第七章发电机保护

7.2 发电机的纵差动保护
纵差保护作用：反应发电机定子绕组及其引 出线的相间短路，是发电机的主要保护。
图7-1 发电机纵差动保护原理图
保护基本原理：比较发电机 两侧的电流的大小和相位， 它是反映发电机及其引出线 的相间故障。发电机纵联差 动保护的构成的两侧电流互 感器同变比、同型号。
正常运行及外部故障时：
图7-2 比率制动式差动 继电器原理接线图
基本原理：是基于保护的动作电流随着外部故障 的短路电流而产生的最大不平衡电流的增大而按 比例的线性增大，且比最大不平衡电流增大的更 快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误 动作。
制动电流：将外部故障的短路电流作为制动 电流。
差动电流：把流入差动回路的电流作为动作 电流。
7.5 发电机的其他保护
一、发电机的负序过电流保护 电力系统不对称短路或三
相负荷不平衡时，在发电机定 子绕组中将出现负序电流。
负序电流引起发热、受热松 脱、振动，导致事故。
随着发电机组容量不断增 大，它所允许的承受负序过负 荷的能力也随之下降。此外， 由于大容量机组的额定电流很 大，而在相邻元件末端发生两 相短路时的短路电流可能较小， 此时采用复合电压启动的过电 流保护往往不能满足作为相邻 元件后备保护时对灵敏性的要
发电机定子绕组单相接地产生 的零序电流既和故障点位置有关， 也和所连元件多少有关。
1、发电机直接与母线连接（零序电 流大）
2、发电机-变压器组（零序电流小） 采用零序电压保护
二、利用零序电压构成的发电机定子绕组接地保护
图7-10 发电机变压器组单相接地信号装置接线图
零序电压滤过器，其一次绕组接成 星形并将中性点接地，其二次绕组接成
图7-3 比率制动特性曲线
7.3 发电机匝间短路的横差动保护
在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相 都是由两个或多个并联的绕组组成。在正常运行的时 候，各绕组中的电动势相等，流过相等的负荷电流。 而当任一绕组发生匝间短路时，绕组中的电动势就不 再相等，因而会出现因电动势差而在各绕组间产生均 衡电流。利用这个环流，可以实现对发电机定子绕组 匝间短路的保护，即横差动保护。以一个每相具有两 个并联分支绕组的发电机为例，发生不同性质的同相 内部短路时横差动保护的原理可由图7-4和图7-5来说 明。
7.4 发电机定子绕组单相接地保护
一、发电机定子绕组单相接地的特点
目前发电机中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，
当发电机内部发生单相接地故障时，流经接地点的电流仍
为发电机所在电压网络对地电流的总和。大型发电机由于
造价昂贵，结构复杂，检修困难，且ຫໍສະໝຸດ Baidu量的增大使得其接
地故障电流也随之增大，
为了防止故障电流烧坏铁芯，
失磁保护的构成：检测失磁 运行的阻抗元件、监视母线电 压降落的低电压元件和防止误 动作的闭锁元件。
失磁后若不危及系统安全运 行，可采用减无功功率、切换 励磁等以恢复同步运行；若电 压低于临界电压时应动作于跳 闸。
三、大发电型机汽的轮逆机功在率运保行护 中由于各种原因关闭主汽 门后，发电机将从电力系统吸收能量变为电动 机运行。由于逆功率运行时没有蒸汽流过汽轮 机，故风损造成的热量不能被带走，气轮机叶 片将会过热而导致损坏。而且发电机变为电动 机运行时，燃汽轮机可能有齿轮损坏的问题。 故为了及时发现发电机的逆功率运行的异常工 作状况，一般对大、中型机组都装设逆功率保 护。保护装置由灵敏的功率继电器构成，带时 限动作于信号，经长时限动作于解列。
目前广泛应用的接线方式 如图7-6所示，这种接线方式 只用一个互感器装于发电机 两组星形中点的连线上，其 本质是把一半绕组的三相电 流之和去与另一半绕组三相 电流之和进行比较。这种接 线方式没有由于互感器误差 所引起的不平衡电流，其起 动电流比较小，灵敏度高， 且接线非常简单。
图7-6 单元横差动保护 接线原理图
应的励磁电流。
二、发电机的失磁保护
发电机失磁后，对电力系统和发电 机本身会产生诸多不利影响，如需要从 电力系统中吸收很大的无功功率以建立 发电机的磁场；由于从电力系统中吸收 无功功率将引起电力系统电压下降，如 果电力系统的容量较小或无功功率储备 不足，则可能使失磁发电机的机端电压、 升压变压器高压侧的母线电压或其他邻 近的电压低于允许值，从而破坏了负荷 与各电源间的稳定运行，甚至可能因电 压崩溃而使系统瓦解。
3
图7-8 发电机内部单相接
当中性点不接地时，故障点的接地电流为 地时机端电压相量图
•
•
Ikaj3(CfCw)EA
当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流为
I•kaj1L3(CfCw)E •A
图7-9 发电机定子绕组单相接地时的零序等效网络 (a)中性点不接地；(b)中性点经消弧线圈接地
发电机定子绕组单相接地产生 的零序电压随故障点位置的不同而 改变。
K1
nI T1AnI T2AI 1 I2 0
I1
I1 nTA
I2 nTA
Iun.max
I1 n TA
I2
I2
n TA
保护区内故障：
I1
I 1 I 2 KTA 1 KTA 2
I 1I 2 nI T k2A
I2
Id I2 /nTA
I1 n TA
K2
I2 n TA
一、传统纵差动保护整定方法
按照以下两个原则来整定：
(1) 在正常情况下，电流互感器二次回路断线时保 护不应误动。
保护装置和继电器的起动电流分别为
Id KrelIgN
IKdKrelIgN/nTA
(2) 保护装置的起动电流按躲开外部故障时的最 大不平衡电流整定，此时起动电流应整定为
IdK relIunb.m ax
再根据前面章节对不平衡电流的分析，有
Id 0 .1 K re lK n p K stIk .m a x/n T A
图7-4 一个绕组内部匝间短路 的横差动保护
图7-5 同相不同绕组匝间短路的 横差动保护
横差动保护有两种接线方式，一种是每相装设两个电流互
感器和一个继电器构成单独的保护，其原理接线图如图7-4、75。这样，三相共需要六个互感器和三个继电器。由于这种方式 接线复杂，保护中的不平衡电流较大，在实际中已经很少采用。
(1)启动电流的整定。 Id.m inK rel(Ier1Ier2)
(2)拐点电流的整定。
Ires.m in(0 .5~ 1 .0 )Ig N Id. min
(3)比率制动特性的制动 系数制动线斜率的整定 。 Kres Iunb. max
Ik. max
K Iunb. maxId. min I I k.max res.min
开口三角形。
三、发电机100%定子绕组单相 接地保护的基本原理
当中性点附近发生接地保护
时，零序电压和零序电流都小 于保护动作值，零序电压保护 和零序电流保护都将出现死区。
发电机100%定子绕组接地保护种 类很多，广泛使用的是利用三次谐波电 压构成的100%定子绕组接地保护。该 保护保护一般由两部分组成：一部分是 零序电压保护，保护定子绕组的85%以 上；另一部分利用发电机三次谐波电压 构成，它用来消除零序电压保护的死区， 从而实现保护100%定子绕组的接地保 护。为可靠起见，两部分保护区有一段 重叠。
大型发电机有的装设了消弧线
圈，通过消弧线圈的电感电流
与接地电容电流的相互抵消，
把定子绕组单相接地电容电流
限制在规定的允许值之内。
图7-7发电机定子绕组单相接地电路
•
U
AD
(1
•
)E
A
•
•
•
U BK E B E A
•
•
•
U CK E C E A
U •0 k α1(U •A D U •B K U •C K )E •A
利用发电机三次谐波电压构成的部 分，其原理是利用发电机中性点和出线 端的三次谐波电压在正常运行和接地故 障时变化相反的特点构成。
正常运行时，发电机中性点的三次
谐波电压比发电机出线端的三次谐波电 压大；而在发电机内部定子接地时，出 线端的三次谐波却比中性点的大。
使发电机出口的三次谐波电压成 为动作分量，而使中性点的三次谐 波分量成为制动分量，从而使发电 机出口三次谐波电压大于中性点三 次谐波电压时让继电器动作。这样， 保护就会在正常时制动，而在定子 绕组接地时保护可靠动作。
在这种情况下，采用负序
过电流保护作为后备保护，就 可以提高不对称短路时的灵敏 性。由于负序过电流保护不能 反应于三相短路，因此，当用 它作为后备保护时，还需要附 加装设一个单相式的低电压启 动过电流保护，以专门反应三 相短路。
二、发电机的失磁保护
发电机失磁是指励磁电流突
然消失或下降到静稳极限所对
四、发电机的失步保护
对于中小机组，通常都不装设失步 保护。当系统发生振荡时，由运行人员 来判断，然后利用人工增加励磁电流、 增加或减少原动机出力、局部解列等方 法来处理。对于大机组，这样处理将不 能保证机组的安全，通常需要装设用于 反应振荡过程的专门的失步保护。
失步的危害
1、停机、停炉 2、定子绕组受机械损伤 3、定子绕组过热而损坏 4、汽轮发电机轴系扭转振荡 5、定子绕组端部振荡
二、比率制动式纵差动保护整定方法
对于大容量的发电机（100MW及 以上），为了减少故障发生于发 电机中性点附近而出现的纵差动 保护的死区，要求将纵联保护的 动作电流降低，提高保护动作的 灵敏性，并要保证在区外短路时 保护可靠不误动。考虑到不平衡 电流随着流过电流互感器TA电流 的增加而增加，往往采用性能更 好的比率制动式纵差动保护，使 其动作值随着外部短路电流的增 大而自动增大（即利用外部故障 时的穿越电流实现制动，其原理 接线如图7-2所示。
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状 态及其保护方式
一、发电机故障和不正常运行状态 发电机的故障类型主要有： (1)定子绕组相间短路。 (2)定子一相绕组内的匝间短路。 (3)定子绕组单相接地。 (4)转子绕组一点接地或两点接地。 (5)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： (1)由于外部短路引起的定子绕组过电流； (2)由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对 称过负荷； (3)由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； (4)由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压； (5)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； (6)由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆 功率等。