第7章 发电机继电保护
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接于零序电流互感器上的发电机零序电流保护，其整 定值的选择原则如下： 1. 躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流以及由于零 序电流互感器一次侧三相导线排列不对称，而在二次侧引 起的不平衡电流。 2. 保护装置的一次动作电流应小于规定的允许值。 3. 为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起接地保护误动 作，应在相间保护动作时将接地保护闭锁。 4. 保护装置一般带有1~2 s的时限，以躲过外部单相接地瞬 间，发电机暂态电容电流的影响。 5. 为了减小死区的范围，尽量降低保护的起动电流。
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（二）躲过外部故障时的最大不平衡电流 整定电流： （7-1） 考虑非周期分量的影响，并将稳态不平衡电流计算式 Iunb 0.1Kst I k . max / KTA 带入（7-1）式得： I set .r 0.1Krel Knp Kst I k . max / KTA （7-2） K rel —可靠系数，取1.3 K np —非周期分量系数，当采用具有速饱和铁芯的差动继 电器时，取1 K st —电流互感器同型系数，当型号相同时取0.5
第7章 发电机继电保护
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状 态及其保护方式
7.1.1发电机的故障和异常运行状态
（一）发电机内部故障 发电机由定子绕组和转子绕组两部分构成。 常见故障： 1. 定子绕组相间短路； 2. 定子绕组单相匝间短路； 3. 定子绕组单相接地； 4. 转子绕组一点接地或两点接地； 5. 转子励磁回路电流消失。
图7.6 由负序功率闭锁的纵向零序电压匝间短路保护原理图
7.4 发电机定子绕组单相接地保护
根据安全运行经验： 当接地电容电流大于等于5A时，应装设动作于跳闸
的接地保护；当接地电流小于5A时，一般装设作用于信号
的接地保护。
7.4 发电机定子绕组单相接地保护
7.4.1 利用零序电流构成的定子接地保护
（一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护 不应误动 断线监视继电器的整定电流按躲开正常运行时的不平 衡电流整定，原则上越灵敏越好。根据经验，一般选择为：
I set .r 0.2I NG / KTA
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护 不应误动
2. 水轮机组 水轮机组出口处发生三相短路时的最大短路电流约为 I k .max 5I NG ，差动继电器中的整定电流为：
I set .r (0.5 ~ 0.6)I NG / KTA
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（三）灵敏度检效 灵敏度计算公式：
I k .min K sen 要求：一般不小于2 I set I k .min 为发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流时 考虑以下两种情况： 1）发电机与系统并列运行以前，在其出线端发生两相短路， ． ． ＇ ＇ ＇ 此时差动回路中只有发电机供给的短路电流 I 1，而 I ＇ =0； 1 2）发电机采用自同期并列时，发电机出线端发生两相短路， ． ． ＇ ＇ 差动回路只有系统供给的短路电流 I1 ，I1 =0 。
7.4 发电机定子绕组单相接地保护
7.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护
继电器的起动电压一般整定为15～30V左右。 为了减小死区，可采取如下措施来降低起动电压：
加装三次谐波带阻过滤器；
对于高压侧中性点直接接地电网，利用保护装 置的延时来躲过高压侧的接地故障；
在高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压 侧的零序电压将发电机接地保护闭锁或利用它对 保护实现制动。
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状 态及其保护方式
7.1.3 发电机保护装设的原则
发电机额定电压（kV） 6.3 发电机额定功率（MW） ≤50 汽轮发电机 10.5 水轮发电机 汽轮发电机 50～100 10～100 125～200 40～225 3 接地电容电流允许值 (A) 4
13.8~15.75
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护 不应误动 保护装置整定电流
I set Krel I NG
继电器的整定电流
I set .r Krel I NG / KTA
K TA —电流互感器变比
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其 保护方式
7.1.3 发电机保护装设的原则
总的原则 针对发电机的故障类型和不正常状态，根据发电机的容量 和重要程度和规程规定配置相应的保护 保护配置 1. 纵差动保护：对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线 的相间短路 2. 接地保护：对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故 障，当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用） 大于规定的允许值时,应装设有选择性的接地保护装置. （如图7.1）
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及 其保护方式
7.1.1发电机的故障和异常运行状态
（二）发电机的不正常运行状态 不正常运行状态 1. 外部短路引起的定子绕组过电流； 2. 负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷； 3. 外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电 流和过负荷； 4. 突然甩负荷而引起的定子绕组过电压； 5. 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. 汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行等。
7.2 发电机的纵差动保护
纵差保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的 主保护，因此，它应能快速切断内部所发生的故障，同时
在正常运行及外部故障时，又应能保证动作的选择性和工
作的可靠性。
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.1工作原理
利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相 位的原理构成，因此在发电机中性点侧和引出线侧装设特 性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差动保护。
水轮发电机 300～600
2*
18~20
1
图 7.1发电机定子绕组单相接地故障电流允许值 * 对氢冷发电机为2.5
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其 保护方式
7.1.3 发电机保护装设的原则
3. 匝间短路保护：对于定子绕组匝间短路，当定子绕组采用 星形接线，每相有并联分支且中性点侧引出端安装CT时， 应装设横差保护。 4. 外部短路引起的过电流保护：对于发电机外部短路引起的 过电流可采用以下保护方式： 负序过电流保护或单相式低压启动过电流保护 复合电压启动过电流保护 过流保护 对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护；
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护 方式 7.1.2大型发电机组的特点及对继电保护的要求
对继保提出的新要求： 装设具有反时限特性的过负荷保护及过电流保护。
大型机组更需要性能完善的失磁保护
用灵敏的匝间短路保护和漏水保护 装气隙不均保护和设计新的反应匝间短路的横差保护 考虑后备保护灵敏度问题
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.2 单元件横差保护
图7.5 发电机定子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
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.2 单继电器横差保护 如（a）所示，当某一绕组内发生匝间短路时，由于 故障支路与非故障支路的电动势不相等，因此，有一个环 流产生，这时在差动回路中将有电流，当此电流大于继电 器的整定电流时，保护动作。短路匝数 越多，则环流越 大，而当 较小时，保护就不动作。因此，保护是有死区 的。 如（b）所示，在同相的两个分支间发生匝间短路， '' I r 3I / K 当α I k'1≠α2 I时，由于两个分支存在电势差，将分别出现两个 k 环流 和 ，流入继电器内的电流为 。若这种 短路发生在等位点上（即α1＝α2）时，将不会有环流。因 此，α1＝α2或α1≈α2 时，保护也出现死区。
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.1 装设匝间短路保护的必要性
根据情况出现了以下观点： 1. 定子绕组匝间绝缘强度高于对地绝缘强度，可以不装匝间 短路保护。 2. 大型机组的定子同槽上下层线棒同属一相的很少，不再装 设匝间短路保护。 总结：随着单机容量的增大，发电机定子绕组的并联分支数 将增多，不考虑定子匝间短路及其保护是不合理的。
保护装置采用三相式 接线，在差动回路的中线 上接有断线监视继电器器 KA，当任一相电流互感器 回路断线时，它都能动作， 经过延时发出信号。 为了使差动保护的范 围能包括发电机引出线 （或电缆）在内，因此所 使用的电流互感器应装设 在靠近断路器的位置。
图7.4 具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线图
图7.7 发电机电压系统的对地电容分布图
7.4 发电机定子绕组单相接地保护
7.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护
为提高可靠性，两部分的保护区应相互重叠。 构成第二部分保护的方案主要有： 1. 发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相电压的10 ％～15％。当发电机定子绕组接地时，利用此偏移电压来加大 故障点的电流（其值限制在10～25A左右），接地保护即反应 于这个电流而动作，使发电机跳闸。 2. 附加直流或低频（20Hz或50Hz）电源，通过发电机端的电压 互感器将其电流注入发电机定子绕组，当定子绕组接地时，保 护装置将反应于此注入电流的增大而动作。 3. 利用发电机固有的三次谐波电势，以发电机中性点侧和机端侧 三次谐波电压比值的变化，或比值和方向的变化，来作为保护 动作的判据。
I set (0.2 ~ 0.3) I NG
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.3 定子绕组零序电压原理的匝间短路保护
当发电机正常运行和外部相间短路 时，TVN1辅助二次绕组没有输出电压， 即3U0=0。 当发电机内部或外部发生单相接地 故障时，中性点电位升高为U0 ，由于 TVN1一次侧中性点不接地，开口三角 绕组输出电压为0V。 保护的零序动作电压由正常运行负 荷工况下的零序不平衡电压U0.unb决 定。
'' k TA
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.2 单继电器横差保护
根据定子绕组匝间短路的特点，横差保护有两种接线方式： 1. 比较每相两个分支绕组的电流之差。 2. 在两组星形接线的中性点连线上装设一个电流互感器，将 一组星形接线绕组的三相电流之和与另一组星形接线绕组 的三相电流之和进行比较 保护装置的整定电流，通常取发电机定子绕组额定电流 20～30％，即：
图7.2 发电机纵差保护单相原理图 （a）内部故障情况（b）正常运行及外部故障情况
wenku.baidu.com 7.2 发电机的纵差动保护
7.2.1工作原理
纵差保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护。 保护原理：利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和 相位的原理构成。
图7.3 发电机纵差保护单相原理图 （a）内部故障情况 （b）正常运行及外部故障情况
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.1工作原理
发电机内部故障时，如图（a）中的k1点短路，两侧 ． ． 电流互感器的一、二次侧电流如图所示，差动继电器中的 ． ． ＇ ＇ ＇ ＝ I２ ＋ I ２ 。当 Iｄ大于继电器的整定电流 电流为 I kｄ 时，继电器动作。 ． ． 在正常运行或保护区外故障时，流过继电器的电流为 ． ＇ ＇ ＇ ＝ I － I 两侧电流之差（ I kｄ ２ ２ ），如图7.1（b）所示 （短路点k2）。 在循环电流回路两臂引线阻抗相同、两侧电流互感器 特性完全一致和铁芯剩磁一样的理想情况下，两侧二次电 ． ． ＇ ＇ 流相等（ I２＝ I ＇ ２ ），流过继电器的电流为零。但实际上 差动继电器中流过不大的电流，此电流称为不平衡电流。
I set .r Krel Iunb.max
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（二）躲过外部故障时的最大不平衡电流 1. 汽轮机组 汽轮机组出口处发生三相短路的最大短路电流约为 I k .max 8I NG ，带入（7-2），差动继电器的整定电流为：
I set .r (0.5 ~ 0.6)I NG / KTA
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（二）躲过外部故障时的最大不平衡电流 整定电流： （7-1） 考虑非周期分量的影响，并将稳态不平衡电流计算式 Iunb 0.1Kst I k . max / KTA 带入（7-1）式得： I set .r 0.1Krel Knp Kst I k . max / KTA （7-2） K rel —可靠系数，取1.3 K np —非周期分量系数，当采用具有速饱和铁芯的差动继 电器时，取1 K st —电流互感器同型系数，当型号相同时取0.5
第7章 发电机继电保护
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状 态及其保护方式
7.1.1发电机的故障和异常运行状态
（一）发电机内部故障 发电机由定子绕组和转子绕组两部分构成。 常见故障： 1. 定子绕组相间短路； 2. 定子绕组单相匝间短路； 3. 定子绕组单相接地； 4. 转子绕组一点接地或两点接地； 5. 转子励磁回路电流消失。
图7.6 由负序功率闭锁的纵向零序电压匝间短路保护原理图
7.4 发电机定子绕组单相接地保护
根据安全运行经验： 当接地电容电流大于等于5A时，应装设动作于跳闸
的接地保护；当接地电流小于5A时，一般装设作用于信号
的接地保护。
7.4 发电机定子绕组单相接地保护
7.4.1 利用零序电流构成的定子接地保护
（一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护 不应误动 断线监视继电器的整定电流按躲开正常运行时的不平 衡电流整定，原则上越灵敏越好。根据经验，一般选择为：
I set .r 0.2I NG / KTA
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护 不应误动
2. 水轮机组 水轮机组出口处发生三相短路时的最大短路电流约为 I k .max 5I NG ，差动继电器中的整定电流为：
I set .r (0.5 ~ 0.6)I NG / KTA
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（三）灵敏度检效 灵敏度计算公式：
I k .min K sen 要求：一般不小于2 I set I k .min 为发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流时 考虑以下两种情况： 1）发电机与系统并列运行以前，在其出线端发生两相短路， ． ． ＇ ＇ ＇ 此时差动回路中只有发电机供给的短路电流 I 1，而 I ＇ =0； 1 2）发电机采用自同期并列时，发电机出线端发生两相短路， ． ． ＇ ＇ 差动回路只有系统供给的短路电流 I1 ，I1 =0 。
7.4 发电机定子绕组单相接地保护
7.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护
继电器的起动电压一般整定为15～30V左右。 为了减小死区，可采取如下措施来降低起动电压：
加装三次谐波带阻过滤器；
对于高压侧中性点直接接地电网，利用保护装 置的延时来躲过高压侧的接地故障；
在高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压 侧的零序电压将发电机接地保护闭锁或利用它对 保护实现制动。
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状 态及其保护方式
7.1.3 发电机保护装设的原则
发电机额定电压（kV） 6.3 发电机额定功率（MW） ≤50 汽轮发电机 10.5 水轮发电机 汽轮发电机 50～100 10～100 125～200 40～225 3 接地电容电流允许值 (A) 4
13.8~15.75
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（一）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护 不应误动 保护装置整定电流
I set Krel I NG
继电器的整定电流
I set .r Krel I NG / KTA
K TA —电流互感器变比
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其 保护方式
7.1.3 发电机保护装设的原则
总的原则 针对发电机的故障类型和不正常状态，根据发电机的容量 和重要程度和规程规定配置相应的保护 保护配置 1. 纵差动保护：对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线 的相间短路 2. 接地保护：对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故 障，当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用） 大于规定的允许值时,应装设有选择性的接地保护装置. （如图7.1）
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及 其保护方式
7.1.1发电机的故障和异常运行状态
（二）发电机的不正常运行状态 不正常运行状态 1. 外部短路引起的定子绕组过电流； 2. 负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷； 3. 外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电 流和过负荷； 4. 突然甩负荷而引起的定子绕组过电压； 5. 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. 汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率运行等。
7.2 发电机的纵差动保护
纵差保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的 主保护，因此，它应能快速切断内部所发生的故障，同时
在正常运行及外部故障时，又应能保证动作的选择性和工
作的可靠性。
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.1工作原理
利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相 位的原理构成，因此在发电机中性点侧和引出线侧装设特 性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差动保护。
水轮发电机 300～600
2*
18~20
1
图 7.1发电机定子绕组单相接地故障电流允许值 * 对氢冷发电机为2.5
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其 保护方式
7.1.3 发电机保护装设的原则
3. 匝间短路保护：对于定子绕组匝间短路，当定子绕组采用 星形接线，每相有并联分支且中性点侧引出端安装CT时， 应装设横差保护。 4. 外部短路引起的过电流保护：对于发电机外部短路引起的 过电流可采用以下保护方式： 负序过电流保护或单相式低压启动过电流保护 复合电压启动过电流保护 过流保护 对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护；
7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护 方式 7.1.2大型发电机组的特点及对继电保护的要求
对继保提出的新要求： 装设具有反时限特性的过负荷保护及过电流保护。
大型机组更需要性能完善的失磁保护
用灵敏的匝间短路保护和漏水保护 装气隙不均保护和设计新的反应匝间短路的横差保护 考虑后备保护灵敏度问题
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.2 单元件横差保护
图7.5 发电机定子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
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.2 单继电器横差保护 如（a）所示，当某一绕组内发生匝间短路时，由于 故障支路与非故障支路的电动势不相等，因此，有一个环 流产生，这时在差动回路中将有电流，当此电流大于继电 器的整定电流时，保护动作。短路匝数 越多，则环流越 大，而当 较小时，保护就不动作。因此，保护是有死区 的。 如（b）所示，在同相的两个分支间发生匝间短路， '' I r 3I / K 当α I k'1≠α2 I时，由于两个分支存在电势差，将分别出现两个 k 环流 和 ，流入继电器内的电流为 。若这种 短路发生在等位点上（即α1＝α2）时，将不会有环流。因 此，α1＝α2或α1≈α2 时，保护也出现死区。
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.1 装设匝间短路保护的必要性
根据情况出现了以下观点： 1. 定子绕组匝间绝缘强度高于对地绝缘强度，可以不装匝间 短路保护。 2. 大型机组的定子同槽上下层线棒同属一相的很少，不再装 设匝间短路保护。 总结：随着单机容量的增大，发电机定子绕组的并联分支数 将增多，不考虑定子匝间短路及其保护是不合理的。
保护装置采用三相式 接线，在差动回路的中线 上接有断线监视继电器器 KA，当任一相电流互感器 回路断线时，它都能动作， 经过延时发出信号。 为了使差动保护的范 围能包括发电机引出线 （或电缆）在内，因此所 使用的电流互感器应装设 在靠近断路器的位置。
图7.4 具有断线监视装置的发电机纵差保护原理接线图
图7.7 发电机电压系统的对地电容分布图
7.4 发电机定子绕组单相接地保护
7.4.2 利用零序电压构成的定子接地保护
为提高可靠性，两部分的保护区应相互重叠。 构成第二部分保护的方案主要有： 1. 发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相电压的10 ％～15％。当发电机定子绕组接地时，利用此偏移电压来加大 故障点的电流（其值限制在10～25A左右），接地保护即反应 于这个电流而动作，使发电机跳闸。 2. 附加直流或低频（20Hz或50Hz）电源，通过发电机端的电压 互感器将其电流注入发电机定子绕组，当定子绕组接地时，保 护装置将反应于此注入电流的增大而动作。 3. 利用发电机固有的三次谐波电势，以发电机中性点侧和机端侧 三次谐波电压比值的变化，或比值和方向的变化，来作为保护 动作的判据。
I set (0.2 ~ 0.3) I NG
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.3 定子绕组零序电压原理的匝间短路保护
当发电机正常运行和外部相间短路 时，TVN1辅助二次绕组没有输出电压， 即3U0=0。 当发电机内部或外部发生单相接地 故障时，中性点电位升高为U0 ，由于 TVN1一次侧中性点不接地，开口三角 绕组输出电压为0V。 保护的零序动作电压由正常运行负 荷工况下的零序不平衡电压U0.unb决 定。
'' k TA
7.3 发电机定子绕组匝间短路保护
7.3.2 单继电器横差保护
根据定子绕组匝间短路的特点，横差保护有两种接线方式： 1. 比较每相两个分支绕组的电流之差。 2. 在两组星形接线的中性点连线上装设一个电流互感器，将 一组星形接线绕组的三相电流之和与另一组星形接线绕组 的三相电流之和进行比较 保护装置的整定电流，通常取发电机定子绕组额定电流 20～30％，即：
图7.2 发电机纵差保护单相原理图 （a）内部故障情况（b）正常运行及外部故障情况
wenku.baidu.com 7.2 发电机的纵差动保护
7.2.1工作原理
纵差保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护。 保护原理：利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和 相位的原理构成。
图7.3 发电机纵差保护单相原理图 （a）内部故障情况 （b）正常运行及外部故障情况
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.1工作原理
发电机内部故障时，如图（a）中的k1点短路，两侧 ． ． 电流互感器的一、二次侧电流如图所示，差动继电器中的 ． ． ＇ ＇ ＇ ＝ I２ ＋ I ２ 。当 Iｄ大于继电器的整定电流 电流为 I kｄ 时，继电器动作。 ． ． 在正常运行或保护区外故障时，流过继电器的电流为 ． ＇ ＇ ＇ ＝ I － I 两侧电流之差（ I kｄ ２ ２ ），如图7.1（b）所示 （短路点k2）。 在循环电流回路两臂引线阻抗相同、两侧电流互感器 特性完全一致和铁芯剩磁一样的理想情况下，两侧二次电 ． ． ＇ ＇ 流相等（ I２＝ I ＇ ２ ），流过继电器的电流为零。但实际上 差动继电器中流过不大的电流，此电流称为不平衡电流。
I set .r Krel Iunb.max
7.2 发电机的纵差动保护
7.2.2 整定原则
（二）躲过外部故障时的最大不平衡电流 1. 汽轮机组 汽轮机组出口处发生三相短路的最大短路电流约为 I k .max 8I NG ，带入（7-2），差动继电器的整定电流为：
I set .r (0.5 ~ 0.6)I NG / KTA