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2020年11月15日,星期日

发电机保护的基本理论

 

汽轮发电机



有许多异常情况可能会导致损坏 发电机。其中某些情况是发电机或其子系统之一发生故障的结果,而其他情况则是电力系统本身引起的。下表总结了可能发生的故障类型以及相关的保护方法。 


定子接地故障 


定子绕组最常见的故障是单相和地面之间的绝缘破坏。未被发现的故障会迅速损坏发电机铁心。风冷机也可能引起火灾。定子差动元件检测接地故障的能力是可用接地故障电流的函数。因此,定子通常需要专用的接地故障保护。 


发电机提供电力系统中所有负载使用的能量以及为电感元件供电所需的许多无功功率,从而将系统电压维持在标称值。电力系统的能量存储容量很小。因此,必须立即更换损失的发电,或者必须减轻相当数量的负载。最重要的是,在外部干扰时,发电机的保护系统必须高度安全。 


发电机是包括原动机,励磁机和各种辅助系统的复杂系统的一个组成部分。因此,除了检测短路以外,还需要发电机保护装置IED来检测一系列可能损坏发电机或其中之一的异常情况。’的子系统。发电机可分为两种主要类型:感应式和同步式。感应电机的尺寸通常较小,低至100 kVA,通常由往复式发动机驱动。同步电机的大小范围从几百kVA到1200 MVA。 


同步发电机可以由各种原动机驱动,包括往复式发动机,水力涡轮机,燃烧涡轮机和大型蒸汽涡轮机。涡轮机的类型会影响发电机的设计,因此会影响保护要求。发电机尺寸及其’的接地方法也会影响其保护要求。中小型机器通常直接连接到配电网络(直接连接)。在此配置中,可以将多台机器连接到同一总线。大型机器通常通过专用的电源变压器连接到传输网络(已连接的设备)。 


发电机端子处的第二个电源变压器为设备提供辅助电源。发电机接地是为了控制有害的瞬态电压并促进保护功能的运行。直连发电机通常通过低阻抗接地,从而将接地故障电流限制在200-400安培。单元连接的机器通常通过高阻抗接地,从而将电流限制在20安培以下。


对于直接连接的低阻抗接地机器,使用基于电流的检测方法。对于内部接地故障,该保护功能必须快速而灵敏,同时在外部干扰时也要确保安全。这可以通过使用受限制的接地故障元件或中性方向元件来实现。 G30和G60中实施的受限制的接地故障元件采用对称的部件约束机制,可在CT饱和度很高的外部故障期间提供高度的安全性。


对于单元连接的高阻抗接地机器,通常使用基于电压的方法来提供接地故障检测。结合使用基波和三次谐波电压元件,可以实现100%定子绕组的接地故障覆盖率。 GE继电器采用了三次谐波电压元件,该元件可响应三次谐波的中性值和终极值之比。该元件易于设置,并且在正常操作下对三次谐波电平的变化不敏感。


读: 电厂的发电机冷却系统有哪些不同


定子相故障


相位故障 在同一槽中具有相同相位的线圈的电机中,绕组端或槽中可能会发生不接地现象。尽管相故障的可能性小于接地故障,但由该故障产生的电流不受接地阻抗的限制。因此,至关重要的是要迅速发现这些故障,以限制对机器的损坏。由于发电机的系统XOR比特别高,因此定子微分元件特别容易受到CT饱和的影响,这是由于在外部干扰期间电流的直流分量所致。当怀疑由于电流的交流或直流分量导致CT饱和时,G60定子差分算法以定向检查的形式增加了额外的安全性。 


过载/热


下图显示了根据C50.13-2004的发电机允许的短时负荷极限。超出这些限制的负载将迅速损坏机器。具有反特性的过电流元件可用于确保发电机在允许的极限范围内运行。通用电气’还配备了RTD输入。除了检测过载以外,RTD还可以检测由于冷却系统故障而导致的过热或由于定子铁心叠片之间的绝缘故障而导致的局部过热。





跳闸故障


发电机保护装置必须操作各种故障或干扰。对于每种故障类型,通常都会执行一组操作。这些措施包括使发电机断路器跳闸,使磁场断路器跳闸,辅助设备的转移以及使原动机跳闸。例如,发生过磁情况需要发电机和励磁断路器跳闸,启动转移,但不要求原动机跳闸。如果问题得到快速解决,这将使计算机重新同步。内部可编程逻辑使跳闸逻辑易于实现。另外,在某些情况下,发电机动力室与开关站相距很远。使用对等消息传递,跳闸和状态信号可以直接从中继器通过光纤发送到与发电机断路器相邻的控制器(例如C30)


资料来源:GE Multilin www.gemultilin.com

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2019年11月15日星期五

示例:双线接地故障计算

双线接地故障

当三相线上的两相意外接地时,双线接地故障。在这种情况下,故障电流将在相关阶段(例如,B相和C相)内从线路流到地面。

例子:

从下图可以看出,假设发电机已牢固接地并且忽略了故障阻抗。确定系统中发生线对线故障时的相电流和相电压。



《不平衡故障分析:双线对地故障》一文解释并推导了所有顺序网络都并联连接,以满足此类故障的条件。

因此,

DLG故障的等效序列网络


通过电路分析,我们可以得出等效阻抗为

  • Zeq = Z1//Z2 + Z0 = j0.1//j0.1 + j0.25 = j0.3 pu
令Ea的值= 1(角度0)。 

因此,+ s电流的值为: 
  • Ia1 = Ea / j0.3 pu = -j 3.33 pu

通过电流除法,我们可以说-s和0s各自的值分别为
  • Ia2 = Ia0 =-(-j 3.33 / 2)= j 1.67 pu
序列电流汇总, 
  • Ia1 = -j 3.33 pu
  • Ia2 = j 1.67 pu
  • Ia0 = j 1.67浦
使用 序列分量至相位值矩阵公式, 我们可以得到: 
  • A相故障电流,IA = 0。
  • B相故障电流,IB = 5(角度-30)pu
  • C相故障电流,IC = 5(角度-150)pu
应用基本值, 
  • 选择:Sb = 20 MVA和kVb = 13.8 kV,然后... 
  • Ea = 20 MVA / 20 MVA = 1(角度0)。
  • Ibase = 20 MVA /(1.73 x 13.8 kV)
  • Ibase = 0.837 kA

因此,实际的故障电流值是 
  • IA = 0
  • IB = 5 x 0.837 kA = 4.185 kA(角度-30) 
  • IC = 5 x 0.837 kA = 4.185 kA(角度-150) 
电压值

基于等效序列网络,

  • Va2 = Z2 x Ia2 = j 0.1 x(-j 1.67)= 0.167(角度0)pu
  • 因此, Va2 = Va0 = 0.167(角度0)pu
使用 序列分量至相位值矩阵公式, 我们可以得到: 
  • VA = 0.501(角度0)pu
  • VB = VC = 0
施加电压基准, 
  • VA = 0.501 x(13.8 kV / 1.73)= 3.996 kV
  • VB = VC = 0

不平衡故障分析:双线接地故障



当三相线上的两相意外接地时,双线接地故障。在这种情况下,故障电流将在相关阶段(例如,B相和C相)内从线路流到地面。 

双线接地故障-B相和C相

从这种情况下,系统参数可以认为如下: 

  • A相的故障电流= 0(因为A相没有故障电流)
  • B相的故障电流= If-B
  • C相的故障电流= If-C。 
  • 在这里我们还可以看到,B相和C相的电压将等于零(忽略接地阻抗)。 


使用对称分量方程矩阵公式加上从上述条件中获得的值,可以绘制出当前方程,如下所示: 


DLG故障电流的对称分量矩阵方程

从这个矩阵方程式,我们可以得到以下值: 

  • Ia0 + Ia1 + Ia2 = 0(所有序列电流之和等于零)
  • IA = 0(因为在故障期间A相中没有故障电流流过)。 

在相同情况下,电压的对称分量为: 

DLG故障的电压对称分量矩阵方程
从上面的矩阵方程式,我们可以得到以下电压值:

  • Va0 = Va1 = Va2 = Va / 3
根据获得的电压和电流值,我们可以使用以下序列网络对其进行演示,


DLG故障的等效序列网络

该图满足基于给定条件获得的值。

有关示例计算,请参见: 示例:双线接地计算

2019年十月5日星期六

示例:线对线故障计算


当三相系统中的两个载流导体意外接触时,就会发生传输线上的线对线故障。因此,电力系统的保护装置需要准确响应,以避免严重损坏系统。

请参见不平衡故障分析:线对线故障

因此,了解不平衡系统中线对线故障的计算过程非常重要。

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例子: 

从下图可以看出,假设发电机已牢固接地并且忽略了故障阻抗。确定系统中发生线对线故障时的相电流和相电压。



解决方案:

从文章 不平衡故障分析:线对线故障,我们知道正序和负序网络是并联连接的,零序网络不涉及这种类型的故障。

从文章 不平衡故障分析:线对线故障,我们知道等效的正序网络是,

正序网络
负序网络是 

负序网络
并行连接此网络,并查看故障母线和参考母线的戴维南等效值,我们可以得到等效阻抗j 0.25 // j 0.1。 

因此,等效序列网络可以简化为一个单位为1(角度0)的源,等效阻抗为j 0.71每单位。 

因此,正序电流将为 

如果-1 = 1(角度0)/ j 0.71 = -j 1.41或1.41(角度-90)每度

由于If-1 =(-If-2),我们可以直接得出负序电流为, 

If-2 =每单位1.41(角度90)-> 请参见不平衡故障分析:线对线故障

因此,我们可以将序列成分总结如下:  
  • If-1 =每单位1.41(角度-90)(正序电流)
  • If-2 =每单位1.41(角度90)(负序电流)
  • 如果-0 = 0(零序网络不涉及线对线故障)
通过使用序列到相位矩阵公式,我们可以得出故障电流的值,如下所示: 
  • A相的故障电流= 0。
  • B相的故障电流= 2.442(角度180)pu
  • C相的故障电流= 2.442(角度0)pu
考虑基本值, 

选择:Sb = 20 MVA和kVb = 13.8 kV

然后,
Ea = 20 MVA / 20 MVA = 1(角度0)。
Ibase = 20 MVA /(1.73 x 13.8 kV)
Ibase = 0.837 kA

因此,故障电流的实际值为 
  • A相的故障电流= 0。
  • B相的故障电流= 2.04 kA(角度180)
  • C相的故障电流= 2.04 kA(角度0) 
电压值
分析正序网络等价物, 
Vf-1 = 1(角度0)-(If-1)*(Z1)= 1-(-j 1.41)(j 0.25)= 0.6475(角度0)(+序列电压)

因为Vf-1 = Vf-2;因此Vf-2 = 0.6475(角度0)(负序电压) 请参见不平衡故障分析:线对线故障

将序列公式应用于相位值矩阵,我们可以得到: 
  • A相电压= 1.295(角度0)pu
  • B相电压= 0.647(角度180)pu
  • C相电压= 0.647(角度180)pu
应用基本值, 

Vbase = 13.8 kV / 1.73 

因此实际电压值是 
  • A相电压= 10.31 kV(角度0)
  • B相电压= 5.15 kV(角度180)
  • C相电压= 5.15 kV(角度180)

更多细节 请参见不平衡故障分析:线对线故障

电力系统分析,故障计算,不平衡故障,短路分析

不平衡故障分析:线对线故障

线对线故障

三相线中的两相意外连接时会发生线间故障。在这种情况下,故障电流将在所涉及的两个相中流动。根据给定的图表,故障发生在B相和C相,而A相保持无故障。

从这种情况下,系统参数可以认为如下:

  • A相的故障电流= 0(因为A相没有故障电流)
  • B相的故障电流= If-A
  • C相的故障电流= If-C。 
  • 在这里,我们还可以看到故障期间B相和C相的电压相等,因此VB = VC。

使用序列网络矩阵公式,可以绘制给定值,如下所示。 

线对线故障的对称分量矩阵公式
从这个矩阵方程式,我们可以得到一个值,
  • Ia0 = 0
  • Ia1 =-Ia2
这意味着,当正序电流和负序电流彼此相反时,线对线故障中不涉及零序电流。 

在同样的意义上,矩阵公式还可以给我们提供电压值, 

线对线故障的对称分量矩阵公式

注意,在这种情况下,VB = VC。通过操纵方程式,我们可以得出Va1 = Va2。 

根据涉及电流和电压的两个矩阵方程的结果,我们可以开发一个序列网络,该网络描述为正序和负序彼此平行。 

线对线故障的等效序列网络

该图满足方程式Va1 = Va2和Ia1 =(-Ia2)。

有关示例计算,请参见以下文章 示例:线对线故障计算

2019年九月28日星期六

不平衡故障分析:单线接地故障


图片来源:UNACADEMY

在三相系统中,单线接地故障发生在系统的某一线或某一相意外接地时。在这种情况下,系统中会产生不平衡的电压以及不平衡的电流。

参见单线接地故障样本 Calculation

原则上,所有序列分量,即正,负和零序列分量将串联连接。见文章: 如何在不平衡系统中开发序列网络?

就这一点而言,下面的图可以进一步表示。

单线接地故障


从上图可以看出,故障电流等于Ia。另一方面,Ib和Ic都将为零,因为不会有从该相流过的故障电流。

因此,这种情况下的故障电流可总结为:
  • 故障电流 A = Ia
  • 故障电流 B = 0
  • 故障电流 C = 0
利用对称分量的原理,我们可以获得对应的序列值。 (请参阅文章:什么是对称组件?)

  • I0 = IA 
  • I1 = IA
  • I2 = IA
因此,我们可以将序列网络描述如下: 


在这种情况下,所有序列分量网络,即正,负和零序列都串联连接。这将确认所有顺序电流的相等性。

参见单线接地故障样本 Calculation

如何在不平衡故障系统中开发时序网络?


故障分析是电力系统研究中非常重要的部分。没有故障分析,我们将无法确定系统中不同保护设备的确切规格。因此,在处理不平衡系统时,故障分析可能会变得更加乏味。不平衡系统中故障电流的计算从顺序网络的发展开始。

因此,对称分量法被广泛用于进行计算。尽管已经有可以代表手动计算执行的计算机软件,但是仍然有必要了解故障分析的基本概念。

来自上一篇文章 对称成分 说明了如何将不平衡向量转换为三组相等的向量,即:正序,负序和零序分量。

因此,这些值也具有等效的序列网络,例如 变压器时序网络, 和别的。

三相系统中存在三种不平衡故障:
  • 单线接地故障-当系统的一相意外接地时会发生此故障。 
  • 线对线故障-当两个带电导体意外相互连接时,会发生此故障。 
  • 双线对地故障-当两相意外接地时会发生这种情况。 

定义系统的顺序网络后, 它们的连接方式取决于故障的类型。 常见并联故障类型的顺序网络连接 are shown.

1.单线接地故障: 在这种类型的故障中,正序,负序和零序组件串联连接。因此,所有顺序电流都具有相似的值,即I1 = I2 = I0。



2.线对线故障或相间故障:  在这种类型的故障中,不存在零序网络。所涉及的唯一网络分别是正序和负序,并且两个网络并联连接。如下图所示,负序电流与正序电流相反。 I1 =-I2。


3.双线对线故障: 在这种类型的故障中,所有顺序网络都并联连接。通过顶部节点中的简单基尔科夫电流定律,我们可以发现I1 + I2 + I0 = 0。


其余分析可以使用复杂数量的电路分析来完成。

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