发电机保护

5 发电机保护
5.1 发电机的故障与不正常运行状态
在电力系统中发电机的安全运行是非常重要的，它是电力系统中最重要设备之一，电力系统的稳定运行及电能质量与其密切相关。

所以，为了保障发电机及电力系统的正常运行，必须针对各种不同的故障及不正常运行状态装设与其相配的完善的继电保护装置。

5.1.1 发电机故障与不正常运行状态类型
发电机的主要故障及异常状态一般有：
（1）定子绕组相间及其引出线短路。

（2）定子绕组的同一相的匝间短路。

（3）定子绕组单相接地。

（4）定子绕组过电压。

（5）定子绕组过负荷。

（6）定子铁芯过励磁。

（7）转子绕组一点或两点接地。

（8）转子励磁回路励磁电流异常或消失。

（9）发电机外部相间短路。

（10）励磁绕组过负荷。

（11）励磁回路一点接地。

5.2 发电机装设的保护
5.2.1 发电机装设保护装置种类
在针对上述发电机的故障及异常状态，发电机应该装设各种不同类型的继电保护装置达到其正常运行。

（1）定子绕组相间及其引出线短路
针对1MW及以下单独运行的发电机，如在中性点有引出线，故应在中性点侧装设过电流保护；如果其没有引出线，则在发电机机端装设低压电压保护。

在1MW及以下发电机与其他发动机或电力系统并列运行时，一般在其机端装设电流速断保护，在电流速断保护灵敏度达不到要求时，就采用纵联差动保护。

针对1MW以上的发电机的定子绕组相间及其引出线短路，均应装设纵差保护，并用做其主保护。

（2）与母线直连的发电机定子绕组接地保护
在发电机单相接地故障时，当起单相故障电流大于（不考虑消弧线圈补偿作用）大于允许值，即表5.1。

则就应该装设选择性的接地保护。

表5.1 发电机单相接地允许电流
①对氢冷发电机接地电容电流允许值为2.5A
对表5.1所列出发电机接地电容电流允许值，对于100～300MW机组为发电机变压器组接线同样适用。

与母线直连的发电机定子绕组接地保护装置它是由在零序电流互感器和电流互感器组成，其动作电流是按躲过不平衡电流及外部单相接地时发电机暂态电容电流整定。

通常在防止外部相间短路产生的不平衡电流引起保护误动作，一般都应装设闭锁装置；若消弧线圈没有运行或因其他原因使得残余电流大于接地电流允许值时，此时接地保护应切换为动作于停机。

（3）定子绕组匝间短路保护
同相相同分支的匝间短路和同相异分支的匝间短路都属于发电机匝间故障，此时纵差保护是不能够反应的，则应装设匝间短路保护。

当发电机定子绕组为星形接线、每相有并联分支、且中性点有分支引出端子，此时应该装设单继电器式的横差保护。

当对50MW及以上的发电机，当发电机定子绕组为星形接线且中性点只有三个引出端子时，此时也会对其装设专用的匝间短路保护。

如果在生产厂家认定发电机定子绕组的结构一定不会发生匝间短路，而运行单位也认可时，一般可以不
用装设匝间短路保护。

（4）发电机外部相间短路保护
在链接在母线上的变压器、线路发生的短路且相应的保护或断路器拒绝动作，或者发电机电压母线上发生短路且其没有装设专用母线保护，这些外部故障都有可能引起过电流，为了更好的切出故障，所以会在发电机上装设外部短路的相间短路保护。

相间短路保护也可以为发电机主保护的后备保护。

1MW及其以下的发电机与其他发电机或电力系统并列运行，这类应该装设过电流保护。

在发电机的中性点侧安装保护装置，其动作电流按躲过最大负荷电流整定。

1MW以上的发电机，一般装设复合电压（负序电压和线电压）启动的过电流保护。

对自并励发电机一般采用带电流记忆的低电压过电流保护或者是精确工作电流足够小的低阻抗保护。

针对水轮发电机定子绕组过电压一般采用带有延时的过电压保护。

50MW及其以上的发电机，一般装设单元件低电压启动过电流保护和负序电流保护。

如果这两类保护灵敏度达不到要求，则会采用低阻抗保护。

针对上述各项保护装置，通常是两段时限，一般是以较短的时限动作于缩小故障影响范围。

（5）励磁回路接地保护
1MW及以下的小型发电机一般装设定期检测装置是针对发电机励磁回路的一点接地故障；另对1MW以上的发电机应装设专用的励磁回路一点接地保护。

100MW以下的汽轮发电机，采用定期检测装置是针对一点接地故障。

两点接地保护装置是针对两点接地故障。

一个控制室内集中控制的全部发电机共用一台定期检测装置。

100MW及以上的汽轮发电机和转子水内冷发电机，一般应装设励磁回路一点接地保护和两点接地保护装置。

每台发电机应装设一套一点接地保护装置。

对于正常投入运行的两点接地保护装置也应每台发电机装设一套；当正常不投入运行的，再一点接地后然后再投入运行的两点接地保护装置对于单元控制的发电机每台机装设一套；主控制室集中控制的全部发电机一般公用一套设备。

一点接地保护带时限动作于信号，两点接地保护应带时限动作于停机。

（6）过负荷保护
发电机定子绕组过电流因对称负序引起的一般接一相电流的过负荷保护。

针对转子回路的过负荷保护，当100MW及以上且采用半导体励磁系统的发电机，也应要装设转子过负荷保护。

对于发电机定子绕组非直接冷却，可以装设定时限过负荷保护，在一相电流上接保护装置。

一个电流继电器和时间继电器组成保护，带时限动作于信号。

对于50MW及以上I22t≥10的发电机，一般会装设时限负序过负荷保护，发电机负序过电流保护和保护装置组合在一起。

其保护装置的动作电流按躲过发电机允许的负序电流及躲过最大负荷下负序电流滤过器的不平衡电流整定，带时限动作于信号。

（7）其他保护
当发电机励磁消失，发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；在对采用电机励磁的用半导体励磁以及100MW及其以上的发电机，应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护。

300MW及以上的发电机，应该装设过励磁保护。

当水冷发电机断水时，一般装设断水保护；汽轮机低频运行时会造成机械振动，叶片损伤，这对汽轮机危害极大，故应装设低频保护等。

5.3 发电机装设保护整定方法
5.3.1 发电机纵联差动保护
发电机纵联差动保护可分为比率制动式纵差保护、标积制动式纵差保护。

发电机纵差保护的接线方式完全差动保护接线和不完全差动保护接线。

发电机纵差保护整定及灵敏度：
按照相关规定，发电机纵差保护的灵敏度K
sen
≥1.5。

（1）启动电流I
d.min
的整定
I
d.min =K
rel
(I
erl
+I
er2
)
式中 K
rel
------可靠系数，取1.5～2；
I
erl ------保护两侧的TA变比误差产生的差流，取0.06I
gn
(I
gn
为发电机额定电流)；
I
er2
------保护两侧的二次误差（包括二次回路引线差异以及纵差
保护输入通道变换系数调整不一致）产生的差流，取0.1I
gn。

（2）保护动作电流应躲开外部短路时的最大不平衡电流
I
dz =K
k
I
bp
.
js
=K
k *K
fzq
*K
tx
*f
i
*I
d.max
式中 K
k
------可靠系数，采用1.3；
I
bp .
js
------计算不平衡电流；
K
fzq
------考虑非周期分量影响系数；
K
tx
------电流互感器的同型系数，采用0.5；
f
i
------电流互感器的最大相对误差，采用0.1；
I
d.max
------发电机外部三相短路时，流经保护的最大周期行短路电流。

（3）发电机的最大负荷电流小于保护动作电流
I dz =K
k
I
e.f
式中 K
k
------可靠系数，采用1.3；
I
e.f
------发电机的额定电流。

在上述中取较大的I
dz
为保护动作电流。

差动继电器动作电流I
dz.j =K
jx
I
dz
/n
1
式中 K
jx
------接线系数；
n
1
------电流互感器变比。

对于BCH-2型继电器差动线圈匝数
W
cd =AW
/I
dz.j
式中 AW
------BCH-2型继电器动作安匝为60t。

（4）灵敏系数
K
lm =I
d.min
/ I
dz
式中 I
d.min
------发电机出口两相短路时，流经保护最小周期行短路电流。

5.3.2 发电机复合电压启动的过电流保护
复合电压启动的过电流保护属于外部相间短路的后备保护的一种。

（1）保护动作电流
I
dz =K
k
/K
h
I
e.f
式中 I
e.f
------发电机的额定电流；
K
k
------可靠系数，采用1.2；
K
h
------返回系数，采用0.85。

继电器动作电流
I
dz.j = I
dz
/n
1
（2）灵敏系数校验
一般灵敏系数K
lm
≥1.2。

电流元件：K
lm =I
d.min
/ I
dz
式中 I
d.min
------后备保护范围末端金属性不对称短路时，流经保护最小一次稳态短路电流。

负序电压元件：K
m =U
d.min.2
/U
dz.2
式中 U
d.min.2
------后备保护范围末端金属性不对称短路时，保护处最小负序电压。

相间电压元件K
lm =U
dz
/U
d.max
式中 U
d.max
------后备保护范围末端金属性三相短路时，保护处最大相间电压。

5.3.3 发电机过负荷保护
定时限对称过负荷保护动作电流
I
dz =K
k
I
e.f
/K
h
式中 I
e.f
------发电机的额定电流；
K
k
------可靠系数，采用1.05；
K
h
------返回系数，采用0.85 。

继电器动作电流 I
dz.j = I
dz
/n
1
5.4 发电机保护选择
根据上述介绍可以确定本次设计的汽轮发电机QF-K25-2、QF-K50-2保护，
G 1～G
5
的保护配置如下表：
表5-2 G1～G5的保护配置
设备保护名称用途型号备注
G1（G2、G3、G4、G5）发电机保护
配置纵联差动保护定子绕组及引出线相间断路保护BCH-2 主保护复合电压过电
流保护
作为发电机外部相间短路的后备保护
定子一点接地
保护
定子绕组单相接地的保护
励磁回路一点
接地保护
发电机励磁回路的一点接地故障的保护
定子绕组过负
荷保护
反应过负荷引起的定子绕组过电流
5.4 发电机保护的整定计算5.4.1 发电机参数计算
（1）G
1～G
4
发电机电流互感器的简单选择
一次侧额定电流：I
ef =Se
√3Ue
=25/0.8
√3×10.5
=1720
电流互感器计算变比：1720×1.1
5=1892
5
选用标准变比：2000
5
=400
同理可得G
5
发电机参数
一次侧额定电流： I
ef =Se
√3Ue
=50/0.8
√3×10.5
=3440
电流互感器计算变比：3440×1.1
5=3785
5
选用标准变比：4000
5
=800
发电机所用电流互感器型号如下表：
表5.3 发电机所用电流互感器型号
5.4.2 纵差保护整定计算
（1）G1发电机的整定计算，本纵联保护选用BCH-2型差动继电器。

发电机的一、二次额定电流
I
ef =Se
√3U
=25/0.8
√3×10.5
=1720A
I
ex =Ief
n1h
= 1720
2000/5
=4.3A
(2)纵差保护动作值
躲过外部短路时最大不平衡电流整定
I
dz =K
k
I
bp
.
js
=K
k *K
fzq
*K
tx
*f
i
*I
d.max
=1.3×1×0.5×0.1×12698.4 =825.4A
躲过电流互感器二次回路断线时电流整定
I
dz =K
k
I
ef
=1.3×1720=2236A
上面两个I
dz
取较大值为保护动作电流
则继电器动作电流：I
dz.j =KjxU2
n1
=2236
2000/5
=5.59A
(3)差动线圈匝数W
cd
W
cd =AW
/I
dz.j
=60
5.59
=10.7匝
则W
cd
=10匝
故继电器的实际动作电流：I
dz.j =AW
/W
cd.2
=60
10
=6A
(4)灵敏系数校验
I
d.min =√31
XdX2
I
ex
= √3
05.×0.156
×4.3=95.37
K
lm =I
d.min
/ I
dz
=95.37
6
=15.9＞2
继电器短路线圈采用A-A位置（5）断线监视器的动作电流
I dz.f =0.2I
ex
=0.2×4.3=0.86A
所以动作电流取1A，则动作时限取9s。

同理可得：G5的纵差保护同样满足要求，其保护动作电流I
dz
=4472A；
继电器动作电流：I
dz.j =5.59A ；差动线圈匝数W
cd
=10匝；继电器的实际动作电
流：I
dz.j = 6A；灵敏系数K
lm
=21.4>2。

5.4.3 复合电压过电流保护整定
已知正序发电机阻抗0.129，负序电抗0.156 电流继电器动作电流：
I dz.j =Kk
Kh
*I
ex
=1.2
0.85
×4.3
=6A
负序电压继电器动作电压按躲过正常运行时不平衡电压整定
U
dz.2
=0.06U0
U
op
=0.06×10.5=0.63kv
相间低电压继电器动作电压 U
dz.j
=0.7U==7.35kv
灵敏系数校验
电流元件：K
lm =I
d.min
/ I
dz
代入数据得到K
lm
=2.43>1.2 负序电压继电器灵敏系数
近设备： K
sem近=U
z.min
/U
op
代入数据得到K
sem近
=9.1>1.5
远设备： K
sem近=U
z.min
/U
op
代入数据得到K
sem远
=5>1.2
故，动作时限t
op
=t+⊿t=5.5s
同理可得：G5的复合电压过电流保护同样满足要求，动作时限t
op
=6.6s 5.4.4 定子接地保护整定
（1）零序电流保护
发电机额定电流G
1 I
ef
=1720A G
5
I
ef
=3440A
发电机单相接地电容电流I
jd.f
=0.69A
发电机电压系统单相接地电容电流I
jd.t
=7.8A
根据发电机额定电流选用LMZ-1型电流互感器，保护延时取1s。

（2）不平衡电流
I
bp.z =KE
bp.bc
/(Z
dz.jc
+Z
j
)+E
bp.zc
/Z
j
=(1.4×1720/400×0.085)/(10+9)+0.1/9 =0.038A
则一次不平衡电流I
bp.1=I
bp.2
W
z
(1+Z
j
/Z
dz.jc.2
)
=0.038×39(1+9/10) =2.82A
(3)保护装置的动作电流
I
dz =1
Kh
(K′kI
jd.f
+K″I
bp.bs.z
)
=1
0.85
(2×0.69+1.5×1.26) =3.8A
继电器动作电流
I
dz.j =I
dz
/W
z
(1+Z
j
/Z
dz.jc.z
)
=3.8/39（1+9/10） =0.052A
（4）灵敏系数校验
K
lm =(I
jb∑
-I
jb.f
)/I
dz.b
=(7.8-0.69)/3.8
=2
同理可得：G5的定子绕组接地保护同样满足要求。

5.4.4 定子绕组过负荷保护整定
动作电流的整定
I dz.j =Kk Kh
I
ex
=1.05
0.85
×4.3
=5.3A
故有动作时限t=9s
G 1、G
2
、G
3
、G
4
保护整定都是相同的，故可以不用再次整定。