发电机主设备保护

发电机主设备保护第1页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机的故障类型：

a、发电机定子绕组相间短路（d1故障）；－最常发生

b、发电机定子绕组匝间短路（1）绕组同相同分支匝间短路（d2故障）；（2）绕组同相不同分支匝间短路（d3故障）；

c、发电机定子绕组单相接地短路；

d、发电机转子励磁回路一点或两点接地（d4故障）；

e、失磁（低励）故障。第2页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机的不正常工作状态：

a、定子绕组过负荷；

b、转子表层过热；由于外部不对称短路或系统非全相运行出现负序电流引起。

c、定子绕组过电压；

d、发电机逆功率运行（主汽门突然关闭，转为电动机）；

e、励磁回路过负荷和过励磁；

f、发电机频率上升或下降；

g、发电机与系统之间失步；第3页，共63页，2023年，2月20日，星期一a、纵联差动保护，反应发电机定子绕组及引出线相间短路；

b、定子绕组匝间短路保护；

c、定子单相接地保护（接地电流超过允许值时）；

d、负序过电流保护；

e、对称过负荷保护；

f、励磁回路一点或二点接地保护；

g、失磁保护；

h、失步保护；

I、转子过负荷保护；

j、逆功率保护；

k、定子绕组过电压保护；

L、发电机过励磁保护；发电机保护配置：第4页，共63页，2023年，2月20日，星期一2.

发电机的纵差和横差保护保护范围：发电机定子绕组及引出线的相间短路的主保护。

发电机正常运行，差动回路不平衡电流较小，随着外部短路电流的增大，不平衡电流相应增大，为防止保护误动，通常采用比率制动式纵差保护。

正常运行或外部故障情况下，流入差动继电器的电流为0，内部故障时为故障电流。比率制动式纵差保护：第5页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机纵差保护与变压器纵差保护的区别1.变压器各侧额定电压电流不同，各侧TA不同型，纵差保护的不平衡电流相对较大；2.变压器纵差保护对绕组的匝间短路具有一定的保护作用（铁心磁路耦合），而发电机纵差保护对定子绕组匝间短路完全没有保护作用；3.变压器纵差和发电机纵差均对绕组的开焊故障没有保护作用，需要配置其它保护方式；4.发电机纵差保护严格符合KCL定律，而变压器纵差保护其保护区内不仅有电路联系，而且还包含磁路的联系，存在励磁涌流问题；第6页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机机端和中性点侧

TA二次电流分别为标积制动式纵差保护：二侧电流的标积定义为正常运行和外部短路时制动电流较大，保护不易误动，发电机内部故障时，制动电流为零，保护有较大的灵敏度。第7页，共63页，2023年，2月20日，星期一

纵差保护并不是满足动作方程就动作，为防止TA

断线引起保护的误动，还需要加入其他判别逻辑。

保护的动作逻辑：第8页，共63页，2023年，2月20日，星期一不完全纵差保护：大型汽轮或水轮发电机每相定子绕组为两个或多个并联分支，不完全差动保护在发电机中性点侧仅接入部分并联分支电流与机端电流构成纵差动保护，通过选择不同的电流互感器变比，使得正常运行及外部短路时没有差动电流。当发电机发生相间、匝间短路和分支开焊故障，差动电流超过动作电流时，不完全纵差保护动作切除故障。第9页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机完全纵差保护，是发电机相间故障的主保护。由于差动元件两侧TA的型号、变比完全相同，受其暂态特性的影响较小。其动作灵敏度也较高，但不能反应定子绕组的匝间短路及开焊故障；完全纵差保护与不完全纵差保护的区别不完全纵差保护除保护定子绕组的相间短路之外，亦能反应定子绕组开焊及某些匝间短路。但是，由于在中性点侧只引入其一分支的电流，故在整定计算时，应考虑各分支电流不相等产生的差流。另外，当差动元件两侧TA型号不同及变比不同时，受系统暂态过程的影响较大。第10页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机横差保护：

发电机定子绕组匝间短路的主保护。1.裂相横差保护

α越大，环流越大，继电器的电流越大；α越小，环流越小，继电器的电流越小,有死区。（2）同相不同分支发生匝间短路

α1＝α2时，无环流，保护出现死区。

α1≠α2时，产生两个环流（1）同相同分支发生匝间短路

第11页，共63页，2023年，2月20日，星期一优点：接线简单，不平衡电流小，灵敏性高，反应定子绕组匝间、相间及分支开焊故障。

注意滤除三次谐波电流引起的不平衡电流。

每相分别装设TA（6个）和继电器（3个）缺点：接线复杂，不平衡电流大；2.单元件横差保护

适用于具有多个分支的定子绕组且有两个以上中性点引出端子的发电机。动作电流按躲过区外短路时最大不平衡电流整定第12页，共63页，2023年，2月20日，星期一TV0纵向零序电压保护定子绕组发生匝间短路时，均会出现纵向不对称，产生纵向零序电压。通过装设专用电压互感器，互感器一次中性点与发电机中性点直接相连，而不允许再接地，在互感器开口三角形绕组取得纵向零序电压。纵向零序电压保护：第13页，共63页，2023年，2月20日，星期一6.3发电机定子绕组单相接地保护定子绕组单相接地故障一般是由定子线圈与铁芯之间的绝缘损坏引起的。大型发电机组定子绕组对地电容较大，发生接地故障时，接地电容电流比较大，可能使定子铁芯烧坏，故障点会出现局部弧光过电压，可能导致发电机绕组的多点绝缘损坏，使得故障扩展成为危害更大的相间或匝间短路故障。定子绕组单相接地故障电流和暂态过电压大小均与发电机中性点接地方式有关。发电机中性点接地方式的讨论：1.发电机中性点直接接地方式，单相接地故障电流非常大，该方式不可取！第14页，共63页，2023年，2月20日，星期一2.发电机中性点不接地方式，单相接地故障电流为发电机三相对地电容电流，其值相对较小。但随着单机容量的不断增大，三相对地电容也相应增大，使单相接地故障电流增大，威胁发电机安全。3.发电机中性点经配电变压器高阻接地方式，利用接地电阻达到抑制暂态过电压的作用。曲线3—发电机中性点高阻接地当选择单相接地故障的暂态过电压不超过2.6pu但会使接地故障电流大于4.发电机中性点经消弧线圈接地方式，利用消弧线圈提供的电感电流来补偿发电机的电容电流，达到抑制或减小单相接地故障电流的作用。为避免发生传递过电压，消弧线圈必须按欠补偿方式调整。第15页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机频率偏移时，产生较严重的暂态过电压。曲线1—发电机中性点经消弧线圈谐振接地方式曲线2—发电机中性点经消弧线圈谐振接地（消弧线圈中串接小电阻方式）该方式既有效抑制了暂态过电压，同时也减小了单相接地的故障电流，有利于发电机的安全运行。因此大型发电机组应该采用中性点经消弧线圈接地方式，使调整补偿后的接地残流小于允许值。发生单相接地故障后，接地保护动作于信号，发电机继续与系统并联，同时转移负荷，实现平稳停机检修。第16页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机中性点经消弧线圈接地必须采用欠补偿方式主变高压侧发生接地故障时，故障点零序电压U0H经主变耦合电容CM传递到发电机侧:补偿系数:K>1欠补偿；

K<1过补偿；K=1

全补偿如果采用

K<1过补偿；1-(1/K)<0

可能使B趋近无穷大，产生传递过电压。第17页，共63页，2023年，2月20日，星期一机端经过渡电阻发生接地故障当

地电位在以AO为直径的半圆弧上。A相金属性短路时，非故障相电压升高1.732

倍。但不是最大的稳态过电压。分析表明最大值可能达到1.82倍。第18页，共63页，2023年，2月20日，星期一α正常情况下:发电机三相电压中的基波零序电压3U0很小；单相接地故障时:就出现3U0,其大小与故障点位置有关。发电机端各相对地电势：

定子绕组内部任一点发生金属性接地故障第19页，共63页，2023年，2月20日，星期一

适用：发电机变压器组单元接线一、基波零序电压定子绕组单相接地保护故障点基波零序电压为：

基波零序电压保护动作判据为：

动作电压按躲过正常运行时可能出现的最大不平衡电压。受如下几个因素的影响：死区第20页，共63页，2023年，2月20日，星期一1.

发电机三相对地电容不对称，造成中性点产生位移电压中性点不接地时，假设三相电势完全对称，而，则根据KCL定律，可有：若中性点经消弧线圈接地时，根据Thévenintheory第21页，共63页，2023年，2月20日，星期一加入消弧线圈后，中性点电压为：其中，脱谐度阻尼率若在谐振条件下且消弧线圈为纯电感，则只要三相对地电容略有不同，产生第22页，共63页，2023年，2月20日，星期一因此消弧线圈中宜加入电阻R，使达到限制中性点电压U0的作用。2.主变高压侧发生接地故障时，高压侧基波零序电压经耦合电容传递到发电机机端产生的（当基波零序电压保护灵敏度受到影响时，可考虑增设主变高压侧基波零序制动电压）3.发电机自身三次谐波电压（具有零序电压性质）的影响，应装设三次谐波阻波环节（三次谐波过滤器）。4.发电机三相电势的不对称或TV传变特性误差产生的零序基波不平衡电压。第23页，共63页，2023年，2月20日，星期一缺点：一般能够保护85%以上的定子接地故障，但靠近中性点部分有一定的保护死区。死区第24页，共63页，2023年，2月20日，星期一二、利用三次谐波电压的定子绕组单相接地保护由于发电机气隙磁场的非正弦波，在三相定子绕组中将感应产生各种谐波电动势，如3，5，7次谐波，使发电机三相电压偏离正弦波形，为此电机制造厂家采用短距绕组和分布绕组来最大限度减小或消除5，7次谐波，3次谐波不影响线电压波形，且铁芯的局部饱和也是不可避免，因此发电机三相电压中，总是或多或少的存在3次谐波成分。1.发电机中性点不接地对于一台孤立发电机，则有，第25页，共63页，2023年，2月20日，星期一若发电机与系统并列运行，且中性点不接地，则有：2.发电机中性点经消弧线圈接地采用欠补偿方式，若不计电阻，消弧线圈以纯电感L表示，则有：即补偿系数第26页，共63页，2023年，2月20日，星期一因此，机端与中性点侧的3次谐波电压之比中性点3次谐波等效容纳为：所以，中性点的3次谐波等效阻抗仍为容性。机端的3次谐波等效阻抗也为容性，且电容值大于中性点侧。第27页，共63页，2023年，2月20日，星期一US3/UN3＝（1－α）/α

当α<50%时，则有：综上表明：在正常运行情况下，发电机中性点不接地或经消弧线圈接地时，均有如下关系：当发电机定子绕组在距中性点α

处发生金属性单相接地时，无论中性点是否接有消弧线圈，均有：第28页，共63页，2023年，2月20日，星期一为防止发电机正常运行时，定子绕组单相接地保护误动，取三次谐波电压型定子绕组单相接地保护方案当近中性点发生经过渡电阻接地故障时，由于增大，保护灵敏度不够高。改进方案：正常运行时，调整Kp使从而可使制动量取较小值，当发电机定子绕组发生单相接地故障时，该方案能较灵敏动作。第29页，共63页，2023年，2月20日，星期一三、100％定子绕组单相接地保护对大型发电机组，应装设能反应100%定子绕组接地的保护。目前100%定子接地保护一般由两部分组成，第一部分是零序电压保护，它能反应从机端到中性点间85%范围内的定子绕组接地故障，第二部分由三次谐波电压构成，用来消除零序电压保护的保护死区，共同构成100%定子绕组单相接地保护（双频式100％定子绕组单相接地保护方案）。外加交流电源式100％定子绕组单相接地保护第30页，共63页，2023年，2月20日，星期一外加交流电源式100％定子绕组单相接地保护：正常运行时，三相定子绕组对地绝缘完好，外加电源只在三相对地电容中产生很小的电流，当定子绕组发生单相接地故障时，外加电源将通过接地点产生较大的故障电流，使保护动作。第31页，共63页，2023年，2月20日，星期一外加电源频率的选择：1.

正常运行时，外加电源只在三相对地电容中产生很小的电流，希望对地电流数值尽可能小，宜选用直流电源。但采用直流外加电源，使得发电机定子绕组与保护设备在电气上直接相连，一次系统与二次系统之间没有电气隔离，不利于安全操作。2.

外加低频交流电源方式(12.5Hz，20Hz，25Hz)运行经验表明：发电机系统可能发生谐振的频率主要集中在25Hz，50Hz和150Hz

，因此25Hz

外加电源方式一般不被采纳。第32页，共63页，2023年，2月20日，星期一外加交流电源式100％定子绕组单相接地保护：外加电源方式的定子绕组单相接地保护，主要优点：与发电机的运行方式无关，它不仅能够检测发电机正常运行状态下的单相接地故障，而且在发电机启、停机过程中同样能够保护定子绕组的单相接地故障灵敏度高于双频式的定子绕组单相接地保护方案。缺点：需要附加设备，造价昂贵。第33页，共63页，2023年，2月20日，星期一四、选择性定子绕组接地保护假设K1点发生单相接地故障，相当于在故障点突然施加一个电压源，产生故障暂态行波。故障行波自左而右流过TA2，一部分经变压器发生透射和反射，另一部分经母线流过TA1，其方向是自右而左，与TA2相反，因此，可以利用零序电压行波3u0和零序电流行波3i01,3i02，构成行波零序功率方向保护。第34页，共63页，2023年，2月20日，星期一6.4发电机励磁回路接地保护发电机励磁回路的绝缘破坏会造成励磁回路的接地故障。当励磁回路发生一点接地时，并未形成电流回路，对发电机不会造成直接危害。但如果再发生第二点接地故障，形成了短路电流的通路，不仅可能烧伤励磁绕组和转子本体，还可能使轴系和汽机磁化，引起机组剧烈振动，严重威胁发电机的安全。对于100MW及以上汽轮发电机，均装设一点接地保护，转子一点接地后保护方式有两种情况：1.发生一点接地后保护动作于发信或跳闸；2.发生一点接地后投入两点接地保护，两点接地保护动作于跳闸。保护配置：第35页，共63页，2023年，2月20日，星期一一、直流电桥式发电机励磁回路一点接地保护

转子对地绝缘的分布电阻看作接于励磁绕组中点与地之间的一个集中电阻Rg，励磁绕组中点两侧电阻构成电桥的两个臂，而外接电阻R1、R2构成电桥的另外两臂，在R1、R2连接点与地之间接入继电器。正常时通过调整使电桥各臂平衡，继电器流过的不平衡电流最小，发生某点接地故障时电桥平衡破坏，流过继电器的电流大于不平衡电流时动作。缺点：当接地点在励磁绕组中点附近时，保护存在一定的死区。第36页，共63页，2023年，2月20日，星期一二、叠加交流电压式励磁回路一点接地保护

交流电压U0

经电流继电器K和隔直电容C

叠加到励磁绕组的一端与地之间。

忽略励磁绕组中的交流压降和交变感应电势，正常情况下流过继电器的不平衡电流为：第37页，共63页，2023年，2月20日，星期一当励磁绕组上某点经过渡电阻短路后，流过继电器电流为：

继电器动作，判别励磁绕组发生接地短路。

优点：接线简单，没有保护死区，励磁绕组上任一点接地的灵敏度基本相近。

缺点：大机组的励磁绕组对地电容较大，容抗较小，一般小于对地绝缘电阻，该保护的灵敏度较低。第38页，共63页，2023年，2月20日，星期一三、叠加方波电压式励磁回路一点接地保护

方波电压U0

经耦合电容C

和测量电阻RM

加到励磁回路两端，令耦合电容C>>Cg，得等效电路。对应的齐次方程的通解（自由分量）为：第39页，共63页，2023年，2月20日，星期一对应的非齐次方程解的强制分量（新稳态量）为：所以，一阶线性非齐次微分方程的通解为：设t=0时，分布电容的端电压uc(0)=0，得到：所以，可得：第40页，共63页，2023年，2月20日，星期一所以，测量电阻上的电压降：t=0时，分布电容电压uc(0)=0，Rg被短路，t=τ/2

时，第41页，共63页，2023年，2月20日，星期一当发生励磁绕组接地故障时，对地电阻Rg

下降，UM(0)不变，

UM(τ/2)

增大。通过检测

UM

波形的变化来反映励磁回路的一点接地故障。保护动作判据：第42页，共63页，2023年，2月20日，星期一四、切换采样式（乒乓式）励磁回路一点接地保护K为转子绕组接地点的位置，当S1

闭合，S2打开时为状态1：当S2

闭合，S1打开时为状态2：（R1：量测电阻）利用微机保护的计算能力，可计算出故障过渡电阻值以及标识故障位置的K，通过综合比较，就可以判断出励磁绕组是否发生了接地故障。第43页，共63页，2023年，2月20日，星期一五、励磁回路两点接地保护1.检测定子电压二次谐波的两点接地保护。当励磁绕组发生两点接地或匝间短路时，气隙磁场的对称性受到破坏，在定子绕组中感应出二次谐波及其它偶次谐波电压，通过监测定子电压二次谐波含量，可实现转子两点接地及匝间短路的保护。2.切换采样原理。在发生一点接地后，可以通过计算得到一点接地的Rg

和k，此后保护继续按照原方法进行计算，当检测到Rg

和k有变化时，根据其变化大小确认为两点接地故障。，则判定为两点接地故障。第44页，共63页，2023年，2月20日，星期一6.5发电机失磁保护

发电机失磁通常是指发电机励磁异常下降或励磁完全消失的故障，发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零，发电机感应电动势随之减小，其电磁转矩将小于原动机机械转矩，引起转子加速，使发电机功角δ增大，当其超过静态稳定极限角时，发电机与系统失去同步。第45页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机失磁的危害：

1.

从系统中吸收大量的无功功率，造成系统大量无功功率缺失，若系统无功储备不足，则引起电力系统电压降低，甚至造成系统电压崩溃；并因过电流而使定子过热；2.失磁后发电机转速超过同步转速，在转子和励磁回路中将产生差频电流，形成附加损耗，使转子过热；PTδP90δ1第46页，共63页，2023年，2月20日，星期一3.

失磁后发电机的转矩和有功功率将发生周期性摆动，并通过定子传到机座上，引起机组振动，威胁机组安全；4.

低励或失磁运行时，定子端部漏磁增加，将使端部和边缘铁芯过热，发生故障。

规程规定对于不允许失磁运行的发电机及失磁对电力系统有重大影响的发电机应装设专用失磁保护。

1.

对于汽轮发电机，其异步功率较大，调速器比较灵敏，可在较小的转差下异步运行一段时间。

2.

对于水轮发电机，由于其异步功率较小，调速器不灵敏，失磁异步运行吸收无功功率大，机组振动大，所以水轮发电机失磁后一般不允许继续运行。第47页，共63页，2023年，2月20日，星期一失磁保护判据的构成：

存在的问题：超高压远距离输电线的电容电流较大，轻载情况下，系统电压较高，发电机被迫减小励磁电压，甚至进相运行，该判据易误动。2.

利用机端测量阻抗的变化检测低励失磁故障1.

发电机失磁故障发生在转子回路中，可利用励磁电压明显降低构成判据第48页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机在失磁过程中的机端测量阻抗

1.失磁后到失步前等有功阻抗圆其中，第49页，共63页，2023年，2月20日，星期一2.临界失步点（静稳极限阻抗圆）汽轮发电机组δ＝90°，发电机处于失去静态稳定的临界状态发电机从系统吸收无功功率第50页，共63页，2023年，2月20日，星期一将代入前式，得静稳极限阻抗圆，其圆周为发电机以不同有功功率P临界失稳时，机端测量阻抗的轨迹。圆内为静稳破坏区，表示发电机已超过静稳极限，不能再保持同步运行。第51页，共63页，2023年，2月20日，星期一RjX-jXd-jXd’jXsP1P2aa΄bb’cc΄发电机失磁后，测量阻抗沿等有功阻抗圆向第四象限移动，当它与静稳极限阻抗圆相交时，表示机组运行处于静稳稳定的极限，越过交点后，发电机将转入异步运行状态。第52页，共63页，2023年，2月20日，星期一逆无功失磁判据

发电机正常运行时，向系统发出感性无功功率，发生失磁到失步前，无功功率随着Eq的减小和功角δ

增大而减小，Q值由正变为负，发电机吸收感性无功功率。定子侧逆无功和过电流会同时出现，可构成逆无功失磁保护判据。第53页，共63页，2023年，2月20日，星期一发电机机端经过渡电阻短路时，测量阻抗可能进入第四象限，静稳极限阻抗圆可能误动，为避免该情况的发生，可采用异步边界阻抗圆构成失磁保护判据。RjX-jXd-jXd’jXsZg1Zg2Zg3Zk异步边界阻抗圆第54页，共63页，2023年，2月20日，星期一系统发生振荡时，若两侧电动势相等，即使无穷大系统Xs=0，振荡中阻抗变化轨迹与异步边界阻抗圆相切，该失磁保护判据也不会误动。RjX-jXd-jXd’jXsZg振荡对异步边界阻抗圆的影响第55页，共63页，2023年，2月20日，星期一若失磁发电机与系统联系薄弱，带重负荷，则失磁故障发生后，阻抗变化轨迹可能要经过较长延时才能进入异步边界阻抗圆内，可能造成该原理的失磁保护未动作前，邻接线路对侧的后备保护已经动作，造成事故扩大，对系统运行带来不利影响。RjX-jXd-jXd’jXs异步边界阻抗圆的分析第56页，共63页，2023年，2月20日，星期一6.6发电机失步保护失步运行是由于发电机输出功率的较大变化或系统中出现大扰动引起发电机与系统间发生振荡，当系统扰动或励磁调节不当使发电机与系统间的功角δ

大于静稳极限时，将因静稳破坏而失步。

发电机失步运行时，电流、电压、有功功率和无功功率均出现大幅度波动。大型发电机变压器组的阻抗相对增加，因此振荡中心常落在发电机附近或升压变压器范围内，振荡中机端电压周期性下降，严重影响厂用电及厂用机械的稳定运行，甚至导致停机事故。规程规定，300MW及以上发电机宜装设失步保护。第57页，共63页，2023年，2月20日，星期一双遮挡器特性失步保护原理假定，

电阻线R1、R2、R3、R4将阻抗平面分为0~4

共5个区。正常运行时，机端测量阻抗大于R1

，测量阻抗不会进入0~4区。加速失步时测量阻抗从+R

向–R

方向变化，从右至左依次穿过电阻线；减速失步时测量阻抗轨迹从–R向+R方向变化，从右至左依次穿过。则，振荡中心落在机端保护安装处M

第58页，共63页，2023年，2月20日，星期一6.7转子表层负序过电流保护电力系统中发生不对称短路或三相负荷不对称时，将有负序电流流过发电机的定子绕组，它所产生的旋转磁场与转子运动方向相反，以两倍同步转速切割转子，从而在转子中产生倍频电流，引起转子发热；