发电机及变压器保护原理

1、发电机及变压器保护原理一、发电机的故障异常运行状态及其保护方式由于发电机结构复杂，在运行中可能发生故障和异常状 态，这样会对发电机造成危害，同时，由于系统故障也可能 损伤发电机，特别是现代的大中型发电机，由于单机容量大 对系统影响大，出了故障维修困难，因此要对发电机可能发 生的故障类型及不正常运行状态进行分析，并有针对性地设 置相应的保护。应根据发电机可能发生的故障装设相应的保 护装置，综述如下：1. 定子绕组相间短路，会引起巨大的短路电流，严重烧 坏发电机，需装设瞬时动作的纵联差动保护。2. 定子绕组的匝间短路（分为同相一分支绕组的匝间短 路和同相异分支绕组的匝间短路 ），同样会产生巨大的短

2、路 电流而烧坏发电机，需装设瞬时动作的专用的匝间短路保护。3. 定子绕组的单相接地。这是发电机容易发生的一种故障，通常是因绝缘破坏使其绕组对铁芯短路，虽然此种故障 瞬时电流不大，但接地电流会引起电弧灼伤铁芯，同时破坏 绕组的绝缘，从而发展为匝间短路或相间短路，因此应装设 灵敏的反应全部绕组任一点接地故障的100 %定子绕组接地保护。4. 发电机转子绕组一点接地和两点接地。转子绕组一点接地后虽然对发电机运行无影响，但若再发生另一点接地，则转子绕组一部分被短接造成磁势不平衡而引起机组剧烈 振动，产生严重后果，因此需同时装设转子绕组一点接地保 护和两点接地保护。5. 发电机失磁。发电机失磁分完全失磁

3、和部分失磁，它 是发电机的常见故障之一，失磁故障不仅对发电机造成危 害，而且对系统安全也会造成严重影响，因此需装设失磁保 护。6. 定子绕组负荷不对称运行，出现负序电流可能引起发电机转子表层过热，需装设定子绕组不对称过负荷保护（转子表层过热保护）。7. 定子绕组对称过负荷，装设对称过负荷保护（一般采用反时限特性）。8. 转子绕组过负荷，装设转子绕组过负荷保护。9. 并列运行的发电机可能因机炉的保护动作等原因将主汽阀关闭，而导致逆功率运行，使汽轮机叶片与残留尾气 剧烈摩擦过热，而损坏汽轮机叶片，因此需装设逆功率保护。10. 为防止过激磁引起发热而烧坏铁芯，应装设过激磁保 护。11. 系统振荡而引

4、起发电机失步异常运行，危及发电机和 系统运行安全，需装设失步保护。12. 其他保护。定子绕组过电压、低频运行、非全相运行及与发电机运行直接有关的热工方面保护，对水内冷发电机 还应装设断水保护等。另外，还应装设发电机的后备保护，如电流、电压保护、阻抗保护等。二、变压器的故障异常运行状态及其保护方式电力变压器是电力系统的重要组成元件，它的故障将对 供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。电力变压器 的故障分为油箱内部故障和油箱外部故障。油箱内部故障包 括绕组的相间短路，中性点直接接地侧的接地短路和匝间短 路。变压器油箱内部故障的危害很大，故障处的电弧不仅会 烧毁绕组及铁芯的绝缘，而且使绝缘材料和

5、变压器油强烈气 化，可能会引起油箱爆炸。油箱的外部故障，主要是绝缘套 管和引出线上发生的相间短路和中性点直接接地侧的接地 短路。变压器的异常运行状态主要有：过负荷外部短路引起 的过电流、外部接地短路引起的中性点过电压、油面下降及 过电压或频率降低引起的过励磁现象等。为了保证电力系统 的安全可靠性运行，针对上述故障和异常运行状态，电力变 压器应装设如下的保护：1. 防止变压器绕组和引出线相间短路，直接接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的（纵联）差动保护。2. 防止变压器油箱内部各种短路或断线故障及油面降低的瓦斯保护。3. 防止直接接地系统中变压器外部接地短路并作为瓦 斯保护和差动

6、保护后备的零序电流保护、零序电压保护以及 变压器接地中性点有放电间隙的零序电流保护。4. 防止变压器过励磁保护。5. 防止变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保 护后备的过电流保护和阻抗保护。6. 防止变压器对称过负荷的过负荷保护。7. 反应变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障 的相应保护。三、发电机、变压器组保护原理现代大型汽轮发电机组通常采用的是发电机、变压器组 单元接线方式，发电机与主变压器、厂用变压器之间采用封 闭母线直接相连接（如果采用机端自并励时，发电机与励磁 变压器之间也直接连接），因此当发电机、变压器、厂用变 压器、励磁变压器及其相互连接的封闭母线发生故障时，任 何元件保

7、护装置动作都应作用于所有设备（发电机、变压器、厂用变压器、励磁变压器）全停。下面介绍发变组系统各种 保护装置的基本原理。1.相间短路的纵联差动保护TACJ纵差保护的基本原理是比较发电 机两侧电流的大小和相位，它是反应发TAe12_ n TAe电机及其引出线的相间短路故障的主要保护。如图（8-1 ）所示，为发电机纵联差动保护原理，将发电机两侧变比和型 号相同的电流互感器两侧同极性端纵向连接起来，差动继电 器CJ接于其差回路中。当正常运行或外部故障 （fl）时，I】与12大小相等，反向 流入发电机，CJ的电流为：I：i.2ntai - nta2 0,故差动继电器 CJ 不会动作。图8-1当在保护区

8、内f2点故障时，1与2同相流入发电机，CJ 的电流为：I 1I 2 If 2nTA1 - nTA2 = nTAIf 2|f 2当nTA大于CJ的整定值I act时，即nTA > I act , CJ动作。以上情况是一种理想情况，实际上两侧TA的特性不可能完全一相，误差也不一样，即nTA1z nTA2,正常运行时，|1 I 2不-阪工0,总有一定量的电流流入 CJ,此电流称为不平衡 电流，用Iunb表示，在发电机正常运行时，此电流很小，当 外部故障时，由于短路电流的作用，TA的误差增大，差动保护就有可能发生误动作。为使CJ在发电机正常运行及外部故障时不发生误动作，CJ的整定电流值必须大于可

9、能的最大 不平衡电流。这样使得发电机内部故障时保护的灵敏度就降 低了。为了既不降低发电机内部故障时保护的灵敏度，又要不 使发电机正常运行和外部故障时发生保护误动作，现常采用 的是具有比率制动特性的差动保护，其算法如下：动作量 I D=1 / -12 /制动量 Iz= 2( I.i / +I2 / )当发电机正常运行或外部故障时 ，11 / =2 /I D= 11 / - I 20 很小,1丄IZ= Iz= 2( I1/ +I2/)=nA,很小(等于发电机两侧短路电流差的一半)特别是当I】/ =I 2/时,Iz=0。可见保护能可靠动作， ( If2 1 / +12/ )二nTA较大(I为发电机正

10、常电流或外 部故障电流)所以保护不会动作。当发电机内部故障时：I，=I 2 /If1I D= I 1 / - I 2 / = nTA，很大且动作灵敏度大提高了以上所讲的是发电机的差动保护，变压器及输电线路的 差动保护原理也是如此，只是主变压器的差动保护还引入了 高厂变和励磁变分支的电流量。2.95%定子接地保护和100%定子接地保护发电机定子绕组接地危害：为了提高发电机运行可靠 性，发电机定子绕组中性点一般不接地，所以定子单相接地 并不构成短路。但发电机定子绕组对铁芯之间有一定的电 容，若电容值较大，贝U发生一相接地后会出现相当大的接地 电流，当接地电流不大于 11.5A时，可以认为是一种异常

11、 状态，此时，要求继电保护动作于信号；而当接地电流大于 5A时，产生的电弧将灼伤铁芯，甚至进一步发展成相间或匝间短路。一旦铁芯熔化到一定程度就很难修复，而造成发电 机报废。此外，巨大的短路电流会发展成两相接地短路，造 成发电机进一步损坏。为了补偿发电机定子电压回路的电容 电流使之不超过规定值，为防止发电机定子单相接地故障 时，电容电流形成的电弧对发电机的定子铁芯造成严重损 伤，所以发电机中性点经接地变压器接地。定子接地(单相)保护组成和工作原理：(1) 95%定子接地保护：发电机正常运行时，其三相定子电压平衡，中性点电压 为零，但如果发电机某相定子出口接地时，发电机中性点电压会发生位移，发电机

12、出口 PT开口三角形可以检测出这一 零电压3U0=1OOV,可见，可以用发电机出口PT开口三角形电压来反映发电机定子接地故障。但发电机正常运行时，其 三相电压是不可能绝对平衡的，这样在PT开口三角形上也会有较小的不平衡电压约为1530V,通过三次谐波滤过器后，其值约为510V,因此，定子单相接地保护整定值必须 大于510V,以防止保护误动作，所以这种保护存在5%10%的死区，因此常称为 95%定子接地保护。(2) 100%定子接地保护：如图(8-2 )所示，为发电机机端及中性点的三次谐波 电势等效图。发电机正常运行时，发电机机端及中性点的三 次谐波电势为：CmEs1UsEsCmCtUTICMC

13、mC- Ct. . _2中 性 点 ： Un = EsC- Ct所以Un>Us图8-2当发电机中性点经高阻抗接地时，上式仍成立。当发电机某相在离中性点a%处发生单相接地时，三次谐波电压等效图如图(8-3 )所示。a E?(1- a)Es此时：Us=( 1-a ES(1- a)ESa) Es-tAAUN5牛 Q土 US(1- aUN = a Es|aG(1- a)密图(8-3)Us|Un|=当 a> 50%时，Un > Us当 aW 50%时，Un < Us如果以此关系作为动作条件，则这种原理的保护“死区”为a> 50%,但若将这种保护与基波零序电压保护共同组合 起

14、来，就可以构成保护区为100%的定子绕组单相接地保护。3.转子接地保护发电机转子接地危害:发电机励磁回路是不接地的，在正常运行情况下，绕组各部分对地电压由绝缘电阻分配，如电阻为均匀的，绕组最 大电压为励磁电压的一半。如转子回路发生一点接地，虽不 会出现大的接地电流，但改变了绕组对地电压的分配，如接 地点偏向励端，则另一端对地电压升高， 容易引发两点接地， 引起以下严重后果：（1）转子磁场发生畸变，不仅使发电机电压和电流的波 形发生畸变，而且引起机械振动。（2）励磁电流经部分铁芯而形成回路，在接地点处产生直流电弧。如产生电弧，则在高温作用下，会烧坏励磁绕组甚至使转子铁芯局部熔化，造成永久性损伤，

15、使转子报废。（3 ）巨大的励磁电流杂散流过汽轮机外壳，可使汽缸磁化。（4）由于短路后励磁回路电阻减小，结果励磁电流增大，如短路匝数过多，会使励磁回路过电流。转子接地保护组成、工作原理：注入波幅为50V左右、频率为12.5Hz的方波电压，通过 测量转子回路对地电阻来判断转子绕组接地故障。Ur=50 XRerRer R转子，Rer=1 k Q,而正常情况下 R转子很大，故Ur很 小，当转子绕组发生一点接地时， R转子大幅降低，故Ur很大。 经微机保护装置内部换算后，即可判断出转子绝缘降低程度。转子绝缘降到5k Q时报警，报警延时 0.5S。转子绝缘降到500 Q时跳闸，跳闸延时 2.5S。4低频保

16、护频率高或低对发电机本身危害：频率增高，主要是受转子机械强度的限制，频率高就是电机的转速高， 而转速高， 转子上的离心力就增大，这就易使转子的某些部件损坏，频 率最高不应超过52.5HZ，这是考虑到虽然发电机的转子在出 厂时，经受过超出额定值 20%的超速试验，但汽机的危急保 安器是整定在超过额定转速的10%左右，而实际运行时再留一点余度。频率降低对发电机有以下各方面的影响：（1）频率降低引起转子的转速降低，使两端风扇鼓进的 风量降低，其后果是使发电机的冷却条件变坏，各部分的温 度升高。（2） 由于发电机的电势和频率磁通成正比，若频率降低， 必须增大磁通才能保持电势不变。这就要增加励磁电流，致

17、 使发电机转子线圈的温度增加。（3）频率降低时，为了使机端电压保持不变，就得增加 磁通，这就容易使定子铁芯饱和，磁通逸出，使机座的某些 结构部件产生局部高温，有的部位甚至冒火星。(4) 频率降低还可能引起汽机断叶片，因为频率低，转速也低，当该转速引起叶片振动的频率接近或等于叶片的固 有振动频率时，便可能因共振而使叶片折断。汽轮机的叶片都有一个自然振荡频率，如果发电机运行频率低于或高于额定值，在接近或等于叶片自振频率时，将f OT.CHii 北.LHi导致共振，使材料疲劳。达到 材料不允许的程度时，叶片就 有可能断裂，造成严重事故。 材料的疲劳是一个不可逆的 积累过程，所以汽轮机给出了 在规定频

18、率下允许的累计运 行时间。低频运行多发生在重 负荷下，对汽轮机的威胁将更 为严重，另外对极低频工况，还将威胁到厂用电的安全，因此发电机应装设频率异常保 护。频率降低还有一个严重的后果，就是厂用电动机的转速 降低，这可能造成一系列的恶性循环， 如给水泵的压力不足， 致使锅炉的汽压不足，循环水泵、凝结水泵的出力不足，影 响汽机真空等。这一切又会影响电机的出力并直接威胁着发 电机甚至整个电厂和系统的安全运行。尤其是频率对电压也 有影响，往往频率低，使电压也低，这是因为感应电势的大小与转速有关的缘故。对发电机频率异常运行保护有如下要求：（1） 具有高精度的测量频率的回路。图8-4 低频保护逻辑图（2）具有频率分段启动回路，自动累积各频率段异常运行时间，并能显示各段累计时间，启动频率可调。（3）