继电保护原理6-发电机保护

第七章、发电机保护

7.1发电机的故障类型、不正常工作状态及其保护方式

一、发电机的内部故障

二、发电机的不正常运行状态

三、发电机的保护配置

四、保护动作方式

7.2发电机的纵差保护和横差保护

7.2.1发电机的纵差保护的整定计算和原理接线

一、工作原理

二、整定计算原则

三、发电机纵差动保护原理接线

四、比率制动特性差动继电器的差动保护

7.2.2发电机匝间短路的横差动电流保护

一、匝间短路的特点

二、横差保护原理

三、单元件式横差保护

7.2.3负序功率方向匝间短路保护

一、负序功率方向的特点

二、负序功率方向匝间短路保护的特点

7.2.4负序功率方向闭锁的定子纵向零序电压保护

一、原理接线图

二、工作原理

7.3发电机的单相接地保护

7.3.1发电机定子绕组单相接地的特点

一、零序电压

二、零序电流

7.3.2利用零序电流构成的定子接地保护

7.3.3利用零序电压构成的定子接地保护

一、原理接线

二、整定值

三、特点

7.3.4利用三次谐波电压构成的100%定子接地保护

一、发电机三次谐波电势的分布特点

二、反映三次谐波电压的比值和基波零序电压的100%定子接地保护

7.3.5叠加直流电源式100%定子绕组单相接地保护

一、原理接线

二、工作原理

7.3.6励磁回路接地保护

一、励磁回路接地故障

二、发电机励磁回路一点接地保护

三、发电机励磁回两点接地保护

7.4发电机的负序过电流保护

7.4.1负序过电流保护的作用

一、负序过电流的危害

二、发电机承受负序电流的能力

7.4.2定时限负序过电流保护

7.4.3反时限负序过电流保护

7.5发电机的低励磁失磁保护

7.5.1发电机的失磁运行及其产生的影响

一、失磁产生的原因

二、发电机失磁对系统的影响

三、发电机失磁保护的配置要求

四、失磁后的基本物理过程

7.5.2失磁发电机机端阻抗的变化轨迹

一、失磁后，失磁前（等有功过程）

二、临界失步点（δ=90度）

三、失步后的异步运行阶段

7.5.3发电机在其他运行方式下的极端测量阻抗

7.5.4失磁保护构成方式

一、发电机失磁保护的主判据

二、常用的辅助判据和闭锁措施

三、以失磁后测量阻抗为主要判据的失磁保护方案（微机常用）

三、以整定值能自动随有功功率变化的转子低电压失磁继电器为主要判据的失磁保护方案

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第七章、发电机保护

7.1发电机的故障类型、不正常工作状态及其保护方式

一、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：危害最大；

2）定子绕组一相的匝间短路：可能发展为单相接地短路和相间短路；

3）定子绕组单相接地：较常见，当电流大于5A可造成铁芯烧伤或局部融化；

4）转子绕组一点接地或两点接地：一点接地时危害不严重；两点接地时，因破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈震动或将转子绕组烧损；

5）转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失：从系统吸收无功功率（若不足电压下降），造成失步（频率变化），从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。

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二、发电机的不正常运行状态

1）外部短路或系统震荡引起的定子绕组过电流；

2）定子绕组引起的三相对称过负荷；

3）外部不对称短路或不对称过负荷而引起的发电机负序过电流；

4）突然甩负荷而此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以及低频、失步、过励磁等。

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三、发电机的保护配置

1）定子绕组相间短路保护（1MW以上一般采用差动保护）；

2）定子绕组匝间短路保护；

3）定子绕组单相接地保护（100MW以上发电机应有100%保护区）；

4）励磁回路一点及两点接地保护；

5）低励失磁电流异常下降或消失保护（100MW以上发电机）；

6）发电机外部相间短路保护；

7）定子绕组过负荷保护；

8）转子表层（负序）过负荷保护；（50MW以上发电机）。

9）定子绕组过电压保护；

10）励磁绕组过负荷保护（100MW以上发电机）；

11）发电机逆功率保护（200MW以上汽轮发电机）；

12）发电机低频保护（300MW以上轮发电机）；

13）失步保护（300MW以上轮发电机）；

14)定子铁芯过励磁保护；

15）其它故障及异常运行保护。

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四、保护动作方式

根据故障及异常运行方式的性质，上述各项保护可动作于：

1）全停，即断开发电机断路器（启动断路器失灵），灭磁，关闭汽轮机主汽门，切换厂用；

2）解列并灭磁，即断开发电机断路器，灭磁，原动机甩负荷（避免飞车）；

3）减出力，即将原动机负荷减到给定值；

4）发出声光信号；

5）程序跳闸，即首先关闭原动机主汽门或导水翼，待逆功率继电器动作后，再断开断路器并灭磁，切换厂用。

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7.2发电机的纵差保护和横差保护

7.2.1发电机的纵差保护的整定计算和原理接线

差动保护的作用：反映定子绕组及其出线间的相间短路。

一、工作原理

两组LH特性、变比一致；正常运行时，继电器中只有流过数值较小的不平衡电流；当发电机内部发生故障，故障电流流过继电器时，瞬时动作于跳闸。

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二、整定计算原则

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三、发电机纵差动保护原理接线

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四、比率制动特性差动继电器的差动保护

1、动作分析

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2、整定计算

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7.2.2发电机匝间短路的横差动电流保护

作用：反映定子绕组的匝间短路及定子绕组开焊

一、匝间短路的特点

1）当发生匝间短路时，短路线匝内电流很大，短路环中电流的大小与短路匝数大致成反比关系；

2）定子回路中的零序电流，将在并联分支绕组的两个中性点之间的连接线上形成环流；

3）在转子回路中将产生二次及其它次谐波的电流分量（负序分量）；

4）发电机定子绕组一相匝间短路时，在短路电流中有正序、负序和零序分量，且各序电流相等，同时有纵向零序电压出现。

短路环中的电流与短路匝数的关系曲线如图所示：

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二、横差保护原理

正常：匝间接，动作

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三、单元件式横差保护

原理：保护用电流互感器TA装设于发电机两组星型中性点的连线上。它实质是将一组三相分支电流之和与另一组三相分支电流之和进行比较。

保护装置的原理接线及其他有关问题

1）三次谐波滤过器：其作用是滤除三次谐波，即使三次谐波也不会流到电流继电器KA线圈中；

2）励磁回路有两点接地时保护的动作行为：在一般情况下，横差保护无时限动作，当发电机励磁回路一点接地后，即切换至延时回路。

整定计算：保护的整定电流根据运行经验一般采用

评价：

优点：接线简单、灵敏度高、对匝间短路和分支开焊均起保护作用；

缺点：发电机中性点必须有6个引出端子（3个端子或只有1个端子引出横差保护实现不了）、死区范围大。

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7.2.3负序功率方向匝间短路保护

一、负序功率方向的特点

当负序功率由发电机流向系统时表示发电机内部发生了故障（包括相间和匝间短路，因为发电机内部的相间短路不可能是三相对称短路）；

若负序功率由系统流向发电机，则表示发电机本身完好，系统存在不对称故障；

该保护在短路匝数很小的情况下，即α很小时，发电机的负序电抗基本没有改变，负序功率很小，保护存在死区。

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二、负序功率方向匝间短路保护的特点

保护灵敏度高，对于电流互感器和电压互感器没有特殊要求，装置也级简单，不需附设其它闭锁元件；

缺点是只能适用于正常运行时负序电流很小的发电机，特别是在发电机启动过程中或在并网前这种保护将失效。

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7.2.4负序功率方向闭锁的定子纵向零序电压保护

对于中性点侧没有六个引出端子的发电机，定子匝间短路保护的另一种方案是利用零序电压来构成。

一、原理接线图

取自机端电压互感器YH0的第三绕组（开口三角接线）。如上图所示，YH0一次侧的中性点必须与发电机中性点直接连接，而不能再直接接地（为了防止定子绕组单相接地时保护误动）。

YH0的一次绕组必须是全绝缘的，而它不能被利用来测量相对一的电压。图中的YH0是零序电压匝间短路保护专用的电压互感器。

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二、工作原理

只有当发电机内部发生匝间短路或发生对中性点不对称的各种相间短路时，辅助二次绕组才有电压输出；

采用负序功率方向闭锁方式，在外部短路时，使保护退出工作，从而进一步提高灵敏度。

优点：原理较简单、灵敏度高、适用于中性点只有三个引出端子的多分支发电机上；缺点：需装设专用的电压互感器，接线复杂。

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7.3发电机的单相接地保护

定子绕组的单相接地是发电机最常见的故障之一。

由于发电机的中性点是不接地或经高阻抗接地的，所以定子绕组单接地短路故障电流较小。

有关规程规定，当接地电容电流≥5A时，发电机应装设动作于跳闸的接地保护，当接地电流<5A时，应装设动作于信号的接地保护。

7.3.1发电机定子绕组单相接地的特点

一、零序电压

1、保护安装处的零序电压

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2、结论

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二、零序电流

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7.3.2利用零序电流构成的定子接地保护

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7.3.3利用零序电压构成的定子接地保护

一、原理接线

二、整定值

1）应躲过三次谐波电压产生的不平衡电压

2）应躲过变压器高压侧发生单相接地时，由于耦合电容在发电机机端产生的零序电压，一般取值为15～30V（α在15%～30%）有死区

三、特点

简单可靠、可加装三次谐波滤过器以提高灵敏度，特别适用于发电机-变压器组，较为常用。

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7.3.4利用三次谐波电压构成的100%定子接地保护

常见的100%定子绕组单相接地保护：

1）利用发电机三次谐波电压、零序电压构成（双称双频式定子绕组单相接地保护）

2）外加直流电源注入式的100%定子接地保护

3）发电机中性点加固定的偏移电压注入式的100%定子绕组单相接地保护

一、发电机三次谐波电势的分布特点

1、正常运行时发电机机端及中性点的三次谐波电压

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2、定子绕组发生单相接地时

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二、反映三次谐波电压的比值和基波零序电压的100%定子接地保护

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7.3.5叠加直流电源式100%定子绕组单相接地保护

一、原理接线

从发电机端YH的二次侧引出电压经整流变压器YB、全波整流桥ZL和L、C滤波电路后，得到所需的直流电压。

此电压的一极经同一YH的一次侧的中性点引至发电机定子绕组内，直流电压的另一极串联接入电流继电器后接地。

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二、工作原理

正常运行时，电流继电器没有电流通过，不会动作。当发电机定子绕组单相接地时，直流电压通过定子回路的接地点形成回路，于是电流继电器因有电流通过而动作，发出信号。

特点：优点：简单灵敏，并能反应定子绕组中任一点的接地故障，绝缘老化监测。缺点：YH一次侧的中性点不能直接地，因而这一组YH就不能用来测量相对地电压。同时，对于中性点经消弧线圈接地的发电机也不适用。

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7.3.6励磁回路接地保护

一、励磁回路接地故障

发电机转一点接地故障是发电机比较常见的故障：

由于正常运行时，励磁回路与地之间有一定的绝缘电阻、转子发生一点接地故障时，不会形成故障电流的通路，对发电机不会产生直接危险；

当一点接地之后，又发生第二点接地时，即形成了短路电流的通路，这时不仅可能把励磁绕组和转子烧坏，还可能引起机组强烈震动，产生严重后果。

由于目前尚缺少选择性好、灵敏度高、经常投运且运行经验成熟的励磁回路两点接地保护装置，进口大型发电机组一般不装此保护。

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二、发电机励磁回路一点接地保护

励磁回路的一点接地保护，要求简单、可靠，能够反映在励磁回路中任一点发生的接地故障，并有足够高的灵敏度。

目前发电机励磁回路一点接地保护常见原理

直流电桥、叠加直流式、切换采样式一点接地保护，叠加方波电压式转子一点接地保护。

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三、发电机励磁回两点接地保护

电桥原理的转子两点接地保护。大型发电机中由于此种方法的种种不足，一般只用一点接地保护。

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7.4发电机的负序过电流保护

7.4.1负序过电流保护的作用

一、负序过电流的危害

在转子绕组、阻尼绕组以及转子铁心等部件上感应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可能出现局部的灼伤，甚至可能使护环受热松脱。

所产生的100Hz交变电磁转矩，将同时作在转子大轴和定子机座上，引起100Hz的振动。

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二、发电机承受负序电流的能力

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7.4.2定时限负序过电流保护

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7.4.3反时限负序过电流保护

反时限负序过电流保护原理方框图

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7.5发电机的低励磁失磁保护

7.5.1发电机的失磁运行及其产生的影响

低励失磁是指发电机部分或全部失去励磁。

一、失磁产生的原因

同步发电机失磁的原因有如下几种：

1）励磁回路开路，励磁绕组断线，灭磁开关误运用，励磁调节装置的自动开关误动，可控硅励磁装置中部分元件损坏；

2）励磁绕组由于长期发热，绝缘老化或损坏引起短路；

3）运行人员误调整等。

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二、发电机失磁对系统的影响

发电机失磁后，它的各种电气量和机械量都会发生变化。

1、对电力系统：吸收Q->↓，无功贮备不足，将因电压崩溃而瓦解；U↓->其他发电机Q↑->过电流->后备保护动作，故障扩大；失磁->失步->振荡->甩负荷。

2、对发电机：转子中fG-fS的差频电流->过热；转差率s=(fG-fS)/fS↑->吸Q↑->R2(1-s)/s↓->定子过电流->发热；转速↑->振动。

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三、发电机失磁保护的配置要求

根据《继电保护和安全自动装置技术规程》规定：100MW以下失磁对电力系统有重大影响的发电机和100MW以下的发电机，应装设专用的失磁保护；对600MW的发电机可装设双重化的失磁保护。

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四、失磁后的基本物理过程

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7.5.2失磁发电机机端阻抗的变化轨迹

一、失磁后，失磁前（等有功过程）

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三、失步后的异步运行阶段

失步后的阻抗轨迹，最终将稳定在第四象限内的异步边界阻抗圆内。

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四、失磁发电机机端阻抗的变化轨迹

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7.5.3发电机在其他运行方式下的极端测量阻抗

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7.5.4失磁保护构成方式

一、发电机失磁保护的主判据

发电机机端测量阻抗判据；阻抗整定边界常为静稳边界圆或异步边界圆

无功方向由正变负

变压器高压侧三相同时低电压判据：防止因电压严重下降而使系统失去稳定（0.85～0.9）Un.g

若是低励，则应当在保护装置动作后，迅速将灭磁开关跳闸。

在发电机外部短路、系统振荡、长线路充电、自同期并列以及电压回路断线等，失磁继电器可能误动作。

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二、常用的辅助判据和闭锁措施

1、发电机的励磁电压降低

2、是否有负序分量出现：防止失磁保护在短路或短路伴随振荡的过程中误动。失磁三相的磁通仍然保持不变，无负序分量；系统故障有负序分量。

3、用延时躲过振荡的影响

4、电压互感器二次断线闭锁

5、用开关量识别自同期并列

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三、以失磁后测量阻抗为主要判据的失磁保护方案（微机常用）

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三、以整定值能自动随有功功率变化的转子低电压失磁继电器为主要判据的失磁保护方案

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