第六章--發(fā)電廠的繼電保護(共44頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上第六章 發(fā)電廠的繼電保護第一節(jié) 繼電保護的基本知識一、繼電保護的作用電力系統(tǒng)在運行中，由于電氣設備的絕緣老化或損壞、雷擊、鳥害、設備缺陷或誤操作等原因，可能發(fā)生各種故障和不正常運行狀態(tài)。最常見的而且也是最危險的故障是各種類型的短路。最常見的不正常運行狀態(tài)是過負荷。這些故障和不正常運行狀態(tài)嚴重危及電力系統(tǒng)的安全可靠運行。除了應采取提高設計水平、提高設備的制造質量、加強設備的維護檢修、提高運行管理質量、嚴格遵守和執(zhí)行電業(yè)規(guī)章制度等項措施，盡可能消除和減小發(fā)生故障的可能性之外，還必須做到一旦發(fā)生故障，能夠迅速、準確、有選擇性地切除故障設備，防止事故的擴大，迅速恢復非故障部分

2、的正常運行。以減小對用戶的影響。當電力系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)時，應能及時發(fā)現(xiàn)并盡快處理，以免引起設備故障。要在極短的時間內(nèi)完成上述任務，只能借助于繼電保護裝置才能實現(xiàn)。繼電保護裝置是指能反應電力系統(tǒng)中電氣設備所發(fā)生的故障或不正常狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。它的基本作用是：（1）當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，能自動地、迅速地、有選擇性地將故障設備從電力系統(tǒng)中切除，以保證系統(tǒng)其余部分迅速恢復正常運行，并使故障設備不再繼續(xù)遭受損壞。（2）當系統(tǒng)發(fā)生不正常工作情況時，能自動地、及時地、有選擇性地發(fā)出信號通知運行人員進行處理，或者切除那些繼續(xù)運行會引起故障的電氣設備?？梢?，繼電保護裝置是電

3、力系統(tǒng)必不可少的重要組成部分，對保障系統(tǒng)安全運行，保證電能質量、防止故障的擴大和事故的發(fā)生，都有極其重要的作用。二、繼電保護的基本組成繼電保護裝置一般由測量部分、邏輯部分、執(zhí)行部分、信號部分及操作電源等組成，其方框圖如圖6-1所示。測量部分是用來監(jiān)察被保護對象（電氣設備或輸電線路）的運行狀態(tài)，將被保護對象的運行狀態(tài)信息（如電流、電壓等）通過測量、變換、濾波等加工處理后送入邏輯部分；邏輯部分將測量部分送來的信息與基準整定值進行比較，判斷保護裝置是否該動作于跳閘或動作于信號，是否需要延時等，輸出相應的信息。執(zhí)行元件根據(jù)邏輯元件輸出的信息，送出跳閘信息至斷路器控制回路或發(fā)出報警信息至報警信號回路。一

4、般的繼電保護裝置，其邏輯部分、執(zhí)行部分和信號部分都需要操作電源。在個別情況下，采用直接作用式繼電器作保護裝置，附在斷路器操作機構中的繼電器本身，即可實現(xiàn)測量、邏輯及信號元件的作用。通常所說的繼電保護系統(tǒng)，應該理解為即包括保護裝置本身，也包括斷路器，二者要協(xié)同動作。圖6-1 繼電保護裝置的基本組成三、繼電保護的基本原理如圖6-2所示為最簡單的輸電線路的電流保護，其基本工作原理如下：圖6-2 繼電保護原理示意圖線路在正常工作時通過負荷電流，電流互感器TA的二次側連接電磁型電流繼電器KA的線圈，它所產(chǎn)生的電磁力小于繼電器彈簧的反作用力，因而繼電器不動作，它的常開觸點處于斷開位置。當線路的K處發(fā)生短路

5、時流過短路電流，它比負荷電流大得多，通過繼電器線圈的電流和它所產(chǎn)生的電磁力都相應顯著地增大，銜鐵被吸合，使繼電器的常開觸點閉合，接通了斷路器QF的跳閘線圈YR，鐵心被吸上，撞開鎖扣機構（LO），斷路器跳閘，切斷了線路和電源的聯(lián)系，故障即被切除。短路電流消失后，繼電器線圈中的電流也隨即消失，繼電器的觸點在彈簧力的作用下返回斷開位置。由上述繼電保護基本原理可知，電氣設備從正常工作狀態(tài)到故障或不正常工作狀態(tài)，它的電氣量（如電流、電壓的大小和它們這之間的相位角等）往往會發(fā)生顯著的變化，繼電保護裝置就是利用這種變化來鑒別有、無故障或不正常工作情況，以電氣量的測量值或它們之間的相位關系來檢測故障地點，有選

6、擇性地切除故障或顯示電氣設備的不正常工作狀態(tài)。盡管實際應用的繼電保護裝置比上述示例復雜的多，但其基本工作原理是相同的。四、對繼電保護的基本要求為完成繼電保護的基本任務，對于動作于斷路跳閘的繼電保護裝置，必須滿足以下四項基本要求：1選擇性選擇性是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，繼電保護僅將故障部分切除，保障其它無故障部分繼續(xù)運行，以盡量縮小停電范圍。例如，圖6-3中線路WL4上K1點短路時，應跳開斷路器QF4，而其它非故障線路仍繼續(xù)運行。僅將故障線路WL4切除，這就是有選擇性，而不能因為變壓器T也有短路電流通過而將斷路器QF2跳開。此時，如果QF2跳閘了，就稱為“誤動作”，將造成母線W3失電，擴大了停電范

7、圍。但是，由于某種原因導致QF4“拒動”時，再跳開斷路器QF2切除故障是正確的，仍屬于有選擇性，繼電保護的這種功能稱為后備保護，即變壓器T的保護裝置起到了對相鄰元件（此處為WL3、WL4、WL5線路）后備保護的作用。當后備保護動作時，停電范圍雖有所擴大，但仍是必要的，否則當保護裝置或斷路器拒動時，故障無法消除，后果將極其嚴重。如果在K2點發(fā)生短路，應當只跳開斷路器QF2，切除故障，讓線路WL1及母線W2繼續(xù)運行。繼電保護裝置的選擇性，是依靠采用適當類型的繼電保護裝置和正確選擇其整定值，使各級保擴相互配合而實一的。圖6-3 繼電保護選擇性說明圖2快速性為了保證電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和對用戶可靠供電

8、，以及避免和減輕電氣設備在事故時所遭受的損害，要求繼電保護裝置盡快地動作，盡快地切除故障部分。但是，并不是對所有的故障情況，都要求快速切除故障。因為提高快速性會使繼電保護裝置較復雜，增加投資，有時也可能影響選擇性。因此，應根據(jù)被保護對象在電力系統(tǒng)中的地位和作用，來確定其保護的動作速度。例如：對大容量的發(fā)電機和變壓器要求保護裝置的動作時間在工頻幾個周期之內(nèi)；對高壓和超高壓輸電線路，要求保護裝置的動作時間在工頻12個周期之內(nèi)，但對于某些電壓等級較低的線路，則允許12s，甚至更長些。對于后備保護的動作時間，要求大于主保護的動作時間。3靈敏性靈敏性是繼電保護裝置對其保護范圍內(nèi)發(fā)生的故障或不正常工作狀態(tài)

9、的反應能力，一般以靈敏系數(shù)Ks表示。例如：某線路電流保護的電流繼電器的整值為6A，短路時輸入電流為12A，那么它的靈敏系數(shù)就為2。靈敏系數(shù)Ks愈大，說明保護的靈敏度愈高。當然應有一個最低要求指標。對于故障狀態(tài)下保護輸入量增大動作的繼電保護，其靈敏系數(shù)為：Ks=（保護區(qū)內(nèi)故障時反應量的最小值）/（保護動作量的整定值）對于故障狀態(tài)下保護輸入量降低時動作的繼電保護，其靈敏系數(shù)為：Ks=（保護動作量的整定值）/（保護區(qū)內(nèi)故障時反應量的最大值）每種繼電保護均有特定的保護區(qū)（發(fā)電機、變壓器、母線、線路等），各保護區(qū)的范圍是通過設計計算后人為確定的，保護區(qū)的邊界值稱為該保護的整定值。顯然，保護的整定值與保護

10、區(qū)域大小和保護裝置動作的靈敏度緊密相關，必須通過嚴格的計算和調整試驗才能確定。4可靠性可靠性是指當保護范圍內(nèi)發(fā)生故障或不正常工作狀態(tài)時，保護裝置能夠可靠動作而不致拒絕動作；而在電氣設備無故障或在保護范圍以外發(fā)生故障時，保護裝置不發(fā)生誤動。保護裝置拒絕動作或誤動作，都將使保護裝置成為擴大事故或直接產(chǎn)生事故的根源。因此，提高保護裝置的可靠性是非常重要的。繼電保護裝置的可靠性，主要取決于接線的合理性、繼電器的制造質量、安裝維護水平、保護的整定計算和調整試驗的準確度等。以上對繼電保護裝置所提出的四項基本要求是互相緊密聯(lián)系的，有時是相互矛盾的。例如：為了滿足選擇性，有時就要求保護動作必須具有一定的延時；

11、為了保證靈敏度，有時就允許保護裝置無選擇地動作，再采用自動重合閘裝置進行糾正；為了保證快速性和靈敏性，有時就采用比較復雜和可靠性稍差的保護?？傊鶕?jù)具體情況（被保護對象、電力系統(tǒng)條件、運行經(jīng)驗等），分清主要矛盾和次要矛盾，統(tǒng)籌兼顧，力求相對最優(yōu)。五、繼電器分類反應某些參數(shù)的變化，并自動閉合或斷開電路的電器，統(tǒng)稱為繼電器。繼電器是繼電保護裝置的基本組成元件，按繼電器的結構、反應的物理量和作用不同，繼電器分為以下幾種類型：1按結構型式分類按結構型式分類，繼電器主要有機電型、整流型、晶體管型、集成電路型、微機型等五大類。(1) 機電型繼電器是以電磁原理為基礎，具有機械可動部分的繼電器，按其構成原

12、理又可分為電磁型繼電器、感應型繼電器、極化繼電器、干簧繼電器等。(2) 整流型繼電器是以二極管原理和比較電路原理為基礎構成的，以極化繼電器為執(zhí)行元件。(3) 晶體管型繼電器是以晶體管的放大和開關原理為基礎，由晶體管、二極管、電阻、電容、變換器等元件構成的繼電器。(4) 集成電路型繼電器是由線性集成電路(運算放大器)構成啟動和測量元件，由CMOS等數(shù)字電路構成邏輯電路的繼電保護裝置。(5) 微機型繼電器是以微處理器為核心，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所采集到的電力系統(tǒng)的實時狀態(tài)數(shù)據(jù)，按照給定算法來檢測電力系統(tǒng)是否發(fā)生故障以及故障性質、范圍等，并由此做出是否需要跳閘或報警等判斷的一種安全自動裝置。2按反應的物

13、理量分類按反應的物理量分類，繼電器主要有電量和非電量兩大類。(1) 反應電量的繼電器有電流繼電器、電壓繼電器、功率繼電器、阻抗繼電器等。(2) 反應非電量的繼電器有瓦斯繼電器、溫度繼電器、壓力繼電器等。3按在保護中的作用分類按在保護中的作用分類，繼電器可分為測量繼電器和輔助繼電器兩大類。(1) 測量繼電器直接反應電氣量的變化，按所反應電量的不同，可分為電流繼電器、電壓繼電器、頻率繼電器、功率方向繼電器、差動繼電器等。(2) 輔助繼電器用來改進和完善繼電保護的功能，一般作為保護中的邏輯、執(zhí)行元件。按其作用不同可分為中間繼電器、時間繼電器、信號繼電器等。六、繼電保護分類1按保護對象分類繼電保護按保

14、護對象不同可分為：元件保護和線路保護。元件保護又分為：發(fā)電機保護、變壓器保護、電動機保護、母線保護等。線路保護又分為：高壓和超高壓輸電線路保護、高壓和低壓配電線路保護等。2按繼電器結構形式分類繼電保護按采用的繼電器結構形式不同可分為：機電式繼電保護、晶體管式繼電保護、大規(guī)模集成電路式繼電保護和微機數(shù)字式繼電保護等。3按所反應的物理量分類繼電保護按所反應的物理量不同可分為：電流保護、電壓保護、方向保護、距離保護、差動保護和縱聯(lián)保護等。4按采集的信號方式分類繼電保護按采集的信號方式不同可分為：反應單端電氣量的保護和反應兩端電氣量的保護。5按信號的通訊方式分類對于反應兩端電氣量的縱聯(lián)保護，按信號的通

15、訊方式不同可分為：高頻保護、光纖保護和微波保護等。6按保護的作用分類當某一電氣設備配置兩種及以上的保護時，按保護的作用不同可分為：主保護（反應被保護元件自身的故障并以盡可能短的延時，有選擇性地切除故障的保護）、后備保護（當主保護拒動時起作用，從而動作于相應斷路器以切除故障元件，后備保護分近后備和遠后備兩種）和輔助保護（為補充主保護和后備保護的不足，而增設的較簡單的保護）。實際上，電氣設備或輸電線路所配置的各種保護是上述分類中的某些組合，但有時為了強調保護的某一特點，在描述中會將其它功能或結構省略。如：某輸電線路采用的是光纖差動保護（只強調通訊方式和保護原理）、某電氣設備采用的是微機保護（強調的

16、是繼電器的結構）等。七、大型發(fā)電機組繼電保護的總體配置大型發(fā)電機的造價昂貴、結構復雜，一旦發(fā)生故障遭到破壞，其檢修難度大，檢修時間長，要造成很大的經(jīng)濟損失。大機組在電力系統(tǒng)中占有重要地位，大機組的突然切除，會給電力系統(tǒng)造成較大的擾動。因此，在考慮大機組繼電保護的總體配置時，比較強調最大限度地保證機組安全和最大限度地縮小故障破壞范圍，盡可能避免不必要的突然停機，對某些異常工況采用自動處理裝置，特別要避免保護裝置的誤動和拒動。這樣，不僅要求有可靠性、靈敏性、選擇性和快速性好的繼電保護裝置，還要求在繼電保護的總體配置上盡量做到完善、合理，并力求避免繁鎖、復雜。下面以圖6-4所示的汽輪發(fā)電機變壓器組為

17、例，來介紹大型機組繼電保護的總體配置情況。大型機組的繼電保護裝置可分為短路保護和異常保護兩大類。圖6-4 汽輪機發(fā)電機雙繞組變壓器組的一次接線圖1短路保護的配置（1）縱差動保護?？v差動保護作為發(fā)電機、變壓器區(qū)內(nèi)短路故障的主保護，瞬時動作于斷路器跳閘。為了確?？焖偾谐收希瑢τ趫D6-4所示的發(fā)電機變壓器組，需配置發(fā)電機差動保護、升壓變壓器差動保護和發(fā)電機變壓器組差動保護，對發(fā)電機變壓器組構成雙重快速保護。（2）后備保護。大型發(fā)電機變壓器組，都接到220kV及以上的母線上運行。而220kV及以上的線路，一般都有完備的保護裝置，對于相間短路故障，不要求在發(fā)電機組上裝設可保護相鄰線路全線的遠后備保護，

18、而對于220kV及以上的母線，由于母線保護一般只有一套，而且有時不投入運行，因此需要在發(fā)電機變壓器組上裝設反應相鄰母線故障的全阻抗保護作為后備保護。在母線上發(fā)生相間短路故障時，應保證可靠動作，并以可能短的延時切除母線短路故障。（3）高壓廠用變壓器保護。由于高壓廠用變壓器的容量只有發(fā)電機額定容量的610%，它的阻抗相當大，所以在高壓廠用變壓器低壓側發(fā)生兩相短路故障時，升壓變壓器的差動保護以及發(fā)電機變壓器組的差動保護常不能滿足要求。因此，高壓廠用變壓器還需配置差動保護。（4）斷路器失靈保護，所謂斷路器失靈保護是指在母線引出線上（包括變壓器引線）發(fā)生故障，故障回路上的繼電保護動作而斷路器拒絕動作時，

19、為了縮小事故范圍，用較短的時間，使母線上其它有關斷路器跳閘的裝置稱為斷路器失靈保護，又稱后備接線。因此，大機組都應裝設斷路器失靈保護，用以在主變壓器高壓側斷路器拒動時切除故障（斷開所連接在該母線上的所有斷路器），每一組母線的全部連接元件都應裝設一套公用的斷路器失靈保護。（5）高壓側零序保護。大型機組升壓變壓器的高壓側，一般都與220kV及以上且中性點直接接地的系統(tǒng)相連接，當在高壓側發(fā)生單相接地短路時，如果雙重差動保護的靈敏度都能滿足要求，對變壓器高壓側繞組及其引出線而言，則不需要裝設其它反應零序電流（三相零序分量方向相同，數(shù)值相等）的后備保護。但零序電流保護簡單可靠，正確動作率高，而超高壓電網(wǎng)

20、中，單相接地故障最多，在各種短路故障中，有80%90%是單相接地短路故障，為了在某些特殊情況下，不致使電網(wǎng)失去保護，一般還是要求在變壓器中性點裝設零序電流保護，作為相鄰線路的后備保護。對相鄰母線，也要求在變壓器中性點裝設作為母線后備保護的零序電流保護。因此，一般在變壓器中性點裝設兩段零序電流保護，一段作為母線的后備，與相鄰線路主保護相配合；另一段作為相鄰線路的后備，與相鄰線路的后備保護相配合。對于220kV系統(tǒng)，變壓器是分級絕緣的，其中性點可能接地，也可能不接地運行，此時還需要裝設零序電流電壓保護，以防止中性點絕緣遭受破壞。（6）發(fā)電機勵磁回路兩點接地保護。當發(fā)電機勵磁回路發(fā)生一點接地故障時，

21、我國采用發(fā)信號方式，為了在發(fā)生第二點接地短路時切除發(fā)電機，應裝設勵磁回路兩點接地保護，動作于停機。（7）發(fā)電機匝間短路保護。發(fā)電機差動保護，不能反應定子繞組匝間短路故障，而匝間短路會給發(fā)電機造成嚴重破壞。因此，應配置發(fā)電機匝間短路保護。2異常運行保護的配置同中小型機組相比，大型機組有一系列特點。應針對這些特點對危及機組安全的異常工況，裝設相應的保護裝置，以保障機組和電力系統(tǒng)的安全運行。定子繞組的匝間短路和相間短路故障中，許多是由于定子繞組一點接地故障演變而形成的。因此，定子一點接地保護在大型機組保護中占有重要的地位。由于其地位重要，所以一方面要求它具有足夠高的靈敏度，沒有死區(qū)，以便在機組尚未受

22、到嚴重破壞之前動作；另一方面在配置上應裝設兩段定子繞組接地保護，I段為100%接地保護，II段為比較簡單的90%接地保護，以保證在一段保護退出運行或拒動時，另一段作為后備。針對大型機組熱容量相對下降的特點，應配置三套過負荷保護，分別用來反應定子繞組過負荷、轉子表層過負荷和勵磁繞組過負荷。這三套過負荷保護，都由定時限和反時限兩部分構成，把過負荷保護看作是發(fā)電機安全運行的一道屏障，在靈敏度和延時方面，都不考慮與其它短路保護相配合，發(fā)電機的發(fā)熱狀況是其整定的唯一根據(jù)。勵磁回路一點接地故障，也是一種常見的故障形式，應配置發(fā)電機勵磁回路和勵磁機回路一點接地保護動作于信號。此外，針對發(fā)電機低勵、失磁故障，

23、應配置失磁保護；針對汽輪發(fā)電機斷汽運行時，為防止汽輪機葉片損壞，應配置逆功率保護；針對低頻運行時對汽輪機葉片的危害，應配置低頻保護；針對大型變壓器過勵磁造成的危害，應裝設變壓器過勵磁保護；針對大電流互感器斷線造成的危害，應裝設二次電流回路斷線保護；針對斷路器非全相跳、合閘故障，為防止事故擴大，應裝設非全相運行保護等?？傊笮蜋C組繼電保護在總體配置上力求嚴密，功能上力求完美，但這也帶來復雜化問題。必須考慮保護的簡化，對那些實際運行中非常稀少的故障可以不考慮或少考慮。對于圖6-4所示的發(fā)電機變壓器組，可能配置的保護裝置列于表6-1中，在表6-1中把保護裝置劃分為A組和B組，這兩組保護裝置在結構上

24、和配線方面，彼此保持獨立。這樣，在運行期間進行檢測或維修電器時，發(fā)電機變壓器組仍保持有必要的保護裝置。應當指出，表6-1中所列出的僅是大型發(fā)電機變壓器組可能裝設的各種保護裝置。對于不同容量、不同電壓等級和不同類型的發(fā)電機變壓器組，各自應當具體裝設哪些保護裝置，應當根據(jù)有關規(guī)程或規(guī)定并按照實際情況決定。各保護裝置動作后所控制的對象，依保護裝置的性質、選擇性要求和故障處理方式的不同而不同。對于發(fā)電機雙繞組變壓器組，通常有以下幾種處理方式：全停：停汽機、停鍋爐、斷開高壓側斷路器、滅磁、斷開高壓廠用變壓器低壓側斷路器、使機爐及其輔機停止工作。解列滅磁：斷開高壓側斷路器、滅磁、斷開高壓廠用變壓器低壓側斷

25、路器。解列：斷開高壓側斷路器。減出力：減少原動機的輸出功率。發(fā)信號：發(fā)出聲光信號或光信號。母線解列：對母線系統(tǒng)，斷開母線聯(lián)絡斷路器，縮小故障波及范圍。在表6-1中，列出了各種保護裝置在不同處理方式下的控制對象。大型汽輪發(fā)電機變壓器組繼電保護的總體配置及出口控制對象表序號保護裝置名稱組別保 護 裝 置 出 口處理方式停汽機停鍋爐跳QF跳QDM跳QF1QF3調汽門切換勵磁跳母聯(lián)發(fā)聲光信號I短路保護1發(fā)電機差動保護A+全停2主變壓器差動保護A+全停3高壓廠用變壓器差動保護A+全停4發(fā)變組差動保護B+全停5全阻抗保護 t1t2B+母線解列解列滅磁6主變高壓側零序保護 t1t2B+母線解列解列滅磁7發(fā)電

26、機定子匝間短路保護B+全停8發(fā)電機勵磁回路兩點接地保護B+全停II異常運行保護9發(fā)電機定子一點接地保護I段II段AB+發(fā)信號解列滅磁10發(fā)電機勵磁回路一點接地保護A+發(fā)信號11勵磁變壓器過負荷保護A+發(fā)信號12定子過負荷保護 定限時反限時A+發(fā)信號解列滅磁13定子負序過流保護 定限時反限時A+發(fā)信號解列滅磁14勵磁回路過負荷保護 定限時反限時A+發(fā)信號解列滅磁15低頻保護B+發(fā)信號16低勵失磁保護 t0t1t3t2A+發(fā)信號解列滅磁減出力17過電壓保護B+解列滅磁18逆功率保護 t1t2A+發(fā)信號解列滅磁19失步和失步（預測）保護B+增、減出力20過勵磁保護B+解列滅磁21斷路器失靈保護B+解

27、列滅磁22非全相運行保護B+解列輔助裝置23電流回路斷線保護B+發(fā)信號24電壓回路斷線保護B+發(fā)信號25出口裝置B26檢測裝置A,B27電源裝置A,B廠用6kV分支線保護+28t0 分支線差動保護t2 +跳QF1,QF3或QF2,QF4解列滅磁29t1 分支線過電流保護t2 +跳QF1,QF3或QF2,QF4解列滅磁第二節(jié) 發(fā)電機的繼電保護一、發(fā)電機的故障和異常類型及其保護方式發(fā)電機的安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質量起著決定性的作用，同時發(fā)電機本身也是一個十分貴重的電氣元件。因此，應該針對各種故障和異常類型，裝設相應的繼電保護裝置。1發(fā)電機的故障類型發(fā)電機的故障類型主要有：定子繞組相

28、間短路；定子繞組匝間短路；定子繞組單相接地；轉子繞組一點接地或兩點接地；勵磁回路的勵磁電流異常下降或完全消失。2發(fā)電機的異常類型發(fā)電機的異常類型主要有：由于外部短路引起的定子繞組過電流；發(fā)電機對稱過負荷；由于外部不對稱短路引起的定子負序過電流；由于突然甩負荷而引起的定子繞組過電壓；由于勵磁回路故障或強勵時間過長而引起的轉子繞組過負荷；由于汽輪機主汽門突然關閉而引起的發(fā)電機逆功率等。3發(fā)電機應裝設的保護(1) 對于發(fā)電機定子繞組及其引出線的相間短路，應裝設縱聯(lián)差動保護。(2) 對于發(fā)電機定子繞組的匝間短路，當定子繞組每相中有引出的并聯(lián)支路時，應裝設單繼電器式的橫聯(lián)差動保護。并聯(lián)支路時，應裝設由零

29、序電壓構成的匝間短路保護。(3) 對于發(fā)電機定子繞組單相接地故障，當接地電流大于或等于5A時，應裝設動作于跳閘的零序電流保護；當接地電流小于5A時，則裝設作用于信號的接地保護。對于發(fā)電機變壓器組，應裝設保護區(qū)為100的定子接地保護。(4) 對于發(fā)電機外部短路引起的過電流，應裝設對稱過負荷保護、負序電流保護和單相式低電壓啟動的過電流保護。(5) 對于發(fā)電機突然甩負荷而引起的定子繞組過電壓，應裝設過電壓保護。(6) 對于發(fā)電機勵磁回路的一點接地，應裝設一點接地保護動作與信號。對于勵磁回路兩點接地故障，應裝設兩點接地保護，在勵磁回路發(fā)生一點接地后投入。 (7)對于發(fā)電機的失磁故障，應裝設直接反應發(fā)電

30、機失磁時電氣參數(shù)變化的失磁保護。在發(fā)電機不允許失磁后異步運行時，應在自動滅磁開關斷開時連鎖斷開發(fā)電機的斷路器。 (8) 對于轉子回路的過負荷，應裝設轉子過負荷保護。 (9) 對于汽輪發(fā)電機主汽門突然關閉，為防止汽輪機遭到損壞，應裝設逆功率保護。(10) 當電力系統(tǒng)振蕩影響機組安全運行時，應裝設失步保護。(11) 當汽輪機低頻運行時，因機械振動會對汽輪機葉片損傷時，應裝設低頻保護。(12) 當水冷卻發(fā)電機斷水時，應裝設斷水保護等。 為了快速消除發(fā)電機內(nèi)部的故障，在保護動作于發(fā)電機斷路器跳閘的同時，還必須動作于自動滅磁開關，斷開發(fā)電機勵磁回路，以使轉子回路電流不會在定子繞組中再感應電動勢，繼續(xù)供給

31、短路電流。二、發(fā)電機的縱聯(lián)電流差動保護 縱聯(lián)電流差動保護是發(fā)電機內(nèi)部相間短路的主保護。因此，它應能快速而靈敏地切除內(nèi)部所發(fā)生的故障。同時，在正常運行及外部故障時，又應保證動作的選擇性和工作的可靠性。具有電流互感器二次回路斷線監(jiān)視裝置的發(fā)電機縱聯(lián)電流差動保護的原理接線圖如圖6-5所示。保護裝置采用三相式接線(13為差動繼電器)，在差動回路的中線上接有斷線監(jiān)視的電流繼電器4，5為時間繼電器，6為信號繼電器，7為差動保護出口繼電器。圖6-5 發(fā)電機縱聯(lián)電流差動保護的原理接線圖在正常運行時，每相差動回路兩臂電流基本相等，流入差動繼電器13的電流近似等于零，小于差動繼電器的動作電流，差動繼電器不動作。差

32、動回路三相電流之和流入斷線監(jiān)視繼電器4的電流亦近似于零，小于斷線監(jiān)視繼電器4的動作電流，斷線監(jiān)視繼電器也不動作。當發(fā)電機定子繞組及引出線發(fā)生相間短路時，則短路相的差動繼電器中流過短路電流使之啟動，其觸點閉合啟動信號繼電器6發(fā)信號，同時啟動差動保護出口繼電器7，上面一對觸點作用于跳開發(fā)電機出口斷路器，下面一對觸點作用于跳開發(fā)電機的滅磁開關，使發(fā)電機轉子滅磁。當發(fā)電機的外部相間短路時，差動回路的三相電流之和仍然接近于零，因此差動繼電器13均不會動作。當電流互感器的任何一相回路斷線時，只要差動電流小于差動繼電器的啟動電流，則差動繼電器就不會動作。此時差動回路三相電流之和流入斷線監(jiān)視繼電器4的電流大于

33、它的啟動電流，所以斷線監(jiān)視繼電器4動作，啟動時間繼電器5延時發(fā)出斷線信號。 為防止縱聯(lián)電流差動保護誤動作，差動保護啟動電流的整定原則為： (1) 在正常運行情況下，差動保護的啟動電流按躲開發(fā)電機的額定電流整定，即電流互感器二次回路斷線時保護不應動作。(2) 差動保護的啟動電流按躲開外部故障時的最大不平衡電流整定，即發(fā)電機外部相間短路時，差動保護不應動作。即發(fā)電機縱差動保護的動作電流應為：Idz = Kk·IN （6-1）式中 Kk可靠系數(shù)，取1.21.3；IN發(fā)電機的額定電流。三、發(fā)電機的匝間短路保護1單繼電器式橫差動保護對于每相有并聯(lián)分支，而每一分支繞組在中性點側都有引出端的發(fā)電機

34、，可以采用單繼電器式的橫差動保護。單繼電器式橫差動保護的原理接線圖如圖6-6所示。每相的兩個并聯(lián)分支分別接成星形，兩星形接線的中性點間用導線連接起來，電流互感器TA接在兩中性的連線上，電流繼電器接在電流互感器的二次側。正常運行或外部短路時，每一分支繞組流出該相電流的一半，因此流過中性點連線的電流只是不平衡電流，故保護不動作。若發(fā)生定子繞組匝間短路，則故障相繞組的兩個分支的電勢將不相等，因而在定子繞組中出現(xiàn)環(huán)流。通過中性點連線，該電流大于電流繼電器3的啟動電流時，電流繼電器動作，啟動信號繼電器6發(fā)信號，同時啟動繼電保護出口繼電器5，跳開發(fā)電機斷路器，并跳滅磁開關MK。在圖6-6中，兩個星形中性點

35、之間的連接線上接入電流互感器TA，其二次側經(jīng)三次諧波濾過器2與電流繼電器3相連。切換片XB有兩個位置，正常投入到保護不帶延時位置。當勵磁回路發(fā)生一點接地后，在投入勵磁回路兩點接地保護的同時，將橫差動保護切換至帶0.51s延時動作位置，防止轉子繞組發(fā)生偶然性的瞬間兩點接地時，造成保護誤動作。圖6-6 單繼電器式橫差動保護的原理接線圖根據(jù)運行經(jīng)驗，橫差動保護裝置的動作電流應為：Idz =（0.20.3）IN （6-2）2反應零序電壓的匝間短路保護對于200MW及以上的發(fā)電機，由于結構緊湊，并聯(lián)分支在中性點側只引出三個端子，因而無法裝設橫差動保護。在此情況下，可以采用反應零序電壓的匝間短路保護。如圖

36、6-7所示為反應零序電壓的匝間短路保護接線圖。發(fā)電機正常運行及相間短路時，無零序電壓。定子繞組單相接地時，故障相對地電壓等于零，中性點對地電壓上升為相電壓。因此三相定子繞組對中性點的電壓仍然對稱，不出現(xiàn)零序電壓。若定子繞組發(fā)生匝間短路，則機端三相對中性點電壓不對稱，因而出現(xiàn)了零序電壓。因此利用零序電壓互感器TV、三次諧波濾過器1和過電壓繼電器2就構成了反應零序電壓的定子繞組匝間短路保護。圖6-7 反應零序電壓的匝間短路保護接線圖四、發(fā)電機定子繞組單相接地保護1利用零序電壓構成的定子接地保護利用零序電壓構成的定子接地保護原理接線圖如圖6-8所示。由圖可見，該保護從機端電壓互感器開口三角形側取得零

37、序電壓，接入保護用的過電壓繼電器。圖6-8 利用零序電壓構成的定子接地保護原理接線圖在正常運行情況下，發(fā)電機相電壓中存在三次諧波電壓。在變壓器高壓側發(fā)生接地短路時，由于變壓器高、低壓繞組之間有電容存在，發(fā)電機端也會產(chǎn)生零序電壓。為了保證保護動作的選擇性，其整定值應躲開上述三次諧波電壓與零序電壓。根據(jù)運行經(jīng)驗，過電壓繼電器的動作電壓一般整定為1530V左右。當靠近中性點附近發(fā)生接地故障時，零序電壓較低。如果零序電壓小于電壓繼電器的動作電壓，保護將不動作，因此該保護存在死區(qū)。死區(qū)的大小與整定值的高低有關。為了減少死區(qū)，提高保護的靈敏性，在保護中增設了三次諧波電壓濾過器。此外，還采用時間繼電器延時來

38、躲開變壓器高壓側的接地短路故障，也可利用變壓器高壓側的零序電壓將接地保護閉鎖或使之制動。采取了上述措施后，保護范圍將增大，中性點附近的死區(qū)將縮小，其保護范圍約為由機端向中性點繞組的85%左右。2利用三次諧波電壓構成的100%定子接地保護由于發(fā)電機氣隙中的磁通分布并非完全正弦形，因而發(fā)電機定子繞組感應電勢中存在有三次諧波分量，其值一般不超過10%。設發(fā)電機中性點為N端，機端為S端，則在正常運行時，發(fā)電機三次諧波電勢為；發(fā)電機每相對地電容為CG，等值在N及S端，各為；機端其他連接元件對地電容為CS，如圖6-9所示。由等值電路，可以將CS與并聯(lián)，然后再與串聯(lián)求出總電容，電壓與將與電容成反比分配。因而

39、和可用下式求出： （6-3）US3與UN3的比值為： （6-4）上式證明，發(fā)電機正常運行時US3<UN3，其比值與E3無關。圖6-9 正常運行時三次諧波電勢和對地電容的等值電路圖（a）交流電壓回路； （b）等值電路當發(fā)電機的定子繞組距中性點a處單相接地時，三次諧波電勢分布的等值電路圖如圖6-10（a）所示，此時發(fā)電機首端和末端的三次諧波電壓為： （6-5）分析可見，若a>0.5，則US3<UN3；若a = 0.5，則US3 = UN3；若a<0.5，則US3>UN3。UN3、US3隨a而變化的情況如圖6-10（b）所示。圖6-10 單相接地時三次諧波電勢分布等值電

40、路和US3、UN3隨a的變化曲線（a）三次諧波電勢分布等值電路； （b）US3、UN3隨a的變化曲線綜上所述，若以US3作為動作量，以UN3作為制動量，則此套保護在a<0.5時可以動作。再加裝一套基波零序電壓構在的接地保護，二者共同使用，便可獲得100%的保護效果。利用三次諧波電壓和基波零序電壓構成的雙頻式100%定子接地保護原理接線如圖6-11所示。圖中和分別表示由中性點和機端取得的交流電壓，由電抗變壓器TX1的一次繞組與電容C1組成對三次諧波串聯(lián)諧振電路，由電感L1和電容C3組成基波串聯(lián)諧振電路，因此加于整流橋VU1的交流電壓基本上是三次諧波電壓，該電壓與機端三次諧波電壓成比例。VU

41、1的整流電壓經(jīng)C5濾波后作為動作量加入執(zhí)行元件。電抗變壓器TX2的一次繞組與電容C2組成三次諧波串聯(lián)諧振電路，電感L2與電容C4組成基波串聯(lián)諧振電路，因此加于整流橋VU2的交流電壓基本上也是三次諧波電壓，該電壓與中性點三次諧波電壓成比例。VU2的整流電壓經(jīng)C6濾波后作為制動量加入執(zhí)行元件。執(zhí)行元件兩端電壓為： （6-6）當發(fā)電機正常運行時，執(zhí)行元件不會動作；而當在a<50%處發(fā)生單相接地故障時，執(zhí)行元件動作。調節(jié)電位器Rw1便可改變保護的整定值。中間變壓器TVM的一次側接至機端電壓互感器TV1的開口三角形側，反應機端基波零序電壓。經(jīng)整流橋VU3整流和p形濾波器濾波后的直流電壓加于電位器R

42、w2，調節(jié)其滑動端，可以改變基波零序部分的啟動電壓。當接地點靠近機端時，基波零序電壓較高，執(zhí)行元件動作。由上述可見，三次諧波電壓部分用于反應a<50%范圍內(nèi)的接地故障，故障點越接近中性點，該部分保護的靈敏性越高；基波零序電壓部分用于反應a>15%范圍內(nèi)的接地故障，故障點越接近機端，該部分保護的靈敏性越高。這樣，雙頻式保護構成了有100%保護區(qū)的定子繞組單相接地保護。圖6-11 雙頻式100%定子接地保護原理接線圖五、發(fā)電機勵磁回路的接地保護發(fā)電機勵磁回路因為絕緣損壞而發(fā)生一點接地是常見的故障。由于一點接地不會形成接地電流通路，勵磁電壓仍然正常，因此對發(fā)電機無直接危害，可以繼續(xù)運行。

43、但當勵磁繞組發(fā)生兩點接地時，該繞組將被短接一部分，使氣隙磁通失去平衡，引起機組振動。兩點接地時，故障點將流過很大的故障電流，從而燒傷轉子本體，而且形成短路電流的通路，可能燒壞轉子繞組和鐵芯。此外，汽輪發(fā)電機勵磁回路兩點接地，還可使軸系和汽輪機的汽缸磁化。因此，兩點接地故障的后果是嚴重的。對于大型汽輪發(fā)電機，考慮到轉子回路接地故障的可能性增加和機組本身重要程度的提高，要求裝設一點接地保護和兩點接地保護。一點接地保護動作于信號，并在一點接地后投入兩點接地保護，使之在發(fā)生兩點接地時，動作于跳閘。發(fā)電機勵磁回路一點接地保護的工作原理與發(fā)電廠的直流絕緣監(jiān)察裝置類似，可參見直流絕緣監(jiān)察裝置的有關內(nèi)容。發(fā)電

44、機勵磁回路兩點接地保護的原理接線圖如圖6-12所示。轉子繞組直流電阻RL（RL=R¢L+R²L）和電阻Rf（Rf=R¢f+R²f）構成直流電橋的四個臂。毫伏表mV和電流繼電器KA接于滑動觸頭和地（發(fā)電機大軸）之間，即在電橋的對角線上。圖6-12 發(fā)電機勵磁回路兩點接地保護原理接線圖當利用絕緣檢查裝置發(fā)現(xiàn)d1點接地后，合上刀開關K1，并按下按鈕AN，調節(jié)電阻Rf的滑動觸頭，使毫伏表mV的指示為零。此時由d1點分開的兩部分繞組直流電阻R¢L、R²L與由Rf滑動頭分開的兩部分附加電阻R¢f、R²f組成的四臂直流電橋處于平

45、衡狀態(tài)。各臂電阻的關系為：R¢L R²f= R¢f R²L （6-7）然后合上刀開關K2，接入電流繼電器KA，使保護投入工作。但此時，由于電橋已經(jīng)平衡，處于對角線上的電流繼電器無電流通過，保護不會動作。當轉子回路發(fā)生第二點（d2點）接地時，R²L的部分電阻被短接，電橋平衡遭到破壞，電流繼電器中將有電流通過。如果該電流大于繼電器的啟動電流，繼電器將動作，使發(fā)電機的QF跳閘。d2點離d1點越遠，保護的動作越靈敏。六、發(fā)電機的失磁保護發(fā)電機失磁故障是指發(fā)電機的勵磁突然全部消失或部分消失，引起失磁的原因主要有轉子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關誤跳閘

46、、半導體勵磁系統(tǒng)中某些元件損壞或回路發(fā)生故障以及誤操作等。發(fā)電機失磁后，將從系統(tǒng)吸收大量無功功率，測量阻抗和機端電壓均會發(fā)生變化。因此，可利用阻抗元件Z作為失磁故障的主要判別元件，構成如圖6-13所示的發(fā)電機失磁保護。圖6-13 發(fā)電機失磁保護原理方框圖當發(fā)電機失磁時，阻抗元件Z和勵磁低電壓元件Ufd動作，啟動與門Y2，立即發(fā)出發(fā)電機已失步信號，并經(jīng)時間元件YS2延時t2后，通過或門H動作于跳閘。延時t2用以躲過系統(tǒng)振蕩或自同步時的影響，一般取為11.5s。如果失磁后，機端電壓下降到低于安全運行的允許值，則母線低電壓元件UG動作，與門Y1開放，經(jīng)時間元件YS1延時t1后，通過或門H動作于跳閘。

47、延時t1用以躲過振蕩過程中的短時間電壓降低或自同步并列的影響，一般取為0.51s。由于勵磁低壓元件Ufd的閉鎖，在短路故障及電壓互感器斷線時，Y1和Y2都無輸出，因而保護不會誤動。當電壓互感器斷線時，低電壓元件UG或阻抗元件Z動作，均可發(fā)出電壓回路斷線信號。當勵磁回路電壓降低時，勵磁低壓元件Ufd動作，發(fā)出勵磁回路電壓降低信號。第三節(jié) 變壓器的繼電保護一、變壓器的故障和異常類型及其保護方式電力變壓器是電力系統(tǒng)中十分重要的供電元件，它的故障將對供電可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴重的影響。同時大容量的電力變壓器也是十分貴重的元件，因此，必須根據(jù)變壓器的容量和重要程度考慮裝設性能良好，工作可靠的繼電保

48、護裝置。1變壓器的故障和異常類型(1) 變壓器的故障可以分為油箱內(nèi)部故障和油箱外部故障兩種。油箱內(nèi)部故障包括：繞組的相間短路、接地短路，匝間短路以及鐵心的燒損等，對變壓器來講，這些故障都是十分危險的，因為油箱內(nèi)部故障時產(chǎn)生的電弧，將引起絕緣物質的劇烈汽化，從而可能引起爆炸。因此，這些故障應該盡快加以切除。油箱外部故障包括：套管和引出線上發(fā)生相間短路和接地短路。上述接地短路均系對中性點直接接地電力網(wǎng)的一側而言。(2) 變壓器的運行異常類型主要有：由于變壓器外部相間短路引起的過電流和外部接地短路引起的過電流和中性點過電壓；由于負荷超過額定容量引起的過負荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低、油溫升高

49、和冷卻器故障等。此外，對大容量變壓器，由于其額定工作時的磁通密度相當接近于鐵心的飽和磁通密度，因此在過電壓或低頻率等異常運行方式下，還會發(fā)生變壓器的過勵磁故障。2變壓器應裝設保護(1) 瓦斯保護。對變壓器油箱內(nèi)的各種故障以及油面的降低，應裝設瓦斯保護，它反應油箱內(nèi)部所產(chǎn)生的氣體或油流而動作。其中輕瓦斯保護動作于信號，重瓦斯保護動作于跳開變壓器各電源側的斷路器。(2) 縱聯(lián)電流差動保護或電流速斷保護。對變壓器繞組、套管及引出線上的故障，應根據(jù)容量的不同，裝設縱聯(lián)電流差動保護或電流速斷保護。保護動作后，應跳開變壓器各電源側的斷路器。(3) 外部相間短路時的后備保護。對于外部相間短路引起的變壓器過電

50、流，應采用下列保護作為后備保護： 1) 過電流保護。一般用于降壓變壓器，保護裝置的整定值應考慮事故狀態(tài)下可能出現(xiàn)的過負荷電流。 2) 復合電壓啟動的過電流保護。一般用于升壓變壓器、系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器及過電流保護靈敏度不滿足要求的降壓變壓器。 3) 負序電流及單相式低電壓啟動的過電流保護。一般用于容量為63MVA及以上的升壓變壓器。 4) 阻抗保護。對于升壓變壓器和系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器，為滿足靈敏性和選擇性要求，可采用阻抗保護。對500kV系統(tǒng)聯(lián)絡變壓器高、中壓側均應裝設阻抗保護。 (4) 外部接地短路時的后備保護。對中性點直接接地系統(tǒng)，由外部接地短路引起過電流時，如果變壓器中性點接地運行，應裝設零序電流

51、保護。為防止發(fā)生接地短路時，中性點接地的變壓器跳開后，中性點不接地的變壓器(低壓側有電源)仍帶接地故障繼續(xù)運行，應根據(jù)具體情況，裝設零序過電壓保護，中性點裝放電間隙加零序電流保護等。(5) 過負荷保護。對400kVA以上的變壓器，當數(shù)臺并列運行，或單獨運行并作為其他負荷的備用電源時，應根據(jù)可能過負荷的情況，裝設過負荷保護。過負荷保護接于一相電流上，并延時作用于信號。(6) 過勵磁保護。高壓側電壓為500kV及以上的變壓器，對頻率降低和電壓升高而引起的變壓器勵磁電流升高，應裝設過勵磁保護。在變壓器允許的過勵磁范圍內(nèi)，保護作用于信號，當過勵磁超過允許值時，可動作于跳閘。 (7) 其他保護。對變壓器

52、溫度及油箱內(nèi)壓力升高和冷卻系統(tǒng)故障，應按現(xiàn)行變壓器標準的要求，應裝設相應的保護作用于信號或動作于跳閘。二、變壓器的瓦斯保護當在變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障(包括輕微的匝間短路和絕緣破壞引起的經(jīng)電弧電阻的接地短路)時，由于故障點電流和電弧的作用，將使變壓器油及其他絕緣材料因局部受熱而分解產(chǎn)生氣體，因氣體比較輕，它們將從油箱流向油枕的上部。當故障嚴重時，油會迅速膨脹并產(chǎn)生大量的氣體，此時將有劇烈的氣體夾雜著油流沖向油枕的上部。利用油箱內(nèi)部故障時的這一特點，可以構成反應于上述氣體而動作的保護裝置，稱為瓦斯保護。1氣體繼電器的工作原理氣體繼電器是構成瓦斯保護的主要元件，它安裝在油箱與油枕之間的連接管道上，如

53、圖6-14所示，這樣油箱內(nèi)產(chǎn)生的氣體必須通過氣體繼電器才能流向油枕。為了不妨礙氣體的流通，變壓器安裝時應使頂蓋沿氣體繼電器的方向與水平面具有11.5的升高坡度，通往繼電器的連接管具有24的升高坡度。圖6-14 氣體繼電器安裝示意圖1氣體繼電器； 2油枕圖6-15 氣體繼電器的結構圖1下開口杯；2上開口杯；3干簧觸點；4平衡錘； 5放氣閥；6探針；7支架；8擋板；9進油擋板；10永久磁鐵 目前在我國電力系統(tǒng)中推廣應用的是開口杯擋板式氣體繼電器，其內(nèi)部結構如圖6-15所示。正常運行時，上開口杯2和下開口杯1都浸在油中，開口杯和附件在油內(nèi)的重力所產(chǎn)生的力矩小于平衡錘4所產(chǎn)生的力矩，因此開口杯向上傾，

54、干簧觸點3斷開。當油箱內(nèi)部發(fā)生輕微故障時，少量的氣體上升后逐漸聚集在繼電器的上部，迫使油面下降。而使上開口杯2露出油面，此時由于浮力的減小，開口杯和附件在空氣中的重力加上杯內(nèi)油重所產(chǎn)生的力矩大于平衡錘4所產(chǎn)生的力矩，于是上開口杯2順時針方向轉動，帶動永久磁鐵10靠近干簧觸點3，使觸點閉合，啟動“輕瓦斯”保護動作于信號。當變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時，大量氣體和油流直接沖擊檔板8，使下開口杯1順時針方向旋轉，帶動永久磁鐵靠近下部干簧的觸點3使之閉合，啟動“重瓦斯”保護動作，發(fā)出跳閘信號。當變壓器出現(xiàn)嚴重漏油而使油面逐漸降低時，首先是上開口杯2露出油面，發(fā)出預告信號，當油面繼續(xù)下降使下開口杯1露出油面后，發(fā)出