发变组保护原理、组成及原理

• 近年来，大型汽轮发电机装设一点接地保护已属定论，国 内外均无异议。但在一点接地保护动作于信号还是动作于 跳闸的问题上，存在着不同的看法。 • 主张动作于信号者，则考虑装设两点接地保护；主张动作 于停机者，则认为不必再装设两点接地保护，这有利于避 免发生汽机磁化。 • 另外，由于目前尚缺少选择性好、灵敏度高、经常投运且 运行经验成熟的励磁回路两点接地保护装置，所以也有不 装设两点接地保护的意见，进口大型机组，很多不装两点 接地保护。 • ABB公司的UN5000型励磁系统中带有电桥式转子接地保 护装置，他们对转子接地保护的设计思想是：当励磁回路 绝缘电阻下降到一定值时报警，当绝缘电阻继续下降至一 定值时，保护即动作切除发电机组，以防止发生两点接地 导致灾难性事故。
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3）惯性时间常数降低。大容量机组的体积并不随 容量成比例地增大，有效材料利用率提高，其直 接后果是机组的惯性常数H明显降低，600MW发电 机的惯性时间常数在1.75左右，在扰动下机组更 易于发生振荡。 • 4）热容量降低。中小型发电机组定子绕组在1.5 倍额定电流下允许持续运行2min，转子励磁绕组 在2倍额定电流下允许持续运行30s；而330MW机组 在同样的工况下，只能持续运行30s和10s。过流 能力随着容量的增加而显著下降，负序过电流能 力I2t值对中小型机组为30左右，而330MW机组则 减小到4.0。
?3定子单相接地?定子绕组的单相接地定子绕组与铁芯间的绝缘破坏是发电机最常见的一种故障定子故障接地电流超过一定值就可能造成发电机定子铁芯烧坏而发电机单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆大型发电机在系统中的地位重要铁芯制造工艺复杂造价昂贵检修困难所以对于大型发电机的定子接地电流大小和保护性能提出了严格的要求
• 4、失磁 • 发电机低励（表示发电机的励磁电流低于静稳极限所对应 的励磁电流）或失磁，是常见的故障形式。发电机低励或 失磁后，将过渡到异步发电机运行状态，对电力系统和发 电机本身危害极大。汽轮发电机组有一定的异步运行能力 ，如东方电机厂生产的330MW汽轮机组在失磁后允许40%负 荷持续运行15min。 • 对于汽轮发电机，失磁后还可以采取另一种措施，即监视 母线电压，当电压低于允许值时，为防止电力系统发生振 荡或造成电压崩溃，迅速将发电机切除；当电压高于允许 值时，则不应当立即把发电机切除，而是首先采取降低原 动机出力等措施，并随即检查造成失磁的原因，予以消除 ，使机组恢复正常运行，以避免不必要的事故停机。如果 在发电机允许的时间内，不能消除造成失磁的原因，则再 由保护装置或由操作人员手动停机。
• 大型发电机组与中小型发电机组相比，主要不同 点表现在： • 1）短路比减小，电抗增大。大型发电机的短路比 大约减小到0.5左右，各种电抗都比中小型发电机 大。因此大型发电机组的短路水平反而比中小型 机组的短路水平低，这对继电保护是十分不利的 。发电机电抗的增大还使其平均异步转矩减低， 约从中小型发电机的2～3倍额定值减至额定值左 右。于是失磁后异步运行时滑差增大，一方面要 从系统吸取更多的无功功率，对系统稳定运行不 利，另一方面也容易引起发电机本体的过热。 • 2）时间常数增大。大型发电机组定子回路时间常 数和比值显著增大，短路时定子非周期电流的衰 减较慢，整个短路电流偏移在时间轴一侧若干工 频周期，使电流互感器更容易饱和，影响大机组 保护正确工作。
• 二、 保护配置原则
• 1. 330MW发电机组的配置原则应以能可靠地检测 出发电机可能发生的故障及不正常运行状态为前 提，同时在继电保护装置部分退出运行时，不影 响机组的安全运行。在对故障进行处理时，应保 证满足机组和系统两方面的要求，因此，主保护 应双重化。 2. 关于后备保护，发电机、变压器已有双重主保 护甚至已超双重化配置，本身对后备保护已不做 要求，高压主母线和高压线路主保护也都实现了 双重化，并设置了开关失灵保护，因此，可只设 简单的保护来作为相邻母线和线路的短路后备， 对于大型机组继电保护的配置原则是：加强主保 护（双重化配置），简化后备保护。
• 3、定子单相接地
• 定子绕组的单相接地（定子绕组与铁芯间的绝缘 破坏）是发电机最常见的一种故障，定子故障接 地电流超过一定值就可能造成发电机定子铁芯烧 坏，而发电机单相接地故障往往是相间或匝间短 路的先兆，大型发电机在系统中的地位重要，铁 芯制造工艺复杂、造价昂贵，检修困难，所以对 于大型发电机的定子接地电流大小和保护性能提 出了严格的要求。为保证大型发电机的安全，中 性点经配电变压器高阻接地的330MW机组必须使定 子接地保护动作于发电机故障停机。
• 三、发电机主要故障、异常，应配保护
• 1、 定子绕组的相间短路 • 发电机定子绕组发生相间短路若不及时切除，将烧毁整个 发电机组，引起极为严重的后果，必须有二套或两套以上 的快速保护反应此类故障。对于相间短路，国内外均装设 纵联差动保护装置，瞬时动作于全停。 • 2、定子绕组匝间短路 • 单机容量的增大，汽轮发电机轴向长度与直径之比明显加 大，这将使机组运行中振动加剧，匝间绝缘磨损加快，有 时还可能引起冷却系统的故障，因此应装设灵敏的匝间短 路保护。目前为止，反应发电机定子匝间短路的保护有： 单元件横差保护、负序功率方向保护、纵向零序电压保护 和转子二次谐波电流保护。
• 6、定子对称过负荷 • 发电机对称过负荷通常是由于系统中切除电源； 运行出现短时冲击性负荷；大型电动机自起动； 发电机强行励磁；失磁运行；同期操作及振荡等 原因引起的。实际上对称过负荷保护，就是定子 绕组对称过流保护。 • 对于发电机过负荷，即要在电网事故情况下充分 发挥发电机的过负荷能力，以对电网起到最大程 度的支撑作用，又要在危及发电机安全的情况及 时将发电机解列，防止发电机的损坏。一般发电 机都给出过负荷倍数和相应的持续时间。对于 330MW汽轮发电机，发电机具有一定的短时过负荷 能力，从额定工况下的稳定温度起始，能承受1.3 倍额定定子电流下运行至少一分钟。 • 大型发电机定子过负荷保护，根据发电机过负荷 能力，一般由定时限和反时限两部分组成。
• 注：三套反时限保护的作用： • 此三套过负荷保护，是发电机安全运行的一道屏障， 在灵敏度和延时方面，都不考虑与其他短路保护相配 合，发电机的发热状况，是其整定的唯一根据，用于 在各种异常运行情况下保障机组的安全。定子过负荷 、转子表层负序过负荷、励磁回路过负荷三套反时限 保护有各自明确的保护职责，特别是负序电流反时限 保护，它是转子表层负序发热的唯一主保护，完全由 发电机的转子安全来决定它的动作延时大小。经实例 计算，利用上述反时限电流保护，外部远处短路时动 作往往太慢，外部近处短路时动作又可能太快，不符 合后备保护选择性要求。对于大机组已有双重主保护 ，两套主保护互为快速后备，并且配备专用的后备保 护，利用此三套反时限保护来兼作后备保护的现实意 义不大。
发变组保护原理、组成及运行操作
王玉姣
2010.1，自动、迅速、有选择性的 将故障设备从系统中切除，以保证非故障 设备继续正常运行。此外，防止故障设备 继续遭到破坏。 • 2）反应电气设备的不正常工作状态。根据 不正常工作状态的种类和设备运行维护的 条件，动作发出信号，减负荷或跳闸，反 应不正常工作状态的继电保护允许带一定 的延时动作。
• 概念解释： • 保护启动后出口动作时间是固定的整定时间，称为定时限 过电流保护。 • 出口动作时间与过电流倍数相关，电流越大，出口动作越 快，成为反时限过电流保护。
• 7、定子不对称过负荷（转子表层负序过负荷） • 发电机不对称运行时，为防止发电机的转子遭受 负序电流的损伤，大型汽轮发电机都要求装设比 较完善的负序电流保护，因为他保护的对象是发 电机转子，是转子表层负序发热的唯一主保护， 因此，习惯上称它为发电机转子表层负序过负荷 保护，它由定时限和反时限两部分组成。发电机 转子长期承受负序电流的能力和短时承受负序电 流发热的能力 ，是整定负序电流保护的依据。
一、 发变组系统保护概述
• 发电机组是电力系统中最主要的设备， 大容量机组在系统中的地位举足轻重，如 何保障发电机在电力系统中的安全运行， 就显得非常重要。由于大容量机组一般采 用直接冷却技术，体积和质量并不随容量 成比例增大，从而使得大型发电机各参数 与中小型发电机已大不相同，因此故障和 不正常运行时的特性也与中小型机组有了 较大差异，给保护带来复杂性。
• 3. 继电保护双重化配置的原则是：两套独立的CT 、PT检测元件，两套独立的保护装置，两套独立 的开关跳闸机构，两套独立的控制电缆，两套独 立的蓄电池供电。 根据《继电保护和安全自动装置技术规程》 DL400-91及相关反措要求，我公司发电机变压器 组、高厂变、励磁变压器、#2启备变等主设备保 护按全面双重化（即主保护和后备保护均双重化 ）配置。
• 9、 过电压 • 运行实践中，大型汽轮发电机出现危及绝缘安全的过电压 是比较常见的现象。当满负荷下突然甩去全部负荷，电枢 （定子）反应突然消失，由于调速系统和自动调整励磁装 置都是由惯性环节组成，转速仍将上涨，励磁电流不能突 变，使得发电机电压在短时间内也要上升，如果没有自动 电压调节器，或励磁系统在手动方式运行，恒励磁电流调 节，则电压继续上升，其值可能达到1.3～1.5倍额定值， 持续时间可能达到数秒，甩负荷将导致严重的发电机电压 升高。发电机主绝缘的工频耐压水平，一般为1.3倍额定 电压持续60S，而实际过电压的数值和持续时间可能超过 试验电压和允许时间，因此，对发电机主绝缘构成了直接 威胁。ABB的UN5000型励磁调节器在发电机开关断开时， 将励磁电流调节器的给定值复归到空载励磁电流值（ 824.2A）。尽管这样，还是不能完全避免发电机定子过电 压的发生。 • 由于上述原因，对于200MW及以上的大型汽轮发电机，国 内外都无一例外地装设过电压保护，保持动作电压为 1.3Un，经0.5S延时作用于励磁开关、主开关掉闸。
• 在我国电力系统中，就有过多次10～300MW机组失磁之后 用上述方法避免事故停机的事例。通过大量研究并试验， 证明容量不超过800MW的二极汽轮发电机若失磁机组快速 减载到允许水平，只要电网有相应无功储备，可确保电网 电压，失磁机组的厂用电保持正常工作的情况，失磁机组 在允许情况下可不跳闸，尽快恢复励磁。 • 应当明白一点，发电机低励产生的危害比完全失磁更严重 ，原因是低励时尚有一部分励磁电压，将继续产生剩余同 步功率和转矩，在功角0～360°的整个变化周期中，该剩 余功率和转矩时正时负地作用在转轴上，使机组产生强烈 的振动，功率振荡幅度加大，对机组和电力系统的影响更 严重。此情况下一般失步保护会动作，如果失步保护未动 作，出于大机组的安全考虑，应迅速拉开灭磁开关。
• 8、 励磁回路过负荷 • 和定子绕组相同，大型发电机励磁绕组的热容量 和热时间常数也相对较小，在发电机过励限制器 失灵或强励动作后返回失灵时，为了使发电机励 磁绕组不致过热损坏，300MW及以上发电机应装设 定时限和反时限励磁绕组过负荷保护，后者作用 解列灭磁。应该指出，现代自动调整励磁装置， 针对发电机的各种工况，都设有比较完善的励磁 限制环节，为防止励磁绕组过电流，设有过励限 制器，与励磁绕组过负荷保护有类似的功能，其 可靠性由励磁调节器的性能来保证。
• 5、转子接地故障 • 转子绕组绝缘破坏常见的故障形式有两种：转子绕组匝间 短路和励磁回路一点接地。 • 转子一点接地对汽轮发电机组的影响不大，一般允许继续 运行一段时间。发电机组发生一点接地后，转子各部分对 地电位发生变化，比较容易诱发两点接地，汽轮发电机一 旦发生两点接地，其后果相当严重，由于故障点流过相当 大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励 磁绕组中电流增加，可能因过热而烧伤；由于部分绕组被 短接，使气隙磁通失去平衡，从而引起振动。励磁回路两 点接地，还可使轴系和汽机磁化。励磁回路两点接地，即 使保护正确动作，从防止汽缸和大轴磁化方面来看，已为 时晚矣。 • 以往事故证明：一台30万千瓦汽轮发电机，因励磁回路两 点接地使大轴和汽缸磁化，为退磁停机需一个月以上，姑 且不论检修费用和对国民经济造成的间接损失，仅电能损 失就上千万元。励磁回路发生两点接地故障引起的后果非 常复杂，处理麻烦。