发电机定子接地保护

发电机失磁影响



（1）需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。所需无功功率 的大小，主要取决于发电机的参数（X1、X2、Xad）以及实际运行时的转差 率。汽轮发电机与水轮发电机相比，前者的同步电抗 Xd=X1+Xad较大，所需 无功功率较小。假设失磁前发电机向系统送出无功功率 Q1，而在失磁后从系 统吸收无功功率Q2，则系统中将出现的无功功率缺额(Q1+Q2)。失磁前带的有 功功率越大，失磁后转差就越大，所吸收的无功功率也就越大，因此，在重 负荷下失磁进入异步运行后，如不采取措施，发电机将因过电流使定子过热。 （2）由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，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、或其它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) 失磁后发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路中将产生 频率为ff-fs的交流电流，即差频电流。差频电流在转子回路中产生的损耗， 如果超出允许值，将使转子过热。特别是直接冷却的大型机组，其热容量的 裕度相对降低，转子更易过热。而流过转子表层的差频电流，还可能使转子 本体与槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热。
I2
I2up t A I K2
2 2
I2m t(s) tup t1
负序反时限过流保护动作特性
YH
0 Y


不对称过 负荷信号 7

信 号 6


Ｉ 1 LH U<2 2 过滤器

t


5 t

I2 I2
a b c
3
I2
4
I2
发电机的失磁保护


发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引 起失磁的原因有：转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误 跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操 作等。对各种失磁故障综合起来看，有以下几种形式：励磁绕组 直接短路或经励磁电机电枢绕组闭路而引起的失磁、励磁绕组开 路引起的失磁、励磁绕组经灭磁电阻短接而失磁，励磁绕组经整 流器闭路（交流电源消失）失磁。 当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。由于发电 机的感应电势Ed随着励磁电流的减小而减小，因此，其电磁转矩 也将小于原动机的转矩，因而引起转子加速，使发电机的功角δ 增大。当δ 超过静态稳定极限角时，发电机与系统失去同步。发 电机失磁后将从电力系统中吸取感性无功功率。在发电机超过同 步转速后，转子回路中将感应出频率为ff-fs（ ff此处为对应发电 机转速的频率，fs为系统的频率）的电流，此电流产生异步转矩。 当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运 行。
保护动作逻辑
机端TV 开口三角电压 信号
3U0>
&
TV断线
t
出口

信号
中性点零序电压
3U0>
t
信号
出口
当零序电压式定子接 地保护的输入电压取 自机端TV开口三角形 绕组时，为确保TV一 次断线时保护不误动， 需引入TV断线闭锁。
机端TV开口三角
> 3U 0
&
t
性点零序电压
> 3U 0
&
10

叠加电源方式的100%定子单相接地保护采用叠加低频电源方 式，叠加电源频率主要是12.5Hz和20Hz两种，由发电机中性点 变压器或发电机端TV开口处注入一次发电机定子绕组。这种 方式能够独立地检测接地故障，与发电机的运行方式无关；不 仅在发电机正常运行的状态下可以检测，而且在发电机静止或 是启动、停机的过程中同样能够检测故障。更重要的是，这种 方式对定子绕组各处故障检测的灵敏度相同。
注：1）对氢冷发电机为 2.5。
单相接地故障时的零序电压
U AD

d
EA

U CD

U d 0 E U BD A



U AD (1 ) E A U BD E B E A U CD E C E A

Cf
表 发电机额定电压(kV) 6.3 10.5 13.8~15.75 18~20 发电机定子绕组单相接地故障电流允许值 发电机额定容量（MW） 接地电流允许值(A) <50 4 50~100 汽轮发电机 3 10~100 水轮发电机 125~200 汽轮发电机 1） 2 40~225 水轮发电机 300~600 1
S3
N
E3 Cf 2 Cf 2
S
N
E3 Cf 2 Cf 2
S
U N3
Cw
U S3
UN3
3L
Cw
U S3

发电机三次谐波电势和对地电容的等值电路图
3 (3L)( X N3 j 2 ) 3C f 2 3C f
3 (3L)
X N3 j
6 (7C f 2C w )
U S3 7 U N3 9
Ud 0 1.0 0.5 0 0.5 1.0

3U0>
t/0
发信或跳闸
零序电压保护的出口方式：发信或跳闸。当动作于跳闸且零序电压 取自发电机机端TV的开口△绕组时需要装设TV断线闭锁。
利用零序电压的定子单相接地保护



该保护反映发电机的基波零序电压大小，而零序电压取自发 电机机端TV的开口△绕组或中性点TV二次侧(也可从消弧线 圈副方绕组取得)。 由于发电机正常运行时，相电压中含有三次谐波，因此，在 机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出， 此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高低绕 组之间有电容存在，在发电机机端也会产生零序电压。因此， 为了保证选择性，保护要具有三次谐波滤除功能，并且整定 时要躲过正常运行时的不平衡电压以及变压器高压侧接地时 在发电机端所产生的零序电压。 零序电压保护的出口方式：发信或跳闸。当动作于跳闸且零 序电压取自发电机机端TV的开口△绕组时需要装设TV断线 闭锁。
X S3 j
2 3 (C f 2C w )
7C f 2C w U S3 X S3 U N 3 X N 3 9(C f 2C w )
（中性点）
（机端） U N3
E3
U S3
E3
0
20Байду номын сангаас
40
60
80
100 (%)
| U S 3 / U N 3 |

其中 为整定比值。需要指出，发电机中 性点不接地或经消弧线圈接地与发电机经配电 变压器高阻接地时，两者的比值整定值是有区 别的。 | U S 3 K pU N 3 | | U N 3 |

负序电流在转子中所引起的发热量，正比于负 序电流的平方及所持续的时间的乘积。在最严 重的情况下，假设发电机转子为绝热体（即不 向周围散热），则不使转子过热所允许的负序 电流和时间的关系，可用下式表示

0
t
2 2 i2 dt I 2 *t A
I 2*
2 i 2 dt 0
t
t
式中：i2——流经发电机的负序电流值； t—— i2所持续的时间； 2 2 I—— 2* 在时间t内 的平均值，应采用以发电机额定电流为基准的标么值 i2 ； A——与发电机型式和冷却方式有关的常数。
发电机定子接地保护
发电机定子绕组单相接地保护
由于发电机容易发生绕组线棒和定子铁芯 之间绝缘的破坏，因此发生单相接地故障 的比例很高，约占定子故障的70~80%。 由于大型发电机组定子对地电容较大，当 发电机机端附近发生接地故障时，故障点 的电容电流比较大，影响发电机的安全运 行； 同时由于接地故障的存在，会引起接地弧 光过电压，可能导致发电机其它位置绝缘 的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路 故障。
利用零序电压的定子单相接地保护

故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而改变， 越靠近机端，故障点的 零序电压就越高，因此可以利用基波零序电压构成定子单相接地保护，通常 零序电压保护用于发电机变压器组，该保护反映发电机的基波零序电压大小， 而零序电压取自发电机机端TV的开口△绕组或中性点TV二次侧(也可从消弧线 圈副方绕组取得)。由于发电机正常运行时，相电压中含有三次谐波，因此， 在机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出，此外，当变 压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高低绕组之间有电容存在，在发电 机机端也会产生零序电压。因此，为了保证选择性，保护要具有三次谐波滤 除功能，并且整定时要躲过正常运行时的不平衡电压以及变压器高压侧接地 时在发电机端所产生的零序电压。
Cw
EC

EB

图
（a）电路图 发电机定子绕组单相接地时的电路图和相量图
（b）相量图
U d 0

1 (U AD U BD U CD ) E A 3
发电机定子接地时的零序网络图
d
(1 )C f Cw
d
(1 )C f 3L
C f
U d 0
C f
U d 0
Cw
（a）中性点不接地 （b）中性点经消弧线圈接地 图 发电机内部单相接地时的零序等效网络
当中性点不接地时，故障点的接地电流为
I d j3 (C f C w ) E A
当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流为
1 j[ 3 (C f C w )] E A L


I d
当机端发生单相接地故障时，接地电流最大 I d max

1 j[ 3 (C f C w )] E A L



经消弧线圈接地可补偿故障接地容性电流。在装设消弧线圈时， 要采用过补偿方式选择线圈的电感L，使得补偿的感性电流大 于接地容性电流，以防止系统总容抗和消弧线圈的感抗在数值 上相等，发生共振而引起过电压。而在大型发电机变压器组单 元接线的情况下，由于总电容为定值，要采用欠补偿运行方式， 即补偿的感性电流小于接地容性电流，这样有利于减小电容耦 合传递的过电压。 当发电机电压网络的接地电容电流大于允许值时，不论该网络 是否装有消弧线圈，接地保护动作于跳闸；当接地电流小于允 许值时，接地保护动作于信号，即可以不立即跳闸，由值班人 员请示调度中心后，转移故障发电机的负荷，然后平稳停机进 行检修。 对于中小型发电机，通常采用零序电压定子单相接地构成保护， 由于整定值要避开不平衡电压，保护区一般只能达到定子绕组 的85~95%，故在发电机中性点附近存在着死区。实现发电机定 子100%接地保护主要利用三次谐波电压或是叠加电源与零序电 压配合构成。
TV断线信号
利用零序电压和三次谐波电压构成的100％定子单相接地保护


由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在 定子绕组中感应的电势除基波分量外，还含有高次谐波分量。 其中三次谐波分量是零序性质的分量，它虽然在线电势中被消 除，但是在相电势中依然存在。 如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点 N 和机端S，且每相的电容大小都是0.5Cf,并将发电机端引出线、 升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电 容也等效在机端Cw，并设三次谐波电势为 E3，那么当发电机中 性点不接地时，其等值电路如图所示。这时中性点及机端的三 次谐波电压分别为

发电机定子绕组单相接地故障电流允许值

中性点不接地的发电机，当发电机内部单相接地时，接地电容电 流应在规定的允许值之内，如下表所示。大型发电机由于造价昂 贵，结构复杂，检修困难，且容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，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， 把定子单相接地故障电流限制在规定的允许值之内。
外加20Hz 电源
滤波
Usef 接地变压器 a
R2 分压 R1负载
叠加20Hz低频电源方
b
G
Isef
式的100%定子单相接地 保护原理图
电流互感器
a
b
中性点变压器
反时限负序电流保护


当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情况下三相负荷 不平衡时，在发电机定子绕组中将出现负序电流，此电流在 发电机空气隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为两倍的同 步转速，因此将在转子绕组、阻尼绕组以及转子铁心等部件 上感应于100Hz的倍频电流，该电流使得转子上电流密度很 大的某些部位（如转子端部、护环内表面等），可能出现局 部灼伤，甚至可能使护环受热松脱，从而导致发电机的重大 事故。 此外，负序气隙旋转磁场与转子电流之间以及正序气隙旋转 磁场与定子负序电流之间所产生的 100Hz交变电磁转矩，将 同时作用在转子大轴和定子机座上，从而引起100Hz的振动。
U N3
C f 2C w 2(C f C w )
Cf
E3
中性点及机端的三次谐波电压分别为
U S3
2(C f C w )
E3
机端三次谐波电压与中性点三次谐 波电压比为
Cf U S3 U N 3 C f 2C w
由上式可见，在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压UN3总是大于发电 C w =0时， 机端的三次谐波电压US3。当发电机孤立运行时，即发电机出线端开路， ddd U N3 = 。 U
利用零序电压构成的定子单相接地保护
3U 0 1.0 0.5
U0p
100V
图
定子绕组单相接地时3U 0 与 的关系曲线
0
0.5
1.0

保护构成原理
装置交流模件
3U0
装置 交流 模件
动作方程： 3U0＞3U0g 3U0 ——机端TV开口三角电压或中性点TV（或消弧线圈）二次电压； 3U0g——动作电压整定值。