第四篇-继电保护配置及设备--汽轮发电机保护课件

第二章第二章 300MW汽轮发电机继电保护汽轮发电机继电保护2.1 概述 2.8 转子表层过热保护2.2 相间短路纵差保护 2.9 逆功率保护2.3 定子绕组匝间短路保护 2.10 低频异常运行保护2.4 定子绕组单相接地保护 2.11 定子绕组过电压保护2.5 低励失磁保护 2.12失步异常运行保护2.6 励磁电路点接地保护 2.13 定子绕组对称过负荷保护2.7 励磁电路两点接地保护 2.14 励磁回路过负荷保护1ppt课件2.1 概述 发电机结构复杂，发生故障的可能性较大，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。故障主要有：a)定子绕组相间短路故障；装设纵差保护；b)定于绕组匝间短路故障；装设匝间短路保护；c)定子绕组单相接地故障；定子绕组接地保护；d)发电机转子励磁绕组接地故障；装设转子回路点接地和两点接地保护；e)发电机失磁故障；装设失磁保护。2ppt课件 各种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，也需要装设相应的保护装置。如a)负序电流引起发电机转子表层过热。装设反时限不对称过负荷保护。b)对于对称过负荷，需装设反时限对称过负荷保护。c)对于励磁回路过负荷，装设反时限转子过负荷保护。d)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，装设逆功率保护。e)防止过激磁而损坏铁心，应装设过激磁保护。其它异常运行状态还有：定子绕组过电压，低频运行、非全相运行、失步运行等应按规程要求装设相应的保护。另外还需装设阻抗后备保护作为发变组的后备保护。a)当电压互感器或电流互感器回路发生断线故障时，会引起某些保护误动或拒动，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。b)与发电机运行直接有关的热力、机械、冷却系统也装设了各种保护，如热工保护、电机断水保护等。3ppt课件2.1 相间短路纵差保护纵差保护作用：反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。保护基本原理：比较发电机两侧的电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间故障。发电机纵联差动保护的构成的两侧电流互感器同变比、同型号。4ppt课件正常运行及外部故障时：5ppt课件保护区内故障：6ppt课件原理接线7ppt课件差动保护整定计算按电流互感器二次断线条件：按最大不平衡电流条件：两条件取较大值为整定值。：可靠系数；：发电机额定电流；保证电流互感器二次断线时保护不误动。躲过正常运行时的不平衡电流。8ppt课件比率制动式发电机纵差保护基本原理：是基于保护的动作电流随着外部故障的短路电流而产生的最大不平衡电流的增大而按比例的线性增大，且比最大不平衡电流增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作。制动电流：将外部故障的短路电流作为制动电流。差动电流：把流入差动回路的电流作为动作电流。对100MW以上的大容量发电机，使用具有比率制动特性的差动继电器。9ppt课件10ppt课件制动电流：差动电流：11ppt课件正常运行时制动电流外部短路时 制动电流数值大、差动电流数值小，保护不动作。差动电流制动电流12ppt课件内部故障时制动电流为：两侧短路电流之差，数值小。差动电流为：保护动作。发电机未并列时制动电流为：差动电流为：13ppt课件2.3 定子绕组匝间短路保护 在容量较大的发电机中，每相绕组有两个并联支路，每个支路的匝间或支路之间的短路称为匝间短路故障。由于纵差保护不能反映同一相的匝间短路，当出现同一相匝间短路后，如不及时处理，有可能发展成相间故障，造成发电机严重损坏，因此，在发电机上应该装设定子绕组的匝间短路保护。14ppt课件发电机零序电压匝间保护专用电压互感器的接入方式2.3.1反应零序电压的定子绕组匝间短路保护原理：当发电机定子绕组发生匝间短路时，机端三相电压对发电机中性点不对称，出现零序电压。15ppt课件零序电压继电器的动作电压按躲过正常运行时的不平衡电压整定。要求：为防止TV回路断线时造成保护误动作，需要装设电压回路断线闭锁装置。反应零序电压的匝间短路保护，还能反应定子绕组开焊故障。该保护原理简单，灵敏度较高，适于中性点只有3个引出端的发电机匝间短路保护。16ppt课件2.3.2 横联差动保护横联差动保护原理图切换片正常运行时投12位置,保护不带延时。转子一点接地时，投13位置，保护带延时，为转子两点接地故障做好准备。保护装设了3次谐波滤过器，降低保护动作电流，提高灵敏度。17ppt课件 正常运行或外部短路时，每一分支绕组供出该相电流的一半，流过中性点连线的电流只是不平衡电流，故保护不动作。发生定子绕组匝间短路，故障相绕组的两个分支的电势不相等，因而在定子绕组中出现环流，该电流大于保护的动作电流，则保护动作，跳开发电机断路器及灭磁开关。18ppt课件 保护动作值：动作电流：电流互感器变比：缺点单相分支匝间短路的较小时，即短接的匝数较少时，存在动作死区。同相两分支间匝间短路，当短路点位置差别较小时，也存在死区。19ppt课件2.3.3 负序功率方向闭锁的转子 二次谐波电流匝间短路保护原理：匝间短路在转子绕组出现2次谐波电流，利用此特点构成保护。20ppt课件正常运行、三相对称短路及系统振荡时，发电机定子绕组三相电流对称，保护不会动作。发电机不对称运行或不对称短路时，转子回路中将出现2次谐波电流。为了避免保护的误动，采用负序功率方向继电器闭锁的措施。原因：匝间短路时的负序功率方向与不对称运行时或发生不对称短路时的负序功率方向相反。21ppt课件2.4 定子绕组单相接地保护定子绕组单相接地的危害 接地电流会产生电弧，烧伤铁芯，使定子绕组铁芯叠片烧结在一起，造成检修困难。接地电流会破坏绕组绝缘，扩大事故，若一点接地未及时发现，很有可能发展成绕组的匝间或相间短路故障，严重损伤发电机。22ppt课件接地电流允许值：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小于等于50410.550100313.815.75125200218203001对大中型发电机定子绕组单相接地保护的基本要求：绕组有100%的保护范围。在绕组匝内发生经过渡电阻接地故障时，保护应有足够灵敏度。23ppt课件1、反应基波零序电压的接地保护每相对地电压为：故障点零序电压：结论：故障点零序电压与成正比，故障点离中性点越远，零序电压越高。24ppt课件在机端接地时：在中性点处接地时：25ppt课件保护构成零序电压保护原理接线缺点：保护在离中性点附近接地存在动作死区。26ppt课件提高保护灵敏度措施：加装3次谐波滤过器。高压侧中性点直接接地电网中，利用保护延时躲过高压侧接地故障。高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压侧接地出现的零序电压闭锁或者制动发电机接地保护。注意：在中性点附近接地仍有5%的死区。27ppt课件反应基波零序电压和3次谐波电压构成的发电机定子100%接地保护在发电机相电势中，除基波之外，还含有一定分量的谐波，其中主要是3次谐波，3次谐波值一般不超过基波10%。1）正常运行时定子绕组中3次谐波电压分布28ppt课件机端3次谐波电压：中性点谐波电压：比值：结论：正常运行时，机端3次谐波电压总是小于中性点3次谐波电压。29ppt课件2）定子绕组单相接地时3次谐波电压的分布有其比值为：结论30ppt课件零序电压随变化特性：结论当离中性点处不足50%的范围内接地，机端3次谐波电压大于中性点处3次谐波电压。正常情况：机端3次谐波小于中性点处3次谐波电压；原理：利用机端3次谐波电压作为动作量，利用中性点处3次谐波电压作为制动量，构成接地保护，越靠近中性点保护越灵敏。可与其它保护一起构成发电机定子100%接地保护。31ppt课件2.5 低励失磁保护 发电机失磁通常是指发电机励磁异常下降或励磁完全消失的故除一般将前者称为部分失磁或低励故障，后者则称为完全失磁故障。失磁过程中各主要电气量的变化情况发电机与系统的简化网络32ppt课件功角特性曲线转子运动方程33ppt课件(1)失磁到临界失步阶段(90)(2)90期间，、的变化失磁后有关相量的变化34ppt课件(3)不稳定运行阶段(90)异步状态时，发电机输出功率的变化情况(4)稳定的异步运行阶段35ppt课件(1)等有功阻抗图(90)失磁发电机机端测量阻抗的变化特性36ppt课件等有功阻抗圆37ppt课件(2)等无功阻抗圆(=90)38ppt课件临界失步(或静稳极限)阻抗圆39ppt课件(3)稳态异步运行阻抗圆发电机异步运行等值电路异步运行阻抗圆40ppt课件允许无励磁运行发电机失磁保护的动作区(a)XS大时 (b)XS小时失磁保护的构成方式41ppt课件失磁保护构成方案失磁保护的构成原理42ppt课件2.6 励磁回路一点接地保护转子一点接地保护测量网络43ppt课件2.7励磁回路两点接地保护电桥原理转子两点接地继电器电路原理接线及方框图44ppt课件2.8 转子表层过热(负序电流)保护(1)转子发热特点及负序电流反时限动作判据 发电机在不对称负荷状态下运行，外部不对称短路或内部故障时，定子绕组将流过负序电流，它所产生的旋转磁场的方向与转子运动方向相反，以两倍同步转速切割转子，在转子本体、槽楔及励磁绕组中感生倍频电流，引起额外的损耗和发热。须装设与其承受负序电流能力相匹配的负序电流保护，又称为转子表层过热保护。45ppt课件转子表层过热保护方案原理方框图46ppt课件(2)转子表层过热保护方案负序反时限过电流继电器反时限特性47ppt课件2.9 发电机的逆功率保护 在汽轮机发电机组上，由于各种原因误将主汽门关闭，则在发电机断路器跳闸之前，发电机将迅速转为电动机运行，即逆功率运行。逆功率运行对发电机并无危害，但由于残留在汽轮机尾部的蒸汽与长叶片摩擦，会使叶片过热，因此一般规定逆功率运行不得超过3mtn，所以大型汽轮发电机规定装设逆功率保护。逆功率的大小决定于发电机和汽轮机的有功功率损耗，一般最大不超过额定有功功率的10，最小仅为1。在发生逆功率时，往往无功功率很大，故要求在视在功率(主要是无功功率)很大的情况下，检测出很小的有功功率方向，并且要求在无功功率很大的变化范围内保持继电器的有功功率动作值基本稳定不变，因此需要专门设计逆功率继电器来满足上述要求。48ppt课件判据：49ppt课件2.10 发电机低频异常运行保护 频率升高与降低均会对汽轮机的安全带来危险，但通常对频率升高的限制较严格，控制措施相对完善一些、而低频率异常运行多发生在重负荷下，对汽轮机的威胁更为严重；另外，对于极端低频工况，还将威胁厂用电的安全。因此，目前发电机一般只装设低频异常运行保护(简称低频保护)。发电机低频保护通常由以下几部分组成：(1)高精度频率测量回路。(2)频率分段启动回路。(3)低频运行时间累计回路。(4)分段允许时间整定及出口回路。50ppt课件2.11定子绕组过电压保护 大型汽轮发电机出现危及绝缘安全的过电压是比较常见的故障，要求装设过电压保护。我国通常采用一段式定时限过电压保护，其原因之一是大型发电机变压器组已装有较完善的反时限过励磁保护，该保护在工频下亦能够反映过电压，因此，单纯过电压保护不宜很复杂。一段式定时限过电压保护非常简单，由一个过电压元件和一个时间元件构成。可根据发电机的具体要求，依动作电压整定值的大小而取相应的延时。保护动作于解列灭磁或程序跳闸。51ppt课件2.12发电机失步异常运行保护 当出现小的扰动和调节失误使发电机与系统间的功率角大于静稳极限角时，发电机将因静稳破坏而发生失步；当出现某些大的扰动(如短路故障)处理不当或不及时，若发电机与系统间的功率角大于动稳极限角时，发电机将因不能保持动态稳定而失步。对于失步保护的基本要求是：失步保护应能鉴别短路故障、稳定振荡和非稳定振荡，且只在发生非稳定振荡时可靠动作，而在发生短路故障和稳定振荡情况下，不应当误动作。52ppt课件失步保护常用的原理之一是：以机端测量阻抗运动轨迹及其随时间的变化特征来构成失步保护判据。两机系统失步阻抗振荡轨迹53ppt课件54ppt课件判据55ppt课件失步继电器特性失步继电器在阻抗平面上的动作特性如右图所示，该特性由以下三部分曲线构成：(1)透镜。把阻抗平面分为I、A，即内外两部分；(2)阻挡器。把阻抗平面分为I、R，即左右两部分；(3)电抗线。把阻抗平面分为O、U，即上下两部。56ppt课件2.13 定子绕组对称过负荷保护 对于大型机组，为了避免绕组温升过高，必须装设较完善的定子绕组对称过负荷保护，限制发电机的过负荷量。从限制定子绕组温升的角度，实际上就是要限制定子绕组电流，所以对称过负荷保护，就是定子绕组对称过电流保护。定子过负荷保护的设计取决于发电机在一定过负荷倍数下允许过负荷时间，而这一点是与具体发电机的结构及冷却方式有关的。汽轮发电机的允许过负荷倍数与允许时间关系见下表。汽轮发电机的允许过负荷倍数与允许时间57ppt课件 若不考虑散热过程，定子对称过负荷反时限动作特性为：实际计算时应考虑过负荷过程绕组散热效应，尤其对于长延时应加以考虑。为此，在保证发电机安全的前提下，对上式适当修改为58ppt课件2.14 励磁回路过负荷保护 励磁回路过负荷主要是指发电机励磁绕组过负荷(过流)。发电机励磁绕组过负荷保护可以配置在直流侧，也可配置在交流侧，仅前者往往需要比较复杂的直流变换设备(直流电流互感器或分流器)。为了简化保护输入设备，并使励磁绕组过负荷保护能兼作交流励磁机、整流装置及其引出线的短路保护，常把励磁回路过负荷保护配置在交流励磁发电机的中性点侧，不过这时装置的动作电流要计及整流系数，并换算到交流侧。59ppt课件