发电机的保护培训讲义

6．1发电机的故障、不正常工作状态及其保护 方式发电机的故障主要有：（1）定子绕组的相间短路。由于相间短路电流及故障点的电弧，将损坏定子绕组的绝缘，烧坏绕组和铁心，甚至引发火灾。（2）定子绕组的匝间短路。被短路的绕组将流过短路电流，引起故障处局部过热，绝缘破坏，并可能发展成单相接地故障和相间故障。（3）定于绕组的单相接地故障。是最常见的一种故障。发电机是中性点不接地或经消弧线圈接地的小接地电流系统。单相接地后，其电容电流流过故障点的定子铁心，当此电流较大或持续时间较长时，会使铁心局部溶化，给修复工作带来很大困难。（4）励磁回路的一点或两点接地。励磁回路一点接地短路时，由于没有构成电流通路，所以对发电机并无危害。但若不及时处理，就有可能转化成两点接地，使转于统组和铁心烧坏，并因转子磁场不对称，使机组产生剧烈的机械振动。（5）转子回路失去磁励电流。

发电机的不正常工作状态主要有：（1）外部故障引起的定子绕组过电流和超过额定容量运行的定子过负荷。（2）外部不对称短路和不对称负荷引起的发电机负序过电流和负序过负荷。（3）调速系统惯性较大的发电机突然甩负荷引起的过电压。（4）由于主汽门突然关闭引起的发电机逆功率。（5）由于励磁回路故障或强行励磁时间过长引起的转子过负荷。（6）发电机频率上升或下降。

发电机的保护方式有：

（1）纵联差动保护。反应发电机定子绕组及引出线的相间故障。（2）定于绕组匝间短路保护。（3）定子接地保护。当接地电容电流大于或等于5A时，保护应动作于跳闸；当接地电容电流小于5A时，保护应动作于信号。对容量100MW及以上的发电机，应尽量装设保护范围为100％的定子接地保护。（4）过电流保护。（5）对称过负荷保护。（6）励磁回路接地保护。大容量汽轮发电机组，应装设一点接地保护及两点接地保护，在一点接地保护动作后投两点接地保护。（7）反应发电机励磁消失的失磁保护。对于不允许失磁运行的发电机，可在自动灭磁开关断开时，连跳发电机断路器。（8）转子回路过负荷保护。（9）大容量机组的逆功率保护。（l0）反应水轮发电机和大型汽轮发电机走子绕组过电压的过电压保护保护装置在跳开发电机出口断路器的同时，应作用于自动灭磁开关， 切断发电机励磁电流。

6.2发电机的差动保护国内在建和已运行的600MW和1000MW级汽轮发电机组，发电机中性点和出线侧均只能引出3个端头，不可能安装横差保护、不完全差动保护和裂相差动保护，只能采用发电机完全纵差保护作为主保护。

一、发电机的纵差动保护发电机的纵差保护能快速而灵敏地切除发电机定子绕组及引出线之间发生的故障，是发电机的内部相间短路的主保护。电流互感器TAI和TA2的变比相同，它们之间的定子绕组及其引出线即为纵差保护的保护区。

1为传统的比率制动特性，斜率Kz恒定，这种动作特性在区内故障电流小时，具有较高的灵敏度；而在区外故障时，具有较强的躲过暂态不平衡差流的能力。2为多折线制动特性，斜率为二或三段，灵敏度最高。但由于CT误差的不确定性，该折线的斜率和起始点非常难以确定，目前还没有理论的计算方法和依据，往往在使用时采用简单化整定办法。因此，对防止保护误动的措施要求较高。渐变双曲线制动特性差动保护3为变斜率制动特性，其斜率一直在变，最大为0.7.渐变双曲线制动特性差动保护4为过原点的比率制动特性，认为CT误差与二次电流大小无关，这不符合实际情况，灵敏度也比其他方案低，所以国内运用比较少。A相差动A相差动B相差动C相差动B相差动C相差动只一相差动动作任两相差动或三相同时动作U2>t/0&&所谓循环闭锁方式，即是当发电机内部发生相间短路时，二相或三相差动同时动作，或者是发生了一点在区内另外一点在区外的两点接地故障时，一相差动动作且同时有负序电压产生，那么保护均出口跳闸。若后一种情况仅一相差动动作而无负序电压时则认为是CT断线，负序电压常时间存在而同时无差电流时，则为PT断线。保护的逻辑图如下：

CT断线

跳闸

PT断线

所谓循环闭锁方式，即是当发电机内部发生相间短路时，二相或三相差动同时动作，或者是发生了一点在区内另外一点在区外的两点接地故障时，一相差动动作且同时有负序电压产生，那么保护均出口跳闸。若后一种情况仅一相差动动作而无负序电压时则认为是CT断线，负序电压常时间存在而同时无差电流时，则为PT断线。保护的逻辑图如下：国内外电机厂均承诺过其发电机不会发生匝间短路，不必装设匝间保护，理由是槽内上下线圈的绝缘是相对槽侧壁绝缘的两倍，因此发生匝间短路前应先发生定子接地故障。但在发电机端部结构复杂，既有相间绝缘又有匝间绝缘，如果端部固定不当或发生振动，可能会使绝缘逐渐磨损引起短路。因此有条件的前提下有必要装设匝间短路保护。发电机的匝间短路保护

容量较大的发电机每相都有两个或两个以上的并联支路。同一支路绕组匝间短路或同相不同支路的绕组匝间短路，都称为定子绕组的匝间短路。发生匝间短路时，纵差动保护往往不能反应，故对于发电机定于绕组的匝间短路，必须装设专用保护.(1)横联差动保护对于定子每相都由两个并联支路组成，且每一支路在中性点侧均有引出端的发电机，可采用横差动保护.ABCO1O2DL—11/bTATZJKAKTKSKM信号至主断路器至MK同一支路内匝间短路时的电流分布不同支路内匝间短路时的电流分布KATAO2O1O2O1IKLIKLIKLIKLIKLIKLIKLKATAABCKAABCXKAO1O23IO在发电机定子绕组相间短路时，横差动保护也会动作。但由于其死区较大，且不能反映引出线上的相间短路，因此不能代替纵差动保护。

大容量的发电机，由于其结构紧凑，无法引出所有分支，往往只在中性点引出三个端子，无法装设横差保护。因此大型机组通常采用反映零序电压的匝间短路保护。发电机正常运行时，机端不出现基波零序电压。相间短路时，也不出现零序电压。单相接地故障时，接地故障相对地电压为零，而中性点对地电压上升为相电压，因此三相出线对中性点电压仍然对称，不出现零序电压。若定子绕组匝间短路，则三相对发电机中性点电压的对称性被破坏，因而出现零序电压。如图所示为A相绕组发生匝间短路，则故障相电动势将变为

ĖA

’=(1-α)ĖA

’

，未发生短路的两相电动势不变，三相电动势相量图见图所示。按照对称分量法，可求得零序电动势为

3Ėo’=ĖA

’+ĖB+Ėc=-αĖA

定子绕组与铁芯之间绝缘破坏而造成的定子绕组单相接地故障，是发电机常见的故障之一。以往认为单相接地电容电流小于5A，就不会严重烧伤铁芯，因此要求保护在接地电流小于5A时只发出信号即可。多年的运行实践和事故教训表明，5A的定子接地电流不能认为是安全电流。对于大型机型，这个安全电流不应超过1.0~1.5A。在安全电流下，定子接地保护动作只发信号而不跳闸，但应及时处理。由于发电机定子绕组是全绝缘的，中性点附近一般不易发生接地故障。但运行实践表明，由于机械损伤，水内冷的定子漏水而发生单相接地，也可能使故障位于中性点附近。因此，要求大型机组的定子接地保护无死区，即有100%保护区。发电机定子绕组接地保护一、反应基波零序电压的定子绕组接地保护AUECαCα(1-)ECEBαα(1-)EBBEAαα(1-)EAABUCUα(1-)EA=OU=(AUBUCU)++3=αEA=EBαEA=ECαEAJIDIANBAOHU零序电压与a成正比，即故障点离中性点越远，零序电压越高，离中性点越近，零序电压越小。

结论OU=αEAJIDIANBAOHU~三次谐波滤过器KV0TV0反应零序电压的定子接地保护说明三次谐波滤过器三次谐波滤过器三次谐波滤过器KV0KV0KV0JIDIANBAOHU二、100％保护区的定子接地保护

三次谐波电压保护区基波零序电压保护区JIDIANBAOHU020406080100%50中性点机端E3E3NSuS3uN3αJIDIANBAOHU正常运行时，US3<UN3。定子绕组发生接地故障时，在0-50%的范围内，US3〉UN3。双频式100％定子接地保护双频式100％定子接地保护双频式100％定子接地保护双频式100％定子接地保护双频式100％定子接地保护正常情况下，中性点三次谐波电压较高UN3＞US3，保护不动作。在靠近中性点侧发生接地故障时，UN3＜US3，保护动作靠近机端接地故障时，UN3＞US3，三次谐波保护不动作，但此时机端TVI开口三角形侧输出较大的零序电压，保护动作。发电机正常运行时，总是满足US3＜UN3JIDIANBAOHU

6．5发电机的电流、电压保护

发电机后备保护也可采用低电压起动的过电流保护，复合电压起动的过电流保护或负序电流加单相式低电压起动的过电流保护。一、复合电压起动的过电流保护复合电压起动过电流保护原理接线图IIIUUZVNabc至信号跳QF跳灭磁开关发电机低压电流保护中的低压元件的作用是什么

发电机电流保护整定动作电流时，要考虑电动机自启动的影响，将使过电流元件整定值提高，降低了灵敏性，为提高过电流元件的灵敏性，采用低电压元件，应躲开电动机的自启动方式下的最低电压。低压元件作用是更易区别外部故障时的故障电流和正常过负荷电流；正常过负荷时，保护装置不会动作。发电机定子绕组的负序电流对发电机有什么危害？我们知道，发电机正常运行时发出的是三相对称的正序电流。发电机转子的旋转方向和旋转速度与三相正序对称电流所形成的正向旋转磁场和转速一致，即转子的转动与正序旋转磁场之间无相对运动，此即“同步”的概念。当电力系统发生不对称短路或负荷三相不对称（接有电力机车、电弧炉等单相负荷）时，在发电机定子绕组中就流有负序电流。该负序电流在发电机气隙中产生反向（与正序电流产生的正向旋转磁场方向相反）旋转磁场，它相对于转子来说为2倍的同步转速，因此在转子中就会感应出100Hz的电流，即所谓的倍频电流。该倍频电流的主要部分流经转子本体、槽楔和阻尼条，而在转子端部附近沿周界方向形成闭合电路，这就使得转子端部、护环内表面、槽楔和小齿接触面等部位局部灼伤，严重时会使护环受热松脱，给发电机造成灾难性的破坏，即通常所说的“负序电流烧机”，这是负序电流对发电机的危害之一。另外，负序（反向）气隙旋转磁场与转子电流之间、正序（正向）气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生的频率为100Hz交变电磁力矩，将同时作用于转子大轴和定子机座上，引起频率为100Hz的振动，此为负序电流危害之二。气轮发电机承受负序电流的能力，一般取决于转子的负序电流发热条件，而不是发生的振动。鉴于以上原因，发电机应装设负序电流保护。负序电流保护按其动作时限又分为定时限和反时限两种。前者用于中型发电机，后者用于大型发电机。

6．6发电机励磁回路接地保护

发电机励磁绕组由于绝缘损坏较易发生一点接地故障。当发生一点接地之后，并不构成电流通路，故无电流流过故障点，励磁绕组的电压仍保持正常，因此可继续运行，对发电机无直接危害。在发生一点接地后，若发电机仍继续运行，而其他点绝缘水平降低时，则有可能发生转子回路的第二点接地。励磁回路两点接地后，励磁绕组将被短接一部分，其后果是：（１）使转子磁场发生畸变，力矩不平衡，引起机组强烈振动，严重危害发电机的 安全。（2）由于故障点流过很大的故障电流，将产生电弧烧坏励磁线圈和转子本体。（3）励磁回路两点接地可能使汽轮机汽缸磁化。

根据大机组的情况和转子接地保护的现状，可以只安装转子一点接地保护，为避免突然跳闸，可动作于信号，并马上转移负荷，安排停机。也可采用低值时报警，高值时跳闸。转子cKAITVAUMRK1K2SKmvLKARPRP1RP2XS直流电桥式转子两点接地保护的工作原理发电机的失磁保护1.发电机失磁的电气特征发电机失磁过程特点：（1）发电机正常运行，向系统送出无功功率，失磁后将从系统吸取大量无功功率，使机端电压下降。当系统缺少无功功率时，严重时可能使电压降到不允许的数值，一致破坏系统稳定。（2）发电机电流增大，失磁前送有功功率愈多，失磁后电流增大愈多。（3）发电机有功功率方向不变，继续向系统送有功功率。（4）发电机机端测量阻抗，失磁前在阻抗平面R-X坐标第一象限，失磁后测量阻抗轨迹沿着等有功阻抗圆进入第四象限。随着失磁的发展，机端测量阻抗的端点落在静稳极限阻抗圆内，转入异步运行状态。阻抗圆就是一个直角坐标系，横轴是有功，纵轴是无功，第一象限就是有功、无功都为正，也就是发出有功和无功，第四象限是有功为正，无功为负，发出有功，吸收无功。发电机失磁后，转子开始加速，由于产生了转差，转子线圈上就会感应出电流建立磁场，就相当与电动机转子上的磁场那样，只不过电动机转子比定子感应磁场转的慢，而发电机转子则是比那个磁场快，这时发电机就会吸收网上的无功，再向网上发出有功。这时就变成了异步发电机了。一般在小型电厂里失磁保护只是发出信号的，并不将发电机解列的。进相了的发电机还是同步的，因为毕竟自己还能建立磁场，只不过不够自己用的就是了。进相属机组异常运行的一种状况。当发电机励磁系统由于AVR原因或故障，或人为降低发电机的励磁电流过多，使发电机由发出感性无功功率变为吸收系统感性无功功率，定子电流由滞后于机端电压变为超前于机端电压运行，这就是发电机的进相运行。进相运行也就是现场经常提到的欠励磁运行（或低励磁运行）。此时，由于转子主磁通降低，引起发电机的励磁电势降低，使发电机无法向系统送出无功功率，进相程度取决于励磁电流降低的程度。引起发电机进相运行的原因是低谷运行时，发电机无功负荷原已处于底限，当系统电压因故突然升高或有功负荷增加时，励磁电流自动降低引起进相；AVR失灵或误动、励磁系统其他设备发生了故障、人为操作使励磁电流降低较多等也会引起进相运行。发电机失磁对系统和发电机本身有什么影响，汽轮发电机允许失磁运行的条件是什么？发电机失磁对系统的主要影响有：（1）发电机失磁后，不但不能向系统送出无功功率，而且还要从系统中吸取无功功率，将造成系统电压下降。（2）为了供给失磁发电机无功功率，可能造成系统中其它发电机过电流。发电机失磁对发电机自身的影响有：（1）发电机失磁后，转子和定子磁场间出现了速度差，则在转子回路中感应出转差频率的电流，引起转子局部过热。（2）发电机受交变的异步电磁力矩的冲击而发生振动，转差率愈大，振动也愈厉害。气轮发电机允许失磁运行的条件是：（1）系统有足够的供给发电机失磁运行的无功功率，以不致造成系统电压严重下降为限。（2）降低发电机有功功率的输出，使之能在很小的转差率下。在允许的一段时间内异步运行，即发电机应在较少的有功功率下失磁运行，使之不致造成危害发电机转子的发热与振动。阻抗原理的失磁保护主判据：机端阻抗辅助判据：

转子低电压判据（Vfd＜）；

机端低电压判据（Ug＜）；

系统低电压判据（Un＜）；

过功率判据（P＞）。5、阻抗原理的失磁保护阻抗圆为主判据,分为1.静稳阻抗圆2.下抛圆或带切线（满足进相运行）3.异步阻抗圆（由于水轮机允许失步运行的时间短，整定时间要短失步保护对于大型发变组，电抗较大，系统等值阻抗却往往较小，一旦发生系统振荡，振荡中心常位于发电机附近，对机组和厂用电产生严重影响。因此需要装设失步保护发电机与系统发生失步时，将出现发电机的机械量和电气量与系统之间的振荡，这种持续的振荡将对发电机组和电力系统产生有破坏力的影响。（1）单元接线的大型发变组电抗较大，而系统规模的增大使系统等效电流减小，因此振荡中心往往落在发电机端附近或升压变压器范围内，使振荡过程对机组的影响大为加重。由于机端电压周期性的严重下降，使厂用辅机工作稳定性遭到破坏，甚至导致全厂停机、停炉、停电的重大事故。（2）失步运行时，当发电机电势与系统等效电势的相位差为180°的瞬间，振荡电流的幅值接近机端三相短路时流经发电机的电流。对于三相短路故障均有快速保护切除，而振荡电流则要在较长的时间内反复出现。若无相应保护会使定子绕组遭受热损伤或端部遭受机械损伤。（3）振荡过程中产生对轴系的周期性扭力，可能造成大轴严重机械损伤。（4）振荡过程中由于周期性转差变化在转子绕组中引起感应电流，引起转绕组发热。（5）大型机组与系统失步，还可能导致电力系统解列甚至崩溃事故。因此，大型发电机组需装设失步保护，以保障机组和电力系统的安全。短路故障时，机端测量阻抗变化极快，失步保护不会动作能正确区分系统振荡和失步当振荡中心落在线路上时，由于机端测量阻抗轨迹在电抗Xt之上变化，故保护装置不计滑极