第7章发电机保护

1、第七章 发电机保护 Generator Protection,7.1发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式,交流同步发电机原理 发电机的故障类型主要有： (1)定子绕组相间短路。 (2)定子一相绕组内的匝间短路。 (3)定子绕组单相接地。 (4)转子绕组一点接地或两点接地。 (5)转子励磁回路励磁电流异常下降 或完全消失。,7.1发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式,发电机的不正常运行状态主要有： (1)由于外部短路引起的定子绕组过电流； (2)由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷； (3)由外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷、非全相运行等）而引起的发电机负序过电流和过负

2、荷； (4)由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压； (5)由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷； (6)由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。,7.1发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式,发电机的继电保护的要求：,7.1发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式,发电机保护的种类： （1）纵差动保护：定子绕组及其引出线的相间短路保护 （2）横差动保护：定子绕组一相匝间短路的保护 （3）单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路的保护 （4）过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同时兼作纵差动保护的后备保护 （5）负序电流保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机

3、定子绕组中出现的负序电流 （6）过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护 （7）过电压保护：反应突然甩负荷而出现的过电压，应用于水轮发电机,7.1发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式,发电机保护的种类： （8）励磁回路接地保护：励磁回路的一点接地（信号）和两点接地保护（跳闸）： （9）失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失 （10）转子过负荷保护：对半导体励磁系统 （11）逆功率保护：当汽轮机主汽门误关闭而发电机出口断路器未跳闸，发电机失去原动力而变为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率。危害：汽轮机尾部叶片有可能过热而造成事故 （12）过励磁保护： （13）其

4、他：失步保护、低频保护、断水保护。,7.2发电机定子绕组短路故障的保护,7.2.1 发电机定子绕组短路故障的特点 (1)发电机中性点一般不直接接地，定子单相接地不会引起大的短路电流，不属于严重故障； （2）定子绕组相间和匝间短路则危害严重，其保护历来是发电机保护的研究重点。 （3）发电机及其机端引出线的故障中相间短路是最多的，是发电机保护考虑的重点； （4）定子绕组匝间短路发生的概率较少，但也需要配置保护。,反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路的保护-纵差动保护， 是发电机的主要保护。,7.2发电机定子绕组短路故障的保护,传统纵差动保护整定方法,按照以下两个原则来整定：,(1) 在正常情况下

5、，电流互感器二次回路断线时保护不应误动。,保护装置和继电器的起动电流分别为,(2) 保护装置的起动电流按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定，此时起动电流应整定为,再根据前面章节对不平衡电流的分析，有,7.2.2 比率制动式差动保护,为保证在区外短路时保护可靠不误动，按以上方法Iset 比较大，保护的灵敏度较低。 考虑到不平衡电流随着流过电流互感器TA电流的增加而增加的因素，提出了比率制动式纵差动保护，使其动作值随着外部短路电流的增大而自动增大（即利用外部故障时的穿越电流实现制动）。,比率制动式差动继电器原理接线图,7.2.2 比率制动式差动保护,动作区,制动区,动作方程：,整定设置见后,7.2

6、发电机定子绕组短路故障的保护,7.2.4 发电机纵差保护的接线方式 1、发电机纵差保护的动作逻辑 内部相间短路，两相以上差动继电器动作；仅一相动作判断为TA断线。当一点内，一点外时，加上负序电压判断。 2、发电机不完全纵差保护接线 在发电机相间与匝间短路时 会形成差流。解决了同相匝 间短路的保护问题。,7.2.5 发电机比率制动式差动保护的整定与灵敏度,1、灵敏度要求： 2、整定： （1）启动电流的整定。 Krel=1.5-2, Ier1反映TA变比误差取0.06Ign Ier2反映二次误差取0.1Ign 通常： (,7.2.5 发电机比率制动式差动保护的整定与灵敏度,(2)拐点电流的整定。

7、大小影响动作灵敏度 (3)比率制动特性的制动系数和 制动线斜率的整定 。,7.2发电机定子绕组短路故障的保护,7.2.6 发电机横差动保护 1、裂相横差动保护的基本原理 在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或多个并联的绕组组成。在正常运行的时候，各绕组中的电动势相等，流过相等的负荷电流。 而当任一绕组发生匝间短路时，绕组中的电动势就不再相等，因而会出现因电动势差而在各绕组间产生的环流。利用这个环流，可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，即裂相横差动保护。,7.2.6 发电机横差动保护,以一个每相具有两个并联分支绕组的发电机为例，发生不同性质的同 相内部短路时裂相横差动保护的原

8、理：,图7.5 同相不同绕组匝间短路的 横差动保护,图7.4 一个绕组内部匝间短路 的横差动保护,三相共需要六个互感器和三个继电器。这种方式接线复杂，保护中的不平衡电流较大。,7.2.6 发电机横差动保护,2、单元横差动保护的基本原理 如图7.6，其本质是把一半绕组的三相电流之和去与另一半绕组三相电流之和进行比较。 这种接线方式没有由于互感器误差所引起的不平衡电流，其起动电流比较小，灵敏度高，且接线非常简单。,图7-6 单元横差动保护接线原理图,动作电流需要克服的是：同相不同分支的参数差异，气隙磁场的不均匀，转子偏心，三次谐波（过滤）,7.3 发电机定子绕组单相接地保护,7.3.1 定子绕组单

9、相接地时电气量的特征 中性点都是不接地的发电机，当发电机内部发生单相接地故障时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络对地电流的总和。 大型发电机容量的增大使得其接地故障电流也随之增大，为了防止故障电流烧坏铁芯，需要装设消弧线圈，把定子绕组单相接地电容电流限制在规定的允许值之内。,图7-7发电机定子绕组单相接地电路,图7-7发电机内部单相接地时机端电压相量图,当中性点不接地时，故障点的接地电流为,当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流为,图7-8 发电机定子绕组单相接地时的零序等效网络 (a)中性点不接地；(b)中性点经消弧线圈接地,当中性点经消弧线圈接地时，采用欠补偿的方式（单元机组总电

10、容为定值）,7.3.2利用零序电压构成的发电机定子绕组单相接地保护,按 得图7.9曲线，越近机端，故障点零序电压越高。Uop为零序电压定子接地保护的动作电压。见图7.11，获得的基波零序电压为X100V.,目前100%定子绕组接地保护一般由两部分组成：一部分是零序电压保护，保护定子绕组的85%以上；另一部分需由其他原理（如利用发电机三次谐波原理或叠加电源方式原理）的保护共同构成100%定子绕组的接地保护。 利用发电机三次谐波电压构成的部分，其原理是利用发电机中性点和出线端的三次谐波电压在正常运行和接地故障时变化相反的特点构成。,7.3.3 利用三次谐波电压构成的发电机定子绕组单相接地保护,正常

11、运行时，发电机中性点的三次谐波电压比发电机出线端的三次谐波电压大，按图7.12等值电路，推得： 1）中性点不接地时: 2)中性点经消弧线圈接地时:,7.3.3 利用三次谐波电压构成的发电机定子绕组单相接地保护,而在发电机内部定子接地时，按图7.13的等值电路推导，有： 结果曲线7.14所示。,7.3.3 利用三次谐波电压构成的发电机定子绕组单相接地保护,按图7.14，在发电机内部定子接地时，利用 这个特点，使发电机出口的三次谐波电压成为动作分量，而使中性点的三次谐波分量成为制动分量，让继电器动作，可以反映距中性点约50%范围内的接地故障。,7.3.3 利用三次谐波电压构成的发电机定子绕组单相接

12、地保护,动作,制动,结论：发电机100%定子绕组单相接地保护,动作,制动,1)利用三次谐波电压构成的接地保护可以反映发电机定子绕组中0.15范围内的单相接地故障，且当故障点越靠近机端保护的灵敏度越高。 -组合构成了发电机100%定子绕组单相接地保护。,动作区,7.4 发电机负序电流保护,7.4.1负序电流保护的作用 不对称短路或三相负荷不平衡，产生负序电流。 危害：定子中负序旋转磁场相对于转子2倍的同步转速，在转子及其铁芯中感应出100Hz的倍频电流。该电流在电流密度大的对方会灼伤部件，引起更大事故。另外100Hz的倍频，会引起振荡，威胁发电机安全。 由于大容量机组的额定电流很大，而在相邻元件

13、末端发生两相短路时的短路电流可能较小，此时采用复合电压启动的过电流保护往往不能满足作为相邻元件后备保护时对灵敏性的要求。 采用负序过电流保护作为后备保护，就可以提高不对称短路时的灵敏性。由于负序过电流保护不能反应于三相短路，因此，当用它作为后备保护时，还需要附加装设一个单相式的低电压启动过电流保护，以专门反应三相短路。(见下图）,7.4 发电机负序电流保护,7.4.2 定时限负序过电流保护 图7.17，KA3小整定值发过负荷信号，KA2大整定值动作于跳闸，加装设一个单相式的低电压启动过电流保护KA1、KV，以专门反应三相短路。,7.4 发电机负序电流保护,7.4.2 定时限负序过电流保护 整定

14、： 1）KA3小整定值，发过负荷信号： 2）KA2大整定值动作于跳闸（A=30-40的情况)： 动作特性见图7.16,7.4 发电机负序电流保护,7.4.2 定时限负序过电流保护 看图7.16，两段式定时限负序过电流保护的动作特性与发电机允许的负序电流曲线的配合情况-结论不能很好的配合。 因此在100MW及以上，A10的发电机上需安装能模拟发电机允许负序电流曲线的反时限负序过电流保护。,7.4 发电机负序电流保护,7.4.3 反时限负序过电流保护,三部分：上限定时限、反时限、下限定时限。 能真实地模拟转子的热积累过程。,7.5 发电机的失磁保护,过程：当发电机失磁后，其感应电动势减小，电磁转矩

15、也将减小，转子加速，功角增大至超过极限时，发电机与系统失去同步。 不利影响： 1）这时需要从电力系统中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场；2）由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统电压下降，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解； 3）失磁后发电机转速超过同步转速，在转子回路产生差频电流，产生损耗过热。,7.5.1 发电机失磁运行及后果,7.5 发电机的失磁保护,图7.25：正常时机端测量阻抗位于第一象限，失磁后向第四象限移动。 图7.26： 1）正常：Zg1、Zg2、Zg3 2）外部故障： Zg5； 3）失磁后： Zg4。,7.5.2 发电机失磁后的机端测量

16、阻抗,7.5 发电机的失磁保护,7.5.4失磁保护的构成方式，图7.29 机端阻抗判据 作为失磁保护 的主判据。,对于中小机组，通常都不装设失步保护。当系统发生振荡时，由运行人员来判断，然后利用人工增加励磁电流、增加或减少原动机出力、局部解列等方法来处理。 对于大机组，这样处理将不能保证机组的安全，通常需要装设用于反应振荡过程的专门的失步保护。,7.6 发电机的失步保护,实用的失步保护主要基于反映发电机机端测量阻抗变化轨迹的原理。下图:1）测量阻抗永久停留在任一区内，为短路；2）测量阻抗轨迹部分穿越这些区域后以相反方向返回，则判断为可恢复的摇摆。,7.6 发电机的失步保护,7.7 发电机励磁回路接地保护,发电机励磁回路一点接地故障，对发电机不会造成大的危害，如果发生两点接地故障，则将严重威胁发电机的安全。故障电流会烧坏励磁绕组和转子本体。同时部分绕组被短接后，使得气隙磁通失去平衡，引起振动等等。 7.7.1励磁回路一点接地保护 首先要有一点接地保护， 以避免引起两点接地故障。 1、直流电桥式 图7.31 （Ry励磁绕组对地绝缘电阻）,7.7 发电机励磁回路接地保护,7.7.2 反映发电机定子电压二次谐波分量的励磁回路两点接地保护 通过分析可以发现转子侧发生两点接地或匝间短路故障在定子侧形成的二次谐波电压的相序和发电机外部不对称