浅谈发电机保护措施

2022-10-02

1 发动机故障及保护概述

1.1 定子故障的保护

(1) 定子绕组故障的保护有相间短路保护;绕组匝间短路的保护;多分支绕组中一分支开焊的保护;定子一点接地保护。

(2) 可能危及定子绕组的保护有定子过电流保护;定子过电压保护;定子铁芯过励磁、局部过热的保护等。

1.2 转子系统故障的保护

(1) 转子回路故障的保护有一点接地保护;二点接地保护;匝间短路保护;转子表面过热保护;励磁系统故障保护等。

(2) 可能危及转子系统的保护有转子回路过电流保护;非全相运行保护;断路器断口闪络保护。

1.3 危及轴系统及电力系统的保护

危及轴系统及电力系统的保护有发电机失磁保护、逆功率保护、失步保护、轴系扭振保护、频率异常保护、误合闸保护等。

在常规保护中, 对上述各种故障的保护都有一定的技术基础。但随着机组容量的增大, 对继电保护的要求不断提高。因此在采用微型计算机技术以后, 会尽可能利用计算机技术的优越条件, 实现更先进的保护原理, 使保护性能、指标得到比较显著的提高。

2 发电机差动保护

2.1 采样值纵差保护

数字式纵差保护就是采用瞬时电流值比较算法实现的。设中性点侧和发电机端侧相电传变误差时, 电流采样 (瞬时) 值流假定正方向均为从发电机中性点指向系统, 不考虑TA转变误差时, 电流采用 (瞬时) 值在每一时刻满足基尔霍夫电流定律。采用绝对值比较, 即有动作方程

式中id (k) 为差动电流采样值, id (k) =iN (k) -it (k) , 其中, iN (k) 为中性点侧电流采样值, iT (k) 为机端电流采样值。

it (k) 为制动电流采样值, it (k) =iN (k) +iT (k)

为防止短时干扰影响, 扰动发生后, 应运用式 (1) 重复判断M次, 再次发出命令。分析和时间表面, 当流过TA的电流很大且富含非周期分量时, TA只在最初周波以前有良好的传变特性, 因此要求采样值纵差保护反感必须在半周波前作出判断, 之后保护闭锁, 以避免误动, 但为了保证制动特性, 要求有1/4周波以上的信息才行, 即要求重复次数覆盖1/4周期以上。在高速动作的前提下, TA误差很小, 因此制动系数K可以取得较小。

2.2 基波相量纵差保护方案

基波相量纵差保护动作方程主要有以下两种

式中IN为发电机中性点基波电流;

IT为发电机端基波电流;

θ为IN和IT的相位差。

式 (2) 具有传统的比率制动特性。K值要求小于1, 以保证单侧电源内部短路时不拒动。式 (3) 称为标积制动特性。这两个方程之间存在某种联系。根据式 (2) 和式 (3) 可以导出系数K与S之间存在着下述关系

2.3 纵差保护方案的改进

多并联分支发电机发生带过渡电阻小匝数短路时, 负荷分量再不能忽视。它将影响灵敏度的提高。为排除负荷分量的影响, 可采用故障分量原理。根据叠加原理, 故障分量电流可以看作是由故障点上的假想电势产生的。按照假定正向, 机端和中性点的故障分量电流相量的相角能明确作到当外部故障时小于π/2, 内部故障时大于π/2。正是利用故障分量这个特点来表达到有效地提高纵差保护灵敏度和简化现有的折现判据的目的。

3 定子绕组不对称故障保护

由于结构上的原因, 发电机定子绕组还会发生不对称故障, 主要包括相间短路、一分支匝间短路、同相异分支间短路、绕组断线以及定子绕组接地故障等。有些发电机中性点每相只引出一个端子或采样“分布中性点”结构。对于前者, 横差保护难以应用。对于后者, 纵差与横差保护都难以应用。此时, 可将TA按各分支装于发电机外壳内, 但必须处理好绝缘安全问题以及有可能出现的TA断线及其处理问题。

为了克服上述存在的不足, 在多分支结构的定子绕组中选择部分绕组中性点侧装设电流互感器, 构成不完全纵差动保护。对有条件的发电机, 可以采用横差保护。常规的横差动保护为保证不误动作, 不得不采用较高的整定值, 导致灵敏度不足。采用微机保护后, 在保证三次谐波对基波的主滤过比的基础上, 可以降低整定值, 从而可以较大地提高灵敏度。另一种方案是将同相的各分支分为两组, 形成两条综合支路, 然后由此构成横差保护, 称为“裂相横差动”。其灵敏度在某些故障情况下, 灵敏度较单元横差动保护还要高一些, 但结构则较为复杂一些。

晶体管保护曾采用检测励磁回路2次谐波电流分量和负序功率方向的方案来实现匝间晶短路保护。实际上只要定子电流取自机端TA, 这个方案就能反映各种不对称故障。在实践中有一个问题必须考虑, 由于负荷的不对称等原因也会引起负序分量, 在转子回路感应出2次谐波电流。解决这个问题的途径是采用故障分量原理。

当仅考虑故障附加状态电路时, 无论系统的最初状态如何, 当一个新的不对称出现, 就可以设想为在等值负序电路的故障点上呈现一个新的假想负序电动势。对所有内部不对称故障, 这个假想负序电动势位于发电机内部。反之, 对于外部不对称故障, 这个假想负序电动势位于发电机外部。如果假定正方向为从发电机指向系统, 那么内部故障时与外部故障时, 机端负序电压与负序电流故障分量的相位差, 就能正确确定发电机内、外部故障。同时流过发电机定子绕组的负序电流故障分量, 将在转子回路中产生二次谐波故障分量电流, 它可以被用来作为故障检测之用。故障分量方案能有效地克服不平衡负荷电流的影响, 改善保护灵敏度。

2个基本判据如下。

(1) 发电机与系统并列运行时的判据为

式中∆If2为转子回路2次谐波电流;

εf2为门坎值;

∆S2为故障分量负序功率正方向的量;

ε2为门坎值。

(2) 发电机与系统解列运行时的判据

式中∆I2、∆U2为负序电流和负序电压的故障分量。

为保证发电机处于正常运行状态, 发电机的电压、电流、有功负荷、频率、功率因数等都在额定工作状态, 在电力系统中应采取相应保护措施, 消除减小发生事故的可能性。同时防止事故的扩大, 迅速恢复非故障部分的正常运行, 使故障设备免于继续遭受破坏。

摘要：文章对发动机故障进行阐述并提出利用微机进行发动机保护的措施, 包括发动机差动保护和定子绕组不对称故障保护。

关键词：发动机故障,差动保护,定子绕组不对称故障保护