1、第八章 同步发电机的继电保护8.1 发电机故障和不正常运行及其保护1、发电机故障类型 发电机的安全运行直接影响电力系统的安全。发电机由于结构复杂，在运行中可能发生故障和不正常工作状态，特别是现代的大中型发电机的单机容量大，对系统影响大，损坏后的修复工作复杂且工期长，所以对继电保护提出了更高的要求。针对发电机的故障和不正常工作状态，应装设性能完善的继电保护装置。（1）定子绕组相间短路：定子绕组相间短路会产生很大的短路电流，严重损坏发电机。应装设纵联差动保护。（2）发电机定子绕组匝间短路：匝间短路将出现很大的环流，使绝缘老化，甚至击穿绝缘发展为单相接地或相间短路，扩大发电机损坏范围。（3）发电机定
2、子绕组单相接地：定子绕组单相接地是易发生的一种故障。单相接地后，其电容电流流过故障点的定子铁芯，当此电流较大或持续时间较长时，会使铁芯局部熔化。8.1 发电机故障和不正常运行及其保护（4）励磁回路一点接地或两点接地：转子绕组一点接地，由于没有构成通路，对发电机没有直接危害。再发生另一点接地，则转子绕组一部分被短接，会烧毁转子绕组，由于部分绕组短接，破坏磁路的对称性，造成磁势不平衡而引起机组剧烈振动，产生严重后果。（5）励磁电流消失：励磁系统故障或自动灭磁开关误跳闸造成励磁电流消失。发电机将转入异步运行，从系统吸收无功，引起电压下降。定子电流增加及转子局部过热。8.1 发电机故障和不正常运行及其
3、保护2、发电机不正常运行状态（1）定子绕组过电流：外部短路引起绕组过电流，将使绕组温度升高，可能发展成内部故障。（2）对称过负荷：使绕组过热。（3）转子过热：不对称短路将在转子绕组中感应出倍频电流，可能造成转子局部灼伤，严重时使护环受热松脱。8.1 发电机故障和不正常运行及其保护（4）定子绕组过电压：突然甩负荷造成转速升高，定子绕组绝缘可能击穿。（5）发电机逆功率：汽门突然关闭，断路器未断开，将从系统吸收功率，使汽轮机受到损伤。3、相应保护（1 1）纵联差动纵联差动保护：保护：对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵联差动保护。8.1 发电机故障和不正常运行及其保护（2 2）
4、定子绕组匝间短路保护：）定子绕组匝间短路保护：定子绕组星形接线，每相有并联分支且中性点侧有分支引出端的发电机，应装设横联差动保护。对于中性点侧只有三个引出端的大容量发电机，可采用零序电压式或转子二次谐波电流式匝间短路保护。（3 3）定子绕组单相接地保护：）定子绕组单相接地保护：对直接联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)大于或等于表7-1规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护。8.1 发电机故障和不正常运行及其保护额定电压 额定容量 接地电流允许值kV3.6MW50A4汽轮发电机汽轮发电机水轮发电机水轮发电机MW10050MW10010A3kV5
5、.10MW200125MW22540A2（氢冷 ）A5.2kV75.158.13kV2018MW600300A18.1 发电机故障和不正常运行及其保护 发-变组容量在100MW以下的发电机，应装设保护区不小于定子绕组90%的定子绕组接地保护；容量100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子绕组接地保护，保护动作于信号，必要时也可动作于停机。（4 4）励磁回路一点或两点接地保护）励磁回路一点或两点接地保护:水轮发电机一般只装设励磁回路一点接地保护，小容量机组用定期检测装置；100MW以下汽轮发电机，一般采用定期检测装置，对两点接地故障，装设两点接地保护。转子水内冷发电机和100MW及以
6、上的汽轮发电机，装设一点接地保护和两点接地保护装置。8.1 发电机故障和不正常运行及其保护（5 5）失磁保护）失磁保护:对不允许失磁运行的发电机，或失磁对电力系统有重大影响的发电机，应装设专用的失磁保护。（6 6）对于发电机外部短路引起的过电流）对于发电机外部短路引起的过电流1 1）过电流保护）过电流保护:用于用于1MW1MW及以下的小型发电机。及以下的小型发电机。2 2）复合电压启动的过电流保护）复合电压启动的过电流保护:一般用于一般用于1MW1MW以上以上的发电机。的发电机。3）负序过电流及单相低电压过电流保护:一般用于50MW及以上的发电机。8.1 发电机故障和不正常运行及其保护 4）低
7、阻抗保护:当电流保护灵敏度不足时采用。（7 7）过负荷保护）过负荷保护:定子绕组非直接冷却的发电机，应装设定时限过负荷保护。（8 8）过电压保护）过电压保护:水轮发电机或100MW及以上的汽轮发电机，应装设过电压保护。（9 9）逆功率保护逆功率保护:大容量的发电机组应考虑装设逆功率保护。8.1 发电机故障和不正常运行及其保护发电机保护的出口方式有：1）停机:断开断路器，灭磁，关闭汽门或导水翼。2）解列灭磁:断开断路器，灭磁，原动机甩负荷。3）解列:断开发电机断路器，原动机甩负荷。4）减出力:将原动机出力减到给定值。5）减励磁:将发电机励磁电流减到给定值。6）励磁切换:将励磁电源由工作励磁电源系
8、统切换到备用励磁电源系统。7）厂用电切换:由厂用工作电源供电切换到备用电源供电。8）发信号:发声光信号。8.1 发电机故障和不正常运行及其保护8.2 发电机差动保护纵差保护作用：反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。1、比率制动差动保护（1）差动保护的基本工作原理保护基本原理：比较发电机两侧的电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间故障。发电机纵联差动保护的构成的两侧电流互感器同变比、同型号。8.2 发电机差动保护正常运行及外部故障时：1ITAnI12ITAnI202121IInInITATAmax.21unTATAInInI1K8.2 发电机差动保护保护区内故障
9、：2K2ITAnI2TAdnII/21ITAnI1TAkTATAnIIInInI2212211结论：保护区内故障差动回路测量到电流为故障点短路电流。（2）原理接线 8.2 发电机差动保护 8.2 发电机差动保护2、微机比率制动式差动保护12dIII差动电流取两侧电流相量和：制动电流取值：2III21res差动接线有电流和与电流差接线两种。8.2 发电机差动保护min.min.min.)(opbrbropopopIIIKIII动作条件：制动电流：)II(21Ires 差动电流：IIIop 8.2 发电机差动保护1)当正常运行时，TAnIII 制动电流为min.resTAresInI)II(21I
10、 0 IIIop，保护不动作。2)当外部短路时，TAknIII 制动电流为TAkresnI)II(21I，数值大。8.2 发电机差动保护)II(21Ires 为两侧短路电流之差，数值小；II 3)当内部故障时，的方向与正常的电流相反，且；I TAkopnIIII，数值大，保护动作。当II 时，制动电流为零，动作电流只要最小值，保护就动作，大大提高了灵敏度。发电机未并列时且发生故障时，0 I2/IIresIIop，保护也能动作。8.2 发电机差动保护3.纵差保护的动作逻辑8.2 发电机差动保护2、差动保护整定计算（1）最小动作电流.min.(0.2 0.4)d opg nII（2）最小拐点电流.
11、min.(0.8 1.0)resg nII（3）制动曲线斜率5.03.0K 灵敏度：2)2(min.opksenIIK ：发电机出口短路时，流经保护最小的周期性短路电流。)2(min.kI8.2 发电机差动保护3、发电机标积制动原理差动保护为提高差动保护灵敏度，微机保护采用标积原理差动保护，其动作方程为RNIIcosISIRNNIRI、为发电机中性点、发电机端基波电流；S)I,Iarg(RN标积制动系数；正常运行 故障时相量0IIRN正常运行时8.2 发电机差动保护1cos保护不动作。当BC两相区外短路时，情况同正常运行。8.2 发电机差动保护区内故障时，1cos保护可靠动作。NIRI0cos
12、IIRN一侧断线时，或为零，可能误动。8.3 发电机匝间短路保护 在容量较大的发电机中，每相绕组有两个并联支路，每个支路的匝间或支路之间的短路称为匝间短路故障。由于纵差保护不能反映同一相的匝间短路，当出现同一相匝间短路后，如不及时处理，有可能发展成相间故障，造成发电机严重损坏，因此，在发电机上应该装设定子绕组的匝间短路保护。8.3 发电机匝间短路保护8.3.1 横联差动保护 保护装设了3次谐波滤过器，降低保护动作电流，提高灵敏度。8.3 发电机匝间短路保护 切换片正常运行时投1-2位置,保护不带延时。转子一点接地时，投1-3位置，保护带延时，为转子两点接地故障做好准备。8.3 发电机匝间短路保
13、护 定子绕组匝间短路时，故障相绕组的两个分支的电势不相等，因而在定子绕组中出现环流，该电流大于保护的动作电流，则保护动作。8.3 发电机匝间短路保护 正常运行或外部短路时，每一分支绕组供出该相电流的一半，流过中性点连线的电流只是不平衡电流，故保护不动作。8.3 发电机匝间短路保护GNopII)3.02.0(动作电流:5/25.0GNTAIn电流互感器变比：缺点:1)单相分支匝间短路的短接的匝数较少时，存在动作死区。2)同相两分支间匝间短路，当短路点位置差别较小时，也存在死区。8.3 发电机匝间短路保护8.3.2 反映零序电压的匝间短路保护 大容量发电机其结构紧凑，无法装设横差保护。发电机中性点
14、一般不直接接地，正常运行发电机三相机端与中性点之间的电动势是平衡；当发生定子绕组匝间短路时，部分绕组被短接，机端三相电动势不平衡，出现纵向零序电压。因定子绕组匝间短路会出现纵向零序电压，正常运行或定子绕组出现其他故障纵向零序电压几乎为零，因此，通过反应发电机三相对中性点的纵向零序电压可以构成匝间短路保护。8.3 发电机匝间短路保护 发电机内部或外部单相接地故障时，机端三相对地之间会出现零序电压。但与匝间短路情况是不一样。为检测发电机的匝间短路，必须测量纵向零序电压，为此应装设专用电压互感器。电压互感器的一次侧星形中性点直接与发电机中性点相连接。专用电压互感器的开口三角侧的电压仅反应纵向零序电压
15、，而不反应机端对地的零序电压。8.3 发电机匝间短路保护特点：发电机定子绕组匝间短路时，机端会出现负序电压、负序电流及负序功率，且负序功率的方向是从发电机内部流向系统。外部不对称故障，负序功率与匝间短路方向相反。外部不对称故障负序功率方向动作，闭锁保护。8.3 发电机匝间短路保护零序动作电压：0.0.minoprelUK U0.opU定子绕组匝间短路保护动作电压；relK可靠系数，可取0.8；0.minU匝间短路时最小的纵向零序电压。根据运行经验，二次动作电压可取2.53V。8.3.3反应转子回路2次谐波电流的匝间短路保护8.3 发电机匝间短路保护原理：匝间短路在转子绕组中产生2次谐波电流，利
16、用此特点构成保护。8.3 发电机匝间短路保护正常运行、三相对称短路及系统振荡时，发电机定子绕组三相电流对称，保护不会动作。发电机不对称运行或不对称短路时：转子回路中将出现2次谐波电流。为了避免保护的误动，采用负序功率方向继电器闭锁的措施。8.3 发电机匝间短路保护原因：匝间短路时的负序功率方向与不对称运行时或发生不对称短路时的负序功率方向相反。8.4 发电机定子绕组单相接地保护定子绕组单相接地的危害：1）接地电流会产生电弧，烧伤铁芯，使定子绕组铁芯叠片烧结在一起，造成检修困难。2）接地电流会破坏绕组绝缘，扩大事故，若一点接地未及时发现，很有可能发展成绕组的匝间或相间短路故障，严重损伤发电机。接
17、地电流允许值：发电机额定电压（KV)发电机额定容量（MW)接地电流允许值（A)6.350410.550100313.815.751252002182030018.4 发电机定子绕组单相接地保护当发电机接地故障电流大于允许值时，应装设有选择性接地保护。8.4 发电机定子绕组单相接地保护对大中型发电机定子绕组单相接地保护的基本要求：1）绕组有100%的保护范围。2）当发生经过渡电阻接地故障时，保护应有足够灵敏度。7.4.1反应基波零序电压的接地保护 处每相对地电压为：8.4 发电机定子绕组单相接地保护AAGEU)1(ABBGEEUACCGEEU故障点零序电压：ACGBGAGakEUUUU)(310
18、结论：故障点零序电压与成正比，故障点离中性点越远，零序电压越高。8.4 发电机定子绕组单相接地保护在机端接地时：AkEU0在中性点处接地时：00kU8.4 发电机定子绕组单相接地保护保护构成：1）反映零序电压保护原理接线缺点：保护在离中性点附近接地存在动作死区。8.4 发电机定子绕组单相接地保护提高保护灵敏度措施：1）加装3次谐波滤过器。2）高压侧中性点直接接地电网中,利用保护延时躲过高压侧接地故障。3）高压侧中性点非直接接地电网中，利用高压侧接地出现的零序电压闭锁或者制动发电机接地保护。注意：在中性点附近接地仍有5%的死区。8.4.2 反应基波零序电压和3次谐波电压构成的发电机定子100%接
19、地保护8.4 发电机定子绕组单相接地保护 在发电机相电势中，除基波之外，还含有一定分量的谐波，其中主要是3次谐波，3次谐波值一般不超过基波10%。1、正常运行时定子绕组中3次谐波电压分布8.4 发电机定子绕组单相接地保护机端3次谐波电压：)(233SGGsCCCEU中性点3次谐波电压：)(2233.SGSGNCCCCEU比值：123.3.SGGNsCCCUU结论：正常运行时，机端3次谐波电压总是小于中性点3次谐波电压。8.4 发电机定子绕组单相接地保护2、定子绕组单相接地时3次谐波电压的分布33.33.)1(,EUEUsN有其比值为：13.3.NsUU8.4 发电机定子绕组单相接地保护3.3.
20、%,50NsUU3.3.%,50NsUU结论：8.4 发电机定子绕组单相接地保护零序电压随变化特性：8.4 发电机定子绕组单相接地保护总结：1）正常情况机端3次谐波小于中性点处3次谐波电压；2）当离中性点处不足50%的范围内接地，机端3次谐波电压大于中性点处3次谐波电压。3）原理：利用机端3次谐波电压作为动作量，利用中性点处3次谐波电压作为制动量，构成接地保，越靠近中性点保护越灵敏。可与其它保护一起构成发电机定子100%接地保护。8.5 发电机励磁回路接地保护1、励磁回路一点接地保护 当励磁绕组绝缘严重下降或损坏时，会引起励磁回路的接地故障，最常见的是励磁回路一点接地故障。发生一点接地故障后，
21、励磁回路对地电压将升高，在某些条件下会诱发第二点接地，励磁回路发生两点接地故障将严重损坏发电机。8.5 发电机励磁回路接地保护1）绝缘检查装置正常运行时，电压表V1，V2的读数相等。当励磁回路对地绝缘水平下降时，V1与V2的读数不相等。缺点：中点附近接地时，存在动作死区。8.5 发电机励磁回路接地保护2）直流电桥式一点接地保护正常时电桥处于平衡状态；当励磁绕组发生一点接地时，电桥失去平衡。缺点:接地点靠近励磁回路两极时保护灵敏度高，而接地点靠近中点M时，存在死区。8.5 发电机励磁回路接地保护措施：1）在电阻R1的桥臂中串接非线性元件稳压管，其阻值随外加励磁电压的大小而变化，因此，保护装置的死
22、区随励磁电压改变而移动位置。这样在某一电压下的死区，在另一电压下则变为动作区，从而减小了保护拒动的机率。8.5 发电机励磁回路接地保护2）转子偏心和磁路不对称等原因，使转子绕组中点对地电压不保持为零，而是在一定范围内波动。利用此电压来消除保护死区。2、励磁回路两点接地保护8.5 发电机励磁回路接地保护两点接地，故障点流过很大短路电流，电弧可能烧伤转子。转子磁场发生畸变，力矩不平衡，致使机组振动。可能使汽缸磁化。工作原理：当励磁回路K1点发生接地后，投入刀闸S1并按下按钮SB，调节的滑动触点，使电桥平衡。8.5 发电机励磁回路接地保护调整平衡后，合上S2，将保护投入工作。当励磁回路第二点发生接地
23、时，电桥平衡遭到破坏，电流继电器中有电流通过，若电流大于继电器的动作电流，保护动作。8.5 发电机励磁回路接地保护缺点：1）若故障点K2点离第一个故障点K1点较远，则保护的灵敏度较好；反之，若K2点离K1点很近，保护将拒动，因此保护存在死区，死区范围在10%左右。8.5 发电机励磁回路接地保护2）若第一个接地点K1点发生在转子绕组的正极或负极端，则因电桥失去作用，不论第二点接地发生在何处，保护装置将拒动，死区达100%。8.5 发电机励磁回路接地保护3）由于两点接地保护只能在转子绕组一点接地后投入，所以对于发生两点同时接地，或者第一点接地后紧接着发生第二点接地的故障，保护均不能反映。8.6 发
24、电机失磁保护8.6.1 发电机失磁及原因 低励故障或完全失磁：造成低励故障的原因通常是由于主励磁机或副励磁机故障；励磁系统有些整流元件损坏或自动调节系统不正确动作及操作上的错误。完全失磁通常是由于自动灭磁开关误跳闸，励磁调节器整流装置中自动开关误跳闸，励磁绕组断线或端口短路以及副励磁机励磁电源消失等。8.6 发电机失磁保护8.6.2发电机失磁后机端测量阻抗的变化规律测量阻抗：指从发电机端向系统方向所看到的阻抗。失磁后机端测量阻抗的变化是失磁保护的重要判据。以发电机与无穷大系统并列运行为例进行讨论：8.6 发电机失磁保护失磁进入异步稳定状态三阶段：1）失磁后到失步前2）临界失步点3）失步后（1）
25、失磁后到失步前的阶段8.6 发电机失磁保护 失磁后到失步前，由于发电机转子存在惯性，失步前的失磁发电机滑差很小，发电机输出的有功功率基本上保持失磁前输出的有功功率值，可近似看作恒定，而无功功率则从正值变为负值。8.6 发电机失磁保护sSSGXI jUUsinXUEPSXUXUEQSS2cossUIsXI jGUdEdXI j8.6 发电机失磁保护ssssGmjXjQPUIXI jUIUZ2SSjXjQPjQPPU)1(22jSSSePUjXPU2222PQtg12结论：因系统电抗、电压、发电机输出有功不变，测量阻抗变化轨迹是圆。8.6 发电机失磁保护jSSSmePUjXPUZ2222其圆心座标
26、：ssXPU,22圆半径：PUs228.6 发电机失磁保护2）临界失步点()90XUXUXUEQsSSa22cos表示发电机从系统吸收无功，且为常数。jSsSmeQUjXQUjZ2)2(228.6 发电机失磁保护简化后测量阻抗为：jdSdsmeXXjXXjZ)(21)(213）失步后异步运行阶段)()(22221XXjsRXjsRjXXZadadm机端测量阻抗：等值电路8.6 发电机失磁保护dadmjXXXjZ)(1max.dadadmXjXXXXXjZ221min.最大、最小测量阻抗8.6 发电机失磁保护异步边界阻抗圆：失磁后其机端测量阻抗沿等有功圆向第四象限变化。临界失步时达到等无功阻抗圆
27、的b点。异步运行后，便进入等无功阻抗圆，稳定在c点附近。8.6 发电机失磁保护8.6 发电机失磁保护3、失磁保护的构成 发电机的失磁故障可采用无功功率改变方向、机端测量阻抗超越静稳边界圆的边界、机端测量阻抗进入异步静稳边界阻抗圆为主要判据，来检测失磁故障。为防止误动还需要用非正常运行状态下的某些特征作为失磁保护和辅助判据。例如励磁电压的下降，系统电压的降低均可用作失磁保护辅助判据。8.7 发电机负序电流保护 系统发生不对称短路，或三相负荷不对称时，将有负序电流流过发电机的定子绕组，该电流在气隙中建立起负序旋转磁场，以同步速朝与转子转动方向相反的方向旋转，并在转子绕组中产生100Hz的电流。发电
28、机承受负序电流的能力，是负序电流保护的整定依据之一。8.7 发电机负序电流保护短时出现负序电流发信号。负序电流持续时间达到规定时间时，负序电流仍存在，则动作于切除发电机。发电机能长期承受的负序电流值由转子各部件能承受的温度决定，通常为额定电流的4%到10%。发电机短时承受负序电流的能力：22IAt8.7 发电机负序电流保护发电机短时承受负序电流的能力：22IAt发电机在任意时间内承受负序电流的能力：22IAt1、定时限负序电流保护8.7 发电机负序电流保护两段式定时限特性曲线410160.15.10.25.22*I)(stacde特性两段负序电流保护时限b。，ab的时间保护动作时间大于允许段内在曲线。，bc保护动作小于允许时间段内在曲线2、反时限负序电流保护8.7 发电机负序电流保护保护判据：aIAt2*2*It2*IAt 保护装置动作特性曲线保护动作时限具有反时限特性8.7 发电机负序电流保护dow2t若反时限动作时间太长,则按下限延时动作 。负序电流大于上限 ，按 延时动作。up2Iup2t反时限部分定时限部分
