水轮发电机的保护.ppt

水电站自动化,重庆电力高等专科学校,第五章 水轮发电机的继电保护,5-1水轮发电机的故障、异常工作状态及保护装置5-2水轮发电机的纵联差动保护5-3水轮发电机定子匝间短路保护5-4水轮发电机的电流电压保护5-5水轮发电机定子接地保护5-6水轮发电机转子绕组接地保护5-7水轮发电机的失磁保护5-8水轮发电机失步保护5-9水轮发电机过励磁保护5-10水轮发电机逆功率保护5-11水轮发电机轴电流保护5-12水轮发电机保护回路接线图举例5-13发电机-变压器组的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-1水轮发电机的故障、异常工作状态及保护装置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。1、水轮发电机的故障2、水轮发电机的异常工作状态3、水轮发电机保护配置,第五章 水轮发电机的继电保护,一、水轮发电机的故障1、发电机定子绕组相间短路 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。2、发电机定子绕组匝间短路 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，扩大发电机损坏范围。3、发电机定子绕组单相接地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间较长时，会使铁芯局部熔化。,第五章 水轮发电机的继电保护,一、水轮发电机的故障4、发电机转子绕组一点接地和两点接地转子绕组一点接地，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，不但会烧毁转子绕组，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剧烈振动，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坏各轴承与轴瓦之间的间隙，造成“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接地现象出现。5、发电机失磁由于转子绕组断线、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。故不允许发电机失磁后继续运行。,第五章 水轮发电机的继电保护,二、发电机的不正常工作状态1、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。2、过负荷3、过电压特别是水轮发电机，因其调速系统惯性大，在突然甩负荷时，将引起过电压。4、逆功率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。,第五章 水轮发电机的继电保护,三、水力发电机的保护配置（一）一般原则 电压在3kV及以上、容量在6MW以上550MW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，装设相应的保护装置：1、定子绕组相间短路：2、定子绕组匝间短路；3、定子绕组接地；4、发电机外部相间短路；5、定子绕组过电压；6、定子绕组过负荷；7、转子表层（负序）过负荷；8、励磁绕组过负荷；,第五章 水轮发电机的继电保护,三、水力发电机的保护配置（一）一般原则 9、励磁回路一点接地；10、励磁电流异常下降或消失；11、定子铁心过励磁；12、调相运行与系统解列；13、发电机逆功率；14、失步；15、轴承绝缘破坏。,第五章 水轮发电机的继电保护,三、水力发电机的保护配置（二）水轮发电机动作结果的解释1、停机：断开发电机断路器、灭磁，关闭导水叶至机组停机状态；2、解列灭磁：断开发电机断路器、灭磁，关导水叶至空载；3、解列：断开发电机断路器、关导水叶至空载；4、减出力：将水轮机出力减到给定值；5、缩小故障影响范围：例如断开母联断路器等；6、信号：发出声光信号,第五章 水轮发电机的继电保护,三、水力发电机的保护配置（三）基本保护的配置1、纵差动保护 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、停机并灭磁。2、横联差动保护当发电机定子绕组有2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定子绕组匝间短路，动作结果同纵差动保护。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。,第五章 水轮发电机的继电保护,3、零序保护 当发电机电压回路回路的接地电容电流（未经消弧线圈补偿）大于或等于5A时，保护动作于跳闸、停机、灭磁。当接地电容电流小于5A时，保护应动作信号。对单机容量100MW及以上的发电机，应尽量装设保护范围为100%的接地保护。4、过电流保护 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，并作为发电机的后备保护。对单机容量为50MW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。,第五章 水轮发电机的继电保护,5、定子过负荷保护 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。6、定子过电压保护 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。7、转子绕组一点接地保护 水轮发电机组一般装设一点接地保护并，延时动作于信号。8、转子回路过负荷：保护延时动作于信号，有时要求解列灭磁。,第五章 水轮发电机的继电保护,9、失磁保护 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。10、调相运行保护：反应调相运行从系统解列，延时停机。11、过励磁保护：低定值延时动作于信号和减励磁电流；高定值动作于延时解列灭磁。12、贯流式、斜流式及大容量发电机逆功率保护：延时解列灭磁。13、大容量发电机失步保护：一般作用于信号，也可作用于解列或自动减负荷。14、轴电流保护：动作于信号或延时解列灭磁。15、发电机转子表面（负序）过负荷保护：延时动作于信号。,第五章 水轮发电机的继电保护,三峡电站发电机保护的配置,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,三峡机组各种差动保护的动作特性,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联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故障的主保护之一。1、保护接线与构成原理2、完全差动保护动作值整定3、发电机固定比率制动式差动保护 4、发电机变比率制动式差动保护5、工频变化量比率制动式差动保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护1、保护接线与构成原理,图中，KVI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TA断线监视用，延时发信号。,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联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、大电流系统侧的单相接地短路故障。（但不能反应发电机内部匝间短路及分支开焊）,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动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电机。它除了能反应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。,第五章 水轮发电机的继电保护,三峡机组,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护2、常规完全差动保护动作整定（中小型发电机，绕组无分支）（1）动作电流按两个条件整定（取大的）A、躲开二次侧不平衡电流:B、躲开TA二次侧断线影响（2）断线监视的整定（3）灵敏度校验,常规保护还要选择差动继电器的工作线圈和平衡线圈的匝数。,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护3、固定比率制动式差动保护（完全差动和不完全差动）（1）动作特性,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作方程,完全纵差时,不完全纵差时,第五章 水轮发电机的继电保护,（3）逻辑框图1,发电机不完全纵差动保护一般使用单相出口方式,第五章 水轮发电机的继电保护,（3）逻辑框图2,发电机完全纵差动保护一般使用循环闭锁出口方式,第五章 水轮发电机的继电保护,（4）定值的整定比率制动系数Kbrk启动电流Iact0拐点电流Ibrk0负序电压U2差动速断Is灵敏度校验,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护4、变比率制动式差动保护原理（1）（1）动作特性,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作方程,高值比例差动,比例差动,差动速断,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护4、变比率制动式差动保护原理（2）（1）动作特性（三峡机组）,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作方程（三峡机组）,第五章 水轮发电机的继电保护,5-2水轮发电机纵联差动保护5、工频变化量比率制动式差动保护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。工频变化量概念如下：,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,（1）动作特性,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作方程,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-3水轮发电机定子绕组匝间短路保护一、横差保护二、纵向零序电压式匝间保护,第五章 水轮发电机的继电保护,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。类型：单元件横差保护（零序电流横差保护）裂相横差保护,第五章 水轮发电机的继电保护,1、单元件横差保护（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引出的发电机。正常情况下：每个并联分支的电势相等，各供出一半的负荷电流，因此N与N点电位相等。匝间短路时，两个绕组的电势不再相等，即因此N与N点电位不再相等。,第五章 水轮发电机的继电保护,（1）构成原理：装设在发电机两个中性点连线上的横差保护。,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，但很小。发生匝间短路时，有较大的电流通过电流互感器。,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作特性及动作整定值,动作区,高定值段横差保护：相当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衡电流整定，通常可取,高灵敏横差保护：动作电流按躲过发电机正常运行时最大不平衡电流整定，可靠系数大于2，一般可取：,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0.51.0S延时动作。,第五章 水轮发电机的继电保护,（3）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。,第五章 水轮发电机的继电保护,（4）横差动保护在下列情况下存在死区：,第五章 水轮发电机的继电保护,2、裂相横差保护（1）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，差动电流超过整定值后，将触发保护动作。,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）相绕组多并联分支时的裂相横差保护：,将每相如a1、a3、a5分支电流互感器TA2的二次侧并联，a2、a4分支电流互感器TA2二次侧并联，按照上述方法构成裂相横差保护，见下图。,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）动作特性及动作值的整定：,第五章 水轮发电机的继电保护,三峡机组裂相横差保护：,第五章 水轮发电机的继电保护,三峡机组各种差动保护的动作特性,第五章 水轮发电机的继电保护,二、纵向零序电压式匝间保护1、构成原理该保护反映的是发电机纵向零序电压的基波分量，并用其三次谐波增量作为制动量。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，中性点对地电压为相电压，三相定子绕组对中性点电压仍然对称，不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（指机端相对于中性点不对称)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为纵向零序电压，取自机端专用TV的开口三角输出端。TV应全绝缘,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。,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,2、接线原理,第五章 水轮发电机的继电保护,3、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。保护采用两段式，I段为次灵敏段，II段为灵敏段：,第五章 水轮发电机的继电保护,4、逻辑框图为防止专用TV一次断线时保护误动，引入TV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，引入负序功率方向闭锁。,电压平衡式TV断线逻辑框图,第五章 水轮发电机的继电保护,5-4 水轮发电机的电流电压保护一、相间短路的后备保护1、相间阻抗保护2、发电机复合电压过流保护二、发电机定子负序过负荷保护三、发电机定子过负荷保护四、发电机定子电压保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-4 水轮发电机的电流电压保护一、相间短路的后备保护1、相间阻抗保护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TV1相间电压，电流量取发电机后备电流通道相间电流。(1)阻抗特性的选择：A、当某段阻抗反向定值整定为零时，选择方向阻抗圆；B、当某段阻抗正向定值大于反向定值时，选择偏移阻抗圆；C、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。,第五章 水轮发电机的继电保护,(2)阻抗特性I为相间电流，U为对应相间电压，Zn为阻抗反向整定值，Zp 为阻抗正向整定值。,第五章 水轮发电机的继电保护,(3)阻抗元件的比相动作方程（4）阻抗保护启动元件动作方程阻抗保护的起动元件采用相间电流工频变化量起动或负序电流元件起动，开放500ms，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：其中：It为浮动门坎，随着变化量输出增大而逐步自动提高。取1.25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。Ith为固定门坎。当相间电流的工频变化量大于0.2In 时，起动元件动作。,第五章 水轮发电机的继电保护,(5)阻抗保护的动作逻辑,第五章 水轮发电机的继电保护,2、发电机复合电压过流保护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，第段动作于跳母联开关或其他开关，第段动作于停机。电流电压一般取自发电机的同一侧TA和TV；发变组TA取自发电机中性点侧。(1)复合电压元件：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I段经复压闭锁，过流II段经复压闭锁）来控制过流I 段和过流II 段经复合电压闭锁。当过流经复压闭锁控制字为1时，表示本段过流保护经过复合电压闭锁。,第五章 水轮发电机的继电保护,(2)电流记忆功能：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，使保护能可靠动作出口。控制字“自并励发电机”在保护装置用于自并励发电机时置“1”。对于自并励发电机，过流保护必须经复合电压闭锁。(3)TV 断线对复合电压闭锁过流的影响装置设有整定控制字（即TV 断线保护投退原则）来控制TV 断线时复合电压元件的动作行为。当装置判断出本侧TV 断线时：若“TV断线保护投退原则”控制字为1时，表示复合电压元件不满足条件；若TV 断线保护投退原则控制字为0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纯过流保护。,第五章 水轮发电机的继电保护,(4)发电机复压过流保护出口逻辑：,第五章 水轮发电机的继电保护,5-4 水轮发电机的电流电压保护二、发电机定子负序电流保护产生的原因：当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情况下三相负荷不平衡时，在发电机定子绕组中将出现负序电流。负序电流的危害：（1）负序电流产生负序磁场，其旋转方向与机组转向相反，故将以两倍的同步转速扫过转子的表面，在转子绕组及转子铁芯表面感应出100HZ的交流电流，使转子局部过热。（2）100HZ的交流电流产生的交变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和定于机座上，从而引起100Hz的振动。保护动作量取机端、中性点的负序电流。,第五章 水轮发电机的继电保护,允许流过的负序电流及允许时间的关系由于负序电流在转子中所引起的发热量，正比于负序电流的平方及所持续时间的乘积，则不使转子过热所允许的负序电流和时间的关系，可用下式表示：,第五章 水轮发电机的继电保护,有两种保护：定时限和反时限负序过负荷保护,第五章 水轮发电机的继电保护,1、定时限负序过负荷保护,保护由两段式组成:I段 经t1（4s)延时动作于跳闸；段 经t2(510s)延时动作于信号。,蓝色曲线为动作特性,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,I段,II段,第五章 水轮发电机的继电保护,2、反时限负序过负荷保护反时限过电流保护是一种动作时间随通过电流的增大而减小的保护。,第五章 水轮发电机的继电保护,（1）反时限动作曲线,反时限上限延时定值,反时限下限延时定值,反时限负序电流起动定值,反时限上限负序电流值,第五章 水轮发电机的继电保护,反时限保护由以下三部分组成：下限启动反时限部分上限定时限部分上限定时限部分设最小动作时间定值。当负序电流超过下限整定值I2szd 时，反时限部分起动，并进行累积。反时限保护热积累值大于热积累定值时，保护发出跳闸信号。负序反时限保护能模拟转子的热积累过程，并能模拟散热：发电机发热后，若负序电流小于I2h时，发电机的热积累通过散热过程，慢慢减少；负序电流增大，超过I2h时，从现在的热积累值开始，重新热积累的过程。,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）反时限动作方程I2：发电机负序电流Iezd:发电机额定电流I2l：发电机长期运行允许负序电流（标么值）A：转子负序发热常数。,第五章 水轮发电机的继电保护,（3）反时限动作逻辑框图反时限负序保护可选择跳闸或报警，跳闸方式为解列灭磁。,上下限定时,反时限,第五章 水轮发电机的继电保护,5-4 水轮发电机的电流电压保护三、发电机定子过负荷保护定子过负荷保护反应发电机定子绕组的平均发热状况。保护动作量同时取发电机机端、中性点定子电流。有两种典型保护：定时限和反时限过电流保护。1、定时限定子过负荷保护（1）构成定时限定子过负荷保护配置一段跳闸、一段信号。（2）保护逻辑框图,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,2、反时限定子过负荷保护（1）保护动作特性tmin：反时限上限延时定值tmax：反时限下限延时定值Iszd：反时限起动定值Ih：上限电流值。,第五章 水轮发电机的继电保护,2、反时限定子过负荷保护（2）动作方程KSzd:发电机发热时间常数Ksrzd：发电机散热效应系数为防止区外故障后热累积不能散掉，发电机散热效应系数一般建议整定在。Iezd：发电机额定电流二次值,第五章 水轮发电机的继电保护,2、反时限定子过负荷保护（3）动作逻辑框图,第五章 水轮发电机的继电保护,5-4 水轮发电机的电流电压保护四、发电机定子电压保护1、过电压保护过电压保护用于保护发电机各种运行情况下引起的定子过电压。发电机电压保护所用电压量的计算不受频率变化影响。过电压保护反应机端三相相间电压，动作于跳闸出口。动作电压：动作时间：,第五章 水轮发电机的继电保护,动作逻辑,第五章 水轮发电机的继电保护,2、低电压保护（调相失压保护）低电压保护由经外部控制接点（调相运行控制接点，调相时闭锁）来闭锁的低电压构成，低电压保护反应三相相间电压的降低。低电压保护设一段跳闸段，延时可整定。,Uppmax 为相间电压最大值。,第五章 水轮发电机的继电保护,5-5 水轮发电机的定子接地保护水轮发电机定子绕组通常属于小接地电流系统，当发生单相接地时，会在接地点引起电弧，烧坏定子的绝缘，并有可能发展为匝间或相间短路。一、定子绕组单相接地的特点二、零序电压定子接地保护三、三次谐波电压定子接地保护1、三次谐波电压比率定子接地保护2、三次谐波电压差动定子接地保护四、外加低频电源式发电机定子接地保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-5 水轮发电机的定子接地保护一、定子绕组单相接地的特点,1、电压特点 表示出中性点到故障点的绕组占全部绕组布线的百分数，各相机端对地电压分别为：,第五章 水轮发电机的继电保护,A,B,C,结论：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（1），在中性点附近单相接地时（0），,第五章 水轮发电机的继电保护,2、电流特点发电机的零序电容电流和网络的零序电容电流分别为则总接地电流为：,第五章 水轮发电机的继电保护,结论：流经故障点的接地电流与和C0成正比，当机端（1）单相接地时，接地电流最大；与发电机有电联系的元件越多，接地电流也越大。发电机的定子单相接地保护是采用零序电流方式还是零序电压方式取决于发电机的具体工作条件：如发电机直接连在发电机电压母线上，通常采用零序电流保护；如发电机和变压器组成单元接线，通常采用零序电压保护；,第五章 水轮发电机的继电保护,5-5 水轮发电机的定子接地保护二、零序电压基波定子接地保护,第五章 水轮发电机的继电保护,1、特点（1）电压信号的选取零序电压取自发电机电压互感器二次侧开口三角形，或通过软件计算，采用基波零序。由于保护采用了频率跟踪、数字滤波及全周傅氏算法，使得零序电压对三次谐波的滤除比达100 以上，保护只反应基波分量。（2）不足在中性点附近有（5-15）%的死区，故基波零序电压保护发电机85-95的定子绕组单相接地。（3）构成对大型机组，基波零序电压保护设两段定值，一段为灵敏段，另一段为高定值段。,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,2、动作方程（1）灵敏段基波零序电压保护动作于信号时，其动作方程为:式中Un0 为发电机中性点零序电压，U0zd 为零序电压定值，通常为15-30V，动作时限为1.5s。灵敏段动作于跳闸时需经主变高压侧零序电压闭锁，以防止区外故障时定子接地基波零序电压灵敏段误动。灵敏段动作于跳闸时，还需经机端开口三角零序电压闭锁，闭锁定值不需整定，保护装置根据系统参数中机端、中性点TV 的变比自动转换。（2）高定值段基波零序电压保护，取中性点零序电压为动作量，动作方程为：高定值段可单独投退，动作于跳闸。,第五章 水轮发电机的继电保护,三、三次谐波电压定子接地保护三次谐波电压保护只保护发电机中性点附近25左右的定子接地。机端三次谐波电压取自机端开口三角零序电压，中性点侧三次谐波电压取自发电机中性点TV。1、发电机三次谐波电势的分布特点由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，发电机电动势中存在三次谐波。（1）正常运行时，发电机三次谐波等值电路假定：把发电机每相对地电容C0G分成相等地两部分，每部分1/2C0G等效地分别集中在发电机的中性点N和机端S处；将发电机端引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容C0S也等效地放在机端。,第五章 水轮发电机的继电保护,中性点对地绝缘，发电机正常运行时,第五章 水轮发电机的继电保护,中性点接消弧线圈，发电机正常运行时,第五章 水轮发电机的继电保护,可见：在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压U3N总是大于发电机端的三次谐波电压U3S。极限情况是当发电机出线端开路（即发电机孤立运行）时:U3SU3N,第五章 水轮发电机的继电保护,(2)定子绕组接地短路时的等值电路当在距发电机中性点处发生定子绕组金属性单相接地时，机端S和中性点N处的三次谐波电压分别为：,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,2、三次谐波电压定子接地保护(1)三次谐波电压比率定子接地保护动作方程U3T、U3N 为机端和中性点三次谐波电压值，K3wzd 为三次谐波电压比值整定值。机组并网前后，机端等值容抗有较大的变化，因此三次谐波电压比率关系也随之变化，保护装置在机组并网前后应各设一段定值，随机组出口断路器位置接点变化自动切换。三次谐波电压比率判据可选择动作于跳闸或信号。由上图可见，越是靠近中性点的接地故障，保护越是灵敏。,第五章 水轮发电机的继电保护,(2)三次谐波电压差动定子接地保护动作方程U3N为中性点三次谐波电压U3T机端中性点三次谐波电压Kt为自动跟踪调整系数向量，Kre为三次谐波差动比率定值.本判据在机组并网后且负荷电流大于0.2Ie(发电机额定电流)时自动投入。三次谐波电压差动判据可动作于信号。,第五章 水轮发电机的继电保护,(3)保护逻辑,第五章 水轮发电机的继电保护,双频式100%定子接地保护100%定子接地保护=基波零序电压保护+三次谐波电压保护利用基波零序电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中0.15范围内的单相接地故障，且当故障点越靠近发电机机端时，保护的灵敏度就越高。利用三次谐波电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中0.5范围内的单相接地故障，且当故障点越靠近发电机中性点时，保护的灵敏度就越高。,四、外加低频电源式发电机定子接地保护,作用：（1）限制过电压（2）限制接地故障电流（3）为定子接地保护提供电源常用于200MW以上的大型机组。,中性点经大电阻接地,第五章 水轮发电机的继电保护,图中为从中性点接地变压器二次侧接入低频电源（或从机端TV 开口三角二次侧接入低频电源），可构成外加电源式定子接地保护回路。,第五章 水轮发电机的继电保护,装置输出的低频电压加在发电机中性点接地变压器负载电阻Rn 两端，通过接地变压器将低频信号注入到发电机定子绕组上。负载电阻Rn 两端的电压，经过分压器分压后得到电压UG0；另外，通过中间变流器(即中间CT)得到电流IG0。电压UG0 和电流IG0引至RCS-985 保护装置中。1、保护原理当发电机定子绕组对地绝缘正常时，注入到定子绕组的低频电流主要是流过定子绕组对地电容的电容电流。当对地绝缘受到破坏，出现接地故障，注入的电流将流过接地故障点，出现一部分电阻性电流（接地电弧有电阻）。保护装置检测注入的低频电压、电流，通过导纳法可准确计算出接地故障的过渡电阻阻值，计算的电阻阻值与定子绕组的接地故障位置无关，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,2、注入式定子接地保护出口逻辑,第五章 水轮发电机的继电保护,3、保护判据（1）接地电阻定子接地判据接地电阻判据反映发电机定子绕组接地电阻的大小，设有两段接地电阻定值，高定值段作用于报警，低定值段作用于延时跳闸，延时可分别整定。低定值段（跳闸段）动作方程为：高定值段（报警段）动作方程为：RE为发电机定子绕组接地电阻（一次值），R 和R 分别为发电机定子绕组接地电阻的高、低定值（一次值），IG0 为流过发电机接地设备的零序电流（二次值），ISAFE 为对应于发电机定子接地安全电流的定值（二次值）。,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）接地电流判据发电机运行时，若靠近发电机机端位置出现定子绕组接地故障，则发电机基波零序电压会明显增加，流过接地设备的基波零序电流也会明显增加。为此增设接地电流辅助判据。接地电流判据能够反映距发电机机端80-90的定子绕组单相接地故障。其动作方程：IG0为流过发电机接地设备的零序电流，IE.SET为接地电流定值，U0为发电机机端开口三角零序电压。,第五章 水轮发电机的继电保护,（3）电源回路故障闭锁当ULF0（UG0 经数字滤波后的低频电压）和ILF0（IG0 经数字滤波后的低频电流）中的任一个低于各自的定值时，认为定子接地保护外加电源回路出现故障，此时闭锁保护的接地电阻判据出口，并发出报警信号。外加电源回路故障报警判据：ULF0.SET 和ILF0.SET分别为低频电压和低频电流报警定值。,第五章 水轮发电机的继电保护,（4）频率闭锁发电机电压在频率严重偏离额定值（比如抽水蓄能机组在启停过程中）的低频段时，发电机低频磁场产生的低频信号会影响注入低频信号的准确测量，从而影响接地电阻的准确计算，此时投入频率闭锁，闭锁接地电阻判据。这种情况是否会出现，可通过现场实验观察。在大多数情况下，发电机在启停过程中运行至低频段产生的低频信号足够小，不足以影响注入低频信号的准确测量，因此通常频率闭锁是不需要投入的。,第五章 水轮发电机的继电保护,5-6 水轮发电机的转子接地保护一、转子绕组接地故障的类型1、一点接地由于没有形成接地电流通道，励磁电压仍然正常，对发电机并不造成危害，但可能发展为两点接地。2、两点接地两点接地形成短路，励磁回路出现过电流，烧伤转子本体；由于部分绕组被短接气隙磁通失去平衡转子磁场发生畸变力矩不平衡引起振动，对于凸极式水轮发电机和同步调相机将造成灾难性后果。励磁电流经部分转子铁芯构成回路，引起转子局部过热，使转子发生缓慢变形而形成偏心，进一步加剧机组振动；无功输出降低。1MW以上的水轮发电机都装设一点接地保护，动作于信号，不装设两点接地保护。,第五章 水轮发电机的继电保护,二、转子一点接地保护1、切换采样转子一点接地保护（乒乓式一点接地保护）,E为转子电压为绕组百分数Rg为接地电阻R1为信号电阻R为辅助电阻,第五章 水轮发电机的继电保护,(1)当S1接通、S2断开时(2)当S1接通、S2断开时，计及直流励磁电压变为E,相应电流变为I1和I2,第五章 水轮发电机的继电保护,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。,第五章 水轮发电机的继电保护,2、方波注入式转子一点接地保护（1）双端注入式,第五章 水轮发电机的继电保护,(2）单端注入式,第五章 水轮发电机的继电保护,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。,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,5-7 水轮发电机失磁保护一、水轮发电机失磁现象失磁故障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。（U型曲线？）1、失磁原因引起失磁的原因大致有：发电机转子绕组故障励磁系统故障自动灭磁开关误跳闸励磁系统误操作等。,第五章 水轮发电机的继电保护,2、失磁后的基本物理过程功角特性：,1800,稳定,不稳定,900,00,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,3、失磁的影响（1）对水轮发电机的影响A、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，发电机转子绕组将产生很高的感应过电压。B、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，机端电压很低。C、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ff-fs的交流电流，因而形成附加的损耗，使发电机的转子和定子过热。D、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。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。,第五章 水轮发电机的继电保护,（2）对电力系统的影响A、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Q，造成系统电压U下降。如果系统无功储备不足，将因电压崩溃而瓦解。B、系统电压U下降，为了供给失磁发电机无功功率，其它发电机Q必然增大，形成过电流，使其后备保护动作，故障扩大。C、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。D、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。通常装置设有三段失磁保护功能，失磁保护段动作于切换备励，也可动作于信号，段经母线电压低动作于跳闸，段动作于跳闸。,第五章 水轮发电机的继电保护,二、水轮发电机失磁保护的现状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，不能保护其它原因引起的失磁事故。（2）常规失磁保护装置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。（3）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组之间存在互感电抗，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，据此可以实现水轮发电机的失磁保护。,一次典型的失磁过程机端电压、电流波形,失磁时的功率、转子电压变化波形,第五章 水轮发电机的继电保护,主要常用失磁保护判据定子阻抗判据：静稳圆或异步圆转子电压判据：低电压判据 变励磁低 电压判据 低电压判据：母线电压或机端电压减出力有功判据无功反向辅助判据,第五章 水轮发电机的继电保护,三、失磁发电机机端测量阻抗的变化轨迹测量阻抗的电压量取发电机机端正序电压，电流量取发电机机端正序电流。,第五章 水轮发电机的继电保护,1、等有功阻抗圆失步前，P基本不变 等有功过程。,第五章 水轮发电机的继电保护,结论：圆的大小与P有关，P越大圆的直径越小。失磁前，发电机向系统送出有功功率和无功功率，角为正，Q为正，测量阻抗ZG位与第象限。失磁后，随着Q的变化，Q由正变负，角由正值向负值变化，ZG从象限向象限变化。失磁前，发电机送出的有功功率越大，即圆越小，从象限象限越快。圆的位置与jXs有关，若jXs=0，圆心在实轴上，ZG很容易进入第象限。可见，失磁后，ZG向第象限移动，且最终将稳定在第象限内。,第五章 水轮发电机的继电保护,2、静稳极限阻抗边界曲线对于水轮发电机组，当=稳时，发电机处于失去静态稳定的临界状态，故称为临界失步点。根据功角方程，求得稳后，进而求出对应的P和Q，根据下式，可求得对应=稳时的的阻抗圆静稳极限阻抗边界曲线,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,3、异步运行阻抗圆失步后的阻抗轨迹，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，其等效电路与异步电动机类似。,第五章 水轮发电机的继电保护,（1）发电机空载运行失磁时，s=0。（2）发电机带很大功率时，s=。,以 和 为两个端点，并取 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Z=f(s）的特性，简称异步运行阻抗圆。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 的范围内。,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,说明：,第五章 水轮发电机的继电保护,四、水轮发电机失磁保护的主要判据常用失磁保护判据定子阻抗判据：静稳圆 或异步圆转子电压判据：低电压判据、变励磁低电压判据 低电压判据：母线电压或机端电压减出力有功判据无功反向辅助判据,第五章 水轮发电机的继电保护,四、水轮发电机失磁保护的主要判据1、定子侧低电压判据一般取母线三相电压，也可选择发电机机端三相电压。TV 断线时闭锁本判据。三相同时低电压判据(取母线三相电压)：2、定子阻抗判据（1）异步边界阻抗圆判据,第五章 水轮发电机的继电保护,第五章 水轮发电机的继电保护,2、定子阻