大机组保护讲义

yunnandian · 发表于 2007-3-25 21:12:11

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大机组保护讲义

大容量机组的发变组保护
一．大容量机组的特点：
1．参数方面：
随着机组容量的增大，Xd（同步电抗）、X’d（暂态电抗）、X”d（次暂态电抗）增大，R减小，这样造成：（1）异步运行时的异步转矩变小，滑差加大，容易失步。（2）短路电流水平降低，要求保护更加灵敏。（3）Ta（定子回路时间常数）增大，使非周期电流分量衰减大大变慢，严重恶化了保护用电流互感器的各种特性。
2．结构方面：
（1）．材料利用率高，要求冷却条件好，后备保护完善。
（2）．汽轮机轴向长度与直径比变大，振动加剧，容易发生匝间短路。
3．运行方面：
（1）．励磁复杂，容易失磁。
（2）．保护误动或拒动都会带来很大危害，同时要求保护更快速，更灵敏。
（3）．不应频繁起停机，更不可轻易紧急跳闸停机。
二．大容量机组的保护配置及原理：
大容量机组根据自身特点及可能发生的故障和异常情况，一般应配置如下保护：
1．发电机差动保护。它为定子绕组及其引出线相间短路的主保护，采用比率制动原理，动作逻辑为循环闭锁方式，保护范围是定子绕组及其引出线，一般0秒动作切除故障。
所谓比率制动原理，即是根据发电机正常运行时的不平衡电流曲线，作出一条躲过不平衡电流的动作边界曲线，这条曲线叫做比率制动曲线，在短路电流小于起始制动电流时，保护装置处于无制动状态，其动作电流很小（小于额定电流），保护具有较高的灵敏度。当外部短路电流增大时，保护的动作电流又自动提高，使其可靠不动作。它反应了保护的比率制动特性，发电机差动方程即是以此为依据写出来的。
                  Id
         Isd                                              比率制动曲线
            Iq                                     不平衡电流曲线

Ig                                     Iz
比率制动特性曲线
动作方程：‖Id—Iq‖≥Kz‖Iz—Ig‖
所谓循环闭锁方式，即是当发电机内部发生相间短路时，二相或三相差动同时动作，或者是发生了一点在区内另外一点在区外的两点接地故障时，一相差动动作且同时有负序电压产生，那么保护均出口跳闸。若后一种情况仅一相差动动作而无负序电压时则认为是CT断线，负序电压常时间存在而同时无差电流时，则为PT断线。保护的逻辑图如下：

                                             CT断线

                                                                     跳闸

                                          PT断线




发电机差动保护动作逻辑图
2．主变差动保护。它为主变内部故障的主保护，反应变压器油箱内部、套管和引出线的相间和接地短路故障，以及绕组的匝间短路故障。保护采用有二次谐波制动的比率差动原理，考虑到循环闭锁采用耦合原理受环境影响大，故出口逻辑采用二次谐波制动与单差动方式。我厂二期机组为四侧差动，‖I1+I2+I3+I4‖≥KMax｛I1，I2，I3，I4｝。保护逻辑图如下：

                                                                     跳闸



发信

主变差动保护动作逻辑图
保护范围包括发电机封母、厂变高压侧封母、主变及主变高压侧出线等，一般0秒动作切除故障。变压器差动与发电机差动的最大区别就在于它存在励磁涌流的影响，空载合闸状态下或外部短路切除后，励磁涌流约为2Ie，但负荷状态下，励磁电流只有约0.2%Ie。而且低压绕组贴近铁芯，高压绕组远离铁芯（漏抗大），故在低压侧空载合闸涌流大，在高压侧空载合闸涌流小，这也是大机组采用单元式接线的一个重要原因。采用二次谐波制动原理虽然能在一定程度上防止空载合闸时的保护误动，但也存在二次谐波制动比大及内部故障时由自由电流造成保护拒动的可能。另外，由于变压器是靠磁路联接的，而且两侧CT变比也不一致，这就使得正常运行时的差流较发电机差流要大。
3．发变组差动保护。它为发电机、变压器及其引出线故障的双重化主保护。我厂二期机组为五侧差动，保护原理同主变差动，保护范围包括发电机及其引出线、封母，主变及其套管引出线、500KV侧出线，厂变及其套管引出线、低压侧引线等。一般0秒动作切除故障。
4．发电机定子匝间保护。它为发电机定子匝间短路及定子绕组分支开焊故障的主保护。保
护反应发电机纵向零序电压的基波分量。“零序”电压取自机端专用PT的开口三角形绕组，该专用PT采用全绝缘PT，其一次侧中性点与发电机中性点通过高压电缆相联而不接地。“零序”电压中的三次谐波不平衡量由三次谐波滤过器滤除。为准确、灵敏反应内部匝间故障，同时防止外部短路时保护误动，本保护以纵向“零序”电压中三次谐波增量变化来区分内外故障。当内部故障时，3U0↑、3Uw↑，当外部故障时，3U0↑、3U3w↑↑。保护分两段：
I段为次灵敏段：动作值必须躲过任何外部故障时可能出现的基波不平衡量，保护瞬时出口。
II段为灵敏段：动作值可靠躲过正常运行时出现的最大基波不平衡量，并利用“零序”电压中三次谐波不平衡量的变化来进行制动。保护可带0.1~0.5秒延时出口以保证可靠性。为防止专用PT断线时保护误动，保护采用可靠的电压平衡继电器作为PT断线闭锁环节。保护动作逻辑图如下：

                                                            灵敏段出口跳闸




                                                         次灵敏段出口跳闸

定子匝间保护出口逻辑
5．发电机定子接地保护。大型发电机定子接地保护应该满足以下三个基本要求：（1）故障点电流不应超过安全电流，出口电压18KV及以上的发电机安全电流为1A。（2）有100%保护区。（3）保护区内任一点发生接地故障时保护应有足够的灵敏度。在发电机单相接地故障时，不同的中性点接地方式，将有不同的接地电流和动态过电压以及不同的保护出口方式。100MW以上的大机组，一般采用发电机中性点经消弧线圈接地方式，对于单元连接的发电机中性点的消弧线圈，为了减少耦合传递过电压以及频率变动对发电机中性点位移电压的影响，一般采用欠补偿方式，从而有效地防止了接地故障发展成相间或匝间短路，使故障点电弧存在时间大为减少。保护则采用由3U0定子接地保护和3W定子接地保护共同构成的100%定子接地保护。其中，3U0定子接地保护反应发电机的零序电压大小，保护具有三次谐波滤除功能，灵敏度很高，零序电压取自发电机机端PT的开口三角形绕组，保护范围是自机端向机尾侧85%~95%的定子绕组。保护的动作逻辑如下图：
                                                               跳闸
需要注意的是应校核系统高压侧接地短路时，通过升压变高低压绕组间的耦合电容CM传递到发电机侧的基波零序电压UH0大小，看UH0是否小于3U0定子接地保护的动作电压，否则会引起保护误动。另外，也必须校核厂变低压侧接地短路时，传递到高压侧的基波零序电压UL0大小，否则也可能引起保护误动，我厂一号机组去年就曾发生过因6KV侧A相接地造成3U0定子接地保护误动的事故。事故分析图如下：

                  厂用变Cb
  发电机Cf                                     UL0

3W定子接地保护反应发电机机端和中性点侧三次谐波电压大小和相位，保护具有较高的基波分量滤除功能，使灵敏度很高，机端三次谐波电压取自发电机机端PT的开口三角形绕组，中性点三次谐波电压取自发电机中性点消弧线圈。在正常运行情况时，中性点经消弧线圈接地的发电机中性点的三次谐波电压，总是要比机端三次谐波电压要大一些，而中性点侧接地时，则情况相反。保护的动作逻辑如下图：
                                                            发信
保护范围是自机尾向机端50%以内的定子绕组。引起3W定子接地保护误动的原因曾有：（1）运行人员忘记合发电机中性点侧接地刀（2）中性点消弧线圈PT变比不合适，应为Un/√3/100，即一次侧为相电压。专家认为：对于大型机组，定子单相接地短路应该投信号，通过转移负荷，平稳停机，避免了盲目跳闸对机组的损害，也避免了大电流烧铁芯和动态过电压的损害。另外，对大机组来说，在开、停机过程中必须投入定子接地保护。
6．发电机失磁保护。
发电机失磁时，吸收无功，测量阻抗由第一象限向第三、四象限移动，转子电压下降，严重时会导致发电机异步运行，机端电流上升，甚至造成系统电压崩溃，表现为机端电压下降。根据这些特征，发电机失磁保护由发电机机端测量阻抗判据、转子低电压判据、变压器高压侧低电压判据、定子过流判据构成。一般阻抗圆整定为静稳边界圆，为躲过发电机进相运行和防止短路时误动，将静稳极限阻抗圆下移，避开一、二象限，按异步阻抗圆整定。失磁前有功越大，进入异步边界阻抗圆就越快。转子低电压判据满足时发失磁信号，此判据可以预测发电机是否因失磁而失去稳定，从而在发电机尚未失去稳定之前及早地采取措施（切换励磁等），防止事故的扩大。
j X
R
  -0.5X’d

-Xd
对于无功储备不足的系统，当发电机失磁后，有可能在发电机失去静稳之前，高压侧电压就达到了系统崩溃值。所以转子低电压判据满足并且高压侧低电压判据满足时，说明发电机的失磁已造成了对电力系统安全运行的威胁，经“与2”电路发出跳闸命令，迅速切除发电机。
转子低电压判据满足并且测量阻抗判据满足，经“与3”电路发出失稳信号。此信号表明发电机由失磁导致失去了静稳。当转子低电压判据在失磁中拒动（如转子电压检测点到转子绕组之间发生开路时），失稳信号由测量阻抗判据产生。
汽轮机在失磁时允许异步运行一段时间，此间过流判据监测汽轮机的有功功率。若定子电流大于1.05倍的额定电流，表明平均异步功率超过0.5倍的额定功率，发出信号，运行人员降低发电机的出力，使汽轮机继续作稳定异步运行。稳定异步运行一般允许2~15分钟（t1），所以经过t1之后再发跳闸命令。在t1期间运行人员可有足够的时间去排除故障，重新恢复励磁，这样就避免了跳闸，这对经济运行具有很大意义。如果出力在t2内不能压下来，而过电流判据又一直满足，则发跳闸命令以保证发电机本身的安全。


                                                                     发信

                                                                     跳闸




                                                                     跳闸

发电机失磁保护出口逻辑

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