发电机主保护及励磁系统说明.docx

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发电机主保护及励磁系统说明

发电机主保护设计

发电机是电力系统最重要的设备之一，发电机的安全运行对保证电力系统的稳定运行和电能质量起着决定性的作用。

因此必须针对发电机可能发生的各种不同的故障和不正常的运行状态配装完善的继电保护装置。

5.1发电机故障、不正常运行状态及其保护方式

5.1.1发电机的故障类型和不正常运行状态

发电机的故障类型主要有：

（1）      定子绕组相间短路。

（2）      定子绕组匝间短路。

（3）      定子绕组单相接地。

（4）      励磁回路一点或两点接地。

发电机的不正常运行状态主要有：

（1）      励磁电流急剧下降或消失。

（2）      外部短路引起定子绕组过电流。

（3）      负荷超过发电机额定容量而引起的过负荷。

（4）      转子表层过热。

（5）      定子绕组过电压。

5.1.2发电机的保护类型

针对上述故障类型和异常运行状态，按规程规定，发电机应装设以下继电保护装置：

（1）      纵联差动保护。

对于1MW以上的发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵联差动保护。

（2）      定子绕组接地保护。

对于直接接于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当单相接地电流大于或等于5A（不考虑弧绕组的补偿作用）时，应装设动作于跳闸的零序电流保护；当接地电流小于5A时，则装设作用于信号的接地保护。

对于发电机变压器组，容量在100MW以上发电机应装设保护区为100%的定子接地保护；容量在100MW以下的发电机应装设保护区不小于90%的定子接地保护。

（3）      定子绕组匝间短路保护。

定子绕组为双星形接线且中性点引出六个端子的发电机，通常装设单元件式横差保护，作为匝间短路保护。

对于中性点只有三个引出端子的大容量发电机的匝间短路保护，一般采用零序电压式或转子二次谐波电流式保护装置。

（4）      发电机外部相间短路保护。

可采用复合电压启动的过电流保护，用于1MW以上的发电机。

（5）      定子绕组过负荷保护（本设计不考虑）。

（6）      定子绕组过电压保护（本设计不考虑）。

（7）      转子表层过负荷保护。

50MW及其以上的发电机，应装设时限复序过负荷保护。

（8）      励磁回路一点以及两点接地保护。

100MW以下的汽轮发电机，对一点接地故障，可以采用定期检测装置；对于两点接地故障，应设两点接地保护装置。

（9）      失磁保护。

对于100MW以下不允许失磁运行的发电机，当采用直流励磁机时，在自动灭磁开关断开后应联动断开发电机断路器；当采用半导体励磁系统时，则应装设专用的失磁保护。

100MW以下但对电力系统有重大影响的发电机和100MW及以上的发电机，也应装设专用的失磁保护。

除此之外，有的发电机还设有失步保护、低频保护、断水保护、非全相运行保护等装置。

5.250MW发电机主保护

100MW以下发电机应装设下列故障及异常运行保护装置：

（1）定子绕组间短路保护；

（2）定子绕组接地保护；（3）定子绕组匝间短路保护；（4）发电机外部相间短路保护；（5）对称过负荷保护；（6）励磁回路一点及两点接地保护。

5.2.1定子绕组相间短路保护构成

发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障,应装设纵联差动保护作为发电机的主保护。

发电机的纵差保护是利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相应的原理构成的，因此在发电机中性点侧和引出线侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差保护。

对6MW以上的发电机推荐采用带饱和电流互感器的BCH-2型继电器构成.这种保护能很好地躲国过不平衡电流的影响。

因此2×50MW的发电机采用BCH-2型。

5.2.2定子绕组匝间短路保护

发电机的匝间故障包括同相同分支的匝间短路和同相异分支的匝间短路。

对于这种故障纵差保护不能反应，应按下列装设匝间短路保护：

（1）对定子绕组为星形接线、每相有并列分支、且中性点有分支引出端子的发电机应装设单继电式横差保护。

横差保护是利用反应两个支路电流之差的原理，由一个电流继电器至装在两组星形绕组中性点连线上的电流互感器二次回路上。

（2）对于50MW及以上发电机，当定子绕组为星形接线且中性点只有三个引出端时，也应装设专用的匝间短路保护。

5.3100MW发电机主保护

对100MW及以上和阻抗较大的发电机，当纵联差动保护采用BCH-2型继电器时，推荐采用下图所示接线方式，即高灵敏系数纵联差动保护接线。

当发电机电流为额定电流条件下断开一相二次电流回路时，BCH-2型继电器的差动线圈和平衡线圈的热稳定军为10A，能满足要求。

图5-1纵联差动保护接线说明图

图中

、

分别表示每相BCH-2型差动继电器差动线圈和平衡线圈。

CJJ为断线监视线圈。

当任意一根连接导线断线时，断线相的差动线圈与其平衡线圈是反极性连接。

所以，它们产生的磁通互相抵消。

故该相继电器不会误动作。

而非断线相的两个继电器的差动线圈内无电流，其平衡线圈内只有断线相的负荷电流。

只要适当选择平衡线圈匝数，非断线相的继电器也不会发生误动作。

当保护区内发生两相或三相短路时，短路电流将流过两个或三个差动线圈，但其平衡线圈没有短路电流。

只要差动线圈

内有较小的短路电流，差动继电器就能动作。

当在发电机电压系统中发生两点接地短路且其中一点在纵联保护范围内时，继电器中电流的分配情况与一相电流回路断线时相似，此时保护应动作，且灵敏系数不应小于通常的差动保护接线。

这可由适当选择差动线圈匝数来达到。

定子绕组匝间短路保护

发电机的匝间故障包括同相同分支的匝间短路和同相异分支的匝间短路。

对于这种故障纵差保护不能反应，应按下列装设匝间短路保护：

（1）对定子绕组为星形接线、每相有并列分支、且中性点有分支引出端子的发电机应装设单继电式横差保护。

横差保护是利用反应两个支路电流之差的原理，由一个电流继电器至装在两组星形绕组中性点连线上的电流互感器二次回路上。

（2）对于50MW及以上发电机，当定子绕组为星形接线且中性点只有三个引出端时，也应装设专用的匝间短路保护。

励磁系统的设计

7.1磁调节系统的作用和基本要求

同步发电机是电力系统的主要设备，它是将旋转形式的机械功率转换成电磁功率的设备，为完成这一转换，它本身需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流。

专门为同步发电机供应励磁电流的有关设备，统称为励磁系统。

所以，同步发电机的励磁系统是由励磁功率系统和励磁调节器AER组成，励磁功率系统向发电机转子励磁绕组提供直流励磁电流。

调节器根据机端电压变化控制励磁功率的输出，从而达到调节励磁电流的目的。

励磁功率的发展由同轴直流励磁系统到目前通常采用他励交流励磁机系统和自复静止式励磁系统。

7.1.1励磁调节系统的作用

同步发电机的运行特性与它的空载电动势E0值的大小有关，而E0值是发电机励磁电流的函数，所以调节励磁电流就等与调节发电机的运行特性。

在电力系统正常运行和事故运行中，同步发电机的励磁调节系统不仅可以保证发电机安全运行；提供合格的电能，而且还能改善电力系统的稳定条件。

（一）调节电压

电力系统正常运行时，负荷随机波动，随着负荷的波动，需要对励磁电流进行调节，以维持机端或系统中某点电压在给定水平，所以励磁系统担负维持电压水平的任务。

（二）调节无功功率的分配

发电机接于无限大容量系统时，调节它的励磁电流只能改变起输出的无功功率。

励磁电流过小发电机将从系统中吸收无功功率。

在实际系统中，发电机并联的母线并不是无限大系统，系统电压随着负荷波动而变化，改变其中一台发电机的励磁电流不但影响其本身的电压和无功功率，而且也影响与其并联运行机组的无功功率。

所以，同步发电机励磁系统还担负着并联运行机组间无功功率合理分配的任务。

（三）利于系统运行稳定性

同步发电机稳定运行是保证电力系统可靠供电的首要条件，电力系统在运行中随时都可能受各种干扰，在这些扰动后，发电机组能够恢复到原来的运行状态，或者过渡到另一个新的状态，则系统是稳定的。

（四）改善电力系统的运行条件系统运行条件

1.加速系统电压恢复过程和改善异步电动机的自启动条件

2.为发电机异步运行和自同步并列创造条件

7.1.2对磁系统的基本要求

（一）对调节器的要求

1.系统正常运行时，调节器应有足够的调压范围（0.8-1.2UG），并能合理的分配机组间的无功功率。

2.系统故障时，调节器应能迅速地强行励磁，以提高系统的暂态稳定和改善系统的运行条件。

3．调节器应无失灵区，保证机组在人工稳定区内运行。

4．具有较小的时间常数，既反应速度快。

5．结构简单可靠操作维护方便，并逐作到系列化，标准化。

（二）对励磁功率系统的要求

1.励磁系统应有足够的调节容量，以适应各种运行工况的要求。

2.具有足够的励磁顶值电压响应比。

7.2励磁系统设计

ZTL-2型可控硅自动调整励磁装置。

是应用可控硅整流器的开关特性工作的。

可控硅元件接在励磁机励磁回路中，例如：

接在励磁机的自并励回路中，依据发电机端电压与给定值的偏差改变可控硅的触发角，从而达到调节励磁电流的目的。

（1）装置由可控硅元件和触发、关断、放大测量、调差等单元组成。

触发单元是用单晶管

构成的驰张电路单晶管的发射极接至电容器

，

由放大器输出电路充电。

当

两端电压达到

的峰点电压时，

导通。

电容器

经电阻

放电，向可控硅

输出触发脉冲；直到

两端电压降低至

的谷点电压时，

截至，

准备充电。

当电压偏差信号改变时，放大器输出电流随之变化，

充电速度也随之变化，从而触发角即触发脉冲的相位也就改变。

因而励磁机的励磁电流的平均值得到调节，放大器和触发器的工作电源取自可控硅元件的两端，经稳定器

稳压后供给。

因此，当可控硅导通后，放大器和触发器失去电源停止工作，直到可控硅元件关断后再投入工作，并重复上述过程。

装置移相触发脉冲移相范围可达：

。

装置具有手动环节，以适应发电机零起升压和测量部分发生故障时，手动调整发电机电压的需要。

调差环节单元的原理是在ZTL测量比较单元的输入侧，不是直接输入经电压互感器的发电机端电压

而是输入无功电源补偿后的发电机

使得测量单元感受到的电压

随发电机无功电流

而变化，当

增加时ZTL感受到

也增加通过调节去降低

，这样就改变发电机的

。

当忽略电压互感器二次负载电流在调差R上的压降，环节的输出电压为：

（7-1）

根据这一关系，作出当功率因数

1与

0时的矢量图。

当

1时，各相为纯有功电流，电压

、

、

虽较

、

、

有变化，但基本不变，故认为调差环节不反映用功电流的变化。

当

0时，各相为纯无功电流，输出的线电压三角形仍为正三角形，其大随无功电流增长而增大。

输出电压

与输入线电压

的关系为：

符合式（7-1）。

因此，改变R，可获得适当的

。

当

，即正常运行情况下，发电机电流可分解为有功与无功两个分量，而环节只反映无功分量的影响。

可控硅

关断单元由可控硅

及其触发回路和电容器

及其充电回路组成。

在发电机交流电压每一周期的后半波内，电压互感器经变压器

向

充电。

当下一个周期开始时，

被触发导通，向

放电，为可控硅

提供一逆向电压，使

关断。

电压测量比较单元的任务是把发电机电压变化为直流电压信号，与给定的直流基准电压进行比较，得到两者的偏差信号。

电压测量比较单元是由测量变压器、三相整流电路、滤波电路和电压比较整定电路等环节组成。

分别阐述如下。

1测量变压器及整流电路。

有电压互感器测得的发电机三相电压，经测量变压器降压，再经整流、滤波电路变换成也发电机电压成比例的、平稳的直流电压。

为使变换后的直流电压平稳，所以采用了三相整流电路及相应的滤波电路。

2滤波电路。

由于整流电路输出的直流电压中含有谐波分量，为了得到平稳的直流电压，必须进行滤波。

滤波电路有多种形式，常用的有∏型滤波和

型滤波，本次设计使用的是

型滤波。

③比较整流电路。

比较整流电路是把测量整流电流输出的电压也基准电压相比较，得到一个反映发电机偏差的直流电压

，输出到综合放大单元。

另外，它还对发电机电压给定值进行整定，使电压（或无功功率）能满足运行工况的要求。

对称比较电路有两个稳压值相同的稳压管

、

和两个阻值相同的电阻

、

及两个二极管

、

组成。

两条并联支路的输出特性合成后可见，当

时，比较桥平衡，输出电压

。

使比较桥输出为零的励磁调节起输入电压，我们称为整定电压，以

表示，并以系数

表示

与

之比。

这样，

，且

。

当

时

它正比于发电机端电压与给定值的偏差。

发电机灭磁采用灭弧栅灭磁。

其内容主要有以下几点：

1发电机正常运行时，灭磁开关处于合闸转状态。

触头闭合，触头断开。

2当跳闸灭磁时，在闭合，断开接入限流电阻是为了防止励磁电源被短接在极短的时间内，紧接着也断开。

其间产生的电弧，同时经向磁场将电弧引入灭弧栅中，快速旋转散失热量直到熄灭。

3灭磁过程中，励磁电流逐渐衰减当衰减到较小值时，灭弧栅中电弧不能维持，可能出现电流中断而引起过电压。

为了限制过电压，灭弧栅并接许多电阻，避免整个电弧同时熄灭，实现顺序熄灭。

只要适当选择灭弧栅旁路电阻。

可限制电压在规定值以内。

4此法实质是将磁场能转换为电弧能，消耗于灭弧栅片中。

由于其灭磁

速度快，所以应用广。