发电机主变保护原理与应用

发电机主变保护原理与应用

1.定子绕组绝缘故障

1.1 分类

定子绕组绝缘的破坏：定子绕组对地(铁芯)绝缘、相间绝缘(同相不同分支绕组相间)，匝间绝缘(同相同分支绕组匝间)。

定子绕组对地(铁芯)绝缘比匝间绝缘弱，发生几率大于相间或匝间短路几率。

同槽，同一定子铁心槽；同相，上下层导体同相。在大型发电机中，同槽同相的几率为50%。由于同相匝间绝缘与不同相匝间绝缘相同(上下层线棒间有两层主绝缘，其间还有一层4~6mm的层间绝缘)，而同相匝间电压比不同相匝间电压低，所以，发生同相匝间短路的几率小于相间短路的几率。但由于定子水内冷线圈的漏水，定子绕组端部积尘、积油多，在定子槽内或端部，仍然可能引发匝间短路。据统计，匝间短路为相间短路的1/6。

1.2 定子接地保护

如不采取任何措施，单相接地故障处所产生的热量和绝缘物的燃烧，将使定子铁心熔化。因此，必须对大型发电机的定子单相接地电流制定一个合理的安全允许值，当单相对地绝缘破坏时，产生的故障电流小于该允许值时，配有定子接地保护的大型发电机仅带时限动作于信号，并立即通知系统调度部门，迅速转移故障机组负荷，实现平稳停机，以免再发生另一点接地故障而烧毁发电机，检修时仅限于对绝缘的恢复，定子铁心不必检修，使检修简单快速。而当单相接地电流大于允许值，并定子绕组绝缘已相当老化时，才动作于停机。

定子绕组是全绝缘结构，中性点绝缘强度与机端一样，而且中性点又经常运行在低电压工况下，按道理，接地故障应该不会首先发生在中性点附近。但是，由于机械震动，如定子线棒在槽内的蠕动、中性点附近螺栓的松动、风扇叶片断裂砸伤定子绝缘等，或者由于水内冷机组定子漏水等原因，虽然几率很小，但仍有可能使得单相接地故障首先在中性点附近发生。也可能故障初始是由位于中性点附近的定子多匝线圈中发生部分匝间短路，由于短路匝数少，横差保护不能反映，故障继续发展，最终中性点附近绕组对铁心击穿，形成单相接地故障。

从继电保护观点看，由于三次谐波的电流滤波不及电压滤波方便，而发电机正常的三次谐波成分比基波零序成分大得多，因此基波零序电流保护的整定值较高，在国外它仅作为机端附近的接地故障保护，而基波零序电压保护可以毫不费力的就取得95%的保护区。

对于10万KW及以上的发电机，不仅要求装设100%定子接地保护，还要求在定子绕组任一点经过渡电阻接地时，保护能灵敏动作(即经过渡电阻接地仍能动作)。这是考虑到当中性点附近首先经过渡电阻接地时，若保护灵敏度不够而未能动作，随之在机端附近再发生第二点接地，中性点电位升高，第一个接地点的接地电流增大而过渡电阻减小，结果发生相间或匝间的严重短路。

发电机定子回路中各点（包括与定子绕组连接的主变低压绕组、电压互感器的一次绕组）的基波零序电压相同，因此，利用基波零序电压作参量的定子接地保护是不可能区分接地故障点位于发电机内部或外部，但这一缺点并非很重要，因为这时定子接地保护只发信号，并不跳闸，只有当定子接地保护作用于跳闸的情况，区分内外故障的选择性才有一定意义。

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1.3 中性点接地方式

发电机的中性点接地方式与定子接地保护的构成密切相关。

电力系统中，中性点接地方式有五种：

1). 直接接地。我国电力系统500KV、330KV、220KV、大部分110KV均用此方式，称为大接地电流系统(或有效接地系统)。发电机不用。

2). 中性点经消弧线圈(R+jwL)接地。对35KV、63KV、部分110KV电力系统是采用过补偿方式(消弧线圈电感电流大于三相电容电流)，以补偿接地故障电容电流。

发电机容量的增大，电压也越高，三相定子绕组对地电容也越大，相应的单相接地电流也增大，如不采取措施(如增设消弧线圈)，再装设冲击波吸收电容器，则单相接地故障电容电流将相当可观，而安全接地电流却随电压增高而减小，因此，单机容量的增大必然导致普遍采用消弧线圈。

对发电机，必须采用欠补偿或完全补偿的谐振接地方式(后者在国外已有采用)，防止发电机传递过电压，威胁发电机安全。

当发生定子绕组单相接地故障时，用电感电流补偿电容电流，是单相接地电流限制在规定的允许值内。对采用基波零序原理的定子接地保护，经消弧线圈接地比经高阻接地的灵敏度高，但单相接地故障的动态过电压有人认为比经高阻接地时的大(王维俭老师在著作中认为这一点是没有根据的)，很可能使发电机轻微的单相接地故障扩大为灾难性相间或匝间短路。我国原大中型水轮发电机中性点基本上都是经消弧线圈接地，早期30万KW汽轮发电机也采用此，但现在就连30万、40万、55万KW的水轮发电机也转而采用高阻接地方式。王老师认为推广这一接地方式仍然没有根据。

此种方式下，为取得中性点三次谐波电压，常利用消弧线圈的一、二次绕组代替中性点的电压互感器，它是个单相的电压互感器。

3). 电阻(R)接地。中性点直接接电阻或经配电变压器(其二次侧接电阻)接地，阻值有大有小，发电机经低阻接地，机端单相接地故障电流比其它接地方式的同一电流大出近十倍甚至数十倍，远远超过这些发电机的安全接地电流，因此，低阻接地方式应杜绝，而改为高阻接地；

4). 电抗(L)接地。中性点经电抗接地，以适当限制接地故障电流，国外多，我国已开始采用；

5). 中性点绝缘。中性点不接地或经PT接地。系统单相故障电流呈容性。

目前，国内外大中型发电机的中性点接地方式主要有两种：

中性点经消弧线圈接地；经接地变压器高阻接地。

由于大型发电机中性点不接地(或经高阻抗接地)，单相对地绝缘的破坏(定子接地故障)不会产生大的故障电流，所以，当单相接地电流小于允许值时，配有定子接地保护的大型发电机仅带时限动作于信号，只有当单相接地电流大于允许值，并定子绕组绝缘已相当老化时，才动作于停机。定子接地保护不属发电机内部故障主保护。

如果定子接地保护未配100%，发电机中性点附近发生一相对地(铁芯)绝缘破坏，定子接地保护不会动作，如果未配匝间保护，该故障就会进一步发展为匝间(位于同槽同相绕组匝间绝缘的破坏) 短路故障，烧坏铁芯，直到邻槽异相绝缘破坏，发展为相间(定子绕组相间绝缘的破坏)短路故障，到此，纵差保护动作，相间纵差保护属发电机内部故障主保护，主保护动作应断开发电机出口DL(或发变组高压侧DL)，断高压厂用变低压侧DL，同时灭磁、关主气门(或导水叶)。虽然主保护动作，但此时定子铁芯已严重烧坏。定子铁芯，在近

现代大型汽轮发电机组中，由于采用复杂的辐向和轴向冷却通道，其定子铁芯一般都是在一定压力下锻压成的一个整体，因此对定子铁芯的检修困难，停机时间通常比较长。

发电机定子单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆。

1.2.1 基波零序电压型

在发电机定子回路中某点发生单相接地时，定子回路各点均有零序电压，因此作为保护动作参量的基波零序电压可以取自发电机中性点单相电压互感器或消弧线圈的二次电压(国外采用发电机中性点经配电变压器接地，可取自配电变压器的二次电压)。

1.3配备匝间短路保护存在的问题

汽轮发电机，一般每相一分支或两并联分支；大型水轮发电机的转速和极对数直接与水电站的水头有关，各水电站的水头不同，使水轮发电机的转速和极对数也各不相同，水轮发电机的转速原比汽轮发电机小(极对数为1时，转速为3000r/min)，而极对数则远大于汽发，所以水发的定子绕组每相并联支数常常大于2，国产有每相5或6并联分支的，国外有10分支的。

如果是每相一并联分支，则根本不可能装设横差保护；如果是每相多分支，实际上可以装横差保护，但许多国内外电机制造厂仅在中性点侧仅引出3个端子，仍然不能装设横差保护。王维俭老师一直在呼吁这件事。

单元件横差保护因常常没有装设条件，加之目前其它匝间短路保护(裂相横差、不完全纵差保护)效果差，经常误动，也就不再另设其它匝间短路保护。

大型发电机总是采用发变组单元接线，有些水电站采用两机一变或三机一变的扩大单元接线方式。对扩大单元接线的水轮发电机不应采用三次谐波电压定子接地保护，但是，对经分裂绕组变压器的扩大单元接线水轮发电机仍可采用。