電氣特性、故障類型及配置原則1

1、1概 述n電力工業(yè)的發(fā)展，促進(jìn)了發(fā)電機(jī)-變壓器組單機(jī)容量的迅速增大，從電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)的客觀需要出發(fā)，對大型機(jī)組繼電保護(hù)提出了更高的要求。計(jì)算機(jī)和微電子學(xué)的飛速發(fā)展，為大機(jī)組保護(hù)技術(shù)的不斷創(chuàng)新提供了物質(zhì)條件。發(fā)電機(jī)、變壓器內(nèi)部故障的分析計(jì)算新方法更為大機(jī)組繼電保護(hù)奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。2大型發(fā)電機(jī)-變壓器組的電氣特性分析n有效材料利用率提高n慣性常數(shù)相對降低n熱容量與銅損鐵損之比顯著下降n 、 、 參數(shù)普遍增大n短路電流水平和靜穩(wěn)儲備系數(shù)減小n平均異步轉(zhuǎn)矩大大降低n電機(jī)的冷卻方式和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，檢修困難dxdxdx3n與保護(hù)配置相關(guān)的主要特點(diǎn)是： （1）發(fā)電機(jī)出口除支接高壓廠用變壓器外無其他

2、機(jī)端負(fù)荷 （2）發(fā)電機(jī)出口與支接高壓廠用變壓器高壓側(cè)均不裝設(shè)斷路器 （3）升壓變壓器高壓側(cè)中性點(diǎn)直接接地或經(jīng)放電間隙接地運(yùn)行 4（4）發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)一般可經(jīng)消弧線圈（欠補(bǔ)償）或經(jīng)接地變壓器二次電阻（高阻）接地運(yùn)行 （5）支接高壓廠用變壓器的低壓側(cè)一般為高阻或中阻接地系統(tǒng) （6）汽輪發(fā)電機(jī)三相繞組中性點(diǎn)側(cè)引出方式可為6、4、2或3個引出端5大型發(fā)-變組主要故障及異常工況類型一、主要故障類型1、發(fā)電機(jī)n定子繞組相間短路n定子繞組單相匝間短路n定子繞組單相接地n轉(zhuǎn)子勵磁回路故障n低勵或失磁、失步等62、變壓器n油箱內(nèi)故障：包括繞組的相間短路、接地短路、匝間短路及鐵芯的燒損等n油箱外故障：包括套管和引出

3、線上發(fā)生相間短路和接地短路71、發(fā)電機(jī)n由外部短路引起的定子繞組過電流n三相對稱過負(fù)荷n由外部不對稱短路或不對稱負(fù)荷引起的發(fā)電機(jī)負(fù)序過電流和過負(fù)荷n由突然甩負(fù)荷引起的定子繞組過電壓n由勵磁回路故障或強(qiáng)勵時間過長引起的轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷n由汽輪機(jī)主氣門突然關(guān)閉引起的發(fā)電機(jī)逆功率等二、主要異常工況類型82、變壓器n由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(diǎn)過電壓n由負(fù)荷超過額定容量引起的過負(fù)荷n由漏油引起的油面降低等9大型發(fā)電機(jī)-變壓器組繼電保護(hù)總體配置的原則及要求一、大機(jī)組繼電保護(hù)總體配置的原則意見n加強(qiáng)主保護(hù)。保證在保護(hù)范圍內(nèi)任一點(diǎn)發(fā)生各種故障時均有雙重或多重主保護(hù)，有選擇

4、性地、快速地、靈敏地切除故障，最大限度地保證機(jī)組安全和縮小故障破壞范圍，盡可能避免不必要的突然停機(jī)，特別要避免保護(hù)裝置誤動和拒動。10n簡化后備保護(hù)。發(fā)電機(jī)側(cè)即主變壓器低壓側(cè)不再裝設(shè)后備保護(hù)，僅在主變壓器高壓側(cè)配置反映相間短路和單相接地的后備保護(hù)，作為主變壓器高壓母線故障和主變引線部分故障的后備。11n在電機(jī)設(shè)計(jì)制造之前，繼電保護(hù)工作者應(yīng)主動向電機(jī)專業(yè)人員介紹有關(guān)大機(jī)組保護(hù)對發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造的要求，具體反映在發(fā)電機(jī)招標(biāo)文件中應(yīng)表明發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出方式和中性點(diǎn)接地方式、電流互感器配置要求等。應(yīng)該改變過去那種繼電保護(hù)人員不過問主設(shè)備設(shè)計(jì)制造，直到發(fā)電機(jī)運(yùn)到電廠才發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)技術(shù)性能難以完善的局面。

5、12n“二次服從和服務(wù)于一次”不是最高原則，過份強(qiáng)調(diào)不利于工作，一次專業(yè)和二次專業(yè)工作人員、制造和運(yùn)行人員應(yīng)以“保證大型機(jī)組的安全運(yùn)行”為大家遵循的原則，從電機(jī)制造到保護(hù)配置等環(huán)節(jié)保證設(shè)備的最大安全性。n應(yīng)裝設(shè)必要的異常工況保護(hù)和有足夠靈敏度的長延時遠(yuǎn)后備保護(hù)，但應(yīng)力求簡化。13n為了慎重選定發(fā)-變組內(nèi)部故障主保護(hù)方案，繼電保護(hù)設(shè)計(jì)人員應(yīng)確切了解主設(shè)備內(nèi)部故障時的電氣特征，為此電機(jī)生產(chǎn)廠家應(yīng)向繼電保護(hù)設(shè)計(jì)或運(yùn)行部門提供發(fā)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)資料，在充分分析計(jì)算內(nèi)部故障的基礎(chǔ)上，提出發(fā)電機(jī)變壓器組的主保護(hù)方案和發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出方式、電流互感器安裝位置及其型號。14n主變高壓側(cè)相間短路后備保護(hù)以高壓母

6、線兩相金屬性短路的靈敏系數(shù)大于或等于1.2為整定條件。首先考慮過電流保護(hù)，如靈敏度不夠，改用一般簡易阻抗保護(hù)。不設(shè)振蕩閉鎖環(huán)節(jié)，以0.5-1.0s取得選擇性和避越振蕩，應(yīng)用電壓回路斷線閉鎖和電流啟動元件。對自并勵發(fā)電機(jī)，應(yīng)校核短路電流衰減對過電流或低阻抗保護(hù)的影響并采取相應(yīng)技術(shù)措施。例如低電壓自保持的過電流保護(hù)、電壓控制的過電流保護(hù)或精確工作電流足夠小的低阻抗保護(hù)。15n微機(jī)型主保護(hù)與后備保護(hù)綜合在一起。對300MW及以上發(fā)電機(jī)和220KV及以上變壓器宜裝設(shè)包括主保護(hù)、后備保護(hù)和異常運(yùn)行保護(hù)的兩套微機(jī)繼電保護(hù)裝置。每套各有單獨(dú)的直流電源和電流互感器、獨(dú)立的跳閘線圈出口，且在每套內(nèi)實(shí)現(xiàn)輸入信息的

7、資源共享。16二、發(fā)電機(jī)三相定子繞組的結(jié)構(gòu)對主保護(hù)配置的影響2TA1TAGTTU2TA1TAGT3TA3TA2TA1TA3TA1TATU2QU1QU2o1o1o2o1a2a1b2b1c2c1aan1b1cbncn接TU接TU(a)(c)(b)(d)圖1 大型發(fā)電機(jī)三相繞組結(jié)構(gòu)(a)、(b)、(d) 汽輪發(fā)電機(jī)；(c) 水輪發(fā)電機(jī)17 三相定子繞組的結(jié)構(gòu)問題，在這里主要是指發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的引出方式，因?yàn)樗c發(fā)-變組內(nèi)部短路主保護(hù)方案密切相關(guān)，同時也與定子繞組每相并聯(lián)分支數(shù)有關(guān)。 目前國內(nèi)300MW及以上的汽輪發(fā)電機(jī)大多為每相兩并聯(lián)分支，中性點(diǎn)僅引出三相的三個端子。作為發(fā)-變組內(nèi)部短路主保護(hù)，普遍

8、采用發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)縱差保護(hù)和發(fā)-變組縱差保護(hù)，這兩種保護(hù)方案對發(fā)電機(jī)定子繞組同相的匝間或?qū)娱g短路和開焊（斷線）故障均無保護(hù)作用，更不要說大機(jī)組主保護(hù)的雙重化要求了。這種主保護(hù)的不安全、不完善狀況必須改進(jìn)。圖1(a)即目前大機(jī)組的中性點(diǎn)側(cè)引出方式。 18 一種可能的改進(jìn)方案是改變發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的引出方式，如圖1(b)所示，將三相六個分支繞組分成兩組，其中一組（例如a1、b1、c1）僅將中性點(diǎn)o1引出，另一組（a2、b2、c2）三相端子同時引出，在機(jī)外接成第二中性點(diǎn)o2，o1與o2連接以便裝設(shè)單元件零序電流性橫差保護(hù)（互感器TA3），互感器TA1與TA2構(gòu)成發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)。19 理論研究和實(shí)踐經(jīng)

9、驗(yàn)均已證明：高靈敏單元件零序電流型橫差保護(hù)具有發(fā)電機(jī)相間短路、匝間短路和定子繞組開焊的保護(hù)功能、構(gòu)成簡單、靈敏度高，可作為各類發(fā)電機(jī)的第一主保護(hù)。不完全縱差保護(hù)改變了傳統(tǒng)縱差保護(hù)不反映定子繞組匝間短路和開焊故障的不足，成為發(fā)電機(jī)內(nèi)部各種故障的第二主保護(hù)，方便地實(shí)現(xiàn)了大機(jī)組主保護(hù)的雙重化要求，大大提高了短路保護(hù)的技術(shù)性能，應(yīng)予以推廣應(yīng)用。必要前提是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)應(yīng)有四個引出端子，其中三個端子的電流僅為圖1(a)的一半，另一個為中性點(diǎn)，電機(jī)制造廠可以做到。20 300MW及以上水輪發(fā)電機(jī)每相并聯(lián)分支數(shù)有310個，國內(nèi)外均已有在機(jī)內(nèi)裝設(shè)中性點(diǎn)側(cè)所有分支繞組的電流互感器TA2和中性點(diǎn)o1、o2間的互感

10、器TA3的實(shí)例，如圖1(c)所示，相應(yīng)的內(nèi)部故障主保護(hù)完全實(shí)現(xiàn)了雙重化或更高的冗余度要求，這些主保護(hù)是：高靈敏零序電流型橫差、三元件裂相橫差、不完全縱差和傳統(tǒng)完全縱差。 21 某些大型機(jī)組保護(hù)的采用，不僅提高了保護(hù)性能還減少了對發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)引出端子的要求。如圖1(d)，由于保護(hù)方案的變更，完全不需要在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)安裝各相或各分支電流互感器圖1(a)、(b)、(c)中的TA2，只裝設(shè)機(jī)端的TA1，這時發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部短路主保護(hù)是：n第一主保護(hù)為高靈敏單元件零序電流型橫差保護(hù)；22n第二主保護(hù)為負(fù)序增量方向保護(hù)和縱向零序電壓保護(hù)。以上兩套主保護(hù)，除了發(fā)電機(jī)不與電力系統(tǒng)并列運(yùn)行的孤立狀態(tài)下、機(jī)

11、端引線相間短路失去主保護(hù)外（尚有后備保護(hù)），其它工況下均有雙重主保護(hù)。實(shí)際上，所謂“失去主保護(hù)”的幾率是微乎其微的。 23 圖1(d)中在發(fā)電機(jī)與變壓器間增設(shè)了斷路器QF2，它有利于加快切斷QF1與QF2之間的短路電流，而且在發(fā)電機(jī)停機(jī)時保留廠用電源。此時，不應(yīng)裝設(shè)發(fā)-變組縱差保護(hù)，否則發(fā)電機(jī)短路時將誤切QF1，失去選擇性。合理的設(shè)計(jì)應(yīng)該是發(fā)電機(jī)和變壓器分別設(shè)置各自的短路主保護(hù)。24n國內(nèi)已有500MW汽輪發(fā)電機(jī)（俄國進(jìn)口）中性點(diǎn)側(cè)引出6個端子，它的最佳主保護(hù)方案是將圖1(b)的高靈敏單元件零序電流型橫差、三元件裂相橫差或不 完全縱差和發(fā)-變組不完全大縱差（發(fā)電機(jī)所有6個分支中性點(diǎn)側(cè)裝互感器）

12、以及變壓器的傳統(tǒng)縱差，由此構(gòu)成發(fā)電機(jī)和變壓器（包括其間引線）內(nèi)部故障的完善的多重主保護(hù)。25（三）關(guān)于定子繞組同相匝間或?qū)娱g短路保護(hù)問題 近年來，從國外引進(jìn)的大型發(fā)電機(jī)定子繞組大都不裝設(shè)匝間短路保護(hù)，只有俄羅斯的機(jī)組例外，但亦絕非歐美諸國均持統(tǒng)一意見，英國長期不裝設(shè)匝間短路保護(hù)，但根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，70年代要求增設(shè)該保護(hù)（由原瑞士BBC提供縱向零序過電壓原理的匝間短路保護(hù)）。從日本進(jìn)口的多臺發(fā)電機(jī)沒有匝間短路保護(hù)，但日本植木久之在其專著中卻據(jù)理說明發(fā)電機(jī)定子繞組裝設(shè)匝間短路保護(hù)的必要性?？梢姸ㄗ永@組不設(shè)匝間短路保護(hù)并非統(tǒng)一定論，26 只是因?yàn)閲鴥?nèi)匝間短路保護(hù)誤動作率太高，正確動作率太低（很少發(fā)生匝

13、間短路），暫時又沒有完善的匝間短路保護(hù)新方案和新裝置，才產(chǎn)生不用或取消此保護(hù)的想法。其實(shí)高靈敏零序電流型橫差保護(hù)、裂相橫差保護(hù)和不完全縱差保護(hù)就是很好的方案。 當(dāng)有了完善的相間短路和匝間短路保護(hù)后，為定子單相接地保護(hù)不作用于緊急跳閘創(chuàng)造了有利條件，減少了汽輪發(fā)電機(jī)組非必要的保護(hù)動作停機(jī)，有利于大機(jī)組的安全。27（四）定子繞組單相接地保護(hù)問題 為解決好定子單相接地故障的保護(hù)問題，首先應(yīng)注意發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的接地方式，使之滿足單相接地電流小于GB14285-93繼電保護(hù)和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程2.2.4條規(guī)定的故障電流允許值（即安全電流） 100MW及以上的發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)為100%的基波和三次諧波

14、零序電壓型定子接地保護(hù)。當(dāng)單相接地電流小于安全電流時，保護(hù)裝置帶時限動作于信號，反之則應(yīng)動作于跳閘。如果發(fā)電機(jī)絕緣狀況不良或超期服役絕緣老化嚴(yán)重，保護(hù)可帶時限作用于跳閘停機(jī)。 28n對于特大型發(fā)電機(jī)，要求在啟、停機(jī)過程中至少保持有定子接地保護(hù)功能，可裝設(shè)外加20Hz或12.5Hz的100%定子接地保護(hù)裝置和基波零序電壓保護(hù)裝置。29（五）汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地保護(hù)問題 一臺汽輪發(fā)電機(jī)的勵磁回路兩點(diǎn)接地故障，即使兩點(diǎn)接地保護(hù)正確動作并跳閘，也可能發(fā)生軸系和汽機(jī)部件的磁化現(xiàn)象，給機(jī)組盡快恢復(fù)正常運(yùn)行帶來很大困難。對于轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷的汽輪發(fā)電機(jī)，由于轉(zhuǎn)子繞組漏水，造成勵磁回路的接地故障，不再是從一點(diǎn)

15、接地開始，隨后繼發(fā)第二點(diǎn)接地，而是一開始就是多點(diǎn)或一片勵磁繞組接地。對于這種形式的接地故障目前尚無成熟的保護(hù)裝置。 30n300MW及以上的汽輪發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)一點(diǎn)接地保護(hù)。當(dāng)一點(diǎn)接地保護(hù)動作后，應(yīng)及時發(fā)出警報(bào)信號，盡快轉(zhuǎn)移負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)機(jī)組的平穩(wěn)停機(jī)，切勿認(rèn)為一點(diǎn)接地?zé)o甚危害，不加處理，一旦再發(fā)生第二點(diǎn)接地故障，釀成大患，對大型汽輪發(fā)電機(jī)組極為不利?；谶@種考慮，兩點(diǎn)接地保護(hù)就不再是必要的了。31（六）大型汽輪發(fā)電機(jī)變壓器組繼電保護(hù)配置方案的特點(diǎn)（根據(jù)三相繞組中性點(diǎn)側(cè)引出方式）n6個引出端。可裝設(shè)發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)、發(fā)-變組不完全縱差保護(hù)和高靈敏零序電流型橫差保護(hù)。這些保護(hù)對發(fā)電機(jī)定子繞組相間和

16、匝間短路均有保護(hù)作用，還可兼顧定子繞組分支開焊故障。32n4個引出端。即定子繞組為雙星形接線，其中一個星形接線繞組的三相端子引出機(jī)外，另一個星形繞組只引出它的中性點(diǎn)。它也可裝設(shè)發(fā)電機(jī)和發(fā)-變組不完全縱差保護(hù)，但兩套保護(hù)的中性點(diǎn)側(cè)電流互感器均在同一個星形接線的三相分支繞組中，其性能略低于中性點(diǎn)側(cè)6個引出端的方案。同時裝設(shè)高靈敏單元件零序電流型橫差保護(hù)。n2個引出端。即兩個星形接線繞組的中性點(diǎn)引出機(jī)外各相分支繞組均不引出，33 發(fā)電機(jī)主保護(hù)裝設(shè)高靈敏單元件零序電流型橫差保護(hù)和故障分量負(fù)序方向保護(hù)（微機(jī)型）或縱向零序電壓保護(hù)等。不能裝設(shè)發(fā)電機(jī)和發(fā)-變組的完全或不完全縱差保護(hù)。n3個引出端。即發(fā)電機(jī)三

17、相中性點(diǎn)側(cè)引出機(jī)外，不能裝設(shè)高靈敏單元件零序電流型橫差保護(hù)、裂相橫差保護(hù)和不完全縱差保護(hù)，只能裝設(shè)傳統(tǒng)的完全縱差保護(hù)反映相間短路，因此對匝間短路和分支開焊故障必須另設(shè)保護(hù)，對模擬式保護(hù)而言后者是比較困難的，一種可能的方案是增設(shè)微機(jī)型故障分量負(fù)序方向保護(hù)和/或縱向零序電壓保護(hù)。34（七）大型水輪發(fā)電機(jī)變壓器組 繼電保護(hù)配置方案的特點(diǎn)n水輪發(fā)電機(jī)的機(jī)內(nèi)空間大，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的各分支互感器可以裝設(shè)在機(jī)殼內(nèi)部或外部，可實(shí)現(xiàn)兩套不完全縱差保護(hù)、裂相橫差和高靈敏零序電流型橫差保護(hù)，國內(nèi)外已有若干大型水電廠實(shí)現(xiàn)了這種保護(hù)配置方案，但近年來的發(fā)展是有目的地減少互感器數(shù)目。n沒有低頻保護(hù)。35n由于水輪發(fā)電機(jī)比同容量的汽輪發(fā)電機(jī)體積大，熱容量較大，轉(zhuǎn)子本體的