7.1简述发电机保护的配置

7.1 简述发电机保护的配置

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

（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）大于规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护装置。

（3）对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形接线、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护。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 以上的发电机；

3）过电流保护，用于1MW及以下的小型发电机；

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而引起的负序过电流，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装置。

（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。

（11）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。

（12）对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护。

（13）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。

7.2 简述发电机—变压器组保护的配置。

答：针对发电机—变压器组可能出现的故障，应配置如下的保护。

（1）发电机定子短路主保护：

1）发电机纵差动保护；

2）发变组纵差动保护；

3）发电机不完全纵差动保护；

4）发电机裂相横差保护；

5）发电机高灵敏横差保护；

6）发电机纵向零序电压式匝间保护；

（2）发电机定子单相接地保护：

U定子接地保护；

1）发电机3

2）发电机

3I定子接地保护

3）发电机高灵敏三次谐波电压式定子接地保护。（3）发电机励磁回路接地保护：

1）发电机转子一点接地保护；

2）发电机转子二点接地保护‘

（4）发电机定子短路后备保护：

1）发电机过流保护；

2）发电机电压闭锁过流保护；

3）发电机负序过流保护；

4）发电机阻抗保护；

（5）发电机异常运行保护：

1）发电机失磁保护；

2）发电机失步保护；

3）发电机逆功率保护；

4）发电机频率异常保护；

5）发电机过激磁保护（定、反时限）；

6）发电机过电压保护；

7）发电机低电压保护；

8）发电机对称过负荷保护（定、反时限）；

9）发电机不对称过负荷保护（定、反时限）；10）发电机励磁回路过负荷保护（定、反时限）；（6）主变压器主保护：

1）主变纵差动保护；

2）主变单侧差动保护；

3）主变零序差动保护；

（7）主变压器异常运行及后备保护：

1）主变压器过激磁保护（定、反时限）；

2）主变压器零序电流保护；

3）主变压器间隙电流电压保护；

4）主变压器电压闭锁过流保护；

5）主变压器过流保护；

6）主变压器阻抗保护；

7）主变压器方向过流保护；

8）主变压器电压闭锁方向过流保护；

9）主变压器负序方向过流保护；

10）主变压器零序方向过流保护；

11）主变压器过负荷保护；

12）主变压器通风启动；

13）主变压器TA、TV断线判别。

（8）发变组纵差动保护。

7.4 发电机的完全差动保护为何不反应匝间短路故障，变压器差动保护能反应吗？

答：发电机的完全差动保护引入发电机定子机端和中性点的全部相电流

?

1

I和

?

2

I，在定子绕组发生同相匝间短路时两侧电流仍然相等，保护将不能够动作。变压器匝间短路时，相当于增加了绕组的个数，并改变了变压器的变化，此时变压器两侧电流不再相等，流入差动继电器的电流将不再为零，所以变压器纵差动保护能反应绕组的匝间短路故障。

7.5 试分析不完全纵差动保护的特点和不足。中性点分支的选取原则。

答：（1）特点和不足：发电机的不完全纵差动保护可以保证正常运行及区外故障时没有差流，而在发生发电机相间或匝间短路时均会形成差流，当差流超过整定值时，可切除故障。所以与发电机完全差动保护相比，其优点是既能够保护相间故障，也能够保护匝间故障。其缺点是差动区域两端的电流互感器必须选取不同的变比，从而不可能选用同型号的互感器，将会造成区外短路时的不平衡电流加大，降低了保护的安全性，如果通过提高定值来保证安全性，则又降低了内部故障的灵敏性。

（2）中性点分支选取的原则：中性点侧每相接入纵差动保护的分支数选多时，相间短路灵敏度高但匝间短路灵敏度下降，选少时匝间短路灵敏度提高而相间短路灵敏度会下降。

中性点分支选择原则是

1

2/

2/a+

≤

≤a

N

式中，N为中性点侧每相接入纵差动保护的分支数；a为发电机每相的并联的分支总数。该式其实是简单地取分支总数的一半，如果分支总数是奇数，则取一半加1.

7.6 简述发电机纵差动保护和横差动保护特点

答：发电机纵差动保护是反应发电机内部相间短路的主保护，能快速而灵敏地切除保护范围内部相间短路故障，同时又保证在正常运行及外部故障时动作的选择性和工作的可靠性。但完全纵差动保护不能反应匝间短路故障。

横差动保护适用于具有多分支的定子绕组且有两个中性点引出端子的发电机，能反应定子绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内绕组相间短路。

7.7 简述发电机定子单相接地保护重要性

答：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绕组对地电容较大，当发电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，会引起非接地相对地电压升高及弧光过电压，可能导致发电机其他位置绝缘的破坏，形成危害的严重的相间或匝间短路故障。

7.8 大容量发电机为什么要采用100%定子接地保护？

答：利用零序电流和零序电压原理构成的接地保护，对定子绕组都不能达到100%的保护范围，在靠近中性点附近有死区。而实际上，大容量的机组往往由于机械损伤或水内冷系统的漏水等原因，在中性点附近也有发生接地故障的可能，如果对这种故障不能及时发现，就有可能使故障扩展而造成严重损坏发电机事故。因此，在大容量的发电机上必须装设100%保护区的定子接地保护。

7.9 简述负序电流对发电机和变压器的影响有何不同

答：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芯等部件上感应出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，威胁发电机安全。

负序电流造成电力系统三相电流不对称，因而系统中的三相变压器有一相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力（即变压器容量利用率下降）。另外，还会造成变压器的附加能量损失和在变压器铁芯磁路中造成附加发热。

7.11 发电机失磁对系统和发电机本身有什么影响？汽轮发电机允许失磁后继续运行的条件是什么？

答：当发电机失磁后而异步运行时，将对电力系统和发电机产生以上影响。

（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（1X 、2X 、ad X ）以及实际运行时的转差率。失磁前带的有功功率越大，失磁后转差就越大，所吸收无功功率也就越大，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，测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、或其他相邻的电压低于允许值，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s g f f 的交流电流，即差额电流。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额电流，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。

（4）对于直接冷却的大型汽轮发电机，其平均异步转矩的最大值较小，惯性常数也相对较低，转子在纵轴和横轴方面呈现较明显的不对称，由于这些原因，在重负荷下失磁后，这种发电机的转矩、有功功率要发生周期性摆动。这种情况下，将有很大的电磁转矩周期性地作用在发电机轴系上，并通过定子传到机座上，引起机组振动，直接威胁着机组的安全。

（5）低励磁或失磁运行时，定子端部漏磁增加，将使端部和边段铁芯过热。

汽轮发电机允许失磁后继续运行主要取决于电力系统的具体情况。例如，当电力系统的有功功率供应比较紧张，同时一台发电机失磁后，系统能够供给它所

需要的无功功率，并能保证电力系统的电压水平时，则失磁后就应该继续运行；反之，若系统没有能力供给它所需要的无功功率，并且系统中有有功功率有足够的储备，则失磁以后就不应该继续运行。

7.12 发电机励磁回路为什么要装设一点接地和两点接地保护？

答：发电机励磁回路一点接地，虽不会形成故障电流通路，不会给发电机造成直接危害，但要考虑第二点接地的可能性，所以由一点接地保护发出信号，以便加强检查、监视，并投入两点接地保护。

当发电机励磁回路发生两点接地故障时，将会使两个接地点之间的转子绕组短路。由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤发电机转子本体；由于部分绕组被短接，励磁电流增加，可能因过热而烧伤励磁绕组；由于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡，从而引起机组振动，汽轮机还可能使轴系和汽轮机磁化。因此在一点接地后要投入两点接地保护，以便发生两点接地时经延时后跳闸，使发电机停机。

7.14 试分析失磁保护静稳圆边界的物理概念

答：对汽轮发电机组，当 90=δ时，发电机处于失去静态稳定的临界状态，故称为临界失步点。此时输送到受端的无功功率为

∑

-=X U Q S 2 式中，Q 为负值，表明临界失步时，发电机自系统吸收无功功率，且为一常数，故临界失步点也称为无功点。此时机端的测量阻抗为

s j s s s s g g jX e Q

j U jX S jQ P jQ P Q j U jX S U I U Z +-?-=++--?-=+==??)1(2)(22222s ?

将Q 值代入并化简后可得 ??22g 2

2)1(2j s d s d s j s d e X X j X X j jX e j X X Z ++--=+-+= 由于发电机

在输出不同的有功功率P 而临稳，其无功功率Q 恒为常数。因此，在上式中，?

为变数，也是一个圆的方程，如图7-4所示，其圆心O '的坐标为（0，2

s d X X --），圆的半径为2

d s X X +。这个圆称为静态阻抗圆，也称等无功阻抗圆。其圆周为发电机以不同的有功功率P 临界失稳时，机端测量阻抗的轨迹，圆内为静稳破坏区。 `'o

-d jX s jX jX

o R

7.15 从制动原理分析，在同等条件下，发电机纵差动保护要比变压器差动保护灵敏

答：以比率制动特性为例，

制动特性如图7-5所示。

对应的方程为 min .min .)(d res res d I I I K I +->，

min .res res I I >，min .d d I I >，min .res res I I ≤

式中，d I 为差动电流或称“动作电流”；res I 为制动电流；min .res I 为拐点电流； d.min I 为启动电流；K 为制动线斜率（即图7-5中斜线BC 的斜率）。

变压器纵差保护由于存在计算变比与实际变比不一致、带负荷调压、TA 不同型、励磁电流影响等因素，外部短路时的不平衡电流要远大于发电机纵差保护的不平衡电流，因此为了确保外部短路时的安全性，在制动电流取法相同的情况下，变压器差动保护的制动系数K （一般取为0.4~1）要大于发电机差动保护的制动系数（一般取为0.3），从而使制动特性中的动作区域变小，制动区域变大，灵敏度降低。此外，由于误差因素多，变压器差动保护中的min .d I 也会比发电机差动保护大，也会导致灵敏度降低。

res I d I min .res I d.min I o A B αC K=2故障特性曲线