第六讲发电机保护讲述

1、 第六讲第六讲 发电机保护发电机保护一、发电机故障及异常状态和保护配置一、发电机故障及异常状态和保护配置1 1、发电机故障：主要分为定子绕组故障和转子绕组故障。、发电机故障：主要分为定子绕组故障和转子绕组故障。 定子绕组故障包括：定子绕组的相间、匝间、接地短路。定子绕组故障包括：定子绕组的相间、匝间、接地短路。 转子绕组故障包括：转子一点接地、转子二点接地。转子绕组故障包括：转子一点接地、转子二点接地。2 2、发电机异常状态：主要有失磁（也可当成故障）、过流、过负荷、过电压、发电机异常状态：主要有失磁（也可当成故障）、过流、过负荷、过电压、逆功率、过励磁、低频、失步等。逆功率、过励磁、低频、失

2、步等。3 3、保护配置：以上各种状况均有相应的保护给于反应。、保护配置：以上各种状况均有相应的保护给于反应。二、发电机纵联差动保护二、发电机纵联差动保护 作为反应发电机内部定子绕组及其引出线相间短路的主保作为反应发电机内部定子绕组及其引出线相间短路的主保护护 。目前大容量发电机组都是采用比率制动特性的纵联差动目前大容量发电机组都是采用比率制动特性的纵联差动保护。所谓比率制动特性就是指继电器的动作电流随外部短路保护。所谓比率制动特性就是指继电器的动作电流随外部短路电流的增大而自动增大，而且动作电流的增大比不平衡电流的电流的增大而自动增大，而且动作电流的增大比不平衡电流的增大还要快。这样就可避免由

3、于外部短路电流的增大而造成继增大还要快。这样就可避免由于外部短路电流的增大而造成继电器误动作，同时对于内部短路故障又有较高的灵敏度。电器误动作，同时对于内部短路故障又有较高的灵敏度。 下图为发电机纵差动保护的单相原理图，两组下图为发电机纵差动保护的单相原理图，两组CT特性、变比一致特性、变比一致 1I1I 2I2I 2I-2I D2WgWzhWzh1I1I D22I 2I2I+2I WgWzhWzhIDZ.JIDZ.J=f (Izh)Ibp=f (ID.max)IDZ.minIzh.eID.maxIzh.o三、定子绕组匝间短路保护三、定子绕组匝间短路保护1、定子绕组匝间短路类型、定子绕组匝间短

4、路类型定子绕组接线方式有两种：双星形接线和单星形接线定子绕组接线方式有两种：双星形接线和单星形接线定子绕组匝间短路类型主要有：同相同分支；同相不同分支；不同相间；定子定子绕组匝间短路类型主要有：同相同分支；同相不同分支；不同相间；定子开焊。开焊。 2 2、单元件式横差电流保护、单元件式横差电流保护1 1）基本原理）基本原理 ：发生匝间短路故障时，由于双发生匝间短路故障时，由于双Y接线绕组的中性点连线上有电接线绕组的中性点连线上有电流出现，因此，取用中性点连线上的电流可以构成定子绕组的匝间短路保护。流出现，因此，取用中性点连线上的电流可以构成定子绕组的匝间短路保护。 该保护构成简单，灵敏度高，不

5、仅可反应定子绕组的匝间短路故障和分该保护构成简单，灵敏度高，不仅可反应定子绕组的匝间短路故障和分支绕组的开焊故障，而且还能反应定子绕组的相间短路故障，故可作为发电支绕组的开焊故障，而且还能反应定子绕组的相间短路故障，故可作为发电机内部短路故障的保护；但保护存在死区，只适用于每相定子绕组为多分支，机内部短路故障的保护；但保护存在死区，只适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。且有两个或两个以上中性点引出的发电机。 2）微机）微机发电机横差保护发电机横差保护交流输入回路交流输入回路 发电机单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上的发电机单元件横差保护的输入电流，

6、为发电机两个中性点连线上的TATA二次电流。以定二次电流。以定子绕组每相两分支的发电机为例，其交流输入回路示意图如子绕组每相两分支的发电机为例，其交流输入回路示意图如下：下：逻辑框图逻辑框图横差保护是发电机内部故障的主保护，动作应无延时。但考虑到在发电机转子横差保护是发电机内部故障的主保护，动作应无延时。但考虑到在发电机转子绕组两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动，故在转子一点接绕组两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动，故在转子一点接地后，使横差保护带一短延时动作。其逻辑框图如下：地后，使横差保护带一短延时动作。其逻辑框图如下：转子一点接地保护动作&+信号出口g

7、hzII&t13、发电机纵向零序电压式匝间保护发电机纵向零序电压式匝间保护 1 1）基本原理：发电机纵向零序电压式匝间保护，是发电机同相）基本原理：发电机纵向零序电压式匝间保护，是发电机同相同分支匝间短路及同相不同分支之间匝间短路的主保护。同分支匝间短路及同相不同分支之间匝间短路的主保护。定子绕组发生匝间短路时，定子侧有纵向零序电压，这时可采定子绕组发生匝间短路时，定子侧有纵向零序电压，这时可采用反应纵向零序电压的匝间短路保护。其原理接线如用反应纵向零序电压的匝间短路保护。其原理接线如下下。该保该保护原理简单，具有较高的灵敏度，适用于中性点只有三个引出护原理简单，具有较高的灵敏度，适用

8、于中性点只有三个引出端子的多分支绕组的发电机上。但须设专用电压互感器，因其端子的多分支绕组的发电机上。但须设专用电压互感器，因其中性点不直接接地，故不能用来测量相对地电压和用于接地保中性点不直接接地，故不能用来测量相对地电压和用于接地保护。护。 2）微机保护原理）微机保护原理构成原理：构成原理：该保护反映的是发电机纵向零序电压的基波分量，并用其三次谐波增量该保护反映的是发电机纵向零序电压的基波分量，并用其三次谐波增量作为制动量。纵向零序电压取自机端专用作为制动量。纵向零序电压取自机端专用TVTV的开口三角输出端。的开口三角输出端。TVTV应全绝缘应全绝缘, ,其一其一次中性点不允许接地，而是通

9、过高压电缆与发电机中性点联接起来。次中性点不允许接地，而是通过高压电缆与发电机中性点联接起来。保护的交流接保护的交流接入回路如入回路如下：下： 逻辑框图逻辑框图为防止专用为防止专用TVTV一次断线时保护误动，引入一次断线时保护误动，引入TVTV断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他原因（例如，专用原因（例如，专用TVTV回路有问题）产生的纵向零序电压使保护误动，引入负序功率方回路有问题）产生的纵向零序电压使保护误动，引入负序功率方向闭锁。负序功率方向判据采用开放式（即允许式）闭锁。保护的逻辑框图如下：向闭锁。负序功率方向判据采用开放式（即允许式）闭锁。保护的逻

10、辑框图如下：四、定子绕组接地短路保护四、定子绕组接地短路保护1、发电机定子绕组单相接地的特点、发电机定子绕组单相接地的特点由于发电机中性点不直接接地，因此它具有一般不接地系统单由于发电机中性点不直接接地，因此它具有一般不接地系统单相短路的特点。不同之处在于故障点的零序电压将随定子绕组相短路的特点。不同之处在于故障点的零序电压将随定子绕组接地点的位置而改变。如下图所示。接地点的位置而改变。如下图所示。 2、定子绕组接地短路保护、定子绕组接地短路保护1）基波零序电压型定子接地保护基波零序电压型定子接地保护 当发电机定子绕组单相接地时，利用零序电压随接地点而变当发电机定子绕组单相接地时，利用零序电压

11、随接地点而变化的特点，可以构成基波零序电压保护化的特点，可以构成基波零序电压保护 。零序电压保护的测量信零序电压保护的测量信号是发电机的零序电压。发电机零序电压可从发电机出口端三相号是发电机的零序电压。发电机零序电压可从发电机出口端三相电压互感器的开口三角形绕组上取得，也可从接地变压器的二次电压互感器的开口三角形绕组上取得，也可从接地变压器的二次侧绕组上取得，两种测量方法对同一种接地方式来讲所测得的零侧绕组上取得，两种测量方法对同一种接地方式来讲所测得的零序电压是相同的。而当定子绕组中性点附近接地时，零序电压数序电压是相同的。而当定子绕组中性点附近接地时，零序电压数值很小。保护不能起动，因此存

12、在一定的死区。值很小。保护不能起动，因此存在一定的死区。 2）发电机发电机100%定子接地保护定子接地保护 随着发电机组容量的不断增大随着发电机组容量的不断增大 ，要求，要求定子接地保护应有定子接地保护应有100%保护区，不允许存在死区。目前国产发电机基本上都采保护区，不允许存在死区。目前国产发电机基本上都采用反应基波零序电压和用反应基波零序电压和3 3次谐波电压，以实现定子次谐波电压，以实现定子100%100%保护区的保护区的接地保护。接地保护。 该保护装置由两段构成，一段（简称基波部分）保护定子绕该保护装置由两段构成，一段（简称基波部分）保护定子绕组从机端到中性点的组从机端到中性点的5%5

13、%100%100%，采用基波零序电压原理构成。，采用基波零序电压原理构成。另一段（简称另一段（简称3 3次谐波部分）保护定子绕组从中性点到机端的次谐波部分）保护定子绕组从中性点到机端的0 020%20%，利用发电机机端，利用发电机机端3 3次谐波电压作为动作量，而发电机中次谐波电压作为动作量，而发电机中性点的性点的3 3次谐波电压作为制动量。两段共同构成发电机定子次谐波电压作为制动量。两段共同构成发电机定子100%100%接地保护。当发电机定子绕组的任一点（即接地保护。当发电机定子绕组的任一点（即100%100%范围内）发生范围内）发生接地时，该保护装置按整定的时限动作于信号。接地时，该保护装

14、置按整定的时限动作于信号。 3）微机发电机定子接地保护）微机发电机定子接地保护（1）基波零序电压式定子接地保护基波零序电压式定子接地保护 保护范围为由机端至机内保护范围为由机端至机内90%左右的定子绕组单相接地故障。保护接入左右的定子绕组单相接地故障。保护接入3U0电压，电压，取自发电机机端取自发电机机端TV开口三角绕组两端，或取自发电机中性点单相开口三角绕组两端，或取自发电机中性点单相TV的二次。其交流的二次。其交流输入回路如图输入回路如图下下。逻辑框图逻辑框图当零序电压式定子接地保护的输入电压取自机端当零序电压式定子接地保护的输入电压取自机端TVTV开口三角形绕组时，为确保开口三角形绕组时

15、，为确保TVTV一一次断线时保护不误动，需引入次断线时保护不误动，需引入TVTV断线闭锁。可采用的保护逻辑框图如下。断线闭锁。可采用的保护逻辑框图如下。2）发电机三次谐波电压式定子接地保护）发电机三次谐波电压式定子接地保护 三次谐波电压式定子接地保护范围是：反映发电机中性点向机内三次谐波电压式定子接地保护范围是：反映发电机中性点向机内20%左右定子左右定子绕组或机端附近定子绕组单相接地故障绕组或机端附近定子绕组单相接地故障,与零序基波电压式定子接地保护联合构成与零序基波电压式定子接地保护联合构成100%的定子接地保护。的定子接地保护。三次谐波电压式定子接地保护，按比较发电机中性点及机端三次谐波

16、电压的大小和相三次谐波电压式定子接地保护，按比较发电机中性点及机端三次谐波电压的大小和相位构成。其交流接入回路如下。位构成。其交流接入回路如下。 三次谐波式定子接地保护的逻辑框图如图下。三次谐波式定子接地保护的逻辑框图如图下。五、发电机失磁保护五、发电机失磁保护1 1、发电机的失磁运行及其产生的影响发电机的失磁运行及其产生的影响 失磁故障指励磁突然全部消失或部分消失（低励）励磁电失磁故障指励磁突然全部消失或部分消失（低励）励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流）流低于静稳极限所对应的励磁电流） 失磁原因：三种（失磁原因：三种（1 1）励磁回路开路，励磁绕组断线）励磁回路开路，励磁绕组断线 灭灭磁

17、开关误动作，励磁调节装置的自动开关误动，可控硅励磁开关误动作，励磁调节装置的自动开关误动，可控硅励磁装置中部分元件损坏（磁装置中部分元件损坏（2 2） 励磁绕组由于长期发热，绝励磁绕组由于长期发热，绝缘老化或损坏引起短路（缘老化或损坏引起短路（3 3） 运行人员调整等。运行人员调整等。发电机失磁后，它的各种电气量和机械量都会发生变化，发电机失磁后，它的各种电气量和机械量都会发生变化，且将危及发电机和系统的安全。且将危及发电机和系统的安全。2 2、发电机失磁后的机端测量阻抗、发电机失磁后的机端测量阻抗 按失磁的物理过程的三个阶段，分别为等有功阶段、临按失磁的物理过程的三个阶段，分别为等有功阶段、

18、临界失步点、异步运行阶段。对应这三个阶段，其机端测量界失步点、异步运行阶段。对应这三个阶段，其机端测量阻抗分别为：阻抗分别为：等有功阻抗圆，临界失步阻抗圆，异步运行等有功阻抗圆，临界失步阻抗圆，异步运行时的测量阻抗。时的测量阻抗。 3 3、失磁保护构成方式的特点、失磁保护构成方式的特点 引起失磁的原因很多，失磁后会引起许多参数变化，但每一引起失磁的原因很多，失磁后会引起许多参数变化，但每一个参数的变化都不能唯一表征失磁故障。故失磁保护的判据通个参数的变化都不能唯一表征失磁故障。故失磁保护的判据通常不至一个，而是由至少一个主判据和二个辅助判据构成。常不至一个，而是由至少一个主判据和二个辅助判据构

19、成。失磁保护的主判据主要有：失磁保护的主判据主要有： 1 1）机端测量阻抗是否进入静稳边界阻抗圆（临界失步阻抗圆）机端测量阻抗是否进入静稳边界阻抗圆（临界失步阻抗圆） 2 2）机端测量阻抗是否进入异步阻抗圆机端测量阻抗是否进入异步阻抗圆 3 3）无功方向由正变负无功方向由正变负 4 4）机端三相电压或变压器高压侧三相电压降低机端三相电压或变压器高压侧三相电压降低失磁保护的辅助判据主要有：失磁保护的辅助判据主要有： 1 1）发电机的励磁电压降低发电机的励磁电压降低 2 2）是否有负序分量出现是否有负序分量出现 3 3）用延时躲过振荡的影响用延时躲过振荡的影响 4 4）电压互感器二次断线闭锁电压互

20、感器二次断线闭锁4、发电机失磁保护（阻抗原理）发电机失磁保护（阻抗原理） 微机型发电机微机型发电机失磁保护一般提供了两种原理的保护：失磁保护一般提供了两种原理的保护：阻抗原理阻抗原理失磁保护失磁保护 和和新型逆无功原理失磁保护新型逆无功原理失磁保护 （特别适合于无刷励磁的特别适合于无刷励磁的发电机发电机 ）。）。 正常运行时，若用阻抗复平面表示机端测量阻抗，则阻抗的正常运行时，若用阻抗复平面表示机端测量阻抗，则阻抗的轨迹在第一象限（滞相运行）或第四象限（进相运行）内。发轨迹在第一象限（滞相运行）或第四象限（进相运行）内。发电机失磁后，机端测量阻抗的轨迹将沿着等有功阻抗园进入异电机失磁后，机端测

21、量阻抗的轨迹将沿着等有功阻抗园进入异步边界园内。步边界园内。 阻抗型失磁保护，通常由阻抗判据（阻抗型失磁保护，通常由阻抗判据（Zg）、转子低电压判据）、转子低电压判据（Vfd）、机端低电压判据（）、机端低电压判据（Ug）、系统低电压判据（）、系统低电压判据（Un）及过功率判据（）及过功率判据（P）构成。）构成。保护输入量有：机端三相电压、发电机三相电流、主变高压侧保护输入量有：机端三相电压、发电机三相电流、主变高压侧三相电压（或某一相间电压）、转子直流电压。三相电压（或某一相间电压）、转子直流电压。阻抗型失磁保护的逻辑框图如阻抗型失磁保护的逻辑框图如下：下：失磁保护动作过程：失磁保护动作过程：

22、 当发电机失磁导致机端低电压动作时，经延时当发电机失磁导致机端低电压动作时，经延时t4发出信号并发出信号并作用于出口（如切换励磁或切换厂用电源等措施）；作用于出口（如切换励磁或切换厂用电源等措施）； 当发电机失磁导致机组功率超过整定值时，经延时当发电机失磁导致机组功率超过整定值时，经延时t5发出信发出信号并作用于出口（如降出力）；号并作用于出口（如降出力）； 当发电机失磁并导致系统低电压动作时，经延时当发电机失磁并导致系统低电压动作时，经延时t3发出信号发出信号并作用于跳闸；并作用于跳闸； 当发电机失磁阻抗元件满足，或同时转子低电压也满足时，当发电机失磁阻抗元件满足，或同时转子低电压也满足时，

23、经经t1延时或延时或t2延时发出信号并作用于出口（如解列灭磁）。延时发出信号并作用于出口（如解列灭磁）。 六、六、发电机转子回路接地保护发电机转子回路接地保护 发电机转子励磁绕组的接地故障包括一点接地和两点接地。发电机转子励磁绕组的接地故障包括一点接地和两点接地。所谓接地是指励磁绕组绝缘损坏或击穿而使励磁绕组导体与转子所谓接地是指励磁绕组绝缘损坏或击穿而使励磁绕组导体与转子铁芯相接触。通常在大型发电机组上都要求装设转子一点接地保铁芯相接触。通常在大型发电机组上都要求装设转子一点接地保护，动作于信号；同时，也投入两点接地保护，以防可能发生的护，动作于信号；同时，也投入两点接地保护，以防可能发生的

24、两点同时接地及匝间短路故障。两点同时接地及匝间短路故障。1 1、转子一点接地故障保护、转子一点接地故障保护 转子一点接地故障保护的方式很多，如绝缘监视、电桥式、转子一点接地故障保护的方式很多，如绝缘监视、电桥式、迭加直流电压式，迭加交流电压式等。迭加直流电压式，迭加交流电压式等。在在微机保护微机保护装置中，转子装置中，转子一点接地保护一点接地保护常采用的是注入式常采用的是注入式直流电源直流电源，该，该电源系装置自产。电源系装置自产。因此，在发电机运行及不运行时，均可监视发电机励磁回路的对因此，在发电机运行及不运行时，均可监视发电机励磁回路的对地绝缘。该保护动作灵敏、无死区。地绝缘。该保护动作灵

25、敏、无死区。 七、发电机逆功率保护七、发电机逆功率保护 并网运行的汽轮发电机，在主汽门关闭后，便作为同步电动机运行。但并网运行的汽轮发电机，在主汽门关闭后，便作为同步电动机运行。但从电网中吸收有功，拖着汽轮机旋转。由于汽缸中充满蒸汽，它与汽轮机叶从电网中吸收有功，拖着汽轮机旋转。由于汽缸中充满蒸汽，它与汽轮机叶片磨擦产生热，使汽轮机叶片过热。长期运行，损坏汽轮机叶片。片磨擦产生热，使汽轮机叶片过热。长期运行，损坏汽轮机叶片。 构成原理及逻辑框图构成原理及逻辑框图逆功率保护的输入量为机端逆功率保护的输入量为机端TVTV二次三相电压及发电机二次三相电压及发电机TATA二次三相电流。当发二次三相电流

26、。当发电机吸收有功功率时动作。构成框图如电机吸收有功功率时动作。构成框图如下下。由图可以看出，当发电机吸收的由图可以看出，当发电机吸收的有功功率大于整定值时，经短延时有功功率大于整定值时，经短延时t1t1发信号，经长延时发信号，经长延时t2t2作用于出口。作用于出口。图中图中 P P发电机有功功率计算值发电机有功功率计算值 PlPl、t1t1、t2t2逆功率保护整定值逆功率保护整定值 PPlt1t2信号信号出口发电机TA二次三相电流机端TV二次三相电压八、发电机过负荷及过电流保护八、发电机过负荷及过电流保护保护反映发电机定子电流的大小。当发电机定子电流超过额定电保护反映发电机定子电流的大小。当

27、发电机定子电流超过额定电流值（过负荷）或很大时（系统故障引起过电流），经延时动作流值（过负荷）或很大时（系统故障引起过电流），经延时动作于信号（过负荷）或作用于切机（过电流）。于信号（过负荷）或作用于切机（过电流）。保护引入发电机电流（保护引入发电机电流（TA二次值）。保护可引入三相电流、或只二次值）。保护可引入三相电流、或只一相电流，在保护定义时确定。引入一相电流的保护，一般为过一相电流，在保护定义时确定。引入一相电流的保护，一般为过负荷保护。引入三相电流的保护，一般为过流保护。负荷保护。引入三相电流的保护，一般为过流保护。1 、发电机反时限对称过负荷保护发电机反时限对称过负荷保护 发电机反

28、时限对称过负荷保护，是发电机定子的过热保护，主要发电机反时限对称过负荷保护，是发电机定子的过热保护，主要用于内冷式大型汽轮发电机。保护反映发电机定子电流的大小。用于内冷式大型汽轮发电机。保护反映发电机定子电流的大小。该保护由定时限和反时限两部分构成。该保护由定时限和反时限两部分构成。 动作特性动作特性当发电机的电流大于定时限动作整定值时，经延时发信号；而当发电机的电流大于定时限动作整定值时，经延时发信号；而大于反时限启动电流值时，保护的动作时间与电流大小成反比，大于反时限启动电流值时，保护的动作时间与电流大小成反比，出口作用于解列或程序跳闸。出口作用于解列或程序跳闸。保护的反时限特性曲线由三部分构成：上限短延时、反时限及保护的反时限特性曲线由三部分构成：上限短延时、反时限及下限长延时。其特性曲线如下。下限长延时。其特性曲线如下。逻辑框图逻辑框图发电机反时限对