第五讲 继电保护-发电机保护

六、定子绕组匝间短路保护
1、定子绕组匝间短路类型 定子绕组接线方式有两种：双星形接线和单星形接线
定子绕组匝间短路类型主要有：同相同分支；同相不同分支；不同 相间；定子开焊。
2、单元件式横差电流保护
1）基本原理 ：发生匝间短路故障时，由于双Y接线绕组的中性点连线上有电流出
现，因此，取用中性点连线上的电流可以构成定子绕组的匝间短路保护。
电流
电
机
纵
差 保
代号
KZ
Iq
Ig
U2
Is
Ict
Ie （IN）
护
定
值
整定
清 单
范围
0.1~1.8
0.05~10
0.5~10
1~30
1~20
0.8~1.2
0.5~8
单位
安
安
伏
倍数
倍数
安
（三）比率制动式发电机纵差保护 定值整定
①启动电流Iact0 按躲过正常工况下最大不平衡差流来整定。
不平衡差流产生的原因：主要是差动保护两侧 TA的变比误差，保护装置中通道回路的调整误差。对 于不完全纵差，尚需考虑发电机每相各分支电流的不 平衡。
定子绕组
A B
C
装置交流模件
专用TV
3U0
逻辑框图
为防止专用TV一次断线时保护误动，引入TV断线闭锁；另外，为防止区外 故障或其他原因（例如，专用TV回路有问题）产生的纵向零序电压使保护 误动，引入负序功率方向闭锁。负序功率方向判据采用开放式（即允许式）
发电机额定电流IN.G
n Ie IN .G
Pe
3Ue TA cos
⑦差动保护灵敏度校验
必须满足机端两相金属性短路时，差动保护的 灵敏系数:
Ksen ≥ 2
⑥解除TA断线功能差流倍数Ict
通常 Ict = 0.8～1.2 IN.G。
发电机额定电流IN.G
n Ie IN .G
Pe
3Ue TA cos
⑦差动保护灵敏度校验
必须满足机端两相金属性短路时，差动保护的 灵敏系数:
Ksen ≥ 2
3、 保护动作逻辑框图
发电机纵差保护的出口方式，有两种设置： 单相出口方式及循环闭锁出口方式。
当采用循环闭锁出口方式时，为提高发电 机内部及外部不同相同时接地故障（即两相接地 短路）时保护动作的可靠性，采用负序电压解除 循环闭锁（即改成单相出口方式）。
Id Is
Ibrk Ibrk
Ibrk Ibrk
0 0
完全纵差时 Id IT IN
不完全纵差时 Id IT KINF
发电机纵差 保护动作特性
如下，其动作 特性均由二部 分组成：即无 制动部分和比 率制动部分。
名称
制动
启动
拐点
负序
速断倍数
解除TA断线
额定
发
系数
电流
电流
电压
（*Ie）
功能差流倍数（*Ie ）
该保护构成简单，灵敏度高，不仅可反应定子绕组的匝间短路故障和分支绕组 的开焊故障，而且还能反应定子绕组的相间短路故障，故可作为发电机内部短路故障 的保护；但保护存在死区，只适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中 性点引出的发电机。
2）微机发电机横差保护
交流输入回路
发电机单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上的TA二次电流。 以定子绕组每相两分支的发电机为例，其交流输入回路示意图如下：
• 1.短路比减小(短路比意义是对应于空载额定电压的励磁 电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比)
• 、电抗增大 • 2.惯性时间常数降低3.热容量降低 • • 4.时间常数增大 • 此外，大容量发电机组采用直接冷却方式，绝缘水平相对
有所降低，且冷却系统较复杂，发生故障的几率相对增多； 由于单机容量增大，机组轴向长度与直径之比增大，容易 引起气隙不均匀，使振动加剧。
定子绕组发生匝间短路时，定子侧有纵向零序电压，这时可采用反应纵向 零序电压的匝间短路保护。其原理接线如下。该保护原理简单，具有较高 的灵敏度，适用于中性点只有三个引出端子的多分支绕组的发电机上。但 须设专用电压互感器，因其中性点不直接接地，故不能用来测量相对地电 压和用于接地保护。
发电机纵向零序电压式匝间短路保护
. 中性点 *
I
N
I
一相绕组
*.
IT
*
*
装置交流模件
中性点
*. . IN 2
*
.
I
2
一相绕组
.
.*
I
.
2
IT
*
装置交流模件 发电机不完全纵差保护的交流接入回路示意图
实现制动,动作值的整定可只按躲过发电机正常运 行时的不平衡电流，
发电机比率制动式差动保护
1、动作方程与动作特性
Id Iact0 Id Kbrk (Ibrk Ibrk 0 ) Iact0
量的无功功率，引起定子过电流，同时发电机可
能失去同步而进入异步运行，若系统无功储备不
足，将引起电压下降，严重时会危机系统的稳定
运行。
异常 工况 状态
定子绕组过电流 过负荷 负序过电流和过负荷 定子绕组过电压 转子绕组过负荷 逆功率
二 . 大容量发电机组的特点
• 大容量发电机组指的是容量在200MW以上汽轮发电机和 容量在125MW以上的水轮发电机。大容量发电机组有如 下特点。
一、故障类型及异常工况状态
相间短路:破坏绝缘，烧坏铁芯
定子 绕组
匝间短路:破坏纵绝缘，进而发展为单相接地或 相间短路
故 障
单相接地:铁芯局部熔化
类
一点接地或两点接地:两点接地时烧坏励磁绕组和
型
铁芯，破坏转子磁通对称性，引起发电机振动，
转子 对于水轮发电机和同步调相机，危害更大
绕组 励磁电流急剧下降或消失:发电机要从系统吸取大
发 电
过电流 复合电压(负序电压及线电压)起动的过电流保护
机
过电流保护
保 护
负序电流保护过负荷保护来自过电压保护水轮发电机设一点接地保护
转子回路保护 汽轮发电机定期检测一点接地；大容量 机组装设—点接地保护和两点接地保护
转子过负荷保护。
失磁保护
为了快速消除发电机 内部的故障，在保护动作
逆功率保护 发
电 机
对于单相出口方式，设置专门的TA断线判 别，并当差电流大于解除TA断线闭锁电流倍数Ict 时可解除TA断线判别功能。
IAN (K IAN) IAT
IBN (KIBN) IBT
ICN (KICN ) ICT
A相差动 B相差动 C相差动
+
TA断线
信号
& 出口
TA断线信号
图10-4 单相出口方式发电机纵差保护逻辑框图
• (2)不完全纵差保护:适用于每相定子绕组为多分支 的大型发电机。它除了能反应发电机相间短路故 障，还能反应定子线棒开焊及分支匝间短路。另 外，根据算法不同，可以构成比率制动特性差动 保护和标积制动式差动保护。
发电机纵差保护，按比较发电机中性点TA与机端TA二次同名相电流的 大小及相位构成。发电机完全纵差保护的交流接入回路示意图如下：
五、发电机纵联差动保护
作为反应发电机内部定子绕组及其引出 线相间短路的主保护 。目前大容量发电机 组都是采用比率制动特性的纵联差动保护。 所谓比率制动特性就是指继电器的动作电 流随外部短路电流的增大而自动增大，而 且动作电流的增大比不平衡电流的增大还 要快。这样就可避免由于外部短路电流的 增大而造成继电器误动作，同时对于内部 短路故障又有较高的灵敏度。
下图为发电机纵差动保护的单相原理图，两组CT 特性、变比一致
I1
I2 I2 -I2
I1
D2
I2
Wg
Wzh
Wzh
I1 I2
I2 I2+
Wzh
I1 DI22
Wg
Wzh
同步发电机的纵差动保护
完全纵差动
不完全纵差动 图4.1 发电机完全纵差保护交流接入回路
• (1)完全差动保护:能反应发电机内部及引出线上的 相间短路、（但不能反应发电机内部匝间短路及 分支开焊）大电流系统侧的单相接地短路故障。
其动作方程为: Ikz＞Ig… Ikz——发电机两中性点之间的基波电流（TA二次值）； Ig——横差保护的动作电流整定值
名称
动作电流
动作时间
代号 整定范围
Ig 0.1~30
t1 0.1~10
单位
A
秒
3、发电机纵向零序电压式匝间保护
1）基本原理：发电机纵向零序电压式匝间保护，是发电机同相同分支匝 间短路及同相不同分支之间匝间短路的主保护。
器动作后，再跳开发电机断路器并灭磁；对水轮发电机，是指首先将 导水翼关到空载位置，再跳开发电机断路器并灭磁。 • 减励磁 将发电机励磁电流减到至定值。 • 励磁切换 将励磁电源系统由工作励磁电源系统切换到备用励磁电源 系统。 • 厂用电源切换 由厂用工作电源供电切换到备用电源供电。 • 分出口 动作于单独回路。 • 信号 发出声光信号。
I K I act
rel unb.max
I 0.1 K K K I n act
rel aper ss k.max TA
一般取为1.3 取1 型号相同时为0.5
Kbrk应按躲过区外三相短路时产生的最大暂态不平 衡差流来整定。通常，对发电机完全纵差Kbrk=0.3～ 0.5;
对于不完全纵差保护，当两侧差动TA型号不同 时，取Kbrk=0.5，以躲过区外故障因两侧TA暂态特性 不同及转子偏心而造成的不平衡差流等。
④负序电压U2 解除循环闭锁的负序电压（二次值）可取
U2 =（9～12）V。 ⑤差动速断倍数Is 对于发电机的差动速断，其作用相当于差动高
定值，应按躲过区外三相短路时产生的最大不平衡差 流来整定，一般取 Is =4～8（倍）。
⑥解除TA断线功能差流倍数Ict
通常 Ict = 0.8～1.2 IN.G。
一般 Iact0 =（0.3～0.4）IN.G ②拐点电流Ibrk0
Ibrk0的大小，决定保护开始产生制动作用的电 流大小，建议按躲过外部故障切除后的暂态过程中产 生的最大不平衡差流整定。
不完全纵差取值要大一点。 一般Ibrk0=（0.5～0.8）IN.G
③比率制动系数Kbrk（按避开外部） 1、 保护最大动作电流整定 1） 保护装置的最大动作电流按避开外部故障时 的最大不平衡电流整定。
发电机不完全纵差动保护一段使用单相出口方式。
IAN (K IAN) IAT
IBN (KIBN) IBT
ICN (KICN ) ICT
A相差动 B相差动 C相差动
&
TA断线信号
只一相
动作
&
信号
U2＞
&
+
出口
&
+
&
图10-5 循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图
发电机完全纵差动保护推荐使用循环闭锁出口方 式。
失步保护
保
护
低频保护
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 问路，以使转子回路电流 不会在定于绕组中再感应
断水或漏水保护 电势，继续供给短路电流。
断路器断口逆闪络保护
四. 发电机保护出口方式
• 如上所述，发电机不同的保护，出口方式不同。根据故障和异常运行 状态的性质及动力系统的条件，按规定分别作用于：
第五讲 发电机保护
• 发电机继电保护 • 同步发电机是电力系统最重要和昂贵的设备，它的安全
运行直接影响到电力系统的安全。然而，在发电机运行过 程中，其定子绕组和转子回路都可能出现故障和异常情况。 当故障发生后，对系统的影响较大，同时修复工作复杂且 工期长，经济损失也较大。因此，发电机必须装设专门的、 性能完善的继电保护装置。一旦发生故障，保护装置能快 速而有选择性地将发电机从系统中切除，并进行灭磁。同 步发电机处于不正常运行状态时，保护装置应能及时发出 信号，以便运行人员进行处理。
• 停机 是指断开发电机断路器、灭磁，对汽轮发电机还要关闭主汽门， 对水轮发电机还要关闭导水翼。
• 解列灭磁 是指断开发电机断路器，灭磁，汽轮机甩负荷。 • 解列 是指断开发电机断路器，汽轮机甩负荷。 • 减出力 是指将原动机出力减至给定值。 • 程序跳闸 对汽轮发电机来说，是指首先关闭主汽门，待逆功率继电
保护采用两段式：I段 为次灵敏段，II段为灵 敏段。动作方程:
3U 0＞3U oh
3U 0 3U 0l
(3U 0 3U 0l ) K Z U 03mU 03n
2）微机保护原理
构成原理：该保护反映的是发电机纵向零序电压的基波分量，并用其三次 谐波增量作为制动量。纵向零序电压取自机端专用TV的开口三角输出端。 TV应全绝缘,其一次中性点不允许接地，而是通过高压电缆与发电机中性 点联接起来。保护的交流接入回路如下：
发电机定子绕组
A
B
装置交流模件
C
逻辑框图
横差保护是发电机内部故障的主保护，动作应无延时。但考虑到 在发电机转子绕组两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使 保护误动，故在转子一点接地后，使横差保护带一短延时动作。 其逻辑框图如下：
I hz ＞Ig
转子一点 接地保护动作
&
&
t1
信号
+
出口
定值清单:
三 . 发电机的继电保护配置
• 根据GB/T 14285-2006《继电保护和安全自 动装置技术规程》的要求，发电机应装设 以下继电保护装置。
纵联差动保护 接地电容电流≥5A时动作于跳闸的零
接地保护 序电流保护
接地电容电流<5A时作用于信号
保护区为100％的定子接地保护
横联差动保护
负序过电流及单相式低电压起动过电流保护