ACE继电保护-71发电机
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7.2 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。 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：
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 。
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双遮挡器特性失步保护原理（数字保护中）
当忽略线路电阻时， X A X d'
X B X S XT
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 ，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 左至右依次穿过 。
I I I d 1 2
I d I op0 ,
1 (I I ) I res 1 2 2
I res I res0
I d K ( I res I res0 ) I op.0
I res I res0
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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 I 2 构成纵差动保护，通过选择不同的电流互感器 与机端电流 I 1 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。
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1. 发电机长期允许的负序电流 I 2 ，是由转子的材料和 结构决定的，通过稳态负序试验可以测定其大小。通常 规定在额定负荷下，汽轮发电机 I 2 为 6%~8%，水轮发 电机 不超过 12% ； 2. 发电机短时承受负序电流的能力，与负序电流 I2 的 大小及其持续时间 t 的长短有关，负序电流在转子中 所产生的发热量，正比于负序电流的平方与所持续时 间的乘积，假定发电机转子为绝热体，发电机短时负 序转子过热常数为 A ，则不使转子过热所允许的负序 2 电流和时间的关系为 I2 * t A
发电机保护配置：
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。
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2. 切换采样原理。
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7.5
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 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。
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α
发电机端各相对地电势：
U AD (1 ) E A E U BD E B A U EC E A 1 U (U AD U d 0( ) BD U CD ) E A 3
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。进口发电机组一般不装两点接地保护。
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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，以外 接电阻 R1、R2 构成电桥的两臂，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，继电器内无电流流过， 发生某点接地故障时电桥平衡破坏，继电器 内电流达到一定值后动作。
I op (0.20 0.30) I gn na
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7.3
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 。 发电机中性点接地方式主要有中性点不接地、中性点经 消弧线圈接地以及中性点经高阻接地。 大型发电机组采用中性点经消弧线圈接地，通过消弧线 圈的电感电流补偿发电机电容电流，使单相接地故障电流限 制在规定限值内。发生单相接地故障时，则保护发出接地故 障信号，同时转移负荷，实现平稳停机检修。
第七章
发电机保护
7.1发电机的故障、不正常工作状态 及保护方式
1/32
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。
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。
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。
动作电流按躲过区外短路时最大不平衡电流整定
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外加交流电源式 100％定子绕组单相接地保护：
外加电源可由发电机中性点变压器 或发电机端 TV开口三角绕组注入，当 发电机定子绕组发生接地故障，定子回 路零序阻抗大大减小，接地变压器与发 电机接地点之间形成 20Hz 电流回路， 使流经保护元件的电流 ISEF 增大，从而 检测到发电机定子接地故障。 叠加交流电源方式的定子绕组单相接地保护，其主要 优点是保护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，而且在发电机停运或启 动、停机过程中同样能够保护单相接地故障。
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失磁保护的主判据
一、逆无功判据
E d
Ed jI ( XT X L )
U S
X d
UG
jI X d US
I
U s Ed P Sin X d
U s Ed Us2 Q cos X d X d
I
发电机从失磁到失步前， Ed 减小，δ增大，发电机发出的 有功功率基本不变，无功功率 随着 Ed 的减小和功角 δ 增大而减 小，Q 值由正变为负，发电机吸收感性的无功功率。定子侧逆无 功和过电流会同时出现，可构成以逆无功判据为主的失磁保护。
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7.4
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 能引起机组剧烈振动，严重威胁发电机的安全 。
保护配置：
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7.6
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。
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 。
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7.8
发电机后备保护
大型发电机变压器组要求配臵双重化主保护，并有比 较完善的后备保护，有必要为高压母线提供后备，而高压 超高压线路均设臵有双重化主保护和后备保护，大型发变 组后备保护一般不考虑作相邻线路的远后备。
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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或外加交流电 源的原理等构成，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 。
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。
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四、 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，利用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 。
发电机失磁的危害：
1. 从系统中吸收大量的无功功率，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；
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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。
二、利用三次谐波电压的定子绕组单相接地保护
理论分析表明：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： UN 3 > US 3 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，有
US3 / UN3＝（1－α）/ α 当α < 50% 时， U N 3 < U S 3
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。
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一、基波零序电压定子绕组单相接地保护
适用：发电机变压器组单元接线
故障点基波零序电压为： U 0 En 基波零序电压保护动作判据为：
3U 0 U op
动作电压 U op 按躲过正常运行时电压 互感器输出的最大不平衡电压。 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。 11/32
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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；
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7.7
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；同时负序电 流产生的倍频交变电力力矩，还可能引起转子大轴和机 座的振动，造成发电机的严重损坏。 发电机组承受负序电流的能力主要由转子表层发 热情况来决定，大型发电机组要求转子表层过热保护 与发电机承受负序电流的能力相适应。可分为长期和 短期承受负序电流的能力。
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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
（1）同相同分支发生匝间短路 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，产生两个环流 α1＝α2 时，无环流，保护出现死区。
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7.2 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。 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：
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 。
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双遮挡器特性失步保护原理（数字保护中）
当忽略线路电阻时， X A X d'
X B X S XT
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 ，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 左至右依次穿过 。
I I I d 1 2
I d I op0 ,
1 (I I ) I res 1 2 2
I res I res0
I d K ( I res I res0 ) I op.0
I res I res0
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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 I 2 构成纵差动保护，通过选择不同的电流互感器 与机端电流 I 1 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。
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1. 发电机长期允许的负序电流 I 2 ，是由转子的材料和 结构决定的，通过稳态负序试验可以测定其大小。通常 规定在额定负荷下，汽轮发电机 I 2 为 6%~8%，水轮发 电机 不超过 12% ； 2. 发电机短时承受负序电流的能力，与负序电流 I2 的 大小及其持续时间 t 的长短有关，负序电流在转子中 所产生的发热量，正比于负序电流的平方与所持续时 间的乘积，假定发电机转子为绝热体，发电机短时负 序转子过热常数为 A ，则不使转子过热所允许的负序 2 电流和时间的关系为 I2 * t A
发电机保护配置：
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。
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2. 切换采样原理。
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7.5
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 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。
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α
发电机端各相对地电势：
U AD (1 ) E A E U BD E B A U EC E A 1 U (U AD U d 0( ) BD U CD ) E A 3
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。进口发电机组一般不装两点接地保护。
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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，以外 接电阻 R1、R2 构成电桥的两臂，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，继电器内无电流流过， 发生某点接地故障时电桥平衡破坏，继电器 内电流达到一定值后动作。
I op (0.20 0.30) I gn na
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7.3
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 。 发电机中性点接地方式主要有中性点不接地、中性点经 消弧线圈接地以及中性点经高阻接地。 大型发电机组采用中性点经消弧线圈接地，通过消弧线 圈的电感电流补偿发电机电容电流，使单相接地故障电流限 制在规定限值内。发生单相接地故障时，则保护发出接地故 障信号，同时转移负荷，实现平稳停机检修。
第七章
发电机保护
7.1发电机的故障、不正常工作状态 及保护方式
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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。
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。
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。
动作电流按躲过区外短路时最大不平衡电流整定
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外加交流电源式 100％定子绕组单相接地保护：
外加电源可由发电机中性点变压器 或发电机端 TV开口三角绕组注入，当 发电机定子绕组发生接地故障，定子回 路零序阻抗大大减小，接地变压器与发 电机接地点之间形成 20Hz 电流回路， 使流经保护元件的电流 ISEF 增大，从而 检测到发电机定子接地故障。 叠加交流电源方式的定子绕组单相接地保护，其主要 优点是保护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，而且在发电机停运或启 动、停机过程中同样能够保护单相接地故障。
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失磁保护的主判据
一、逆无功判据
E d
Ed jI ( XT X L )
U S
X d
UG
jI X d US
I
U s Ed P Sin X d
U s Ed Us2 Q cos X d X d
I
发电机从失磁到失步前， Ed 减小，δ增大，发电机发出的 有功功率基本不变，无功功率 随着 Ed 的减小和功角 δ 增大而减 小，Q 值由正变为负，发电机吸收感性的无功功率。定子侧逆无 功和过电流会同时出现，可构成以逆无功判据为主的失磁保护。
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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 能引起机组剧烈振动，严重威胁发电机的安全 。
保护配置：
21/32
7.6
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。
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 。
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发电机后备保护
大型发电机变压器组要求配臵双重化主保护，并有比 较完善的后备保护，有必要为高压母线提供后备，而高压 超高压线路均设臵有双重化主保护和后备保护，大型发变 组后备保护一般不考虑作相邻线路的远后备。
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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或外加交流电 源的原理等构成，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 。
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。
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四、 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，利用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 。
发电机失磁的危害：
1. 从系统中吸收大量的无功功率，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；
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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。
二、利用三次谐波电压的定子绕组单相接地保护
理论分析表明：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： UN 3 > US 3 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，有
US3 / UN3＝（1－α）/ α 当α < 50% 时， U N 3 < U S 3
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。
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一、基波零序电压定子绕组单相接地保护
适用：发电机变压器组单元接线
故障点基波零序电压为： U 0 En 基波零序电压保护动作判据为：
3U 0 U op
动作电压 U op 按躲过正常运行时电压 互感器输出的最大不平衡电压。 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。 11/32
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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；
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7.7
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；同时负序电 流产生的倍频交变电力力矩，还可能引起转子大轴和机 座的振动，造成发电机的严重损坏。 发电机组承受负序电流的能力主要由转子表层发 热情况来决定，大型发电机组要求转子表层过热保护 与发电机承受负序电流的能力相适应。可分为长期和 短期承受负序电流的能力。
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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
（1）同相同分支发生匝间短路 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，产生两个环流 α1＝α2 时，无环流，保护出现死区。
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