电气培训课件-发电机定子接地保护.ppt

1、1、发电机定子接地保护发电机定子接地是指发电机定子绕组回路及与定子绕组回路直接相连的一次系统发生的单相接地短路，而发电机定子接地保护是反应上述单相接地故障的主保护。发电机是电厂的核心部分，定子结构复杂，不易检修，对于发电机定子的保护尤为重要。由于发电机内部故障中，发生定子单相接地故障的比例较高，约占定子故障的7080%。同时由于接地故障的存在，会引起接地弧光过电压，可能导致发电机其它位置绝缘的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路故障。为防止重大设备损坏事故，国家相关规程规定，容量为100MW及以上的发电机应装设100%定子接地保护。2、发电机定子接地故障的分类定子接地时间长短可分为瞬时接地、断续

2、接地和永久接地；按接地范围可分为内部接地和外部接地；按接地性质可分为金属性接地、电弧接地和电阻接地；按接地原因可分为真接地和假接地。3、引起发电机定子接地的原因异物落入引起定子接地，如小动物等使发电机一次回路的带电导体经异物接地。定子绕组绝缘损坏。除了绝缘老化外还有各种外部原因引起绝缘损坏。如定子铁芯叠装松动、绝缘表面落下导电性物体（如铁屑）、绕组线棒在槽中固定不紧等，在运行中产生振动使绝缘损坏；制造发电机时，线棒绝缘留有局部缺陷，运转时转子零件飞出，定子端部固定零件帮扎不紧，定子端部接头开焊等因素均能引起绝缘损坏。4、引起发电机定子接地的原因发电机引出线封母的绝缘瓷瓶受潮或脏物引起定子回路接

3、地。与发电机引出线相连接的一次设备故障造成接地，如PT、避雷器、电容等。 发电机定子绕组内冷水漏水或内冷却水导电率严重超标，引起接地。发变组单元接线中，励磁变高压侧、主变低压侧或高厂（公）变高压侧绕组内部发生单相接地，都可能引起定子接地信号。定子接地保护零序电压取自发电机机端PT开口三角时，若PT一次保险熔断，也会发定子接地信号。5、发电机定子接地保护的配置发电机定子接地保护的种类很多：有叠加电源式、外加电源注入式、零序电压式、零序电流式及双频式等。目前广泛采用的是双频式100%的定子接地保护，和外加电源注入式定子接地保护。双频式100%的定子接地保护：由基波零序电压式接地保护与三次谐波式接地

4、保护构成，能检查出发电机内部的任何点的接地故障。注入式定子接地保护：由低频注入电源和保护装置两部分共同实现。其中辅助电源装置提供外加低频电源，将低频电压电流信号注入到发电机定子绕组中。保护装置检测注入的低频电压、电流信号，当发电机定子绕组发生接地故障，注入的电压、电流信号随之发生变化，保护装置 可准确计算出接地故障电阻的阻值，完成100%定子接地保护。6、我厂发电机定子接地保护的配置我厂#1#4机组发电机定子接地保护均采用两套南瑞继保RCS-985发变组成套保护装置中的基波零序电压保护和三次谐波保护构成100%发电机定子接地保护。其中零序电压保护动作于跳闸、三次谐波电压保护仅动作于信号。我厂#

5、5、#6机组发电机保护A屏采用南瑞低频注入式定子接地保护，B屏采用南瑞基波零序电压定子接地保护+三次谐波定子接地保护。其中B屏三次谐波保护动作于信号，其它动作于跳闸。 9:417、基波零序电压保护原理图 如上图所示为零序电压接地保护原理示意图，其中，零序电压可取自机端，也可取自中性点，对于我厂来说，#1#6发电机零序电压定子接地保护中的3U0均取自中性点接地变二次侧。 3U0交 流模 件装 置装 置 交 流 模 件9:418、中性点通过变压器接地方式的发电机定子单相接地时的等值电路和零序电压的计算)(3)(311)(311330000N0000N0tgddtgtgdCCrrjrrrECCjrC

6、CjrrEU 计算接地故障基波零序电压的简化等值电路如下图所示： 定子绕组接地时的的基波零序电压等值电路 由左图可得： 根据3U。的计算公式，当故障发生在机端时零序电压最大，故障点越靠近中性点，零序电压越小，所以零序电压定子接地保护的整定值为了避开正常运行时产生的不平衡电压，故在发电机中性点存在着死区，保护区一般只能达到定子绕组的8595%。03U0.50.501.01.0pU0100V图定子绕组单相接地时03U与的关系曲线 如图所示为定子绕组单相接地故障时，零序电压与故障点的关系图。9:419、基波零序电压定子接地保护动作方程 Un0 U0zd 式中Un0为发电机中性点零序电压，U0zd为零

7、序电压定值。基波零序电压保护设两段定值，一段为灵敏段，另一段为高定值段。 当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高低绕组之间有电容存在，在发电机机端也会产生零序电压。因此，为了保证选择性，为防止区外故障时定子接地基波零序电压灵敏段误动，灵敏段动作于信号。 高定值段基波零序电压保护动作于跳闸。 基波零序电压保护其动作方程为：10、基波零序电压定子接地保护动作逻辑 如图为基波零序电压保护动作逻辑，当零序电压取自发电机机端TV的开口绕组时为防止TV断线时保护误动需要装设TV断线闭锁。 9:4111、三次谐波零序电压保护 发电机正常运行时，通过绕组对地分布电容和发电机所连设备对地电容，形成机端侧和中

8、性点侧对地零序三次谐波零序电压Us 、Un 。 当靠近中性点附近发生接地故障时，Un减小，Us增大。故障点越靠近中性点，变化的越明显。因此，利用三次谐波电压与相对变化的特征可以构成定子绕组接地保护并有效地消除中性点附近的保护死区。概念：如右图所示为三次谐波电压保护示意图9:4111、三次谐波零序电压保护 三次谐波电压比率定子接地保护 三次谐波电压比率判据只保护发电机中性点25左右的定子接地，机端三次谐波电压取自机端开口三角零序电压，中性点侧三次谐波电压取自发电机中性点变压器二次侧。其动作方程: 式中: U3T、U3N为机端和中性点三次谐波电压值,K3wzd为三次谐波电压比值整定值。 机组并网前

9、后，机端等值容抗有较大的变化，因此三次谐波电压比率关系也随之变化，本装置在机组并网前后各设一段定值，随机组出口断路器位置接点变化自动切换。9:4111、三次谐波零序电压保护 三次谐波电压差动定子接地保护 三次谐波电压差动判据： 式中U3T、U3N 为机端、中性点三次谐波电压向量，Kt为自动跟踪调整系数向量，Kre为三次谐波差动比率定值。本判据在机组并网后且负荷电流大于0.2Ie(发电机额定电流)时自动投入。 并网前的发电机，机端及中性点的三次谐波电压，随发电机电压升高而升高。并网运行的发电机，则机端及中性点的三次谐波电压随发电机的功率变化而变化。当有功增大时，机端及中性点的三次谐波电压同时增大

10、。同时当主变高压侧系统（大电流系统）中发生接地短路故障时，零序电压可能通过主变高、低两侧绕组之间的耦合电容传递至发电机侧，三次谐波电压随之摆动，因此保护存在误动的可能，所以，目前三次谐波零序电压保护均动作于信号。10、三次谐波零序电压保护动作逻辑 如图为三次谐波零序电压保护动作逻辑，目前三次谐波电压保护动作信号。 辅助电源装置（RCS-985U）将低频电压加在负载电阻Rn上，并通过接地变压器，将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中。保护装置（RCS-985）检测注入的电压、电流信号，通过保护计算判断接地故障。带通滤波器:通过20Hz低频电压信号，防止50Hz电压倒灌入电源。1111

11、、注入式定子接地保护、注入式定子接地保护 原理示意图：原理示意图： 基本原理 下图所示为发电机定子单相接地故障时的定值电路：正常情况下，注入的低频正常情况下，注入的低频电流主要是流过对地电容电流主要是流过对地电容的电容电流。的电容电流。当对地绝缘受到破坏，注当对地绝缘受到破坏，注入电流出现电阻性电流。入电流出现电阻性电流。 计算方法00,GGUI00,LFLFUI00Re1LFLFEUIR滤波算法检测注入的低频电压、电检测注入的低频电压、电流，通过导纳法可计算出流，通过导纳法可计算出接地过渡电阻阻值，可以接地过渡电阻阻值，可以反映发电机反映发电机100%100%的定子绕的定子绕组单相接地。组单

12、相接地。如上所示，当发电机定子绕组对地绝缘正常时，注入到定子绕组的低频电流主要是流过定子绕组对地电容的电容电流，当对地绝缘受到破坏，出现接地故障，注入的电流将流过接地故障点，出现一部分电阻性电流。保护装置检测注入的低频电压、电流，通过导纳法可准确计算出接地故障的过渡电阻阻值，计算的电阻阻值与定子绕组的接地故障位置无关，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。（1）动作判据 接地电阻判据 接地零序电流判据：（2）辅助判据电压、电流回路异常闭锁（保证装置的可靠性）（3）辅助功能频率闭锁12、注入式定子接地保护逻辑的组成： 跳闸段：跳闸段： 报警段：报警段：00.00.ORLFLFSETLFLFS

13、ETUUII接地电阻定子接地判据 接地电阻判据与定子绕组的接地点无关，可以反映发电机100%的定子绕组单相接地。接地电阻判据反映发电机定子绕组接地电阻的大小，设有两段接地电阻定值，高定值段作用于报警，低定值段作用于延时跳闸.接地电流定子接地判据 考虑到当接地点靠近发电机机端时，检测量中的基波分量会明显增加，导致检测量中低频故障分量的检测灵敏度受到影响。为了提高此种情况下保护的灵敏度，增设接地电流辅助判据。 接地电流判据能够反映距发电机机端8090的定子绕组单相接地，而且接地点越靠近发电机机端其灵敏度越高，因此能够很好的与接地电阻判据构成高灵敏的100%定子接地保护方案。外加电源回路故障报警 当

14、 和 中的任一个低于各自的定值时，认为定子接地保护外加电源回路故障，闭锁保护出口并发出报警信号。 频率闭锁 在机组频率严重偏离额定值时，需闭锁外加电源式定子接地保护装置的接地电阻判据，而接地电流判据不受影响。在大多数情况下，发电机在启停过程中运行至低频段产生的低频信号足够小，不足以影响注入低频信号的准确测量，因此通常频率闭锁是不需要投入的，目前我厂频率闭锁功能亦未投入。13、注入式定子接地保护的逻辑框图： 保护范围为100%，灵敏度一致，不受接地位置影响。 不受发电机运行工况的影响，在发电机静止、起停过程、空载运行、并网运行、甩负荷等各种工况下，均能可靠工作。可监视定子绕组绝缘的缓慢老化。 接

15、地电阻的实测结果、电阻判据中的电阻定值为一次值，更直观。 无需与主变高压侧接地后备保护配合。 20Hz信号和工频、分次谐波、整数次谐波相差较大，机组正常运行或振荡时不会影响外加20Hz电阻的计算。 注入一次绕组电压仅为13的额定相电压，不会损坏定子绕组绝缘。14、注入式定子接地保护的特点：我厂#5、#6机发电机注入式定子接地保护其辅助电源装置布置在发变组保护B屏，保护装置在A屏，电源与保护装置分开布置的目的是提高装置的抗干扰能力。 由于注入式定子接地保护不受接地位置影响，保护范围为100%，灵敏度一致，因此对于#5、#6机组来说，若中性点封母或接地变因进水等导致绝缘异常时，将直接造成定子接地保

16、护动作机组跳闸，而对于#1#4机组，发生上述异常时由于保护型式的不同，机组可能不跳闸，仅三次谐波电压保护发报警信号。因此，对于#5、#6机组，发电机所有一次部分的防水、防潮显得尤为重要，稍有异常即会导致保护动作机组跳闸。该保护在发电机停机时也起作用，因此#5、#6机组在停机时发电机一次部分挂地线或合接地刀闸时，该保护也会动作。14、注入式定子接地保护的特点：（1） #3发电机定冷水电导异常升高导致定子接地报警事件 2012年07月20日11：10，#3机组负荷600MW，在进行投入#3发电机定冷水除氧装置过程中定冷水电导突然升高（画面显示已满量程成紫色），#3发电机保护A柜来定子接地保护报警信

17、号，立即停止操作并对定冷水水质补排降低电导后报警消失，查看保护装置，为三次谐波电压保护动作发报警信号，异常时机端三次谐波电压上升至1.76V，中性点三次谐波电压至1.3V，达到三次谐波比率保护动作值。15、异常事件回顾#3发电机定子接地保护定值如下： 序号定值名称定值范围整定步长单位整定值1零序电压定值1-200.01 V52零序电压高定值1-200.01 V103零序电压延时0-100.01 S2.54并网前三次谐波比率定值0.5-100.01 1.65并网后三次谐波比率定值0.5-100.01 1.06三次谐波差动定值0.1-20.01 0.37三次谐波保护延时0-100.01 s68跳闸

18、控制字0000-FFFF1.00 0079以下是运行方式控制字整定1表示投入，0表示退出1零序电压保护报警投入0,1中性点电压12零序电压保护跳闸投入0,1中性点电压03三次谐波比率报警投入0,114三次谐波差动报警投入0,115三次谐波比率跳闸投入0,106零序电压高定值段跳闸投入0,1中性点电压1由于三次谐波比率跳闸未投入仅投入报警，所以异常中发报警信号，机组未跳闸。异常时画面显示发电机零序电压上升至约350V，未达到零序电压保护动作值，保护未动作。此次异常中机端和中性点三次谐波电压比为1.76/1.3，已达到保护动作设定值，保护动作正确。（2） #5发电机定冷水电导异常升高导致注入式定子

19、接地保护动作跳闸事件 2014年04月04日3：42，#5机组负荷492MW，在定冷水电导率超标在定冷水进行补排过程中循环水串入定冷水系统导致定冷水电导异常升高（画面显示10us/cm，实际已满量程就地实测约60us/cm），#5发电机保护A柜注入式定子接地保护动作机组跳闸。保护B柜基波零序电压保护和三次谐波电压保护均未启动。#5发电机定子接地保护故障波形与正常波形因定冷水电导异常升高，装置所测发电机定子对地电阻已低至249.7 (二次值），折算成一次值已达到接地电阻保护动作值，保护动作正确。正常情况下，装置所测发电机定子对地电阻3000（该值为二次值，且为装置最大显示值 ）。#5发电机注入式

20、定子接地保护定值如下： 序号定值名称定值范围整定步长单位整定值1测量电阻报警定值K102测量电阻跳闸定值K3.03报警延时S1.04跳闸延时S2.55零序电流跳闸定值A0.1006电压回路监视定值V0.037电流回路监视定值mA1.168相角补偿值度352.49电阻补偿值1.910电抗补偿值10.611并联电阻补偿值3000.012电阻折算系数12.0413跳闸控制字0000-FFFF1.00 0079以下是运行方式控制字整定1表示投入，0表示退出1测量电阻报警投入0,112测量电阻跳闸投入0,113零序电流跳闸投入0,114频率闭锁投入0,105补偿试验状态投入0,10该值为一次值，保护动作

21、时测量电阻值二次值为249.7 ，折算成一次值为3.006K，由于装置延时原因实际已达到保护动作设定值，保护动作正确。 发电机励磁回路（包括转子绕组）绝缘破坏会引起转子绕组匝间短路和励磁回路一点接地故障以及两点接地故障。发电机励磁回路一点接地故障很常见，而两点接地故障也时有发生。励磁回路一点接地故障，对发电机并未造成危害，如果发生两点接地故障，则将严重威胁发电机的安全。 当发电机励磁回路发生两点接地故障时，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励磁电流增加，可能因过热而烧伤励磁绕组；同时，部分绕组被短接后，使得气隙磁通失去平衡，从而引起振动，特别是多极发电机会引起严

22、重的振动，甚至会造成灾难性的后果。此外，汽轮发电机励磁回路两点接地，还可能是轴系和汽机磁化。因此，应该避免励磁回路的两点接地故障。 16、关于发电机转子接地保护我厂#5、#6机组发电机转子接地保护采用两套南瑞RCS-985RE注入式转子接地保护，布置在励磁操作柜后。基本原理：我厂注入式转子接地保护采用双端注入式，即在转子绕组的正负两端与大轴之间注入一个48V电压，通过装置内部电子开关定时切换，使外加电源模块输出偏移方波电压，实时求解转子一点接地电阻，反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降，同时通过判断接地位置的变化实现转子两点接地保护。转子一点接地设置灵敏段和普通段，均动作于报警。转子一点接地保护

23、动作后自动投入转子两点接地保护，转子接地保护动作于跳闸。 17、关于发电机注入式转子接地保护下图为双端注入式转子接地保护示意图 17、关于发电机注入式转子接地保护与注入定子接地保护不同的是注入式转子接地保护无需辅助电源装置，注入电压由保护装置自产，该保护装置布置在励磁控制柜后。发电机大轴接地碳刷在转子接地保护的作用也至关重要，若其接触不良会直接保护装置对地电阻的测量准确性，导致转子一点接地误报警甚至保护误动。在转子绕组两段与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算转子接地电阻构成转子一点接地保护，通过判断转子接地位置的变化实现转子两点接地保护。下图为双端注入式转子接地保护原理图 17、关于发电机注入

24、式转子接地保护图中Rx为测量回路电阻，Ry为注入大功率电阻，Us为注入电源模块，Rg为转子绕组对大轴绝缘电阻。注入电压通过注入电阻、转子对地电容和对地电阻、测量回路电阻构成回路，在转子绝缘良好的情况下，理论上其对地电阻可为无穷大，注入电压通过对地电容返回，在测量回路电阻Rx所测回采正半波和负半波稳态电压一致。当转子发生接地故障时，由于Rg的作用，使得转子对地电容充电时间常数发生变化，在测量回路电阻Rx所测回采稳态电压随之发生变化，进而计算转子对地绝缘电阻。（1）一点接地动作判据 接地电阻判据（2）辅助判据电压回路异常闭锁（保证装置的可靠性）当外加电源电压小于80%的正常电压时，瞬时闭锁转子一点

25、接地保护，并延时10S发外加电源异常报警，在外加电源电压波动时，闭锁转子一点接地保护。（3）辅助功能当CPU检测到装置本省硬件故障时，发装置闭锁信号。18、注入式转子接地保护逻辑的组成： 灵敏段：灵敏段：RgRgsetl 动作于信号 普通段普通段：RgRgseth动作于信号（4）两点接地判据 在转子一点接地动作于报警时，当转子接地电阻Rg小于普通段定值，转子一点接地保护动作后，经延时自动投入转子两点接地保护，当接地位置a改变达一定值时判为转子两点接地，动作于跳闸。两点接地判据如下： 19、注入式转子一点接地保护逻辑图：20、注入式转子两点接地保护逻辑图：双端注入原理可实时计算转子接地位置，进而

26、通过接地位置的变化实现转子两点接地保护。不受转子绕组对地电容的影响，不受高次谐波分量的影响，接地电阻测量精度高。保护灵敏度与转子接地位置无关，保护无死区，在转子绕组上任一点接地都有很高的灵敏度。 在转子未加励磁电压的情况下也能监视转子绝缘情况，但此时无法判断接地位置。对于双重配置化配置的转子接地保护，为防止两套保护间相互干扰，只允许投入其中一套（乒乓式和注入式均如此），我厂两套注入式转子保护装置间设有切换开关，目前正常运行中投入第一套保护，另一套做备用。21、注入式转子接地保护的特点：22、我厂注入式转子接地保护定值：序号定值名称定值范围整定步长整定值1一点接地灵敏段电阻定值0.1-100.0

27、K0.01 20K2一点接地电阻定值0.1-100.0K0.01 10K3一点接地报警延时0-10s0.01 5.0s4一点接地跳闸延时0-10s0.01 5.0s5两点接地跳闸延时0 -10s0.01 1.0s6注入电源周期0 -10s0.01 1.0s7注入电阻值0.1-100.0K0.01 47.00K8跳闸控制字0000-FFFF1.00 1111111以下是运行方式控制字整定1表示投入，0表示退出1投一点接地灵敏段0,1112一点接地投信号0,1113一点接地投跳闸0,1104投两点接地保护0,1115投定时检测功能0,1106投手动检测功能0,110改图为我厂注入式转子接地保护装置

28、现场配置图，量套装置间设有切换开关，正常情况下，装置所测发电机转子对地电阻为300K。 #4发电机励磁变低压侧封母淋水导致转子一点接地报警事件 （1）时间经过：2013年04月29日夜班，#4机组负荷380MW，6:30 巡检发现#4汽机6.9米常规消防水管道有一砂眼向外呲水，水淋至#4励磁变低压侧封母上，立即采取塑料布遮挡等措施，6:38 DCS来“#4发电机转子一点接地”报警和“#4发变组保护（1n)装置报警”，发变组保护屏来两次“转子一点接地灵敏段信号”，随即消失，恢复正常，将#4机消防水隔绝进行漏点处理后投入消防水系统运行。23、异常事件回顾（2）原因：在此次异常事件中，励磁变低压侧即

29、励磁交流进线侧绝缘异常时发电机转子接地保护也能反应出其绝缘电阻的变化，这是因为励磁系统可控硅工作时交流和直流侧通过可控硅导通角导通了 励磁交、直流侧产生了电气连接，此时转子接地保护范围延伸至励磁变低压侧，所以励磁交流进线侧接地直流侧会有接地信号报出。 （3）从该事件中得到的启示： 在励磁系统正常工作时，励磁变低压侧也在发电机转子接地保护的保护范围内。我厂各台机组励磁变低压侧封母所处位置周边均有消防水等管道，给机组的安全运行留下了安全隐患，在今后的设计、安装中应优化励磁变低压侧封母与其它水、汽管道的布置，同时做好励磁变低压侧封母的防水工作。我厂#5、#6机组发电机转子接地保护采用注入式，与注入式定子接地保护相同，其动作灵敏度要远高于传统的乒乓式转子接地保护，因此，与注入式定子接地保护要注意发电机中性点的防水一样，励磁变压低压侧封母的防水也要高度重视。