第九章 发电机保护-丁书文

第九章发电机保护

一、发电机的故障和异常运行状态

发电机的故障类型主要有：1）定子绕组相间短路；2）定子绕组一相的匝间短路；3）定子绕组单相接地；4）转子绕组一点接地或两点接地等。5）发电机失磁

发电机的不正常运行状态主要有：1）由外部短路引起的定子绕组过电流；2）由负荷超过发电机额定容量而引起的定子绕组三相对称过负荷；3）由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；4）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)引起的转子表层过负荷等。

二、发电机保护的配置1．发电机的主保护（1）纵联差动保护（2）匝间短路保护

（3）定子绕组单相接地保护（4）转子绕组接地保护（5）发电机失磁保护

2．发电机的后备保护（1）外部短路引起的定子绕组过电流保护（2）定子绕组过负荷保护（3）转子绕组、转子表层过负荷保护（4）定子绕组过电压保护（5）逆功率保护（6）失步保护（7）过激磁保护（8）低频率保护发电机相间短路的纵联差动保护

用于反映发电机定子绕组及其引出线相间短路故障的主保护。

一、发电机纵差保护的接线方式有完全纵差动保护和不完全纵差动保护两种接线方式。1.发电机完全纵差动保护

图9—1发电机纵差保护原理接线示意图G●●●●2．发电机不完全纵差动保护中性点侧有6个引出端子展示：

中性点侧有4个引出端展示：图9－5单元件式横差保护原理接线示意图（a）中性点侧有6个引出端子;（b）中性点侧有4个引出端（a）

UVW横差TA纵差TA·····纵差TA纵差TA机壳（b）·UVW横差TA纵差TA·····纵差TA纵差TA·机壳发电机不完全纵差动保护构成原理发电机不完全纵差动保护是一种能同时反应发电机相间短路、匝间短路和分支绕组开焊故障的新型发电机纵差保护。它是通过比较发电机机端每相定子的全相电流和中性点侧每相定子的部分相电流大小和相位而构成的。

图9－2不完全纵差动保护原理接线图（a）中性点侧引出6个端子（b）中性点侧引出4个端子TA1TA1TA2TA2·分析可见发电机完全纵差保护和不完全纵差保护均是比较发电机两侧同相电流的大小和相位而构成；不同之处是：完全纵差保护是比较每相定子首末两端的全相电流，而不完全纵差动保护是比较机端每相定子全相电流和中性点侧每相定子的部分相电流而构成。

二、发电机纵差保护的原理1．比率制动式发电机纵差保护原理

图9—1发电机纵差保护原理接线示意图G●●●●（1）动作电流和制动电流

动作电流：制动电流：

为机端侧定子相电流；为中性点侧定子全相电流或分支绕组相电流；平衡系数当时为完全纵差保护接线方式；时为不全纵差保护接线方式。

（2）纵差保护的动作判据及动作特性当以下两个方程同时满足时，差动元件动作。

比率制动式发电机纵差保护的动作特性：

图9－3比率制动式发电机纵差保护的动作特性Iop.min.Ires.min.IresK动作区制动区IK2.标积制动式发电机纵差动保护原理

动作电流：制动电流：动作判据：

图9—1发电机纵差保护原理接线示意图G●●●●式中，为之间的相位差；S为标积制动系数，通常取1.0。

1）当发电机正常运行或保护区外短路时：

制动量最大，动作量最小，保护可靠不动。2）当保护区内短路时：制动量为负值，呈现动作作用，动作量最大，保护动作，且灵敏。

三、发电机纵差保护逻辑框图

当发电机纵差保护的二相或三相差动元件同时动作时，纵差保护才出口跳闸；为防止一点在区内另一点在区外的两点接地故障发生，当有一相纵差元件动作且同时有负序电压时，纵差保护出口跳闸。若只有一相纵差元件动作而无负序电压时，判为TA断线；若负序电压长时间存在而无差电流时，判为TV断线。图9－4发电机纵差保护逻辑框图t/oTV断线U相差动V相差动W相差动二相或三相差动元件动作U相差动V相差动W相差动只一相差动元件动作&&U2>≥1TA断线···发电机定子绕组的匝间短路保护

每个分支的匝间或分支之间的短路，就称为发电机定子绕组的匝间短路故障。

一、单元件式横联差动保护发电机在正常运行情况下，每相定子绕组的两个分支上电势相等，各供出一半的负荷电流；当任一相绕组中发生匝间短路时，两个绕组中的电势不相等，因而在两个分支绕组中产生环流。

1．保护的接线方式及其特点

（a）

UVW横差TA纵差TA·····纵差TA纵差TA机壳（b）·UVW横差TA纵差TA·····纵差TA纵差TA·机壳接线评价：保护接线较简单，灵敏度较高。通常又称为高灵敏的单元件式横联差动保护。保护只适合于：1）定子绕组中性点侧引出6个或4个端子的发电机。2）中性点侧引出端子较多的水轮发电机。

2．保护的原理分析1

1)保护装置中装设了三次谐波滤过器1，以消除三次谐波电流的影响，提高灵敏度。

2图9－6单元件式横联差保护原理接线图1-三次谐波滤过器；2－带有延时的保护装置2．保护的原理分析22）当定子绕组的同分支匝间短路时：

3）定子绕组不同分支间发生短路时：

4）保护存在死区：当时或者不同分支间的短路匝数相同（）及差别较小时，保护不能动作。

3．保护的整定原则

单元件式横联差动保护的动作电流为

时间整定：需增设0.5～1秒的延时，以躲过转子回路的瞬时两点接地故障。

2图9－6单元件式横联差保护原理接线图1-三次谐波滤过器；2－带有延时的保护装置二、故障分量负序功率方向匝间短路保护

适用于：中性点侧没有6个或4个引出端子的发电机定子匝间短路保护。装设位置：该保护装设在发电机的机端；基本原理：利用发电机外部故障与定子绕组匝间短路时产生的负序分量及其负序功率的方向不同而实现的。

1．故障时负序功率方向的分析

1）发电机外部横向不对称短路时（K1）：负序功率的方向由系统指向发电机。2）发电机内部两相短路时（K2）：负序功率的方向由发电机指向系统。3）发电机定子绕组一相匝间短路时（K3K4)：负序功率方向亦由发电机指向系统。可见，负序功率的方向随故障点的位置而变化，利用这一特点可以实现定子绕组的匝间短路保护。

zgZs2．保护的构成及其动作判据

保护动作的判据：当以下三个式子同时成立时，保护跳闸。

zgZs3．保护定值的整定及注意事项：

1)根据经验，通常取：，大约在0.1％左右，可固定选取

2)故障分量负序功率方向()保护，若装在发电机中性点(电流取中性点TA)，仅反映发电机内部匝间短路故障。

三、纵向零序电压原理的匝间短路保护适用于中性点侧没有6个或4个引出端子的发电机定子匝间短路保护的另一种方案。该保护利用发电机定子绕组发生匝间短路时，机端三相对发电机中性点出现的零序电压而构成。

1.保护的构成原理如图所示：在发电机机端侧装设专用的电压互感器。图9—9零序电压匝间短路保护原理接线图发电机正常运行1）发电机正常运行或相间短路时，无零序电压。

单相接地故障2）当发电机内部或外部发生单相接地故障时：故障相对地电压等于零，中性点对地电压上升为相电压。因此三相定子绕组对中性点电压仍然对称，不出现零序电压。

匝间短路3）当发电机定子绕组发生匝间短路或匝数不等的相间短路时：绕组匝间短路时，出现三相对中性点的零序电压，其大小与被短路的绕组匝数a成正比。构成零序电压匝间短路保护在构成零序电压匝间短路保护时，需设置三次谐波滤过器，以提高保护的灵敏度。当发电机外部短路电流较大时，采用负序功率方向闭锁方式，使保护退出工作。还需装设断线闭锁元件。图9－10负序功率闭锁的零序电压匝间保护原理方框图l－三次谐波滤过器；2－断线闭锁保护；3－跳闸出口2．保护的整定原则按躲过外部严重故障时的最大不平衡基波零序电压和三次谐波零序电压整定

图9－10负序功率闭锁的零序电压匝间保护原理方框图l－三次谐波滤过器；2－断线闭锁保护；3－跳闸出口第二节

发电机定子绕组的

单相接地保护1.定子绕组单相接地故障的零序电压

正常运行时，发电机机端三相电压是对称的当发电机机端U相发生金属性接地故障时，U相对地电压为零，其它两相对地电压升高倍。

显然：发电机机端一相金属性接地时，机端零序电压的大小等于发电机故障前的相电压。

中性点附近处如图：接地发生在定子绕组距中性点附近处，则各相机端对地电压：

图9－12发电机内部单相接地故障时示意图及电压相量图（a）示意图；（b）电压相量图UVW（b）WKUKVKUVWKU机端零序电压将随着故障点的位置不同而改变。当接地点发生在距中性点处时，发电机零序电压的大小等于故障前相电压的倍。

2．正常运行和定子单相接地时三次谐波电压分布

正常运行时，发电机机端的三次谐波电压总是小于中性点侧的三次谐波电压

当发电机中性点经消弧线圈接地时：

（2）距中性点处发生单相接地时三次谐波电压的分布发电机三次谐波的总结论：发电机中性点接地时：发电机机端接地时：当时：

二、反应基波零序电压的定子接地保护

过电压元件检测发电机机端电压互感器二次侧开口三角形的输出电压当检测的电压大于保护的动作整定值时，过电压元件动作发出信号。

保护装置的整定值应避开正常运行时的不平衡电压(包括三次谐波电压)，以及变压器高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压。根据运行经验，保护的起动电压一般整定为15～30V左右。考虑采用性能良好的三次谐波滤过器后，其动作值可降至5～10V。保护在中性点附近有5％～10％的死区。

三、基波零序电压和三次谐波电压构成的100％定子接地保护

1．保护的工作原理100％定子接地保护由两部分组成：一部分是基波零序电压保护另一部分是三次谐波电压保护。由基波零序电压保护来反应发电机85％～95％的定子绕组单相接地；三次谐波电压保护来反应发电机中性点附近定子绕组的单相接地。

因为：正常运行时机端三次谐波电压总是小于中性点侧的三次谐波电压，即而在距中性点50%范围内接地时零序电压保护三次谐波保护图9－18100％定子接地保护的保护范围示意图所以：利用为动作量，为制动量，以为保护的动作条件，可以反应中性点侧定子绕组50％范围以内的接地故障。100％定子接地保护

该保护的动作判据为：

2.保护的整定计算（1）三次谐波电压保护（2）基波零序电压保护当时，应校验高压系统接地短路时传递到机端的基波零序电压，以免保护误动。

第五节发电机转子回路接地保护

当转子回路发生一点接地故障时，动作于信号；当转子回路两点接地时，动作于跳闸。

一、转子回路一点接地保护保护原理（切换采样式转子一点接地保护）：

（1－a）EaES1S2RRRRR1RfaU1,U2I1I2图9－20切换采样式转子一点接地保护原理接线图中：S1、S2是微机控制的电子开关；为接地电阻；为接地点的位置；E为转子电压；R为4个降压电阻；R1为测量电阻。

接地点位置为：接地电阻为：正常运行时:四4个电阻R对称，U1＝U2，ΔU＝0，；转子绕组一点接地时：U1≠U2,当接地电阻小于或等于接地电阻整定值时，经延时发出信号。

2.整定计算当接地电阻的高定值整定为10KΩ时，延时(4～10秒)动作于发信号；当接地电阻低定值整定为10KΩ时，