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发变组保护原理 安徽省电力科学研究院 系统研究所 2010-5-18 保护总体方案设计思想 总体方案为双主双后，即双套主保护、双套后备保护、双套异常运行保护的配置方案。其思想是将一个发变组单元的全套电量保护集成在一套装置中。对于一个发变组单元，配置两套完整的电气量保护，每套保护装置采用不同组TA，均有独立的出口跳闸回路。非电量保护出口跳闸回路完全独立，和操作回路独立组屏。1.发变组保护配置 配置方案一 300MW-500KV机组 TA3主变差动，发变组差动失灵保护主变差动，发变组差动失灵保护TA4TA101212误上电，阻抗，过负荷通风起动12主变零序TA9MT匝间保护TV3第二套保护用TV22第二套保护用TV11TA812励磁变速断过流ETTA212发电机差动，主变差动逆功率，失磁，失步TA1012TA5ATTA1112厂变分支零序主变差动，厂变差动厂变复合电压过流TV6TV712TA7发变组差动厂变分支复合电压过流厂变分支限时速断12TV8TV91222TA1GS发电机差动，发变组差动对称过负荷，不对称过负荷复合电压过流，程跳逆功率注:1为第一套保护用TA/TV2为第二套保护用TA/TV11211212厂变分支零序TA6TV52TV41配置方案二 300MW-220KV机组 121212121212厂变分支零序12发电机差动,发变组差动对称过负荷,不对称过负荷复合电压过流,程跳逆功率12励磁变速断过流发电机差动,主变差动,逆功率,失磁,失步第二套保护用TV2第一套保护用TV112主变零序主变差动,发变组差动主变阻抗TA3MTTA8TA9主变间隙零序TA7TA2GSTA1TV9TV81122发变组差动厂变分支复合电压过流厂变分支速断TA6TA5AT12主变差动,高厂变差动厂变复合电压过流1为第一套保护用TA/TV2为第二套保护用TA/TV注:ETTV5TV41222TV7TV611.匝间保护TV321TA4TA10厂变分支零序TA11 配置方案三 100MW-220KV机组 TV4TV51221TV6TV71221121212122121TA8厂变差动厂变分支过流TA7TA6主变差动厂变差动,复压过流,过负荷,通风212121励磁变速断过流发电机差动,失磁,逆功率主变差动220KV110KVTA4主变差动复合方向过流,过负荷,通风失灵,非全相TA5主变差动复合方向过流,过负荷,通风主变220KV方向零序主变110KV方向零序TA12主变110KV间隙零序TA10主变220KV间隙零序TA9TA11匝间专用TV3第二套保护用TV22第一套保护用TV11TA9TA3TA221TA1发电机差动,发电机对称过负荷,不对称过负荷,复合电压过流1为第一套保护用TA/TV2为第二套保护用TA/TV注:MT1122ATETGS.厂变差动厂变分支过流2.比例差动保护动作特性 3.发电机差动TA饱和问题 以往认为：发电机差动采用保护级TA，并且TA同型；区外故障电流倍数小，一次电流完全相同，二次不平衡差流 小；因此，为提高内部故障灵敏度，降低差动起始定值、比率制动系数。实际情况：发电机差动TA尽管同型，但两侧电缆长度可能不一致，部分 机组TA不是真正同型TA；区外故障电流倍数尽管小，但非周期分量衰减慢；结果，导致TA饱和，不平衡差流增大，差动保护屡有误动发生；差动保护TA断线报警或闭锁 内部故障时，至少满足以下条件中一个：（1）任一侧负序相电压大于2V （2）起动后任一侧任一相电流比起动前增加 （3）起动后最大相电流大于1.2 Ie （4）同时有三路电流比启动前减小 因此，差动保护启动后40ms内，以上条件均不满足，判为TA断线。如此时“TA断线闭锁比率差动投入”置1，则闭锁差动保护，并发差动TA断线报警信号，如控制字置0，差动保护动作于出口，同时发差动TA断线报警信号。4.定子绕组单相接地保护 定子接地保护的必要性：a 单相接地引起非故障相及中性点电位升高。b 中性点附近经过渡电阻接地若保护灵敏度不够而未动作，经过长期运行，在机端侧再发生第二点接地，中性点电位升高，第一个接地点接地电流增大，而过渡电阻减小，结果发生相间或匝间严重短路。c 其次单相接地引起铁心的损伤。机组越大分布电容越大，接地容性电流越大。接地电流较大引起电弧，引起绕组绝缘及定子铁心损坏。4.1基波零序电压保护 4.1.1单相接地故障时的基波零序电压 0.51.00.250.50.751.0U0/E0EAEBECUAUBUCECEBEC(1-)(1-)(1-)(a)单相接地示意图（b)基波零序电压与 的关系 对于主变压器高压侧中性点不论是否接地，当高压系统发生接地故障时，直接传递给发电机的零序电压超过定子接地保护的动作值，对于跳闸接地保护可以经主变高压侧零序电压闭锁，基波报警可以用时间避开。基波零序电压型定子接地保护简单可靠，是现在用的比较普遍的保护，保护区80%90%中性点接地时基波保护存在死区。4.1.2基波零序电压定子接地保护的特点 4.1.3 基波定子接地保护判据 （1）灵敏段基波零序电压保护，动作于信号时,其动作方程为:Un0U0zd 式中Un0为发电机中性点零序电压，U0zd为零序电压定值。灵敏段动作于跳闸时，还需主变高、中压侧零序电压闭锁，以防止区外故障时定子接地基波零序电压灵敏段误动。（2 2）高定值段基波零序电压保护，动作方程为：Un0 U0hzd 保护动作于信号或跳闸均不需经主变高、中压侧零序电压辅助判据闭锁。4.2 三次谐波定子接地保护 4.2.1三次谐波电压源 1 由于发电机气隙磁通密度分布非正弦分布和铁磁饱和影响，在定子绕组中感应电势除基波分量外还含有高次谐波，其中三次谐波含量较高。2 对于水电机组三次谐波电压随无功近似线性增长。这是因为凸极发电机带感性无功时，纵轴电枢反应将对三次谐波励磁势起助磁作用，而且随无功增大励磁必相应增大，励磁磁通势三次谐波必然增大。3 TV饱和引起。将引起三次谐波的虚假增大。UN3US3C0f/2C0f/2C0sI03E3NS(1-)E3(1-)图1-38 发电机内部单相接地时三相谐波电势分布等值电路图010 20 30 40 50 60 70 80 90 100E3机端中性点UN3US3E3%图1-39 US3、UN3随 的变化曲线4.2.2单相接地时三次谐波分布特点 4.2.3 现有三次谐波定子接地保护存在问题 三次谐波电压比率判据 启停机过程中易误动 正常运行机组频率变化时，三次谐波滤过比下降，易 导致误动 调整型三次谐波电压判据 启停机过程中易误动 正常运行机组频率变化时，三次谐波滤过比下降，易导致误动 运行方式变化时，易误动 4.2.4 三次谐波比率判据 自适应三次谐波电压比率判据：发变组并网前后机端等效电容变化较大，并网前、后各设一个定值，根据各自状态下装置实时显示的最大三次谐波电压比率值整定，装置根据断路器位置接点和负荷电流自动适应状态变化 频率跟踪和数字滤波器相结合，在频率4555Hz范围内三次谐波电压滤过比不受影响 在系统频率严重偏离50HZ时，采用按频率比率制动原理 wzdNTKUU3334.2.5三次谐波差动判据 NNtTUkreUkU333 三次谐波电压差动判据：正常运行时，机端、中性点三次谐波电压幅值、相位在一定范围内波动，实时自动调整系数kt使正常运行时差电压接近为0；可以保护100的定子接地 4.2.6三次谐波电压差动可靠性：频率跟踪和数字滤波器相结合，在频率49.550.5Hz范围内保护功能不受影响；在机组频率超出49.550.5Hz范围时，闭锁本判据；机组并网后负荷电流大于0.2In时，自动投入本判据；当TV断线时闭锁本判据。由于采用了以上辅助判据，尽管三次谐波电压差动判据在定子接地时灵敏度很高，但是在启停机过程中、区外故障及其他工况下均不会误动。5.发电机定子匝间故障 .纵向零序电压原理构成的保护方案。在发电机的出口装设一个专用全绝绝缘电压互感器，其一次绕组中性点直接与发电机中性点相连而不接地。所以，该电压互感器二次绕组不能用来测量相对地电压。只有当发电机内部发生匝间短路或者对中性点不对称的各种相间短路时，破坏了三相对中性点的对称，产生了对中性点的零序电压，即纵向零序电压，在它的开口三角绕组才有输出电压，即3U00，使零序电压匝间短路保护正确动作。为防止低定值零序电压匝间短路保护在外部短路时误动作，还采用一些制动或闭锁量。5.1专用PT纵向零序电压匝间保护 BACoo3U0YH0E0I0nxf0 xf01nn零序电压匝间保护用电压互感器 n并联分支发电机零序等效电路 nxnnxnnxnnnxEIffff000020000013I3U31131=E专用TV纵向零序电压匝间保护 5.2发电机裂相差动定子匝间保护TA安装位置示意图 发电机的失磁 一、发电机失磁的原因 1、灭磁开关误跳闸而转子线圈经灭磁电阻短接 2、转子线圈短路 3、转子线圈回路断线而开路 4、硅整流的故障 5、自动调节励磁装置的故障等 二、发电机的失磁的影响 1、当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。2、由于感应电势逐渐减小，导致电磁功率小于原动机的功率，转子加速，功角增大，有可能超过静稳极限而导致发电机和系统失步。3、发电机失磁后将从并列运行的电力系统中吸取电感性无功功率供给转子励磁电流，在定子绕组中感应电势。4、在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率为 的电流，此电流产生异步制动转矩，当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行。失磁前有功越大，稳定异步转差越大，吸收无功越大。转子绕组短路引起失磁比转子绕组开路失磁，转差小。sfff 由于失磁导致失步后的影响 1、需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。2、由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，如果电力系统的容量较小或无功功率的储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压、或其它邻近点的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。3、由于失磁发电机吸收了大量的无功功率，因此为了防止其定子绕组的过电流，发电机所能发出的有功功率将较同步运行时有不同程度的降低，吸收的无功功率越大，则降低的越多。4、失磁后发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路中将产生频率 为的交流电流，因而形成附加的损耗，使发电机转子和励磁回路过热。显然，当转差率越大时，所引起的过热也越严重。5因异步转距作用，失磁前有功越大，稳定异步转差越大，异步运行有功波动越大，相应机组振动越大。sfff 失磁机组对相邻机组的影响 发电机失磁时，由于机端电压降低，相邻发电机励磁电压自动或手动增加，向故障发电机供无功功率。健全发电机定子电流较大，值班人员在机组允许的条件下，不允许减励磁。否则可能引起健全机组振荡。相邻线路电流增大，可能引起线路线路或机组后备保护动作。所以考虑一台机组失磁时，与相邻元件保护的配合。当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。由于发电机的感应电势Ed随着励磁电流的减小而减小，因此，其电磁转矩也将小于原 动 机 的 转 矩，因 而 引 起 转 子 加 速，使 发电机的功角 增大。当 超过静态稳定极限角时，发电机与系统失去同步。发电机失磁后将从并列运行的电力系统中吸取电感性无功功率供给转子励磁电流，在定子绕组中感应电势。在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率 为的电流，此电流产生异步制动转矩，当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行。sfff 失磁保护的功能特点 发电机各种运行方式下的机端测量阻抗发电机各种运行方式下的机端测量阻抗 （1）发电机正常运行时的机端测量阻抗 当发电机向外输送有功和无功功率时，其机端测量阻抗Zf位于第一象限，如下图中的1点所示，它与R轴的夹角为发电机运行时的功率因数角。当发电机只输出有功功率时，测量阻抗位于R轴上的2点。当发电机欠激运行时，它向外输送有功，同时从电网吸收一部分无功功率（Q值变为负)，但仍保持