继电保护教程 第七章 发电机保护

第一节概述发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。

一、故障类型及不正常运行状态：1．故障类型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，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，造成失步，从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。

2．不正常运行状态1)由于外部短路引起的定子绕组过电流：温度升高，绝缘老化2)由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷：温度升高，绝缘老化3)由于外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷：在转子中感应出100hz的倍频电流，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，而导致发电机重大事故。

此外，引起发电机的100hz的振动。

4)由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压：调速系统惯性较大发电机，在突然甩负荷时，可能出现过电压，造成发电机绕组绝缘击穿。

5)由于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)由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率：当机炉保护动作或调速控制回路故障以及某些人为因素造成发电机转为电动机运行时，发电机将从系统吸收有功功率，即逆功率。

二、保护类型：1．发电机纵差动保护：定子绕组及其引出线的相间短路保护2．横差动保护：定子绕组一相匝间短路的保护3．单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路的保护4．发电机的失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失5．过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同时兼作纵差动保护的后备保护6．负序电流保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中出现的负序电流7．过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护8．过电压保护：反应突然甩负荷而出现的过电压9．转子一点接地保护和两点接地保护：励磁回路的接地故障保护10．转子过负荷保护：11．逆功率保护：当汽轮机主汽门误关闭而发电机出口断路器未跳闸，发电机失去原动力而变为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率。

危害：汽轮机尾部叶片有可能过热而造成事故。

一、作用原理下图为发电机纵差动保护的单相原理图，两组CT 特性、变比一致正常 区外接地时21I I = 0'2'1≈-=I I I j 21I I = CT 特性可选得尽量一致不平衡电流比变压器小 nlI K K K I d er tx g f bp M A X max.2...= 5.0=tx K二、整定计算两个条件：（1） 躲外部短路时的max .bp I m a x .2.bp K d I K I = （2） 躲大于发电机额f e I . （CT 二次断线时不误动）f e k dz I K I ..= 灵敏度 2min.≥=dzd lm I I K m i n.d I ——出口两相短路。

当一相定子绕组有两个及以上并联分支时，装设此种保护正常：21I I = 0/)(.2.1.=-=nl I I I j 匝间接地： dz ddJ I nlI nl I I I I >=+-=".".2.1./)2( 动作死区：（1） 同一分支：.0,0"≈≈d I α 保护不动（2） 同相两分支间：.0",21≈≈d I αα 保护不动 （3）不同相绕组匝间： 保护不动 缺点：接线复杂 实用接线：当发电机出现三次谐波电势时，且三相同相位，若任一分支与其与支路不相等，则中性点连线上会出现三次谐波环流。

该接线没有互感器特性不同而引起的灵敏度高，接线也较简单。

第四节发电机的单相接地保护一、发电机定子绕组单相接地的特点最常见的故障之一：定子绕组中性点不接地或经高阻抗接地。

它具有一般不接地系统单相接地短路特点故障点各相对地电压：故障点零序电压为 ....)()(3/1A dA dB dA do E U U U U αα-=++= 电流分布：见上页图：..)(...)('333333Aol do ol ol A of do of of E C j U C j I E C j U C j I αωωαωωαα-==-==..)().(A ol of d E C C j I αωα+-=二、利用基波零序分量的发电机定子单相接地保护视d I 大小，（发电机直接连接母线） d I 较大时——零序电流保护，动作于跳闸， （发变组）d I <允许值——零序电压保护， 动作于信号 （一） 基波零序电流保护对C 0T 的要求：（1） 三相对称负荷电流作用下，bp I 小 （2） )2(d。

（α较小）d I 很小 足够输出功率。

一般的C 0T 达不到足够的灵敏度，曾广泛采用交流助磁的C 0T 。

（二） 基波零序电压保护定值 躲3.U U bp高压侧 )1(d，发电机侧的0U一般15~30V 有死区100%定子接地保护：零序电压保护+附加支流电压的保护方式 加固定工频偏移电压 利用三次谐波电压第五节 发电机的负序过流保护一、负序电流保护的作用：2I ——转子过热，机械振动为了使转子不致过热，A t I 2*2*2I ——以发电机额定电流倍数表示的负序电流的标幺值A ——允许过热时间常数曲线表明： 发电机允许负序电流的时间是随2I 大小而变化 故称为反时限。

针对此情况，装设发电机负序过流保护二、负序定时限过流保护两段式 I 段 f e dz I I .'25.0= 经1t 延时动作于跳闸 Ⅱ段 f e dz I I ."21.0= 经2t 延时动作于信号分析（1） 在ab 段内： 1t >允t 对发电机不安全（2） 在bc 段内 1t <允t 未充分利用发电机对 的承受能力（3） 在cd 段内 发信号，由于运行人员处理，而靠近 点时，已>允t ,不安全 （4） 在de 段内， 保护根本不反应即不能与反时限电流曲线很好配合，且对热积累的过程不能反应。

三、负序反时限过流保护α-=2*2I At 或t A t I α+=2*2α——修正常数（考虑到转子的散热条件）第六节 发电机的失磁保护一、发电机的失磁运行及其产生的影响失磁故障指励磁突然全部消失或部分消失（低励）励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流） 1 失磁原因：三种（1）励磁回路开路，励磁绕组断线 灭磁开关误动作，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） 运行人员调整等。

发电机失磁后，它的各种电气量和机械量都会发生变化，且将危及发电机和系统的安全。

2 失磁后的基本物理过程：依据：功角特性关系： δsin dS Sd x x U E P +=sd Sd S S d x x U x x U E Q +-+=2cos δ 转子运动方程：)(22ac T J P P P dtd T --=δ T P ——原动机功率 P ——同步功率 ac P ——异步功率 22dtd δ——电气角加速度 J T ——机组的惯性时间常数（1） ↓d E T e P P .↓→不变T P P =→↑→→.δ转子加速当 090<δ 发电机未失步 ——同步振荡阶段090=δ（静稳定极限角）——临界失步状态90>δ T P P < 转子加速愈趋剧烈 异步运行阶段，这时原动机的调速装置在转子加速的影响下，使汽门关小，↓T P（2） ↓↓→Q E d 当090=δ时，sd S x x U Q +-=2即从系统吸收感性无功功率，090>δ，吸收↑↓↑→I U Q f .图圆为发电机以不同的有功功率P 临界失步时，机端测量阻抗的轨迹，圆内为失步区。

在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率为 2s f f f -电流，（f f 发电机转速的频率，s f 系统频率） 该电流将产生异步功率ac P 当 T ac P P =即进入稳态的异步运行阶段。

3．失磁后的影响 ： 对电力系统：(1) 吸收Q .↓→U 无功储备不足，将因电压崩溃而瓦解(2) 大后备保护动作，故障扩过电流其它发电机→↑→↓→Q U (3) 失磁→失步→振荡→甩负荷 对发电机（1）转子中s f f f -的差频电流→过热 （2）转差率↑→-=sfs f f f s 吸→↓-→↑.)1(.2ss R Q 定子过电流→ 发热 （3） 转速→↑.振动气轮发电机：ac P 较大s<0.5%可稳定运行.—— 可异步运行一段时间 水轮发电机ac P 较小 s 很大..↑↑→I Q 发热厉害，故不允许失磁异步运行 可见：失磁后，若不失步，无直接危害。

失步后，对发电机及系统有不利影响。

故应装设失磁保护。

二、失磁发电机机端测量阻抗的变化轨迹通常采用等有功阻抗圆。

等无功圆（临界失步阻抗圆）和等电压阻抗圆来分析。

（一） 等有功阻抗圆：失步前。

P 基本不变——— 等有功过程PQtg e PU jx P U jX e e P U jx jQ P jQ P jQ P P U jx jQ P U U U I U jx I jx I U I U Z j S S S sj j S SS SSSS fS S fSf S ff f 1222222^^.........2)2()1(2.2..--=++=++=+-++-=+-=+=+==ϕωωϕϕϕ圆的方程式特点：（1） 圆的大小与P 有关 ↑→P 圆↓（2） 失磁前，发电机向系统送无功，Q 为正，f Z 位与第Ⅰ象限失磁后，随Q 的变化，Q 由正→负，f Z 从Ⅰ→Ⅳ象限，圆越小，从Ⅰ→Ⅳ快 。

（3） 圆的位置与j S x 有关，若S x =0， 圆心在实轴上，f Z 很容易进入第Ⅳ象限 可见，失磁后， 向第四象限移动，且最终将稳定在第四象限内 （二） 等无功阻抗圆（临界失步圆）=+-=→=s d S x x U Q 2090δ常数 ϕϕ2222..22)1(2j d d d d S j S S S f f f e x x j x x j jx e Q j U jX jQ P U I U Z ++--=+-=+-==圆周为发电机以不同的有功功率P 临界失步时，机端测量阻抗的轨迹，圆内为失步区。

（三） 临界电压阻抗圆临界电压值： 发电机失磁后，系统某一点电压下降到是机组不能稳定运行，此电压值称为临界电压值 （)S B MU U =)((..)..S B S B f S X X I j I Z X X jI U U +-=+-=整理后： 22222222)1()1(S T S X M M X X M M X R -=--++三、失磁保护的主要判据MX X X R X X R X X j Z jX Z U U jIX I Z jIX U U S B B S B B S B BB f B =--+-+=+--=-=-=2222....)()(|)(|||||||。