第八章发电机保护20080410

第八章 发电机保护第一节 发电机的故障类型、不正常运行状态及相应的保护方式发电机是电力系统中十分重要和贵重的设备，一旦发生故障遭到破坏，会造成很大的经济损失和影响。

保证发电机组安全运行和防止其遭受严重破坏，对电力系统的稳定运行和对用户不间断供电起着决定性的作用。

因此，要充分完善发电机继电保护的配置方案，将故障和不正常运行方式对电力系统的影响限制到最小范围。

发电机的故障类型主要有：定子绕组相间短路；定子一相绕组的匝间短路；定子绕组单相接地；转子绕组一点接地或两点接地；转子励磁回路励磁电流异常下降或完全消失。

发电机的不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷，非全相运行等）而引起的发电机负序过电流和过负荷；由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。

针对上述故障类型和不正常运行状态，发电机应装设下列保护。

（1）反应发电机定子绕组及其引出线相间短路的纵差动保护。

（2）反应发电机定子绕组匝间短路的匝间短路保护。

（3）反应发电机定子绕组单相接地故障的定子单相接地保护。

（4）反应转子绕组接地的转子绕组一点接地保护和两点接地保护。

（5）反应转子励磁回路励磁电流异常下降或消失的失磁保护。

（6）反应发电机短路故障的后备保护，一般有：复合电压起动的过电流保护、对称过负荷及过电流保护、不对称过负荷及过电流保护、转子过负荷及过电流保护、低阻抗保护等。

（7）反应汽轮发电机主汽门突然关闭的逆功率保护。

（8）反应发电机过励磁故障的过励磁保护。

（9）反应发电机非稳定振荡的失步保护。

（10）其他保护：定子绕组过电压保护、低频保护、突加电压保护、起停机保护、非全相保护以及非电量保护等等。

为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，以使转子回路电流不会在定子绕组中再感应电动势，继续供给短路电流。

第二节 发电机定子绕组短路故障的保护一、发电机纵差动保护发电机纵差动保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护。

发电机纵差动保护的原理与短距离输电线路及变压器纵差动保护的原理相同，这里不再重复详述。

1．发电机纵差动保护的接线根据接线方式和位置的不同，纵差动保护可分为完全纵差动保护和不完全纵差动保护。

两者的区别是接入发电机中性点的电流不同。

（1） 完全纵差动保护。

发电机完全纵差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护。

保护接入发电机中性点的全部电流，其电气原理接线图如图8-1所示，MI 。

和NI。

分别为发电机机端、中性点侧一次电流的正方向。

发电机机端、中性点侧的电流互感器的接线方式均为Y 型接线。

CTA 、CTB 、CTC 分别为对应于发电机机端A 、B 、C 相的电流变换器，CTa 、CTb 、CTc 分别为对应于发电机中性点侧a 、b 、c 相的电流变换器。

逻辑框图如图8-2所示。

CTACTBCTCCTaCTbCTci Tai Tbi TcI MI Ni Nai Nbi Nc微机发电机保护装置图8-1 微机发电机纵差动保护原理接线图I/VA相差动元件动作TA断线检测&发电机机端TA断线信号差动出口C相差动元件动作B相差动元件动作≥1iTa,b,ciNa,b,c发电机中性点I/V图8-2发电机纵差动保护逻辑框图（2）不完全纵差动保护。

不完全纵差动保护也是发电机内部故障的主保护，既能反应发电机（或发电机-变压器组）内部各种相间短路，也能反应匝间短路，并在一定程度上反映分支绕组的开焊故障。

由于完全纵差动保护引入发电机定子机端和中性点两侧全部的相电流，因此在定子绕组发生匝间短路时两侧电流仍然相等，因此保护不能动作。

通常大型发电机定子绕组每相均有两个或多个并联分支，若仅引入发电机中性点侧部分分支电流与机端电流来构成纵差动保护，适当选择两侧电流互感器的变比，也可以保证正常运行及区外故障时没有差流，而在发电机相间或匝间短路时均会产生差流，使保护动作切除故障。

这种纵差动保护被称为不完全纵差动保护，其原理接线如图8-3所示。

发电机不完全纵差发变组不完全纵差主变高压侧横差发电机不完全纵差主变高压侧横差(a ）(b)发变组不完全纵差图8-3发电机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2．发电机纵差动保护的整定计算发电机纵差动保护一般采用两折线的比率制动特性，如图7－8所示。

因此对纵差动保护的整定计算，实质上就是对min .d I 、1res I 及K 的整定计算。

（1）启动电流min .d I 的整定。

启动电流min .d I 的整定原则是躲过发电机额定运行时差动回路中的最大不平衡电流。

在发电机额定工况下，在差动回路中产生的不平衡电流主要由纵差动保护两侧的电流互感器TA 变比误差、二次回路参数及测量误差引起。

通常对发电机纵差动保护，可取min .d I =（0.1~0.3）G N I ⋅。

对发变组纵差动保护取（0.3~0.5）G N I ⋅。

对于不完全纵差动保护，尚需考虑发电机每相各分支电流的差异，应适当提高min .d I 的整定值。

（2）拐点电流1res I 的整定。

拐点电流1res I 的大小，决定保护开始产生制动作用的电流的大小。

显然，在启动电流min .d I 及动作特性曲线的斜率K 保持不变的情况下，1res I 越小，差动保护的动作区域小，而制动区增大；反之亦然。

因此，拐点电流的大小直接影响差动保护的动作灵敏度。

通常拐点电流整定为min .res I =(0.5~1.0)G N I ⋅。

（3）制动线斜率K 的整定。

发电机纵差动保护的制动线斜率K 一般可取0.3～0.4。

根据规程规定，发电机纵差动保护的灵敏度是在发电机机端发生两相金属性短路情况下差动电流和动作电流的比值，要求sen K ≥1.5。

随着对发电机内部短路分析的进一步深入，对发电机内部发生轻微故障的分析成为可能，可以更多地分析内部发生故障时的保护动作行为，从而更好地选择保护原理和方案。

二、发电机横差动保护在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或两个以上并列的分支绕组组成的。

在正常运行时，各绕组中的电势相等，流过相等的负荷电流。

当同相内非等电位点发生匝间短路时，各分支绕组中的电势就不再相等，因而会由于出现电势差而在各绕组中产生环流。

利用这个环流，即可实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，此即横差动保护。

I kI k(a)(b)α2α1α'kI'kI ''kI ''kI图8-4 发电机绕组匝间短路的电流分布(a)在某一绕组内部匝间短路；(b)在同相不同绕组匝间短路以每相具有两个并联分支绕组为例。

当某一个分支绕组内部发生匝间短路时，由于故障支路和非故障支路的电势不相等，如图8-4(a)所示，因此会产生环流k I ，而且短路匝数α越多，则环流越大，而当α较小时，环流也较小。

或者，当同相的两个并联分支绕组间发生匝间短路时，如图8-4(b)所示，若1α≠2α，由于两个支路的电势差，将分别产生两个环流.'kI 和."k I ，当然如果1α－2α之差很小时，环流也会很小。

横差动保护的原理接线如图8-5所示，电流互感器装于发电机两组星形中性点的联线上。

当发电机定子绕组发生各种匝间短路时，中性点联线上有环流流过，横差动保护动作。

但是当同一绕组匝间短路的匝数较少，或同相的两个分支绕组电位相近的两点发生匝间短路，由于环流较小，保护可能不动作。

因此，横差动保护存在死区。

该保护还能够反应定子绕组分支线开焊以及机内绕组相间短路。

TA 横差动保护图8-5 横差动保护原理图按这种接线方式，当发电机出现三次谐波电势时，三相的三次谐波电势在正常状态下接近同相位。

如果任一支路的三次谐波电势与其他支路的不相等，就会在两组星形中性点的联线上出现三次谐波的环流，并通过互感器反应到保护中去，这是所不希望的，因此，横差动保护需要采用三次谐波过滤器，以滤掉三次谐波的不平衡电流。

保护的起动电流按躲过外部故障和不正常运行状态时流过发电机中性点的最大不平衡电流整定。

由于工艺、绕组设计方面的原因，不同机组的不平衡电流大小不尽相同，应以 实测为准。

三、发电机纵向零序过电压保护纵向零序过电压保护，不仅作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部部分相间短路的保护。

发电机定子绕组发生内部短路时，会出现发电机机端相对于中性点的纵向不对称，三相机端对中性点的电压不再平衡。

在发电机机端接专用的电压互感器，将电压互感器的一次侧中性点与发电机中性点直接相连且不接地，这样互感器开口三角形绕组输出的电压即为纵向零序电压，当测量到纵向零序电压超过整定值时，保护动作，如图8-6所示。

由于发电机正常运行时，机端不平衡基波零序电压很小，但可能有较大的三次谐波电压，为降低保护定值和提高灵敏度，保护装置中应增设三次谐波的滤波器。

GU 03纵向零序过电压保护A B CN图8-6 纵向零序过电压保护逻辑框图由于不同容量、不同型号的发电机，其定子绕组的结构及线棒在各定子槽内的分布不同。

因此，不同的发电机在匝间短路时产生的纵向零序电压值差异很大。

在整定保护装置的动作电压时，首先应对发电机定子结构进行研究，估算发生最少匝数匝间短路时的最小零序电压值，然后根据最小零序电压进行整定。

为了防止外部短路时纵向零序不平衡电压增大造成保护误动，可以增设负序功率方向元件作为选择元件，用于判别是发电机内部短路还是外部短路。

由于在发电机并网前负序功率方向元件失效，可以增加发电机三相电流低的辅助判据。

第三节 发电机定子绕组的单相接地保护根据安全运行要求，发电机的外壳都是接地的，因此定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障占内部故障的比重比较大，约占定子故障的70%~80%。

当接地电流比较大，能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定子铁芯烧坏，并且也容易发展成相间短路，造成更大的危害。

一、发电机定子绕组单相接地的特点现代发电机的定子绕组都设计为全绝缘的，定子绕组中性点不直接接地，而是通过高阻接地、消弧线圈接地或不接地。

当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流为发电机所在电压网络（即与发电机有直接电联系的各元件）对地电容电流之总和，而故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变。

假设A 相接地发生在定子绕组距中性点α处，α表示由中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数，如图8-7所示。

此时与故障点对应的各相电势为A E ∙α、B E ∙α和C E ∙α，而各相对地电压分别为kDC0GTAC B ACl0α图8-7 发电机内部单相接地时的电流分布Ak B A Bk C A C kUU E E UE E αααα∙∙∙∙∙∙∙⎫=⎪⎪=-⎬⎪=-⎪⎭ (8-1) 因此，故障点的零序电压为0()1()3A k AkBkCk U U UU E αα∙∙∙∙∙=++=- (8-2)可见，故障点的零序电压随着故障点的位置不同而改变。