常工作状态n发电机的故障类型：n定子绕组相间短路n定子一相绕组内的匝间短路n定子绕组单相接地n转子绕组一点接地或者两点接地n转子励磁回路励磁消失第3页，本讲稿共53页第一节 发电机的故障类型和不正常工作状态n发电机的不正常运行状态：n由于外部短路引起的定子绕组过电流n由于负荷超过发电机额定容量而引起的三
2、相对称过负荷n由外部不对称短路或不对称过负荷而引起的发电机负序过电流n由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压n由于励磁回路故障或者强励时间过长而引起的转子绕组过负荷n由于汽轮机汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等第4页，本讲稿共53页第二节 发电机的典型保护配置n针对发电机故障的典型保护配置：n定子绕组及其引出线的相间短路：纵差动保护n定子绕组的匝间短路：横差保护、双重横差保护n定子绕组单相接地故障：接地保护n励磁回路的一点接地故障：定期检测装置、励磁回路一点接地保护n励磁消失故障：专用失磁保护第5页，本讲稿共53页第二节 发电机的典型保护配置n针对发电机不正常运行状态的典型保护配置：n发电机外部
3、短路引起的过电流：负序过电流及不同类型的过电流保护n由对称负荷引起的发电机定子绕组过电流：过负荷保护n不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流：负序过电流保护n定子绕组过电压：过电压保护n转子回路的过负荷：转子过负荷保护n主汽门突然关闭而出现的发电机变电动机运行：逆功率保护n过励磁保护第6页，本讲稿共53页第二节 发电机的典型保护配置n其他保护配置：n当电力系统振荡影响机组安全运行时，在300MW机组上，宜装设失步保护n当汽轮机低频运行会造成机械振动，叶片损伤，对汽轮机危害极大时，可装设低频保护n当水冷发电机断水时，可装设断水保护n为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸
4、时，还必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，使定子绕组中不再感应出电动势，继续供给短路电流第7页，本讲稿共53页第三节 发电机定子绕组短路故障的保护n发电机定子绕组中性点一般不直接接地，而是通过高阻接地、消弧线圈接地或不接地，故发电机的定子绕组都设计为全绝缘n发电机定子绕组可能由于绝缘老化、或者过电压冲击、或者机械振动等原因发生单相接地和短路故障n发电机定子单相接地并不会引起大的短路电流，不属于严重的短路性故障n发电机内部短路故障主要是指定子的各种相间和匝间短路故障，短路故障时在发电机被短接的绕组中将会出现很大的短路电流，严重损伤发电机本体，甚至使发电机报废，危害十分严重n发电机定子绕组
5、的短路故障保护历来是发电机保护的研究重点之一第8页，本讲稿共53页第三节 发电机定子绕组短路故障的保护n近年来短路故障的统计数据表明，发电机及其机端引出线的故障中相间短路是最多的，是发电机保护考虑的重点针对发电机定子绕组相间短路，可以装设发电机纵差动保护：n当正常运行以及发生保护区外故障时，流入差动继电器的差动电流为零，继电器不动作n当发生发电机内部故障时，流入差动继电器的差动电流将会出现较大数值n当差动电流超过整定值时，继电器判为发生了发电机内部故障而作用于跳闸第9页，本讲稿共53页第三节 发电机定子绕组短路故障的保护n常规纵差动保护引入发电机定子机端和中性点的全部相电流，在定子绕组发生同相
6、匝间短路时两电流仍然相等，保护不能动作针对发电机定子绕组匝间短路，可以装设发电机横差动保护：n在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或两个以上并联分支绕组组成。正常运行时，各绕组流过相等的负荷电流n当同相内非等电位点发生匝间短路时，各绕组间出现环流n利用这个环流，可以实现发电机定子绕组匝间短路的保护第10页，本讲稿共53页第四节 发电机定子绕组单相接地保护n发电机容易发生绕组线棒和定子铁芯之间绝缘的破坏，因此发生单相接地故障的比例很高，约占定子故障的70%80%n由于大型发电机定子绕组对地电容比较大，当发电机机端附近发生接地故障时，故障点的电容电流比较大，影响发电机的安全运行n同
7、时，由于接地故障的存在，会引起弧光过电压，可能导致发电机其他位置绝缘的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路故障第11页，本讲稿共53页第四节 发电机定子绕组单相接地保护n为了限制定子绕组单相接地故障的故障电流，大型发电机有的装设了消弧线圈，通过消弧线圈的电感电流与接地电容电流相互抵消，把定子绕组单相接地电容电流限制在规定的允许值之内n有些发电机中性点采用了高阻接地方式，主要目的是限制发电机单相接地时的暂态过电压，但另一方面增大了故障电流。采用这种接地方式的发电机定子绕组应选择尽快跳闸第12页，本讲稿共53页第四节 发电机定子绕组单相接地保护n假设A相距离定子绕组中性点a处发生金属性接地故障n当接
8、地电容电流大于允许值时，不论该网络是否装有消弧线圈，接地保护动作于跳闸；当接地电流小于允许值时，接地保护动作于信号n定子绕组单相接地时机端出现零序电压，可以利用基波零序电压构成定子单相接地保护n故障点越靠近机端，零序电压越大，保护越灵敏；越靠近中性点，零序电压越小，保护越不灵敏n基波零序电压保护能够反映a0.15范围内的单相接地故障第13页，本讲稿共53页第四节 发电机定子绕组单相接地保护n发电机正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压UN3总是大于发电机端的三次谐波电压US3n发电机定子绕组单相接地时，中性点三次谐波电压和机端三次谐波电压变化情况如图所示n当故障点靠近中性点时，US3UN3；
9、当故障点靠近机端时，US3UN3时作为保护的动作条件，则在正常运行时保护不可能动作，而当中性点附近发生接地时，保护具有很高的灵敏性n利用三次谐波构成的接地保护，可以反应发电机定子绕组中a0.15范围内的单相接地故障，并且当故障点越靠近机端时，保护灵敏度越高n因此，利用三次谐波电压比值和基波零序电压的组合，可以构成100%的定子绕组单相接地保护第15页，本讲稿共53页其他发电机保护n发电机外部不对称短路或在正常运行情况下三相负荷不平衡n外部不对称短路或在正常运行情况下三相负荷不平衡时，定子绕组中会出现负序电流。基于这一特征，可以构成发电机负序过电流保护n发电机失磁n发电机失磁时，转子励磁绕组电压
10、会出现降低。基于这一特征，可以构成发电机失磁保护n发电机失步n根据发电机失步时机端测量阻抗的变化轨迹，可以构成发电机失步保护n发电机励磁回路接地故障n直流电桥式励磁回路一点接地保护、反应定子电压二次谐波分量的励磁回路两点接地保护第16页，本讲稿共53页上一堂课回顾n防止变压器励磁涌流引起纵差保护误动的方法n采用速饱和中间变流器n二次谐波制动的方法n间断角鉴别的方法n发电机保护n发电机的故障类型及不正常工作状态n发电机典型保护配置n发电机定子绕组短路故障保护n发电机定子绕组单相接地保护n其他保护第17页，本讲稿共53页上一堂课回顾n间断角鉴别的方法n间断角的整定值一般取65度，对于Y/d11接线
11、的三相变压器，非对称涌流的间断角比较大，间断角闭锁元件能够可靠动作；而对称性涌流的间断角可能较小，无法可靠动作n由于对称性涌流的波宽为120度，而故障电流的波宽为180度，可以在间断角判据的基础上再增加一个反应波宽的辅助判据，在波宽小于140度时也将差动保护闭锁间断角判据和波宽判据是否等价？波宽为120度，则间断角是否为确定值？第18页，本讲稿共53页上一堂课回顾nY/d11接线的三相变压器，空载合闸时三相磁通波形如下：第19页，本讲稿共53页上一堂课回顾n三相励磁电流波形如下所示：第20页，本讲稿共53页上一堂课回顾nb相和c相励磁电流波形及产生的对称性涌流波形：波宽：n对称性涌流的反向最大
12、值出现在b相电流为最小值时；正向最大值出现在c相电流为最小值时nb相电流最小值和c相电流最小值差120度，因此对称性涌流波宽为120度第21页，本讲稿共53页上一堂课回顾nb相和c相励磁电流波形及产生的对称性涌流波形：间断角：n对称性涌流的间断角由b相(c相)涌流的间断角决定n铁芯越饱和，涌流越大，间断角越小n铁芯饱和程度与剩磁、饱和磁通有关第22页，本讲稿共53页上一堂课回顾n改变b相和c相剩磁：n对称性涌流的波宽总是为120度n对称性涌流的间断角由b相(c相)涌流的间断角决定，与剩磁、饱和磁通等因素有关，并不是固定值n若对称性涌流的间断角过小，无法满足间断角闭锁判据，则可以辅助以波宽判据，
13、将保护可靠闭锁第23页，本讲稿共53页第九章 母线保护第24页，本讲稿共53页第一节 装设母线保护的基本原则n发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要组成元件n母线上发生故障时，将使连接在故障母线上的所有元件在修复故障母线期间，或转换到另一组无故障母线上运行以前被迫停电n此外，在电力系统中枢纽变电所的母线上发生故障时，还可能引起系统稳定的破坏，造成严重的后果第25页，本讲稿共53页第一节 装设母线保护的基本原则n母线上发生的短路故障可能是各种类型的接地和相间短路故障n母线短路故障类型的比例与输电线路不同。在输电线路的短路故障中，单相接地故障约占故障总数的80以上n而在母线故障中，大部分故障是
14、由绝缘子对地放电所引起的n母线故障开始阶段大多表现为单相接地故障，而随着短路电弧的移动，故障往往发展为两相或三相接地短路第26页，本讲稿共53页第一节 装设母线保护的基本原则一般来说，不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以把母线故障切除：n如图所示的发电厂采用单母线接线n若接于母线的线路对侧没有电源，此时母线上的故障就可以利用发电机的过电流保护使发电机的断路器跳闸予以切除第27页，本讲稿共53页第一节 装设母线保护的基本原则如图所示的降压变电所，其低压侧的母线正常时分开运行n若接于低压侧母线上的线路为馈电线路，则低压母线上的故障就可以由相应变压器的过电流保护使变压器断路器跳闸予以
15、切除第28页，本讲稿共53页第一节 装设母线保护的基本原则n当变电所B母线上d点短路时，则可以由保护1和4的第II段动作予以切除如图所示的双侧电源网络（或环形网络）第29页，本讲稿共53页第一节 装设母线保护的基本原则n但是，当利用供电元件的保护装置切除母线故障时，故障切除的时间一般较长。此外，当双母线同时运行或母线为分段单母线时，上述保护不能保证有选择性地切除故障母线n超高压枢纽变电站和大型发电厂的母线联系着各个地区系统和各台大型发电机组，母线发生短路直接破坏了各部分系统之间或各台机组之间的同步运行，严重影响电力系统的安全供电n对那些威胁电力系统稳定运行、使发电厂厂用电及重要负荷的供电电压低
16、于允许值的母线故障，必须装设有选择性的、快速母线保护第30页，本讲稿共53页第一节 装设母线保护的基本原则n在下列情况下应装设专门的母线保护：n110kV及以上的双母线或者分段单母线上，应装设专用的母线保护n110kV及以上的单母线，重要发电厂的35kV母线或者高压侧为110kV以上的重要降压变电所的35kV母线，应装设专用的母线保护第31页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理n为了满足速动性和选择性的要求，母线保护都是按差动原理构成的n实现母线差动保护所必须考虑的特点是在母线上一般连接着较多的电气元件，因此，就不能像元件差动保护只用简单的接线加以实现n不管母线上元件有多少，实现差动
17、保护的基本原则仍适用：n在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等n当母线上发生故障时，所有与母线连接的元件上的电流等于短路点的总电流n在正常运行及外部故障时，至少有一个元件中的电流相位和其余元件中的电流相位相反；而当母线故障时，除电流等于零的元件以外，其他元件中的电流是接近同相位的电流差动保护电流比相式差动保护第32页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理一、单母线完全电流差动保护1 保护原理n在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的电流互感器n所有TA的二次侧同极性端连接在一起，接至差动继电器中n差动继电器中的电流为各个母线连接元件二
18、次电流的向量和第33页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理一、单母线完全电流差动保护1 保护原理n正常运行及外部故障时，差动继电器流过电流为不平衡电流n母线上故障时，流入差动继电器为故障点的短路电流n此电流足够使差动继电器动作而驱动出口继电器，从而使所有连接元件的断路器跳闸第34页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理一、单母线完全电流差动保护2 差动电流元件的整定n躲开外部故障时所产生的最大不平衡电流n防止在正常运行情况下，任一TA二次回路断线引起保护装置误动作n灵敏度校验完全电流差动保护方式原理比较简单，通常适用于单母线或者双母线经常只有一组母线运行的情况！第35页，本讲
19、稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理n双母线是发电厂和变电所中广泛采用的一种母线方式n在发电厂以及重要变电所的高压母线上，一般都采用双母线同时运行（母线联络断路器经常投入），而每组母线上连接一部分（大约1/2）供电和受电元件的方式n这样，当任一组母线上发生故障，可只短时影响到一半的负荷供电，而另一组母线上的连接元件仍可继续运行，这就大大提高了供电的可靠性n但是，这种接线方式要求母线保护具有选择故障母线的能力n双母线同时运行时，若每组母线上连接的供电元件和受电元件的连接方式较为固定，则可以装设元件固定连接的双母线电流差动保护第36页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理二、元件固定连
20、接的双母线差动保护n元件固定连接的电流差动保护的主要部分由三组差动保护组成n第一组由TA1、TA2、TA5和差动继电器KD1（I母分差动）组成n第二组由TA3、TA4、TA6和差动继电器KD2（母分差动）组成n第三组实际上是由TA1、TA2、TA3、TA4和差动继电器KD3组成的一个完全电流差动（总差动）保护第37页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理二、元件固定连接的双母线差动保护nI母分差动用以选择第组母线上的故障n母分差动用以选择第组母线上的故障n总差动保护，当任一组母线上发生故障时，它都会动作；而当母线外部故障时，它不会动作第38页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原
21、理二、元件固定连接的双母线差动保护(1)正常运行及外部故障n当正常运行及母线外部故障时，流经继电器KD1、KD2和KD3的电流均为不平衡电流n保护装置已从定值上躲开不平衡电流，保护不会误动作第39页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理二、元件固定连接的双母线差动保护(2)I母故障n继电器KD1和KD3中流入全部故障电流，而继电器KD2中为不平衡电流，于是KD1和KD3起动nKD3 动作后使母联断路器QF5跳闸，KD1 动作后即可使断路器QF1和QF2跳闸，并发出相应的信号n这样就把发生故障的第组母线从电力系统中切除了，而没有故障的第组母线仍可继续运行第40页，本讲稿共53页第二节 母
22、线差动保护的基本原理二、元件固定连接的双母线差动保护(3)固定连接方式破坏n当连接支路1自母线切换到母线上工作时，由于差动保护的二次回路不能随着切换，因此，按原有接线工作的、两组母线的差动保护都不能正确反映母线上实际连接元件的电流和，在KD1和KD2中将出现差电流n在这种情况下保护的动作将无法选择在哪一组母线上发生了故障第41页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理二、元件固定连接的双母线差动保护n特点：n当母线按照固定连接方式运行时，保护装置可以保证有选择性地只切除发生故障的一组母线，而另一组母线可继续运行n当固定接线方式破坏时，任一母线上的故障都将导致切除两组母线，即保护失去选择性
23、n缺点：n从保护的角度看，希望尽量保证固定接线的运行方式不被破坏，这就必然限制了电力系统调度运行的灵活性，这是元件固定连接的双母线保护的主要缺点第42页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理三、母联电流比相式母线差动保护n包括一个起动元件KST和一个选择元件KDn启动元件接在除母联断路器外所有连接元件的二次电流之和回路中n选择元件是一个电流相位比较元件，它的一个线圈接入除母联断路器之外其他连接元件的二次电流之和；另一个线圈则接在母联断路器的电流互感器二次侧第43页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理三、母联电流比相式母线差动保护n启动元件的作用是区分两组母线的内部和外部故障。
24、只有在母线发生短路时，启动元件动作后整组母线保护才得以启动n选择元件利用比较母联断路器中电流与总差动电流的相位，选择出故障母线，并切除故障母线上所有断路器n基于这一原理，当母线上故障时，无论母线上元件如何连接，都可以选择出故障母线，保证保护的选择性I母线故障时，流过母联的电流是由母线I流向母线II；II母线故障时，流过母联的电流是由母线II流向母线I第44页，本讲稿共53页第二节 母线差动保护的基本原理三、母联电流比相式母线差动保护n特点：n当母线上故障时，无论母线上元件如何连接，都可以选择出故障母线，保证保护的选择性n优点：n母联电流比相式母线差动保护基本上克服了固定连接元件的双母线电流差动
25、保护缺乏灵活性的缺点，使之更加适合作双母线连接元件运行方式常常改变的母线保护第45页，本讲稿共53页第三节 母线保护的特殊问题及其对策一、电流互感器的饱和问题及母线保护常用的对策n由于母线上的连接元件众多，在发生近端区外故障时，故障支路电流可能非常大，其TA易发生饱和，有时可达极度饱和n这种情况对于普遍以差动保护作为主保护的母线而言极为不利，可能会导致母线差动保护误动作n目前国内较常采用的母线差动保护有中阻抗母线差动保护和数字式母线差动保护，并且在110kV及以上电压等级的电网广泛使用，具有较高的稳定性和可靠性。这两种保护中采用了多种抗TA饱和的方法第46页，本讲稿共53页第三节 母线保护的特
26、殊问题1 中阻抗母线差动保护抗TA饱和的主要措施n利用TA饱和时励磁阻抗降低的特点防止差动保护误动作n保护装置本身差动回路继电器的阻抗一般为几百欧，此时TA饱和造成的不平衡电流大部分被饱和TA的励磁阻抗分流，流入差动回路的电流很少，再加之中阻抗母线差动保护带有制动特性，可以使外部故障引起TA饱和时保护不误动n对于内部故障TA饱和的情况，利用差动保护的快速性在TA饱和前即动作于跳闸，不会出现拒动的现象第47页，本讲稿共53页第三节 母线保护的特殊问题2 数字式母线差动保护抗TA饱和的主要措施n采用带制动特性的母线差动保护n在TA饱和不是非常严重时，可以保证差动保护不误动作；当TA深度饱和时，无法
27、避免保护误动nTA线性区母线差动保护nTA进入饱和以后，在每个周波内的一次电流过零点附近存在不饱和时段nTA线性区母线差动保护利用TA的这一特性，在TA每个周波退出饱和的线性区内，投入差动保护。这种原理的保护避开了TA饱和区，能够对母线故障作出正确的判断n为了保证保护的正确动作，必须实时检测每个周波TA饱和与退出饱和的时刻。由于TA饱和时电流波形复杂，如何正确判断这些时刻是该保护的关键和难点第48页，本讲稿共53页第三节 母线保护的特殊问题2 数字式母线差动保护抗TA饱和的主要措施nTA饱和的同步识别法n外部故障时，TA在故障的最初瞬间不会饱和，在饱和之前差电流很小，母线差动电流元件不会误动作
28、；若以母线电压构成差动保护的启动元件，在区外故障发生时可以瞬时动作；差电流增大和母线电压降低不是同时发生的n内部故障时，差电流增大和母线电压降低同时发生nTA饱和的同步识别法利用这一特点，区分母线的区内、区外故障n在判别处母线区外故障TA饱和时，闭锁母线差动保护第49页，本讲稿共53页第三节 母线保护的特殊问题2 数字式母线差动保护抗TA饱和的主要措施n通过比较差动电流变化率鉴别TA饱和n外部故障TA饱和时，二次侧电流波形出现缺损，在饱和点附近二次侧电流的变化率突增；内部故障时，差电流基本按正弦规律变化，不会出现区外故障TA饱和条件下差电流突变较大的情况。可以利用差电流这一特点进行TA饱和的检
29、测nTA进入饱和需要时间，而在TA进入饱和之后，每个周波过零点附近都存在不饱和时段，在此时段内TA仍可不畸变地传变一次电流，差电流变化率很小。也可以利用差电流这一特点进行TA饱和的检测n检测到TA饱和时，将保护闭锁，避免保护误动作第50页，本讲稿共53页第三节 母线保护的特殊问题2 数字式母线差动保护抗TA饱和的主要措施n波形对称原理nTA饱和后，二次侧电流发生严重畸变，1周波内波形的对称性被破坏，分析波形的对称性可以判定TA是否饱和n谐波制动原理n区外故障TA饱和时，二次侧电流波形严重畸变，差电流波形实际上是饱和TA励磁支路的电流波形。此差电流含有大量的高次谐波n但是，内部故障时差电流的波形
30、接近于工频电流，谐波含量少n谐波制动原理利用TA饱和是差电流波形畸变的特点，根据差电流中谐波分量的波形特征检测TA是否饱和第51页，本讲稿共53页第三节 母线保护的特殊问题二、母线运行方式的切换及保护的自适应n各种主接线方式中以双母线接线运行最为复杂，母线上各种连接元件在运行中经常在两条母线上切换。因此，母线保护应能自动适应系统运行方式的变化，免去人工干预可能引起的误操作n针对这一问题，数字式母线保护的实现方法：n将运行于母线上的所有连接单元的隔离开关辅助触点引入保护装置，实时计算保护装置所采集的各连接元件负荷电流瞬时值n根据运行方式识别判据，来校验隔离开关辅助触点的正确性，校验确定它们无误以后，形成各个单元的运行方式字；若校验发现有误，保护装置则自动纠正其错误第52页，本讲稿共53页习题讲解第三章第1题求解AB线路上电流保护第I、II、III段的动作电流、动作时间和灵敏度第53页，本讲稿共53页