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发电机保护原理
一、发电机差动保护1)比率制动式纵差保护的基本概念和原理无比率制动的纵差保护为了防止外部故障时误动,保护定值要躲过外部故障时的最大不平衡电流,其值较大,因而灵敏度低,机内某些故障(如经过渡电阻短路)时将会拒动比率制动式纵差保护的动作电流不是固定不变的,它随外部短路电流的增大而增大这种动作电流随外部短路电流成比例增大的差动保护特性称为比率制动原理比率制动式纵差保护有如下优点
①灵敏高;
②在区外发生短路或切除短路故障时躲不平衡电流能力强;
③可靠性高缺点是不能反应发电机内部匝间短路故障发电机比率制动式差动保护动作方程为|/1-/2|/q/1+/2|/2式中L——中性点电流;’2——机端电流;K——比率制动系统••一次电流L和‘2的正方向定义如图11-15所示,相应的二次电流为4和‘2比率制动式纵差保护继电器的差动电流和制动电流心各为••=_=(11-nba.=(4+摄/2=(畚由/2知内部故障时,两侧电流方向与如图示相反,实际差动电流匕为4+匕,制动电流心为(匕一/2)/2差动电流大于制动电流,保护可靠动作外部故障时,不考虑CT饱和及其它原因造成的不平衡电流,差动电流右为厂匕,制动电流【心为制动电流大于差动电流,保护可靠不动作放大Kp倍(Kp为大于i的复数),并使UnoWUso则为保证可靠制动的制动量也就可以非常小了,所以这种方案对于大型机组是理想的正常运行时,机端三次谐波电压随负荷变化范围大,不能单纯采用机端三次••谐波电压1^1为动作量构成定子接地保护但单纯采用中性点三次谐波电压忡/构成低电压接地保护是可能的而且是最简单的,因为任何正常运行情况下均有•••』莉,而中性点附近发生接地故障时,忡』将趋向于零,因此可以采用\UN\a作为动作判据来构成三次谐波定子接地低电压保护a值应小于一切正常运行时.UNO.min发电机中性点的最小三次谐波电压,应通过实测决定这种三次谐波接地保护的保护区域大约在发电机中性点附近5%〜10%的定子绕组内,因此它能起到消除基波接地保护死区的作用,但两种保护的动作重迭区不大,灵敏低关于电压互感器为了能从机端抽取三次谐波电压,机端PT必须为星形接线为了保证发电机机端发生金属性接地时,机端PT二次开口△绕组输出100V电压,开口△每相绕组的额定电压应该为O.lkVB还应注意配电变压器的变比和机端电压互感器的变比不一,如本厂机端保护22^/OJTV变比为占必3kV而中性点配电变压器变比为2M.24kV在保护中应附加电压变换以实现匹配GE公司100%定子接地保护特点保护为100%定子接地保护,由三部分组成95%基波电压部分;机端与中性点电压三次谐波比较部分;中性点三次谐波低电压部分冗余的中性点三次谐波低电压保护使中性点附近部分做到了双重接地保护中性点三次谐波低电压部分具有功功率自适应能力(需要机端三相电压、电流信号),有效防止误动
三、发电机失磁保护图9-14失磁过程发电机功角特性励磁绕组短接引起完全失磁,发电机有功功率特性变化可分为三个阶段:
1.失磁到临界失步阶段服90发生失磁后,随着励磁电流的减小,发电机电势E随之按指数规律减小,电磁功率PE8曲线逐渐变低,如图所示这期间,由于调速器来不及动作原动机功率Pt维持不变为了维持Pt和P之间的功率平衡,运行点发生改变a一b-c功角6则逐渐增加5i5263,使发电机输出有功功率基本保持不变所以这个阶段称为“等有功过程二此过程一直持续到临界失步点仗时,5=90这一阶段所经历的时间与励磁电流,亦即电势E的衰减时间常数成正比,这表明该时间随失磁故障方式不同而不同;同时发电机正常运行时静稳储备系数越大,此时间越长,即失磁前发电机所带负荷越轻,该时间越长这期间,因滑差S很小,异步功率极小,可忽略不计.不稳定运行阶段万90之后,机械功率Pt无法与同步功率P相平衡,而是随着E的衰减及6的增大,Pt与P的差值越来越大,于是转子加速,滑差S不断增大,异步功率转矩Pyp也随之增大特别是当万18°后,随着励磁电流及P完全衰减,Pyp及s增大更多更快另一方面,调速系统开始反应,作用于减少机械输入功率Pto这一阶段P、Pyp、s及Pt都是变化的,属于不稳定异步运行阶段.稳定异步运行阶段当滑差s达到一定数值,使Pyp达到能与减少了的Pt相平衡,即达到了图中的d点,转子停止加速,S不再增大,发电机便转入稳定异步运行阶段注意这里所谈的“稳定”,是指s的平均值,实际上由于异步功率中有交流分量,因此s瞬时值是在不断变动的以上分析是就完全失磁而言的,当发电机部分失磁时,励磁电流并不会衰减至零,即尚有剩余的同步功率,若此时已因部分失磁而转入异步运行,由于同步功率是以转差频率而交变的分量,加剧了有功功率的摆动,对发电机非常不利4).其它基本电量的变化从发电机失磁到临界失步阶段,虽然有功功率基本不变,而无功功率则发生很大变化,由送出无功迅速改变为从系统吸收无功失磁发生后,发电机内电势E不断减小,定子电流)则先短时略为减小,在.[超前于机端电压Ug后则一直维持不断增大趋势进入异步运行之后,S逐渐增大,异步功率逐渐增强,失磁前发电机所带有功负荷越大,失磁后稳态异步运行时的滑差S越大,异步无功功率也就越大这时无功功率中含有2s交变分量,也会发生摆动,但其摆动程度远小于有功功率的摆动失磁异步运行后,伴随着吸收无功的增大,定子电流也逐渐增加,在达到稳态异步运行时才稳定这时定子电压是因含有标么值为1及(l+2s)频率分量,亦呈现2s频率的摆动由于失磁发电机吸收无功功率,同时定子电压增大此时发电机端电压将要显著降低,同时主变压器高压母线电压也要降低,严重时会威胁系统和厂用电的安全运行阻抗定义为从发电机机端向系统看所测量的阻抗,通常由端线电压(如)•••与相应的线电流(如差来测量GBL6MBHI.I-—XLXl+Xb.;LU|us图9-16单机无穷大系统等值电路失磁后至临界失步阶段的等有功阻抗圆该图是在假定P不变的情况下求得,故称为等有功阻抗圆一定的等有功阻抗圆与某一确定的P相应,其半径与P成反比,即发电机失磁带的有功负荷P越大,该圆越小,但全都与点(0Xs)相切发电机失磁后至临界失步,测量阻抗将沿该圆从第一象限进入第第四象限很明显,测量阻抗轨迹还与系统联系电抗Xs有关,Xs越大,等有功阻抗圆越向上移,使等有功阻抗圆进入第四象限的部分减少临界失步阻抗圆(静稳边界)该圆是在静态稳定极限条件下($=90°)得出,称为临界失步阻抗圆或静稳极限阻抗圆圆外为稳定工作区,圆内为失步区该圆的大小与Xs及Xd均有关系,Xs越大,圆的直径越大,且在第
一、二象限部分增加但无论Xs、Xd为何稳态异步运行阻抗特性及异步阻抗圆,进入稳态异步运行之后,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,由其等效电路可得发电机空载运行失磁时,SR0此时测量阻抗最大Z=-jXd0发电机在其它运行方式时,Z随s增大而减小,s取极限,s-8此时测量阻抗最小Z=-jX,d以-jXd和-jXd为两个端点’并取Xd-X,d为直径,可构成如图所不反映稳态异步运行时Z=f(s)的特性,称为异步阻抗圆发电机在异步运行阶段,机端测量阻抗先将进入临界失步阻抗圆内,并最终落在jX轴的-jX,d和-jXd范围内若计及阻尼回路的作用,当转差达5%左右时,电抗值实际接近・X〃d,即Z§-jX〃d图9-19异步运行阻抗圆临界电压阻抗圆为了保证在失磁后不致引起系统稳定破坏,按通常规定,主变高压侧电压Um和恒定系统电压Us(即系统额定电压)的比值K=Um/Us不得低于
0.8〜
0.85因此在低励、失磁保护中装设三相同时低电压继电器是必要的对于给定的K值同样可以用机端测量阻抗Z的特性来反映对于给定的K值,均有一个确定的临界电压阻抗圆与之对应,如图中的曲线4o当机端测量阻抗进入该圆时,说明主变高压侧电压已低于允许值,危及系统稳定,应将失磁发电机切除当电厂建成后,一般有多台发电机组并联运行,而且与系统联系也较为紧密此时一台发电机失磁很少可能使高压母线电压Um下降到
0.8-
0.85倍额定电压;但是一机失磁故障可能使故障机组的机端电压过低,危及厂用辅机的正常工作,为此大型汽轮发电机低励、失磁保护可以引入机端低电压判据,整定可取为
0.7〜
0.75倍额定电压几种特性的低励、失磁保护在阻抗平面上的特性比较圆1均为某一有功功率下的等有功阻抗圆,表示失磁初始阶段(失去静稳以前)的机端测量阻抗轨迹,分别对P=
0.
2、
0.
5、
0.85三种失磁前的负荷情况作了三个等有功阻抗圆按异步边界整定的低励、失磁阻抗继电器动作特性是阻抗圆3在Xs=
0.3的条件下,当失磁前负荷为P=
0.2和
0.5时,失磁后等有功阻抗圆能进入异步边界阻抗圆3因此能较早地判定发电机己转入异步运行,但P=
0.85时,等有功阻抗圆已不进入异步边界阻抗圆3只有在发电机转入异步运行,机端测量阻抗离开等有功圆后才表现为异步阻抗,异步边界阻抗继电器方才动作,因而保护动作较晚,有可能对侧系统的后备保护因失磁引起过电流而先期误动作,造成系统的混乱联系电抗Xs越大和失磁前有功负荷越大,上述圆1不与圆3相交的可能性越大但是由于圆3呈容性(-X轴方向),离第
一、第二象限较远,因此对于非失磁的异常工况误动可能性较小,使失磁保护装置比较简单,广泛被国内外应用于位于负荷中心,单机容量不太大的发电厂按静稳边界整定的低励、失磁阻抗继电器动作特性是圆2发电机失磁后总是先抵达静稳极限,然后转入异步运行,所以圆2的动作区(对失磁前有功负荷不太轻的情况)总是大于圆3静稳边界阻抗继电器将比异步边界阻抗继电器先动作,但同时带来在非失磁故障的异常工况下容易误动的弊病,为了克服这一缺点就得增设防误动的各种附加判据和元件,增加了保护装置的复杂性,降低了可靠性,当发电厂远离负荷中心且单机容量较大时宜采用接静稳边界整定的失磁阻抗继电器按等压边界整定的三相同时低压继电器,其动作阻抗特性为圆4在所述参数条件下,按静稳边界整定的阻抗继电器总是先于三相同时低压继电器动作,但后者是判定失磁故障是否危及系统电压崩溃的判据,不能由静稳边界阻抗继电器代替三相同时低电压继电器动作时,保护以较短时限动作于跳闸,而静稳边界阻抗继电器动作后,一般以稍长时限(防误动)动作于减小有功功率或跳闸完全失磁和低励失磁时机端测量阻抗变化轨迹比较完全失磁的阻抗轨迹先穿过临界失步阻抗圆,随后落入异步阻抗圆内低励失磁的阻抗轨迹从临界失步阻抗圆的上部穿过,最终落入异步阻抗圆内系统振荡时阻抗穿过失磁边界的轨迹:系统振荡时测量阻抗轨迹也要穿过两个临界阻抗圆,可能引起阻抗继电器的误动作,需要保护采取一定的措施,如采用苹果圆特性,减小临界失步阻抗圆的横半轴以上部分;躲过系统振荡时穿过临界阻抗圆的最大时间;装设发电机转子低电压判据等图9-23系统振荡时的阻抗轨迹GE公司双下抛圆失磁保护特性G60发电机失磁保护为两段式低励、失磁保护,设置两个下抛阻抗圆,不设转子低电判据II段阻抗圆2(大圆)动作边界按异步边界整定,以同步电抗为半径,从圆点下偏上;I段阻抗圆1(小圆)—x*Z-I—x1以基准电抗值为直径,与纵轴的两个交点分别取为2”和2\在重负荷,>30%或更高负荷下发生失磁故障时,I段和II段都动作;在轻负荷下失磁时,则只有II段动作对于I段动作应加一个延时(50ms)以便在PT断线时闭锁保护;II段延时应较长,如
0.5〜
1.0S以躲过系统震荡时阻抗轨迹的短时进入,防止误动G60失磁保护出口逻辑如下:图
9.25失磁保护出口逻辑失磁保护出口共有四种逻辑1)保护起动瞬时动作发信2)保护动作,在G时间内机端电压下降至规定值,保护动作于减出力3)保护动作,在t2时间内系统电压下降至规定值,保护动作于全停或程序跳闸4)保护动作,经延时t3无条件动作于全停或程序跳闸
四、发电机对称过负荷保护
1.定时限对称过荷和反时限对称过负荷保护整定原则:图9-6比率制动式纵差保护原理接线和制动特性如图
9.6虚线所示为不平衡电流随制动电流的变化曲性,具有明显的非线性特性粗实线所示为动作电流与制动电流的关系,折线PQS与直线RS间的差别,就是比率制动式差动保护在内部短路时灵敏度高于非比率制动式差动继电器的明显标志确定比率制动特性的P、Q、S三点:0P为最小动作电流饥En为保证在发电机最大负荷工况下纵差动护不误动,应使饥・讪大于最大负荷时不平衡电流,一般情况下可取:O.Q5In/nhaV妇minV0201m为拐点电流‘心・,为保证远处外部短路时纵差保护不误动,拐点电流总应不大于发电的额定电流,即信</〃/%SK为最大外部短路电流下最大动作电流SmaxZp.max—K汩Jk.ou.maxba式中汨可靠系数,取].3〜
1.5;st两侧电流互感器同型系统,同型取
0.5否则取1;膈〃——非周期分量系数定子过负荷保护的设计取决于发电机在一定负荷倍数下的允许过负荷时间,而这一点是与具体发电机的结构及冷却方式有关由发电机“允许的电枢电流和持续时间表”可见允许时间随过电流呈反时限特性当发生过负荷时,应根据表中值让发电机再运行一段时间,此间系统中进行按频率减负荷,投入备用容量,以及发电机减出力等操作若仍不能消除发电机过负荷,并超过了允许时间,才将发电机切除设发电机定子绕组正常运行的电流为如,绕组铜损为%当电流由加增大为I时,相应的铜损将由%增大到P若铜损所产生的热量毫不散失地存储在绕组之中,则绕组的温度按指数规律由%上升到°如图
9.26所示图9-26绕组温度上升规律在铜损由%上升到P时,近似地认为温度°随时间t线性上升,则在也时其中C一绕组的热容量(WS/°C)注意到铜损与电流的平方成正比,上式可变为:若不考虑散热过程,对于给定的温升展,则可得到相应的允许时间tq与电流的关系式为:KA=/、2±-1Jl°lK匹其中%对于直接冷却的汽轮发电机,其定子绕组的过负荷能力为
1.3倍额定电流下允许持续时间为60S由上式可算出常数K=
601.32-1=
41.4已知k值之后即可求出对应于给定电流的允许时间大型发电机定子绕组对称过负荷保护通常由定时限和反时限两部分组成,定时限部分通常按较小的过电流倍数整定,动作于减出力如按长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定反时限部分在启动后即报警,然后按反时限特性动作于跳闸负荷电流波动,振荡过程电流的变化,以及短路切除后电压恢复过程中,流过发电机的电流不是恒定数值,定子绕组将出现发热和散热的交替过程为了正确反应发电机定子绕组的温升,保护装置都要设置模拟热积累过程的环节
2.G60定子对称过负荷保护特性反时限曲线特性G60保护中的TOC延时过流元件提供了多种类型时间曲线,如果没有合适的曲线可选,用户可自定义FlexLogicTM曲线的反时限曲线的特性表9-6延时过流元件的多种类型时间曲线利用倍数时间因子,可以由基本曲线演变出一系列的曲线,与电磁型的时间因子不同,动作时间与倍数因子成正比,如当时间倍数因子取10的曲线的所有动作时间将是基本曲线动作时间的10倍,当时间倍数因子取0则保护为瞬时速动反时限过流保护的时间计算是由内部的“能量容量”记忆变量来完成的当变量显示能量容量已达到100%时,时限过流元件动作如果在该中时限变量累计的能量小于100%且此时电流下降至97%〜98%的起动值之下及返回值时,该变量便会减小共有“瞬时和“定时”两种复归方法选用“瞬时”,则当电流下降至启动值之下时,把能量容量直接置0;选用“定时”,则将根据方程式来减小“能量容量”变量的值举例IEEE时间过流曲线,IEEE曲线形状符合工业标准曲线,由下列公式导出AT=TDMx[-—+切-1*pickupjTreset=TDMx-二T、pickup)其中T动作时间;TDM时间倍数因子;I输入电流;Ipkkup电流启动值;Treset——复归时间(能量容量100%且RESET);tr——特性常数;A、B、P——常数,如表9-7表9-7IEEE时间过流曲线常数定时限曲线超过起动值一定时间,定时限曲线形状就会动作基本的定时限曲线延时是以秒计的
0.00-
600.00的曲线倍增器使曲线延时可从瞬间调整到
600.00秒步长为10毫秒T=TDM(秒)当llpickup时TRESet=-TDM(秒)
五、发电机不对称过负荷保护1)发电机长期承受负序电流的能力发电机正常运行时,由于输电线路及负荷不可能三相完全对称,因此,总存在一定的负序电流12但数值较小,如有些情况下,可达12=2〜3%ln(In是额定电流)发电机带不对称负荷运行时,转子虽有发热,但如负序电流不大,由于转子散热效应,其温升可不超过允许值,即发电机可以承受一定数值的负序电流长期运行但负序电流值超过一定数值,则转子将遭受损伤,甚至遭受破坏因此,发电机都要依其转子的材料和结构特点,规定长期承受的负序电流的限额,这一限额即发电机稳态承受负序电流能力,用成表示大型汽轮发电机都采取专门的措施来提高发电机长期承受负序电流的能力,如装设阻尼条、槽楔镀银、采用铝青铜槽楔等我国对60万千瓦汽轮发电机的S规定为5%东方汽轮机厂家的保证值为>10%长期承受负序电流的能力128是负序电流保护的整定依据之一当出现超过4的负序电流时,保护装置要可靠动作,发出声光信号,以便及时处理当其持续时间达到规定值,而负序电流尚未消除时,则应当动作于切除发电机,以防止负序电流造成损害2)发电机短时承受负序电流的能力在异常运行或系统发生不对称故障时,12将大大超过允许的持续负序电流值,这段时间通常不会太长,但因12较大,更需考虑防止对发电机可能造成的损伤发电机短时间内允许负序电流值12的大小与电流持续时间有关转子中发热量的大小通常与流经发电机的12的平方及所持续的时间t成正比若假定发电机转子为绝热体,则发电机允许负序电流与允许持续时间的关系可用下式来表示%=At2式中L.2——以电机额定电流为基准的负序电流标么值;t——允许时间;A——与发电机型式及冷却方式有关的常数A值实际上就反应了发电机承受负序电流的能力,A越大说明发电机承受负序电流的能力越强对于300MW直接冷却式汽轮发电机A值大致范围是AW6〜8东方电机厂600MW汽轮发电机的A值保证值为310A值通常是按绝热过程设计计算的,但在有些情况下,可能偏于保守因为t2一般只在很短时间内可不计及散热作用而当孔2较小,而允许持续时间较长时转子表面向本体内部和周围介质散热就不能再予以忽略因此在确定转子表面过热保护的负序电流能力判据时,再引入一个修正系数K2即有下述判据〔K;=K.%~-K0I^发生不对称短路时,可能伴随较大的非周期分量,衰减的非周期分量在转子中感应出衰减的基波电流,增加转子的损耗和温升对于大型机组,短路电流中的非周期分量所产生的影响比较显著,以为判据的负序电流保护,在电流大时间短(如小于5S)的情况下并不能可靠地保障机组的安全,因此要求大型发电机及关设备要有完善的相间短路保护上述两式都是讨论在某一恒定的12下对应的保护动作时间t实际上发电机承受的常常是变动的12例如强励动作使12快速增大,衰减又使12逐渐减小,模拟式的负序过负荷保护是无法反映这种12变动状态下的确切动作时间的,在通常的保护装置中,最多是设置一个粗略的表示散热作用的环节,这并没有从根本上解决变动12与t的关系,何况转子的散热时间常数也是难以确定的这一问题对微机保护来说很容易解决,即改动作判据为和[侄.2-•/二式中的积分是不难用软件解决的3)转子表层负序过负荷保护的构成为了防止发电机转子遭受负序电流的损害,对于大型汽轮发电机,国内外都要求装设与发电机承受负序电流能力相匹配的反限负序电流保护,如图11-37为一种负序电流保护的动作特性,由反时限和定时限两部分组成反时限部分动作特性在允许的负序电流曲线上面,是考虑到转子散热的影响,这种匹配方式可以避免在发电机还没有危险的情况下切除发电机考虑到发电机机端两相短路时,另有专门的相间短路保护动作于切除故障,以及当12>成且接近成时,又有信号段动作于声光信号,所以不必使保护装置的反时限特性动作范围达到那样宽因此,在负序电流保护装置中,常把反时限特性的两端各割除一段在大于t2或小于%范围内为定限动作,大于ti小于t2范围内为反时限动作下限定时限特性按发电机长期允许的负序电流整定,】d\=KkL大于扇,保护定时限t动作于发信,以便运行人员采取措施
0.54G60负序过负荷保护的特点:保护分为定时限和反时限两部分,定时限部分动作于信号,反时限部分作于跳闸其中反时限部分设定最小动作时间和最大动作时间如上图中的tl和t2最小动作时间用以防止切除外部故障引起的误动;最大动作时间用来限制当负序量很小时保护的最长动作时间反时限动作特性由下式来决定:心〃,,,In为发电机额定电流,由式可见,可见反时限部分为一折线当负序电流达到负序定时限的启动值时,定时限部分作用于发信号,用以提示运行人员进行处理,该值在整定时应低于反时限部分启动值并保留一定预度
六、发电机过电压保护我国通常采用一段式定时限过电压保护,我公司也是如此,其原因之一是大型发变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,由一个过电压逻辑经定时限出口,保护动作于解列灭磁G60过电压保护的特点简单的定时限过电压保护,动作电压为
1.3Un经
0.5S延时作用于全停
七、发电机过激磁保护发电机或变压器的过激磁状况通常用过激磁倍数N来反映n=b_=u^=^BnUn/fnh在发生过激磁后,发电机与变压器并不会立即损坏,有一个热积累过程,对于某一过激磁倍数,均有一对应的允许运行时间研究表明,过激磁倍数与允许时间之间的关系N=1(t)为一反时限特性曲线,称为过激磁倍数曲线过激磁保护应按此反时限特性设计,过励磁保护的动作特性应与被保护设备的过励磁倍数曲线相配合,在发生过激磁时先动作于减励磁,并根据过激磁倍数在超过允许运行时间后解列灭磁,保证发变组安全G60共有两个过激磁元件(V/Hz)—个定时限元件,一个反时限元件定时限部分,当大于启动值Pickup定时限或瞬时动作,Pickup按发电机长期允许的过励能力(V/Hz)来整定,延时大小由TD来整定,TD等于零时为瞬时动作反时限部分提供三种类型的反时限曲线TDM1—/Pickup-1\FTDM°5mrLpicgF式中T——动作时间;TDM——延时系数(S);V——基波电压有效值(V);F电压频率(Hz);Pickup过激磁起动值(V/Hz)过激磁保护具有线性复归特性,复归时间应和被保护设备的冷却特性相匹配
八、发电机低频保护低频保护反应系统频率的降低,保护由灵敏的“频率继电器”和计数器组成按汽轮机的低频范围和允许时间进行分段,受开关辅助接点闭锁(计数部分和保护出口部分均应闭锁),即发电机退出运行时低频保护自动退出运行,保护动作于发信号或解列灭磁对发电机频率异常运行保护有如下要求
1、具有高精度的测量频率的回路
2、具有频率分段启动回路,自动累积各频率段异常运行时间,并能显示各段累计时间,启动频率可调
3、分段允许运行时间可整定,在每段累计时间超过该段允许运行时间时,经出口发出信号汽轮机叶片及其拉金的材料疲劳和断裂,是一个复杂的问题,与许多因素有关,在制造上难于给出准确的断裂条件因此,在给定频率下运行的累计时间达到规定值时,只能说明有断裂的可能,并不说明立即要断裂因此,通常认为频率异常保护应当动作于声光信号,尽量避免不必要的切除发电机特别是对于低频保护更应如此,因为低频保护动作后,说明系统中缺少有功功率,如动作于切除发电机,则会进一步减少发出的有功功率,促使频率进一步下降,造成恶性循环而终致系统瓦解在整定低频保护时应注意从制造厂家了解汽轮机的频率异常运行时限,据此设定低频保护的各段频率和相应时限从电网调度部门了解系统的频率响应特性,低频保护必须根据所在系统的频率响应特性,与按频率自动减负荷装置密切配合,最大可能减少汽轮机、发电机的跳闸低频保护所选段数应能保证在任何的持续低频方式下,汽轮机的疲劳应力最低,保护延时应足够长,尽量避免发电机的不必要跳闸图9-29低频保护出口逻辑保护只在低频率低于81U4时延时t4动作于全停,其它各段均只经相关累计延时动作于信号,出口信号和全停均受发电机出口开关辅助触点闭锁发电机失步涉及该机相对系统中所有发电机是否同步的问题,因此判定某机组是否失步,理论上应由系统全部发电机的运行参数决定,这就需要远动通道,总揽全局的稳定由系统安全自动装置来完成300MW及以上的大型发电机,宜装设专门失步预测保护,失步预测保护应作为系统安全自动装置的一个组成部分,在发电机失步预测保护动作后不应无条件作用于机组跳闸停机,而应该从全系统稳定运行出发,根据系统初始运行状态和故障严重程度,由安全自动装置进行综合判断,发出相应操作命令这里仅讨论等效两机系统,即除所讨论的一机外,系统所有其它发电机组均归并等值为另一机,进一步将两机系统规范化,变成等效一机对无穷大系统,所以有关失步保护也就只限于本机而言
1、对发电机失步保护的要求能够尽快检出失步故障显然,当扰动一出现,如果保护装置能够立即判断出来将发生非稳定振荡,并及时采取措施,是最理想的因为这样就可以避免振荡过程的发生,或者可以把非稳定振荡转化为稳定振荡,至少也可以最大限度地缩短振荡过程,减轻振荡过程对电力系统的不利影响然而,要做到在扰动出现时立即检出失步故障,常常是困难的因此,通常要求失步保护在振荡的第一个振荡周期内能够可靠动作能检测加速失步或减速失步失步保护动作后,应当根据被保护发电机的具体状况,采取不同措施,而不应当无条件地动作于跳闸一般,对于处于加速状态的发电机,应当动作于快速降低原动机的输出功率而处于减速状态的发电机应当在发电机不过负荷的条件下,快速增加原动机输出功率失步保护有鉴别短路与振荡的能力,当发生短路故障时,失步保护不应误动作失步保护有鉴别失步振荡与同步振荡的能力,在稳定振荡的情况下,失步保护不应误动作失步保护应能区分振荡中心在发变组内部还是在外部,当振荡中心不在发变组内部时,应当经过预定的滑极次数后跳闸,而不是立即跳闸当动作于跳闸时,若在电势角5=180°时使开关断开,则将在最大电压下切断最大电流,对开关的工作条件最为不利,有可能超过开关的遮断容量因此,失步保护应避免在这一时机动作于跳闸现场实际中,对于第
①点,由快速励磁系统中的PSS(电力系统功率稳定器)发挥积极作用对于第
②点,则交由汽轮机DEH中的ACC(加速度控制快关中调门)来完成,并且只能针对加速失步实现减负荷功能其它条件则属于失步保护的职责范围
2、振荡及短路过程中机端测量阻抗轨迹••当被保护发电机电势Ea和系统等效电势Eb的大小保持不变(即不考虑各发电机励磁调节器的作用),只有夹角6变化时,在阻抗平上的非稳定振荡阻抗轨迹是一个圆,它以不断变化的功角变化率穿过阻抗平面,在阻抗平面上走过一段距离需要一定的时间当发生短路故障时,在短路瞬间,功角5基本不变,而测量阻抗将由负荷阻抗突然下降为短路阻抗,这个过程可看作是跃变过程当发生稳定振荡时,振荡阻抗轨迹只是在阻抗平面上第一象限或第四限的一定范围内变化,而且功角变化率/力值较小我们可以用图11-39来说明非稳定稳定振荡,短路故障和稳定振荡情况下阻抗轨迹的上述差别图中,假定发电机机正常工作于点H发生短路故障后,机端测量阻抗将由点H跃变到点D当故障切除后,机端测量阻抗就从点D跃变到点G如果动稳定不能保持,则机端测量阻抗轨迹将从点G沿圆5(设KEa/Eb1)变化;如果能保持稳定,则当阻抗轨迹变化到某一点(例如S点)后,将向反方期性电流GE公司UR微机差动保护的特点但实际运行中,由于CT特性不一,大电流下发生饱和等原因,在外部故障时会使差动保护产生较大的不平衡电流,可能使保护误动作如何在保证内部故障时有足够灵敏度的情况下,最大限度地削弱外部故障时不平衡电流的影响就成了差动保护技术研究的核心GE公司的差动保护特性曲线设置为双斜率特性,它的主要目的是在外部短路时躲过由CT产生的不平衡电流,该特性使差动保护可以在小故障电流的时候将定值整定得非常灵敏;当故障电流大时CT误差大,又可以将定值整定放大如下图,CT流过短路电流后,要在
1.5-2周波后才达到开始饱和,在低拐点以前的区域,CT处于的线性工作区内,由CT饱引起的不平衡电流小,所以设置小的制动比以提高灵敏性;在高拐点后,CT开始饱和,差动回路中的不平衡电流增大,为了防止误动,采用较高的制动比to故障初始tl CT开始饱和t2CT重度饱和下外部故障动作区制动区图
9.7双陡度双拐点比率制动特性CT饱和检测在近发电机出口处的短路,往往会在故障电流中存在很大的直流分量,且会持续很长时间,为了防止G60误动,G60就集成了饱和检测功能当检测到CT饱和后,G60继续检测中性点侧和发电机机端的电流相位角度,如向摆动(轨迹6)图9-30振荡及短路过程中机端测量阻抗轨迹H、正常工作点;D、短路后阻抗相量未端;M、振荡中心;曲线
1、机端观测的静稳边界;曲线
2、动稳边界;曲线
3、短路后阻抗跃变;曲线
4、切除短路后阻抗跃变;曲线
5、非稳定振荡阻抗轨迹;曲线
6、稳定振荡阻抗轨迹;
3、G60发电机失步保护特性jx图9-31三段式阻抗元件G60失步保护测量发电机端正序阻抗,采用三段式阻抗元件外圆、中圆、内圆,由时间元件来跟踪阻抗轨迹穿越阻抗元件的情况,检测判断失步工况提供失步跳闸和震荡闭锁功能,失步跳闸可设定为瞬时或延时,延时功能可防止开关过载通过控制字可将保护设定为2步式工作或3步式工作如果最大负荷测量阻抗和外圆动作阻抗之间有足够大的间隙,则用3步式工作,此时外圆、中圆、内圆均在最大负荷测量阻抗和动作阻抗之内采用两步式工作时,只用到外圆和内圆阻抗下面介绍三段式失步保护关键参数的整定方法,并通过这些参数来理解保护的工作原理POWERSWINGMODE用于设定2步式或3步式工作POWERSWINGFWDREACH用来整定三个特性阻抗在正方向的范围,其值应大于变压器、线路、及系统阻抗之和,对于复杂系统则需对系统暂态特性进行分析后得出POWERSWINGFWDRCA用来整定上述正方向的阻抗角,主要与系统阻抗角有关POWERSWINGREVREACH用来整定三个特性阻抗在反方向的范围,其值应大于发电机的正序电抗POWERSWINGREVRCA用来整定上述反方向的角度POWERSWINGOUTERLIMITANGLE用来整定外圆当该角度大于90度时特性呈苹果圆形状,当该角度小于90度时,特性呈透镜形状在选择该值时,必须考虑到最大负荷,应该使角度和最大负荷阻抗区保持20度的距离裕度POWERSWINGMIDDLELIMITANGLE用来整定中圆它只在3步模式下才有效,其典型值是外圆角度和内圆角度的平均值POWERSWINGINNERLIMITANGLE用来整定内圆它用在失步跳闸保护中,该角度和发电机的动稳边界相适应,确保系统在该角度下发生失步POWERSWINGPICKUPDELAY1用来整定G60的振荡闭锁时间对于2步工作方式,为测量阻抗穿越由外圆到内圆所必须经历的时间对于3步工作方式,为测量阻抗穿越由外圆到中圆所必须经历的时间该时间必须设置得比振荡轨迹最快时,阻抗在两个特性中的穿越时间要小POWERSWINGPICKUPDELAY2该时间元件只在3步模式下才有效,用来整定阻抗轨迹由中圆到内圆所必须经历的时间该时间必须设置得比振荡轨迹最快时,阻抗在两个特性中的穿越时间要小POWERSWINGPICKUPDELAY3该时间元件用来整定阻抗轨迹在内圆中所必须停留的时间这是失步跳闸判据的最后一步,但保护是否立即跳闸,由控制字TRIPMOD(跳闸方式)来确定POWERSWINGTRIPMOD跳闸方式控制字,可选择EARLY和DELAY两种方式当选择EARLY方式时,满足判据以上三个判据,阻抗轨迹最后落入内圆,保护即动作跳闸当选择DELAY时,在阻抗离开外圆时失步保护动作EARLY方式可能对开关的安全造成威胁,因为此时开关的断口电流可能非常高(系统两侧电势相差180°)0反之,选择DELAY方式时,发跳闸命令时断口电流就相对较小对开关安全有利POWERSWINGPICKUPDELAY4失步跳闸延时时间,在控制字TRIPMOD选择DELAY方式才有效阻抗轨迹必须在内圆以外及外圆以内停留的时间大于该值时,G60才允许发跳闸指令POWERSWINGSEAL-INDELAY失步跳闸自保护时间G60失步保护发跳闸令后自保持该时间,确保开关有足够的时间完成跳闸当失步保护跳闸方式为DELAY时这个时间尤为重要,因为此时阻抗离开外圆的时间非常的短POWERSWINGRESETDELAY1用来整定G60的振荡闭锁返回时间振荡阻轨迹离开外圆经过该时间后,施密特触发器返回
十、发电机突加电压保护误上电保护实现的原理多种多样,其原理大同小异,主要区别在于发电机停机状态的鉴别元件,有的用低频元件,有的用低电压元件,均辅以开关的辅助触点下面仅介绍G60保护(以低电压元件作为停机鉴别元件)的突加电压保护逻辑该保护主要用于保护发电机在盘车或减速时发生误合闸,还可以用来作为“同期失败”保护低压元件和发电机离线状态的逻辑配合有“与”和“或”的逻辑可供选择(由控制字“UVorOffline”选择)当选择“或”逻辑时,同期失败保护投入三个低电压元件(线电压)均<Pickup时低电压条件满足;三相电流元件任何一相>Pickup时过电流元件条件满足;延时元件延时250ms返回,返回时间保证开关跳闸过程的完成(类似于BZT装置的一次自投回路)图9-32突加电压保护逻辑框图发电机解列停机后,三相低电压条件满足,出口开关“on=0”条件满足,延时元件延时5S后发出“准备动作”信号,提前做好跳闸准备,发电机停机状态时,始终保持“准备动作”状态,即停机状态下保护始终投入开关合闸后“on=l”发电机在线,通过与门将低电压元件禁止,“准备动作”无效,将保护退出现在分两种情况分析一下保护的动作情况
1、发电机盘车或低速下出口开关误合闸发电机出口开关在断开位置,三相低电压条件满足,延时5s后“准备动作备好,此时发电机出口开关合闸,三相过流元件瞬时起动,将发电机跳开
2、发电机同期失败(非同期并列)首先选择“UVorOffline=l”,发电机出口开关在断开位置,延时元件“准备动作”备好,开关合闸时三相过流元件瞬时起动,将发电机跳开选择“UVorOffline=l”时,为防止发电机在线时,三相低压元件动作导致突加电压保护误动出口,延时元件的延时动作时间应躲过系统振荡时的最大振荡周期
十一、发电机逆功率保护主汽门关闭,可能在无功功率为任意值时发生,最不利的情况是在接近额定千乏数时,此时要在cosQaO的条件下检出千分之几百分之几额定值的有功功率,而且希望从进相运行到滞相运行很宽的范围内,保持动作功率基本不变因此,逆功率继电器需要精心设计和仔细调整海盐力源引美国GE公司的G60微机保护中,逆功率保护动作特性为一直线与无功功率无关,精度可达土O.OOlPUo该保护元件的方向角可调且可以整定最小动作功率,如图a其动作特性按下式确定PCOS9+Qsin0Sm[n式中P——测量的有功功率;Q——测量的无功功率;6——保护元件特性角RCA与矫正角Calibration之和,加入矫正角是为了弥补PT和CT的角度测量误差,以获得更精确的保护整定值RCA角度0°〜359°可调,步长为1°Calibration角度0°〜
0.95°可调,步长为
0.05°因为功率方向元件的特性角RCA可调,且最小动作功率Smin可正可负,通过改变功率元件的特性角和最小动作功率的符号,我们可以得到多种不同的动作特性如RCA=180°Smin0为逆有功超低限特性RCA=180°Smin0为正有功超低限特性RCA=0°Smin0为正有功超高限特性RCA=0°Smin0为逆有功超高限特性RCA=90°、Smin0为正无功超高限特性RCA=270°、Smin0为正无功超低限特性,等等对于逆功率保护,选择,RCA=180°Smin0为逆有功超低限特性,如图b所示图9-33逆功率元件特性根据逆功率程度的不同,逆功率保护可以分为两段,I段经延时作用于信号II段则动作于跳闸
十二、带记忆的复合电压闭锁过流保护对于自并激励磁,当发电机端附近发生短路时,在短路的开始阶段,短路电流比它励式发电机衰减得慢,这期间不存在自并励式发电机短路电流小的问题,因此对瞬时动作的主保护没有影响但是在稍长一段时间后(如后备保护的延时),自并励式发电机不仅没有强励作用,而且由于机端电压下降,可能使励磁电流逐渐减小,后者进一步使机端电压下降,因而出现发电机最终完全失磁的状态,此时短路电流将随时间不断衰减,最后接近零值,这就可能造成发电机后备保护的拒动如图9-33所示为发电机出口和主变高压侧三相短路时,发电机短路电流的衰减曲线a自并励式励磁系统b■衰减曲线图
9.34自并励式励磁系统及三相短路电流衰减曲线自并励式发电机短路电流的变化特性主要取决于外接电抗凡即短路点距发电机的远近,对于三相短路,也有一个临界电抗值式中Xd——发电机同步电抗;COS%——发电机电压不变时强励电压与空载激磁电压之比,其值为c°s%%为发电机强励时可控硅的控制角,%为发电机空载时可控硅的控制角当丛>为时,短路电流将不衰减;当丛三叫时,短路电流是衰减或保持不变的就大型机组而言,比中小型机组增大,而G的数值不可能有太大提高即大型机组与中小型机组的4差不多,所以大型机组外接电抗临界值较大,担心大型机组后备保护灵敏度不够是有根据的,因此应该检验自并励式发电机外部短路时由于短路电流的不断衰减而可能引起的灵敏度不足的问题为了避免短路电流的衰减影响保护的灵敏度,自并激励磁的发电机后备保护采用带记忆的复合电压闭锁过流保护,即电流起动记忆,由复合电压闭锁的延时保护,发电机闭锁电压采用负序电压和低电压组合如图11-44所示,三相过电流元件动作后在时间t内保持,在满足复合电压的条件下,经过延时t]后作用于出口发信和跳闸,如果在整定延时tl范围内电压恢复,则切断延时跳闸回路图
9.35发电机复合低压过电流保护出口逻辑果该角度显示故障在区内则发跳闸命令比相原理由以下公式来判别IItsIBlO「|ItsIK•lRand|lTsIO.lpuIF{IInsIBLor|lNSIK•lRand|lNSIO.lputhenDIR=abs匕Its—匕Ins90°elseDIR=1其中Ir=制动电流,DIR=方向控制字Bl=拐点电流Its机端电流,Ins机尾电流,K=常数
0.5CT饱和检测按如下的流程工作“NORMAL”是该流程的起始状态,当在“NORMAL”状态时,饱和标志字SAT=0o则G60运算饱和条件,SC来判断是否发生饱和,NORMAL状态下,SC=1表明发生了“外部故障”,将SAT置1如果差动电流减小到第一个斜坡以下超过200ms则返回NORMAL状态如果差动动作标志字为1则该流程进入“外部故障且CT饱和”状态,在该状态下,G60将保持饱和标志字SAT=1如果差动保护动作标志字返回了100ms则该流程进入“外部故障”状态外部故障CT饱和SAT:=1图9-8CT饱和检测流程畤目差动动作图9-9定子差动保护出口逻辑
二、发电机定子接地保护发电机定子单相接地时的基波零序电压首先从金属性单相接地开始讨论,设故障点位于定子绕组A相距中性点a处,a为中性点到故障点的匝数占一相串联总匝数的百分比,由于接地电流非常小,定子绕组感抗又远小于对地容抗,所以可以完全忽略定子绕组感抗压降,这.样零序电压U既是发电机中性点的位移电压,也是定子绕组任一相和任一点的零序电压,即U=—UA+JB+Uc=—[0+aEB-aEA+aEc-aEA]I•••••—_[a£^+E.+Ec_3ocEA]——ccE当故障点在机端时,a=
1.0%=%相电动势当故障点在中性点时,a=0口=°当故障点在一相绕组的任一点a时,零序电压U,=aEph如图H-19所示与a是线性关系a(a)发电机单相接地示意图(b)发电机单相接地时基波零序电压L与a的关系图9-10定子单相接地基波零序电压分布发电机三次谐波电压实际测量表明,无论发电机机容量大小如何,它们的相电压中总有少量的三次谐波成份,其大小可为额定电压的千分之几到百分之十左右这是因为转子绕组结构上的特点,总存在一定的(虽然很小)三次谐波磁势和磁密,另一方面因转子大齿和小齿结构使两者等效气隙线不同,也会产生三次谐波磁密,这样便会在相电压中产生三次谐波分量正常运行时发电机中性点零序电压如图9-11(妈湾电厂)所示DXl40iWIiIEIMi160tOQ图9-11定子单相接地零序电压波形很显然,三次谐波电势是零序性质的,因此不会出现在线电压中主变低压侧通常是△形接线,发电机中性点又采用高阻接地方式,正常运行时不存在三次谐波电流主通路,这时三相绕组中的三次谐波电势通过绕组对地分布电容和发电••机所连设备对地导纳形成机端侧和中性点侧对地零序三次谐波电压“S和溯,两者大小与机端和中性点对地等值导纳成反比分配,两者之相量和正好与三次谐波等值电势相等由于机端所连设备对地电容使机端等值电容增大,故通常有UsUn图
9.12正常运行三次谐波等值电路发生发电机定子接地故障时,接地点迫使绕组三次谐波电势按故障接地点分••为两部分,使相应的“S和“N发生变化当靠近中性点附近发生接地故障时,Un减小,s增大故障点越靠近中性点,n减小得越多,而s增大得越多极••端情况下,当中性点直接接地时,n=,因此,利用三次谐波电压“N和久相对变化的特征可以有效地消除中性点附近的保护死区需要指出的是,即使在正常运行状态,三次谐波电势随发电机运行工况的改••变而不断变化,使n和s亦发生变化实际上当发电机输出的有功功率和无功••功率改变时均会引起三次谐波电压的变化因此直接单独根据n和Us一个量的改变并不能作为发生接地故障的特征因此,需要利用n和S的相对变化来实现定子绕组三次谐波电压原理的定子接地保护现场测试结果可知三次谐波电压与运行工况的关系为汽轮发电机的三次谐波电压与无功Q的关系不大,但是与有功P的关系比较显著,两者近于线性增长关系••机端三次谐波电压幅值和中性点三次谐波电压幅值的比值Vso|/|Uno|随有功P和Q的改变而变化很小,基本上可以认为是一个常数基波零序电压型定子接地保护发电机定子回路中各点的基波零序电压相同,因此,利用基波零序电压作为动作参量的定子接地保护不可能区分接地故障点位于发电机内部或外部,这是这种保护的固有缺点在发电机定子回路中某点发生单相接地时,定子回路各点均有零序电压为蠕0^因此作为保护动作参量的基波零序电压可以取自发电机中性点的配电变压器用一个高电压继电器检测发电机零序基波电压,就构成了零序基波电压原理的定子接地保护实际测试表明,发电机正常运行时不平衡零序电压可能超过10V有时因电压互感器饱和,甚至有超过20V的,若按此整定,保护死区当超过10%〜20%对于重要的大型发电机来说,这是不能满足要求的,要想扩大这种保护装置的保护动作区(即降低其动作电压),应解决以下几方面的问题努力减小正常运行时的不平衡零序电压但是从示波图中可看出,不平衡零序电压基本上是三次谐波成分,基波成分极小(经常小于IV)为了减小接地保护的动作电压,有效而简便的方法就是将二次电压进行三次谐波过滤,经过滤波后基波零序电压定子接地保护的动作电压可以减小为5〜10V即动作区为90%~95%如果主变高压侧系统中性点直接接地,当高压系统发生单相接地故障时,若直接传递给发电机的零序电压超过定子接地保护的动作电压,则必须应引入高压侧零序电压作为制动量,以防误动还应该考虑厂用系统接地故障对定子接地保护的影响,一般不致发生误动关于电压互感器为了防止电压互感器一次侧熔断器熔断时在开口△绕组产生的零序电压造成基波零序电压定子接地保护误动作,基波零序电压保护电压信号应取用发电机中性点的配电变压器二次侧(有可靠断线闭锁措施的除外)发电机电压互感器熔断器l-t特性应与发电机定子接地保护特性相配合,以保证在电压互感器回路发生接地短路时,熔断器先熔断三次谐波电压型定子接地保护••正常情况下忡$』忡啊|由“〃s和九随接地点a变化的曲线”可明显看出,••当a50%时,Vs|Vn|即机端三次谐波电压大于中性点三次谐波电压因此可••利作为动作量,作为制动量来构成反应三次谐波电压的接地保护,它可以反应a50%范围内的接地短路这样,它与基波零序电压保护共同构成了双频式定子绕组100%单相接地保护,完全消除了保护死区••以hl1^1为动作条件的定子接地保护这种方式特别不适宜用于大型机组,因为大型机组机端外接电容大,并且中性点采用高阻接地方式,使得制动量.V过大,灵敏低••以匕|%||0为动作条件的定子接地保护引入可靠系数瓦S后,制动量可减小,因而灵敏有所提高,但对大机组来说,还是不够理想Kn认以人心Un为动作条件的定子接地保护为了进一步提高灵敏度根据前的讨论应尽可能降低制动量,但是这必须在保证正常运行不误动的可靠性前提下进行,也就是说要降低正常运行时的制量,就必须寻找在正常运行时数值••也很小的动作量对于中小机组,勿和九的数值相近,正常运行的忡sol和忡Nol也因而灵敏度很高-Un—KpUs以妇纺L为动作条件的定子接地保护大型机组”〃和化的数••Un()—Uso•值相差很大,所以也就大,相应的制动量就小不下来如果我们把*IEEEIECGE标准IAC其它IEEE极端反时限IEC曲线ABS142IAC极端反时限FlexCurneI2tIEEE非常反时限IEC曲线BBS142IAC非常反时限曲线AIEEE一般反时限IEC曲线CBS142IAC反时限FlexCurve曲线BIEC短反时限1AC短反时限定时限IEEE曲线形状常数ABPtrIEEE极端反时限
28.
20.
12172.
000029.1IEEE非常反时限
19.
610.
4912.
000021.6IEEE一般反时限
0.
05150.
11400.
02004.85。