发电机保护原理

发电机保护原理

大型发电机的造价高昂，结构复杂，一旦发生故障遭到破坏，其检修难度大，检修时间长，要造成很大的经济损失。例如，一台20万kW的汽轮发电机，因励磁回路两点接地使大轴和汽缸磁化，为退磁需停机1个月以上，姑且不论检修费用和对国民经济造成的间接损失，仅电能损失就近千万元。大机组在电力系统中占有重要地位，特别是单机容量占系统容量较大比例的情况下，大机组的突然切除，会给电力系统造成较大的扰动。因此，发电机的安全运行对电力系统的正常工作、用户的不间断供电、保证电能的质量等方面，都起着极其重要的作用。

1．发电机故障形式

由于发电机是长期连续旋转的设备，它既要承受机身的振动，又要承受电流、电压的冲击，因而常常导致定子绕组和转子线圈的损坏。因此，发电机在运行中，定子绕组和转子励磁回路都有可能产生危险的故障和不正常的运行情况。一般说来，发电机的故障和不正常工作情况有以下几种：（1）定子绕组相间短路故障：定子绕组相间短路故障是对发电机危害最大的一种故障。故障时，短路电流可

能把发电机烧毁。

（2）定子绕组匝间短路：定子绕组匝间短路时，在匝间

电压的作用下产生环流，可能使匝间短路发展为单相

接地短路和相间短路。

（3）定子绕组接地故障：定子绕组的单相接地故障是发电机较常见的一种故障，故障时，发电机电压系统的

电容电流流过定子铁心，造成铁心烧伤，当此电流较

大时将使铁心局部熔化。

（4）励磁回路接地故障：发电机励磁回路一点或两点接地时，一般说来，转子一点接地对发电机的危害并不

严重，但一点接地后，如不及时处理，就有可能导致

两点接地，而发生两点接地时，由于破坏了转子磁通

的平衡，可能引起发电机的强烈振动，或将转子绕组

烧损。

（5）定子绕组过负荷：超过发电机额定容量运行形成过负荷时，将引起发电机定子温度升高，加速绝缘老化，缩短发电机的寿命，长时间过负荷，可能导致发电机

发生其他故障。

（6）定子绕组过电压：调速系统惯性较大的发电机，如水轮发电机或大容量的汽轮发电机，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。（7）定子过电流：由于外部短路或系统振荡而引起定子过电流时，也将引起发电机定子温度升高，加速绝缘

老化等后果，长时间过电流，也可能导致发生其他故

障。

（8）励磁电流异常下降或消失：发电机励磁电流异常下降或消失时，发电机将从系统吸收大量无功功率，发

电机可能与系统失步并转入异步运行状态，从而引起

系统电压下降，甚至可使系统崩溃。

（9）补充励磁绕组过负荷、转子表层负序过负荷、定子铁心过励磁、发电机逆功率、失步、频率异常、发电

机突然加电压、发电机起停。

2．发电机保护配置

为了使同步发电机能根据故障的情况有选择地、迅速地发出信号或将故障发电机从系统中切除，以保证发电机免受更为严重的损坏，减少对系统运行所产生的不良后果，使系统其余部分继续正常运行，在发电机上装设能反应各种故障的继电保护是十分必要的。

对于发电机可能发生的故障和不正常工作状态，根据发电机的容量有选择地装设以下保护：

（2）发电机主保护：为发电机定子绕组及其引出线地相间短路保护。

（1）1MW以上的发电机，应装设纵联差动保

护。

（2）对100MW以下的发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时，发电机与变压

器宜分别装设单独的纵联差动保护。

（3）对100MW及以上发电机变压器组，应装设双重快速保护，每一套主保护宜具有发电机

纵联差动保护和变压器纵联差动保护功能。

（4）以上装设的过电流保护、电流速断保护、低电压保护、低压过流和差动保护均应动作

于停机。

（3）匝间保护：为定子绕组一相匝间短路保护。

a）对定子绕组为星形接线、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端的发电机，应装设零序电

流型横差保护或裂相横差保护、不完全差动保

护。

b）50MW及以上发电机，当定子绕组为星形接线，中性点只有三个引出端子时，根据用户和制造

厂的要求，也可装设专用的匝间短路保护。（4）短路后备保护：当发电机纵差保护围外发生短路，而短路元件的保护或断路器拒绝动作时，为了可靠切

除故障，则应装设反应外部短路的过电流保护。该保护兼作纵差保护的后备保护。保护装置宜配置在发电机的中性点侧。

a）对于1MW及以下与其它发电机或与电力系统并列运行的发电机，应装设过流保护。

b）1MW以上的发电机，宜装设复合电压（包括负序电压及线电压）起动的过电流保护。灵敏度

不满足要求时可增设负序过电流保护。

c）50MW及以上的发电机，宜装设负序过电流保护和单元件低压起动过电流保护。

d）并列运行的发电机和发电机变压器组的后备保护，对所连接母线的相间故障，应具有必要的

灵敏系数。

e）以上各项短路保护装置，宜带有二段时限，以较短的时限动作于缩小故障影响的围或动作于

解列，以较长的时限动作于停机。

（5）定子绕组单相接地保护：为发电机定子绕组单相接地保护。

a）与母线直接连接的发电机：当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于允许值

时，应装设有选择性的接地保护装置。保护装

置由装于机端的零序电流互感器和电流继电器

构成。其动作电流按躲过不平衡电流和外部单

相接地时发电机稳态电容电流整定。接地保护

带时限动作于信号，但当消弧线圈退出运行或

由于其他原因使残余电流大于接地电流允许

值，应切换为动作于停机。当未装接地保护，

或装有接地保护但由于运行方式改变及灵敏系

数不符合要求等原因不能动作时，可由单相接

地监视装置动作于信号。为了在发电机与系统

并列前检查有无接地故障，保护装置应能监视

发电机端零序电压值。

b）发电机变压器组：对100MW以下发电机，应装设保护区不小于90％的定子接地保护，对

100MW及以上的发电机，应装设保护区为100％

的定子接地保护。保护带时限动作于信号，必

要时也可以动作于停机。检查发电机定子绕组

和发电机回路的绝缘状况，保护装置应能监视

机端零序电压值。

（6）励磁回路接地保护：为励磁回路地接地故障保护。

a）对1MW及以下发电机的转子一点接地故障，可