ch07发电机继电保护

第7章 发电机继电保护 本章讲述了发电机故障、不正常运行状态及其各种保护方式，重点讲述了发电机纵差动保护、定子匝间短路保护、单相接地保护和失磁保护的工作原理及整定计算，最后对逆功率保护、低频保护及失步保护等予以介绍。

7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及其保护方式

发电机是电力系统中重要的设备。保证发电机的安全和防止其本身遭受损害对电力系统的稳定运行、对负荷的不间断供电起着决定性作用。发电机在运行过程中要承受短路电流和过电压的冲击，同时发电机本身又是一个旋转的机械设备，它在运行过程中还要承受原动机械力矩的作用和轴承摩擦力的作用。因此，发电机在运行过程中出现故障及不正常运行情况就不可避免。

7.1.1 发电机的故障和异常运行状态

1. 发电机的内部故障

内部故障主要是由定子绕组及转子绕组绝缘损坏引起的，常见的故障有：

(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。

2. 发电机的不正常运行状态

不正常运行状态主要有：

(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(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) 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。

电力系统继电保护

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7.1.2 大型发电机组的特点及对继电保护的要求

随着电力工业的飞跃发展，大机组的陆续投运，与中、小型机组相比，大机组在设计、 结构及运行方面有许多特点，相应的对继电保护提出了新的要求，具体有如下表现。

(1) 大容量机组的体积不随容量成比例增大，即有效材料利用率高，但却直接影响了机组的惯性常数明显降低，使发电易于失步，因此很有必要装设失步保护；其次，发电机热容量与铜损、铁损之比明显下降，使定子绕组及转子表面过负荷能力降低，为了确保大型发电机组在安全运行条件下充分发挥过负荷的能力，应装设具有反时限特性的过负荷保护及过电流保护。

(2) 电机参数k X 、k

X ′、k X ′′增大 其后果是：

① 短路电流水平下降，要求装设更灵敏的保护。

② 定子回路时间常数τ显著增大，定子非周期分量电流衰减缓慢，使继电保护用的电流互感器的工作特性严重恶化，同时也加重了不对称短路时转子表层的附加发热，使负序保护进一步复杂化。

③ 发电机平均异步力矩大为降低，因此失磁异步运行时滑差大，从系统吸收感性无功多，允许异步运行时的负载小、时间短，所以大型机组更需要性能完善的失磁保护。

④ 由于k X 增大，发电机由满载突然甩负荷引起的过电压就较严重。

(3) 大型机组采用水内冷、氢内冷等复杂的冷却方式，故障几率增加。

(4) 单机容量增大，汽轮机组轴向长度与直径之比明显增大，从而使机组振荡加剧，匝间绝缘磨损加快，有时候可能引起冷却系统故障。因此，应当用灵敏的匝间短路保护和漏水保护(对水内冷机组)。

(5) 大型水轮机组的转速低，直径大，气隙不均匀，将引起机组振荡加剧，因此要装气隙不均保护。若定子绕组并联分支多且有中性点，应设计新的反应匝间短路的横差保护。

(6) 大型机组励磁系统复杂，故障几率也增多，发电机过电压、失磁的可能性加大，若采用自并励励磁系统，还需考虑后备保护灵敏度问题。

综上所述，并考虑到大型机组造价高、结构复杂，一旦发生故障，其检修难度大、时间长、造成经济损失大，因此，要求大型机组的继电保护进一步的完善化，即不但要提高原有保护的性能，还要探索多功能、新原理的故障预测装置，用计算机技术使保护与安全监测和综合自动化控制更好的结合。

7.1.3 发电机保护装设的原则

针对以上故障及不正常运行状态，一般发电机应装设以下继电保护装置：

(1) 对1MW 以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差保护装置。

(2) 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)大于表7-1规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护装置。

对于发电机——变压器组，对容量在100MW 以下的发电机，应装设保护区不小于定子绕组串联匝数90%的定子接地保护；对容量在100MW 及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护，保护带时限动作于信号，必要时动作于切机。

第7章 发电机继电保护

·195· ·195· 表7-1 发电机定子绕组单相接地故障电流允许值 发电机额定电压/kV

发电机额定功率/MW 接地电容电流允许值/A 6.3

≤50 4 汽轮发电机 50～100 10.5

水轮发电机 10～100 3 汽轮发电机 125～200

13.8～15.75 水轮发电机 40～225 2①

18～20 300～600

1 ① 对氢冷发电机为2.5。

(3) 对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形连接、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护；对200MW 及以上的发电机，有条件时可装设双重化横差保护。

(4) 对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：

① 负序过电流及单元件低电压启动的过电流保护，一般用于50MW 及以上的发电机。 ② 复合电压(包括负序电压及线电压)启动的过电流保护，一般用于1MW 及以上的发电机。

③ 过电流保护用于1MW 以下的小型发电机保护。

④ 带电流记忆的低压过电流保护用于自并励发电机。

⑤ 对于由不对称负荷或外部不对称短路所引起的负序过电流，一般在50MW 及以上的发电机上

装设负序过电流保护。

⑥ 对于由对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护。 ⑦ 对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护。

⑧ 对于发电机励磁回路的一点接地故障，对1MW 及以下的小型发电机可装设定期检测装

置；对1MW 以上的发电机应装设专用的励磁回路一点接地保护。

⑨ 对于发电机励磁消失故障，在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；对采用半导体励磁以及100MW 及以上采用电动机励磁的发电机，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。

⑩ 对于转子回路的过负荷，在100MW 及以上，并且采用半导体励磁系统的发电机上，应装设转子过负荷保护。

对于汽轮发电机主汽门突然关闭而出现的发电机变电动机运行的异常运行方式，为防止损坏汽轮机，对200MW 及以上的大容量汽轮发电机宜装设逆功率保护；对于燃气轮发电机，应装设逆功率保护。

对于300MW 及以上的发电机，应装设过励磁保护。

其他保护：如当电力系统振荡影响机组安全运行时，在300MW 机组上，宜装设失步保护；当汽轮机低频运行会造成机械振动，叶片损伤，对汽轮机危害极大时，可装设低频保护；当水冷发电机断水时，可装设断水保护等。

为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动