发电机及变压器保护原理

发电机及变压器保护原理一、发电机的故障异常运行状态及其保护方式由于发电机结构复杂，在运行中可能发生故障和异常状态，这样会对发电机造成危害，同时，由于系统故障也可能损伤发电机，特别是现代的大中型发电机，由于单机容量大对系统影响大，出了故障维修困难，因此要对发电机可能发生的故障类型及不正常运行状态进行分析，并有针对性地设置相应的保护。

应根据发电机可能发生的故障装设相应的保护装置，综述如下：1.定子绕组相间短路，会引起巨大的短路电流，严重烧坏发电机，需装设瞬时动作的纵联差动保护。

2.定子绕组的匝间短路(分为同相一分支绕组的匝间短路和同相异分支绕组的匝间短路)，同样会产生巨大的短路电流而烧坏发电机，需装设瞬时动作的专用的匝间短路保护。

3.定子绕组的单相接地。

这是发电机容易发生的一种故障，通常是因绝缘破坏使其绕组对铁芯短路，虽然此种故障瞬时电流不大，但接地电流会引起电弧灼伤铁芯，同时破坏绕组的绝缘，从而发展为匝间短路或相间短路，因此应装设灵敏的反应全部绕组任一点接地故障的100％定子绕组接地保护。

4.发电机转子绕组一点接地和两点接地。

转子绕组一点接地后虽然对发电机运行无影响，但若再发生另一点接地，则转子绕组一部分被短接造成磁势不平衡而引起机组剧烈振动，产生严重后果，因此需同时装设转子绕组一点接地保护和两点接地保护。

5.发电机失磁。

发电机失磁分完全失磁和部分失磁，它是发电机的常见故障之一，失磁故障不仅对发电机造成危害，而且对系统安全也会造成严重影响，因此需装设失磁保护。

6.定子绕组负荷不对称运行，出现负序电流可能引起发电机转子表层过热，需装设定子绕组不对称过负荷保护(转子表层过热保护)。

7.定子绕组对称过负荷，装设对称过负荷保护(一般采用反时限特性)。

8.转子绕组过负荷，装设转子绕组过负荷保护。

9.并列运行的发电机可能因机炉的保护动作等原因将主汽阀关闭，而导致逆功率运行，使汽轮机叶片与残留尾气剧烈摩擦过热，而损坏汽轮机叶片，因此需装设逆功率保护。

10.为防止过激磁引起发热而烧坏铁芯，应装设过激磁保护。

11.系统振荡而引起发电机失步异常运行，危及发电机和系统运行安全，需装设失步保护。

12.其他保护。

定子绕组过电压、低频运行、非全相运行及与发电机运行直接有关的热工方面保护，对水内冷发电机还应装设断水保护等。

另外，还应装设发电机的后备保护，如电流、电压保护、阻抗保护等。

二、变压器的故障异常运行状态及其保护方式电力变压器是电力系统的重要组成元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。

电力变压器的故障分为油箱内部故障和油箱外部故障。

油箱内部故障包括绕组的相间短路，中性点直接接地侧的接地短路和匝间短路。

变压器油箱内部故障的危害很大，故障处的电弧不仅会烧毁绕组及铁芯的绝缘，而且使绝缘材料和变压器油强烈气化，可能会引起油箱爆炸。

油箱的外部故障，主要是绝缘套管和引出线上发生的相间短路和中性点直接接地侧的接地短路。

变压器的异常运行状态主要有：过负荷外部短路引起的过电流、外部接地短路引起的中性点过电压、油面下降及过电压或频率降低引起的过励磁现象等。

为了保证电力系统的安全可靠性运行，针对上述故障和异常运行状态，电力变压器应装设如下的保护：1.防止变压器绕组和引出线相间短路，直接接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的(纵联)差动保护。

2.防止变压器油箱内部各种短路或断线故障及油面降低的瓦斯保护。

3.防止直接接地系统中变压器外部接地短路并作为瓦斯保护和差动保护后备的零序电流保护、零序电压保护以及变压器接地中性点有放电间隙的零序电流保护。

4.防止变压器过励磁保护。

5.防止变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护后备的过电流保护和阻抗保护。

6.防止变压器对称过负荷的过负荷保护。

7.反应变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障的相应保护。

三、发电机、变压器组保护原理现代大型汽轮发电机组通常采用的是发电机、变压器组单元接线方式，发电机与主变压器、厂用变压器之间采用封闭母线直接相连接（如果采用机端自并励时，发电机与励磁变压器之间也直接连接），因此当发电机、变压器、厂用变压器、励磁变压器及其相互连接的封闭母线发生故障时，任何元件保护装置动作都应作用于所有设备（发电机、变压器、厂用变压器、励磁变压器）全停。

下面介绍发变组系统各种保护装置的基本原理。

1.相间短路的纵联差动保护纵差保护的基本原理是比较发电机两侧电流的大小和相位，它是反应发I I电机及其引出线的相间短路故障的主要保护。

如图（8-1）所示，为发电机纵联差动保护原理，将发电机两侧变比和型号相同的电流互感器两侧同极性端纵向连接起来，差动继电器CJ 接于其差回路中。

当正常运行或外部故障（f1）时，1.I 与2.I 大小相等,反向流入发电机，CJ 的电流为 ：11.TA n I -22.TA n I ≈0,故差动继电器CJ 不会动作。

图8-1当在保护区内f2点故障时，1.I 与2.I 同相流入发电机，CJ的电流为：11.TA n I -22.TA n I =TA f n I 2.， 当TA f n I 2.大于CJ 的整定值act I .时，即TA f n I 2.≥act I .，CJ 动作。

以上情况是一种理想情况，实际上两侧TA 的特性不可能完全一相，误差也不一样，即nTA1≠nTA2，正常运行时，11.TA n I -22.TA n I ≠0，总有一定量的电流流入CJ ，此电流称为不平衡电流，用unb I .表示，在发电机正常运行时，此电流很小，当外部故障时，由于短路电流的作用，TA 的误差增大，差动保护就有可能发生误动作。

为使CJ 在发电机正常运行及外部故障时不发生误动作，CJ 的整定电流值必须大于可能的最大不平衡电流。

这样使得发电机内部故障时保护的灵敏度就降低了。

为了既不降低发电机内部故障时保护的灵敏度，又要不使发电机正常运行和外部故障时发生保护误动作，现常采用的是具有比率制动特性的差动保护，其算法如下：动作量I D =1.I ＇-2.I ＇制动量Iz=21(1.I ＇+2.I ＇)当发电机正常运行或外部故障时, 1.I ＇=2.I ＇I D =1.I ＇-2.I ＇≈0很小, Iz=21(1.I ＇+2.I ＇)=TA n I .较大(I .为发电机正常电流或外部故障电流)所以保护不会动作。

当发电机内部故障时：1.I ＇=2.I ＇I D =1.I ＇-2.I ＇=TA f n I 1.,很大 Iz=21(1.I ＇+2.I ＇)=TA f n I 2.,很小(等于发电机两侧短路电流差的一半)特别是当1.I ＇=2.I ＇时,Iz=0。

可见保护能可靠动作，且动作灵敏度大提高了。

以上所讲的是发电机的差动保护，变压器及输电线路的差动保护原理也是如此，只是主变压器的差动保护还引入了高厂变和励磁变分支的电流量。

2.95%定子接地保护和100%定子接地保护发电机定子绕组接地危害：为了提高发电机运行可靠性，发电机定子绕组中性点一般不接地，所以定子单相接地并不构成短路。

但发电机定子绕组对铁芯之间有一定的电容，若电容值较大，则发生一相接地后会出现相当大的接地电流，当接地电流不大于1～1.5A时，可以认为是一种异常状态，此时，要求继电保护动作于信号；而当接地电流大于5A时，产生的电弧将灼伤铁芯，甚至进一步发展成相间或匝间短路。

一旦铁芯熔化到一定程度就很难修复，而造成发电机报废。

此外，巨大的短路电流会发展成两相接地短路，造成发电机进一步损坏。

为了补偿发电机定子电压回路的电容电流使之不超过规定值，为防止发电机定子单相接地故障时，电容电流形成的电弧对发电机的定子铁芯造成严重损伤，所以发电机中性点经接地变压器接地。

定子接地（单相）保护组成和工作原理：（1）95%定子接地保护:发电机正常运行时，其三相定子电压平衡，中性点电压为零，但如果发电机某相定子出口接地时，发电机中性点电压会发生位移，发电机出口PT 开口三角形可以检测出这一零电压3U 0=100V ，可见，可以用发电机出口PT 开口三角形电压来反映发电机定子接地故障。

但发电机正常运行时，其三相电压是不可能绝对平衡的，这样在PT 开口三角形上也会有较小的不平衡电压约为15～30V ，通过三次谐波滤过器后，其值约为5～10V ，因此，定子单相接地保护整定值必须大于5～10V ，以防止保护误动作，所以这种保护存在5%～10%的死区，因此常称为95%定子接地保护。

（2）100%定子接地保护:如图（8-2）所示，为发电机机端及中性点的三次谐波电势等效图。

发电机正常运行时，发电机机端及中性点的三次谐波电势为：机端：Us .=Es .Ct C C M M 2中性点：N U .=Es .Ct C Ct C M M 2所以N U .＞s U .E S N图8-2当发电机中性点经高阻抗接地时,上式仍成立。

当发电机某相在离中性点α%处发生单相接地时，三次谐波电压等效图如图（8-3）所示。

此时：Us.=（1-α）Es . N U .=αEs .N U Us..=αα-1当α＞50%时，N U .＞s U .当α≤50%时，N U .≤s U .如果以此关系作为动作条件，则这种原理的保护“死区”为α＞50%，但若将这种保护与基波零序电压保护共同组合起来，就可以构成保护区为100%的定子绕组单相接地保护。

3.转子接地保护NE S 图(8-3)E S发电机转子接地危害：发电机励磁回路是不接地的，在正常运行情况下，绕组各部分对地电压由绝缘电阻分配，如电阻为均匀的，绕组最大电压为励磁电压的一半。

如转子回路发生一点接地，虽不会出现大的接地电流，但改变了绕组对地电压的分配，如接地点偏向励端，则另一端对地电压升高，容易引发两点接地，引起以下严重后果：（1）转子磁场发生畸变，不仅使发电机电压和电流的波形发生畸变，而且引起机械振动。

（2）励磁电流经部分铁芯而形成回路，在接地点处产生直流电弧。

如产生电弧，则在高温作用下，会烧坏励磁绕组甚至使转子铁芯局部熔化，造成永久性损伤，使转子报废。

（3）巨大的励磁电流杂散流过汽轮机外壳，可使汽缸磁化。

（4）由于短路后励磁回路电阻减小，结果励磁电流增大，如短路匝数过多，会使励磁回路过电流。

转子接地保护组成、工作原理：注入波幅为50V 左右、频率为12.5Hz 的方波电压，通过测量转子回路对地电阻来判断转子绕组接地故障。

Ur=50×转子R R R ER ER，ER R =1 k Ω，而正常情况下R 转子很大，故Ur 很小，当转子绕组发生一点接地时，R 转子大幅降低，故Ur 很大。

经微机保护装置内部换算后，即可判断出转子绝缘降低程度。

转子绝缘降到5kΩ时报警，报警延时0.5S。