機械工業(yè)出版社教材配套電子教案電力系統(tǒng)繼電保護劉學(xué)軍編制第7章發(fā)電機的保護同步發(fā)電機是電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備，它的安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質(zhì)量起著決定性的作用。同時發(fā)電機本身也是一個十分貴重的電器元件，因此，應(yīng)該針對各種不同的故障和不正常運行狀態(tài)，裝設(shè)性能完善的繼電保護裝置。7.1發(fā)電機的故障、

不正常運行狀態(tài)及其保護方式7.1.1發(fā)電機的故障、

不正常運行狀態(tài)及其保護方式

發(fā)電機的故障類型主要有：（1）定子繞組相間短路

定子繞組間的相間短路對發(fā)電機的危害最大。產(chǎn)出很大的短路電流使繞組過熱，故障點的電弧將破壞絕緣，燒壞鐵芯和繞組、甚至導(dǎo)致發(fā)電機著火。（2）定子繞組匝間短路

定子繞組匝間短路時，被短路的部分繞組內(nèi)將產(chǎn)生大的環(huán)流，從而引起故障處溫度升高，絕緣破壞，并有可能轉(zhuǎn)變成單相接地和相間短路。（3）定子繞組單相接地

發(fā)生這種故障時，發(fā)電機電壓網(wǎng)絡(luò)的電容電流將流過故障點，當(dāng)電流較大時，會使鐵芯局部溶化，給修理工作帶來很大的困難。（4）勵磁回路一點或兩點接地

當(dāng)勵磁回路一點接地時，由于沒有構(gòu)成接地電流通路，因此對發(fā)電機沒有直接的危害。如果再發(fā)生另一點接地，就會造成勵磁回路兩點接地短路，可能燒壞勵磁繞組和鐵芯。此外，由于轉(zhuǎn)子磁通的對稱性破壞，還會引起機組的強烈震動。7.1.1發(fā)電機的故障、

不正常運行狀態(tài)發(fā)電機的不正常運行狀態(tài)主要有：（1）勵磁電流急劇下降或消失發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障或自動滅磁開關(guān)誤跳閘，引起勵磁電流急劇下降或消失。在此情況下，發(fā)電機由同步轉(zhuǎn)入異步運行狀態(tài)，并從系統(tǒng)吸收無功功率。系統(tǒng)無功不足時，將引起電壓下降，甚至使系統(tǒng)崩潰。同時，引起定子電流增加和轉(zhuǎn)子過熱，威脅發(fā)電機安全。（2）外部短路引起定子繞組過電流（3）負荷超過發(fā)電機額定容量而引起的過負荷以上（2）（3）兩種不正常運行狀態(tài)都將引起發(fā)電機定子繞組溫度升高，加速絕緣老化，縮短機組壽命，也可能發(fā)展成為發(fā)電機內(nèi)部故障。7.1.1發(fā)電機的故障、

及不正常運行狀態(tài)（4）轉(zhuǎn)子表層過熱電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或發(fā)電機三相負荷不對稱時，將有負序電流流過定子繞組，在發(fā)電機中產(chǎn)生對轉(zhuǎn)子的兩倍同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)的磁場，從而在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出倍頻電流。此電流可能造成轉(zhuǎn)子局部灼傷，嚴重時會使保護環(huán)受熱松脫。特別是大型機組，這種威脅更加突出。（5）定子繞組過電壓調(diào)速系統(tǒng)慣性較大的發(fā)電機（如水輪發(fā)電機）因突然甩負荷，轉(zhuǎn)速急劇上升，發(fā)電機電壓迅速升高，造成定子繞組絕緣擊穿。此外，發(fā)電機異常運行狀態(tài)還有發(fā)電機失步、發(fā)電機逆功率、非全相運行以及勵磁回路故障或強勵磁時間過長而引起的轉(zhuǎn)子繞組過負荷等。7.1.2發(fā)電機的保護措施1）發(fā)電機定子繞組相間短路定子繞組相間短路會產(chǎn)生很大的短路電流，嚴重損壞發(fā)電機。應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。2）發(fā)電機定子繞組匝間短路匝間短路將出現(xiàn)很大的環(huán)流，使絕緣老化，甚至擊穿絕緣發(fā)展為單相接地或相間短路，擴大發(fā)電機損壞范圍。3）發(fā)電機定子繞組單相接地

定子繞組單相接地是易發(fā)生的一種故障。單相接地后，其電容電流流過故障點的定子鐵芯，當(dāng)此電流較大或持續(xù)時間較長時，會使鐵芯局部熔化。因此，應(yīng)裝設(shè)靈敏的反應(yīng)全部繞組任一點接地故障的100%定子繞組單相接地保護。7.1.2發(fā)電機的保護措施4）發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組一點接地兩點接地

轉(zhuǎn)子繞組一點接地，由于沒有構(gòu)成通路，對發(fā)電機沒有直接危害。再發(fā)生另一點接地，則轉(zhuǎn)子繞組一部分被短接，會燒毀轉(zhuǎn)子繞組，由于部分繞組短接，破壞磁磁路的對稱性，造成磁勢不平衡而引起機組劇烈振動，產(chǎn)生嚴重后果。應(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組一點接地保護和兩點接地保護。7.1.2發(fā)電機的保護措施5）發(fā)電機失磁造成危害：失磁原因轉(zhuǎn)子繞組斷線、勵磁回路故障或滅磁開關(guān)誤動等。不僅對發(fā)電機造成危害，而且對電力系統(tǒng)安全也會造成嚴重影響。裝設(shè)失磁保護。7.1.2發(fā)電機的保護措施7.1.2發(fā)電機的的保護措施不正常工作狀態(tài)負荷超過發(fā)電機額定值、負序電流超過發(fā)電機長期允許值外部短路、非周期合閘以及系統(tǒng)振蕩等。發(fā)電機突然甩負荷主汽門突然關(guān)閉而發(fā)電機斷路器未斷開過電流保護過負荷保護過電壓保護逆功率保護過電流保護過負荷保護作為外部短路和內(nèi)部短路的后備保護。50MW及以上的發(fā)電電機，應(yīng)裝設(shè)負序過電流保護。對稱過負荷，應(yīng)裝設(shè)只接于一相的過負荷保護。不對稱過負荷，一般在50MW及以上發(fā)電電機應(yīng)裝設(shè)負序過負荷保護。7.1.2發(fā)電機的的保護措施過電壓保護逆功率保護特別是水輪發(fā)電機，在突然甩負荷時，轉(zhuǎn)速急劇上升從而引起過電壓。在水輪發(fā)電機和大型汽輪發(fā)電機上應(yīng)裝設(shè)。主汽門突然關(guān)閉而發(fā)電機斷路器未斷，發(fā)電機變?yōu)閺南到y(tǒng)吸收無功，對汽輪發(fā)電機葉片特別是尾葉，可能過熱而損壞。

發(fā)電機保護動作跳開發(fā)電機斷路器的同時，還應(yīng)斷開發(fā)電機勵磁電流。7.1.2發(fā)電機的保護措施

7.2發(fā)電機的縱差保護發(fā)電機縱差保護是發(fā)電機定子繞組及其引出線相間短路的主保護，它應(yīng)能快速而靈敏地切除內(nèi)部所發(fā)生的故障。同時，在正常運行及外部故障時，又應(yīng)保證其動作的選擇性和工作的可靠性。在保護范圍內(nèi)發(fā)生相間短路時，應(yīng)瞬間斷開發(fā)電機斷路器和自動滅磁開關(guān)。一般中、小型機組的縱差保護采用帶速飽和變流器的電磁型差動繼電器BCH-2構(gòu)成，大容量的發(fā)電機采用帶比率制動特性的差動繼電器BCH-1

構(gòu)成。

用BCH-2（BCH-1）型繼電器構(gòu)成的發(fā)電機縱差保護7.2.1用DCD-2型繼電器構(gòu)成的發(fā)電機縱聯(lián)差動保護發(fā)電機的縱差保護是利用比較發(fā)電機中性點側(cè)和引出線側(cè)電流幅值和相位的原理構(gòu)成的，因此在發(fā)電機中性點側(cè)和引出線側(cè)裝設(shè)特性和變比完全相同的電流互感器來實現(xiàn)縱差保護。兩組電流互感器之間為縱差保護的保護范圍。電流互感器二次按照循環(huán)電流法接線，即如果兩組電流互感器一次側(cè)的極性分別以中性點側(cè)和母線側(cè)為正極性，則二次側(cè)同極性相連接。差動繼電器和兩側(cè)電流互感器的二次繞組并聯(lián)。保護的單相原理接線圖如圖7－1所示7.2發(fā)電機的縱差保護1、發(fā)電機的縱差保護原理及接線

圖11-1發(fā)電機縱差保護單相原理接線圖（a）內(nèi)部故障情況；（b）正常運行及外部故障情況1、正常運行及外部故障時：理想情況：實際情況：1、差動保護原理及接線保護區(qū)內(nèi)故障：單側(cè)電源：

雙側(cè)電源：1、差動保護原理及接線2）具有斷線監(jiān)視裝置的發(fā)電機縱差保護的原理接線如圖7－2所示。保護裝置采用三相式接線（1～3KD為差動繼電器），在差動回路的中線上接有斷線監(jiān)視的電流繼電器KA，當(dāng)任何一相電流互感器回路斷線時，它都能動作，經(jīng)過時間繼電器KT延時發(fā)出信號。另外，為了使差動保護的范圍能包括發(fā)電機引出線（或電纜）在內(nèi)，所使用的電流互感器應(yīng)裝在靠近斷路器的地方。圖7-2具有斷線監(jiān)視裝置的發(fā)電機縱差保護原理接線圖

2、差動保護整定計算1、按電流互感器二次斷線條件：2、按最大不平衡電流條件：兩條件取較大值為整定值。差動繼電器動作電流：3、斷線監(jiān)視繼電器啟動電流:對于汽輪發(fā)動機IK.max=8IN，繼電器啟動電流為：對于水輪發(fā)電機，IK.max=5IN,Iop.r=(0.3-0.4)IN/KTA(7-1)(7-2)靈敏度：：發(fā)電機出口短路時，流經(jīng)保護最小的周期性短路電流。

斷線監(jiān)視動作電流一般按20%額定電流整定，為了防止斷線監(jiān)視裝置誤發(fā)信號，KV動作后應(yīng)延時發(fā)出信號。3）差動保護整定計算(7-3)結(jié)論1）當(dāng)過渡電阻為零時，三相短路電流隨的減小而增大，如圖曲線1所示只要發(fā)電機出口短路時靈敏度滿足要求，則內(nèi)部金屬性短路時保護靈敏度必然滿足要求。2）當(dāng)過渡電阻不為零時，在靠近中性點附近短路時，短路電流很小，如圖曲線2。當(dāng)短路電流小于動作電流（圖曲線3）時，保護不能動作，出現(xiàn)動作死區(qū)。死區(qū)的大小與保護的動作電流大小有關(guān)。3）差動保護整定計算圖7-3發(fā)電機內(nèi)部三相短路電流與短路位置的關(guān)系2、差動保護整定計算縱差保護雖然是發(fā)電機內(nèi)部相間短路最靈敏的保護，但是在中性點附近經(jīng)過渡電阻相間短路時，仍存在一定的死區(qū)。由于定子繞組的電動勢和匝數(shù)成正比，靠近中性點短路時，定子電動勢隨定子繞組匝數(shù)的減少而減少，雖然定子繞組的電抗和匝數(shù)平方成正比，比定子電動勢減少得更快，但是當(dāng)經(jīng)過渡電阻短路時，短路電流可能很小，使保護不能動作。7.2.2具有比率制動特性的差動保護基本原理：是基于保護的動作電流隨著外部故障的短路電流而產(chǎn)生的最大不平衡電流的增大而按比例的線性增大，且比最大不平衡電流增大的更快，使在任何情況下的外部故障時，保護不會誤動作。制動電流：將外部故障的短路電流作為制動電流。差動電流：把流入差動回路的電流作為動作電流。7.2.2比率制動式發(fā)電機縱差保護圖7-4比率制動差動繼電器縱差保護單相原理接線圖及特性曲線（a）原理接線圖；（b）制動特性；（c）比較電路圖制動電流：差動電流：7.2.2比率制動式發(fā)電機縱差保護GI1I2IOPNres1Nres2NOP圖7-4比例差動繼電器縱差保護原理接線圖1）正常運行時制動電流2）外部短路時

制動電流為外部短路電流數(shù)值大、差動電流數(shù)值小，保護不動作。差動電流制動電流7.2.2比率制動式發(fā)電機縱差保護差動電流差動電流小于制動電流，保護不動作。3）內(nèi)部故障時制動電流為兩側(cè)電流之差，其值較?。簝?nèi)部短路電流。差動電流為內(nèi)部短路電流，差動電流大大于制動電流，故保護動作：發(fā)電機未并列時制動電流為：差動電流為：7.2.2比率制動式發(fā)電機縱差保護繼電器制動特性

繼電器制動特性用圖7-4（b）中折線PQS表示。OP表示制動電流為零時繼電器最小動作電流為：，此后，隨制動電流增大，動作電流增大。在外部最大短路電流下，最大為： 由于TA飽和出現(xiàn)不平衡電流用KT表示。OT表示在不同制動電流時的不平衡電流。OT低于制動特性PQS保證在穿越性短路時繼電器不誤動。定義制動系數(shù)為：NPQTS0K繼電器制動特性7.2.2比率差動保護的整定計算1、確定比例制動特性PQS（1）最小動作電流按大于最大負荷時的不平衡電流確定

（2）比率制動特性拐點Q。一般取發(fā)電機的額定電流即。

（3）制動特性的最高點S。S點由最大外部短路電流的最大不平衡電流決定。一般：

P、Q、S三點確定之后，連QS直線，其斜率即為制動系數(shù)(4)保護靈敏系數(shù)校驗。保護的靈敏系數(shù)為

式中——單機孤立運行時的機端兩相金屬性短路周期分量短路電流有效值，一般要求靈敏系數(shù)大于2.07.2.2比率差動保護的整定計算P、Q、S三點確定之后，連QS直線，其斜率即為制動系數(shù)，其值為：（7-6）（7-7）發(fā)電機標(biāo)積制動式縱差保護由上述保護所知比率制動式縱差保護的判據(jù)為其中為制動量，為動作量。式（11-10）中制動系數(shù)Kres取小于0.5。將式兩邊平方整理得稱為標(biāo)積制動系數(shù)。式（10-11）稱為標(biāo)積制動判據(jù)。等號左側(cè)為動作量，右側(cè)兩電流幅值與夾角余弦乘積成為“標(biāo)積”。是制動量。（10-10）（10-11）外部故障時，所以制動量很大，可靠制動。內(nèi)部故障時，，所以制動量為負，而動作量很大，所以差動保護靈敏動作。

7.3發(fā)電機定子繞組匝間短路保護發(fā)電機定子繞組匝間短路保護按定子雙星形接線時可以采用橫差保護，否則應(yīng)采用其它匝間保護。如利用負序功率閉鎖的轉(zhuǎn)子二次諧波電流原理構(gòu)成的匝間短路保護；定子繞組零序電壓原理構(gòu)成的匝間短路保護；負序功率方向閉鎖的零序電壓匝間短路保護。橫差保護靈敏性較高，但有死區(qū)；負序功率閉鎖的轉(zhuǎn)子二次諧波電流原理構(gòu)成的匝間短路保護結(jié)構(gòu)簡單、靈敏性高，一般可用于大型發(fā)電機組，大型發(fā)電機組也可以采用負序功率方向閉鎖的零序電壓匝間短路保護；定子繞組零序電壓原理構(gòu)成的匝間短路保護裝置由零序電壓、負序功率方向和電壓斷線閉鎖三部分組成，裝置復(fù)雜，靈敏性不高，因此，只在不能采用單元件橫差保護的情況下采用。7.3發(fā)電機定子繞組匝間短路保護同步發(fā)電機定子繞組的匝間短路，包括同一分支匝間和同一相不同分支匝間的短路。發(fā)生匝間短路時，短路環(huán)中的電流可能很大，若不及時處理，故障處的溫度升高，使絕緣損壞，很可能導(dǎo)致定子繞組單相接地或發(fā)展成相間短路。對于這種故障，縱差保護不能反映。因此，在發(fā)電機（尤其是大型機組）應(yīng)該裝設(shè)匝間短路保護。保護動作后，斷開發(fā)電機斷路器和自動滅磁開關(guān)。橫差保護只裝設(shè)在定子繞組為雙星形接線的發(fā)電機上。雙星形接線的定子繞組匝間短路有兩種情況1）同一繞組內(nèi)部發(fā)生匝間短路：此時由于兩個分支繞組的電動勢不等，將有環(huán)流產(chǎn)生。短路的匝數(shù)越多環(huán)流越大，短路匝數(shù)越少，環(huán)流越??；KD雙星形接線的定子繞組匝間短路有兩種情況2）同相的兩個分支繞組間發(fā)生匝間短路：當(dāng)兩繞組在不同的電位點發(fā)生短路時，由于短路形成的兩個回路中都存在電動勢差，因此兩個回路將分別出現(xiàn)環(huán)流。電動勢差越大，環(huán)流越大。兩繞組的等電位點短路時，就沒有環(huán)流。KD7.3.1單繼電器式橫差保護在兩組星形接線的中性點連線上裝一個電流互感器，將一組星形接線繞組的三相電流之和與另一組星形接線繞組的三相電流之和進行比較。這種方式由于只用一個電流互感器，不存在兩個電流互感器的誤差不同所引起的不平衡電流問題，因而啟動電流小，靈敏高，加上接線簡單，故得到廣泛的采用。一、單繼電器式橫差保護圖7-7單繼電器式橫差保護的原理接線圖一、單繼電器式橫差保護正常運行時：由于每相的兩個分支繞組感應(yīng)電動勢相等，各供應(yīng)相電流的一半，故兩組星形繞組里的三相電流對稱且平衡，兩個中性點電位相等，故裝在中性點連線上的電流互感器TA中沒有電流流過，電流繼電器KA不會動作。一個繞組發(fā)生匝間短路，或者在同相的兩個繞組間發(fā)生匝間短路時：該相的兩個分支繞組間就有環(huán)流流過，從而電流互感器TA一次側(cè)有電流流過，接于TA二次側(cè)的電流繼電器KA在電流超過其動作電流值時就會動作，中間繼電器KM因而啟動，使發(fā)電機斷路器和勵磁開關(guān)跳閘，并進行事故停機。一、單繼電器式橫差保護由于三次諧波電壓三相同電位，三相電壓之和不為零，故當(dāng)發(fā)電機存在三次諧波電動勢時，雙星形接線的兩個中性點上都會出現(xiàn)三次諧波電壓。如果兩個中性點上的三次諧波電壓不相等，中性點連線上就會出現(xiàn)三次諧波電流，橫差保護就有可能誤動作，因此必須加裝三次諧波電流濾過器，用以濾除三次諧波電流。

電容C的作用是濾過三次諧波，由于容抗大小與頻率成反比，通過三次諧波電流時容抗比通過基波電流要小，因此，當(dāng)電流繼電器和電容并聯(lián)時，三次諧波電流會被電容支路分流掉，從而起到三次諧波濾過器作用。電容量用滿足三倍工頻150Hz時繼電器動作電流比50Hz時動作電流大10倍。橫差保護的動作電流，根據(jù)運行經(jīng)驗可以整定為20％～30％發(fā)電機額定電流。7.3.2反應(yīng)轉(zhuǎn)子回路二次諧波電流原理匝間短路保護一、發(fā)電機定子繞組匝間短路時，將在轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)二次諧波電流。發(fā)電機正常對稱運行時，轉(zhuǎn)子電流無二次諧波成分。因此，可以利用轉(zhuǎn)子二次諧波電流構(gòu)成匝間短路保護。圖7-8二次諧波式匝間保護原理圖7.3.2反應(yīng)轉(zhuǎn)子回路二次諧波電流原理匝間短路保護二、工作原理分析1、定子繞組匝間電短路后，轉(zhuǎn)子二次諧波電流大于保護動作電流。

負序功率由發(fā)電機流向系統(tǒng)，故負序功率方向繼電器KWH不動作，KWH不發(fā)出閉鎖信號，從而保護無延時送出跳閘脈沖。7.3.2反應(yīng)轉(zhuǎn)子回路二次諧波電流原理匝間短路保護2、由于負序電流取自機端電流互感器，因此，在發(fā)電機內(nèi)部兩相短路時，匝間短路保護也會動作，KWH不發(fā)閉鎖信號。此時，匝間短路保護可兼作內(nèi)部兩相短路保護，負序電流取自中性點側(cè)的電流互感器7.3.2反應(yīng)轉(zhuǎn)子回路二次諧波電流原理匝間短路保護3、當(dāng)發(fā)電機外部不對稱短路時，轉(zhuǎn)子回路也會出現(xiàn)二次諧波電流，匝間保護繼電器也可能誤動，此時，負序功率由外部流入發(fā)電機，KWH動作，發(fā)出閉鎖信號，使保護閉鎖。7.3.3定子繞組零序電壓原理的匝間短路保護當(dāng)發(fā)電機定子繞組發(fā)生匝間短路時，機端三相電壓對發(fā)電機中性點不對稱，出現(xiàn)零序電壓。圖7-9由負序功率閉鎖的縱向零序電壓匝間短路保護原理示意圖7.3.3定子繞組零序電壓原理的匝間短路保護當(dāng)發(fā)電機正常運行和外部發(fā)生相間短路時，理論TVN1的開口三角繞組沒有輸出電壓；即3U0=0。當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部或外部發(fā)生單相接地故障時，雖然一次系統(tǒng)出現(xiàn)了零序電壓，即一次側(cè)三相對地電壓不再平衡，中性點電位升高為U0，但是TVN1一次側(cè)中性點并不接地，所以即使它的中性點電位升高，三相對中性點的電壓仍然完全對稱，故開口三角繞組輸出電壓也等于零。只有當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生匝間短路或者對中性點不對稱的各種相間短路時，破壞了三相對中性點的對稱，產(chǎn)生對中性點的零序電壓，即3 U0≠0，使零序電壓匝間短路保護正常動作。7.4發(fā)電機定子繞組單相接地保護由于定子繞組與鐵芯之間絕緣的破壞而造成定子繞組單相接地故障，這是發(fā)電機常見的故障之一。由于發(fā)電機中性點不接地和經(jīng)高阻抗接地，定子繞組單相接地并不引起大的故障電流，過去很長時間100MW以下的發(fā)電機的定子接地保護只發(fā)信號而不立即跳閘停機。多年的運行實踐和事故教訓(xùn)表明，5A的定子接地電流不能認為是安全電流。因此為確保大型發(fā)電機的安全，不使單相接地故障發(fā)展成為相間或匝間短路，應(yīng)該使單相接地故障處不產(chǎn)生電弧或者接地電弧瞬間熄滅，這個不產(chǎn)生電弧的最大接地電流被定義為發(fā)電機單相接地安全電流，發(fā)電機接地電流允許值如表7-1所示。表7-1發(fā)電機接地電流允許值表7-1發(fā)電機接地電流允許值發(fā)電機額定電壓(kV)發(fā)電機容量(MW)接地電流允許值(A)6.3及以下≤50410.5汽輪發(fā)電機50～1003水輪發(fā)電機10~10013.8～15.75汽輪發(fā)電機125~2002（氫冷發(fā)電機為2.5）水輪發(fā)電機40~22518～20300～60017.4發(fā)電機定子繞組單相接地保護定子繞組單相接地的危害

接地電流會產(chǎn)生電弧，燒傷鐵芯，使定子繞組鐵芯疊片燒結(jié)在一起，造成檢修困難。接地電流會破壞繞組絕緣，擴大事故，若一點接地未及時發(fā)現(xiàn)，很有可能發(fā)展成繞組的匝間或相間短路故障，嚴重損傷發(fā)電機。對大中型發(fā)電機定子繞組單相接地保護的基本要求：繞組有100%的保護范圍。在繞組匝內(nèi)發(fā)生經(jīng)過渡電阻接地故障時，保護應(yīng)有足夠靈敏度。7.4發(fā)電機定子繞組單相接地保護7.4.1反應(yīng)基波零序電壓的接地保護1、各相對地電壓為：故障點零序電壓：結(jié)論：故障點零序電壓與α成正比，故障點離中性點越遠，零序電壓越高。如圖所示，假設(shè)A相接地發(fā)生在定子繞組距中心點處，表示中性點到故障點的繞組占全部繞組匝數(shù)的百分數(shù)，則故障點各電動勢，而各相對地電壓分別為：在機端接地時：在中性點處接地時：7.4.1反應(yīng)基波零序電壓的接地保護圖7-10c零序電壓隨的變化關(guān)系7.4.1反應(yīng)基波零序電壓的接地保護圖7-10發(fā)電機內(nèi)部定子繞組單相接地時的零序電流分布（a）網(wǎng)絡(luò)圖；（b）零序等值電路發(fā)電機內(nèi)部定子繞組單相接地時零序電流分布圖中C0G

為發(fā)電機每相的對地電容，C0∑為發(fā)電機以外電壓網(wǎng)絡(luò)每相對地的等值電容。由此即可求出發(fā)電機的零序電容電流和網(wǎng)絡(luò)的零序電容電流分別為：則故障點總的接地電流即為：結(jié)論：故障點接地電流與成正比，當(dāng)故障點位于發(fā)電機出線端時，接地電流最大。（7-12）（7-13）定子繞組單相接地的特點單相接地時的零序電流發(fā)電機內(nèi)部、外部單相接地時，流過機端零序電流互感器的零序電流是有區(qū)別的：外部接地時，流過的零序電流為發(fā)電機本身的零序電容電流如圖7-11所示；內(nèi)部接地時，流過的電流如圖7-10b所示，為發(fā)電機以外電壓網(wǎng)絡(luò)所有其它元件的零序電容電流之和，其值為圖7-11發(fā)電機外部單相接地時零序等值網(wǎng)絡(luò)當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部單相接地時實際無法測得故障點的零序電壓UK0，而只能借助與機端電壓互感器TV來測量。由圖7-10d可見，當(dāng)忽略各相電流在發(fā)電機內(nèi)阻抗上的壓降時，機端各相對地電壓分別為其相量關(guān)系如圖7-12所示，由此可以求得機端的零序電壓為圖7-12發(fā)電機內(nèi)部單相接地時機端電壓相量圖定子繞組單相接地的特點發(fā)電機三次諧波電勢的特點。7-18圖7-197-207.4.2零序電流及零序電壓的定子繞組單相接地保護1、利用零序電流構(gòu)成的定子接地保護如圖7-14所示，TA2為零序電流互感器，1KA用于保護兩點接地故障，2KA用作發(fā)電機單相接地保護的起動元件。閉鎖繼電器KL防止外部故障保護誤動。這樣可以使整定值不必躲開外部故障時相對應(yīng)的不平衡電流。當(dāng)外部故障時閉鎖。KT延時1-2s，動作時啟動出口繼電器，斷開斷路器及勵磁開關(guān)。當(dāng)發(fā)電機定子繞組的中性點附近短路時，由于接地電流很小，保護將不能動作，因此，零序電流保護存在一定死區(qū)，為了減小死區(qū)的范圍，應(yīng)在滿足發(fā)電機外部接地時動作選擇性的前提下，盡量減低保護的啟動電流。1、零序電流構(gòu)成的定子接地保護圖7-14利用零序電流構(gòu)成定子接地保護原理接線2、零序電壓構(gòu)成的定子接地保護1、利用零序電壓構(gòu)成定子接地保護2．適用范圍：發(fā)電機-變壓器組。3．保護構(gòu)成：參見圖7-16。4．保護的整定：動作電壓應(yīng)躲開正常運行時開口三角形輸出的3次諧波電壓；同時要躲開在變壓器高壓側(cè)接地時，通過變壓器高，低壓繞組間電容耦合到機端的零序電壓。5．解決死區(qū)的措施1）降低動作電壓值。2）采用適當(dāng)延時。3）將定子繞組接地保護閉鎖或使保護制動：變壓器高壓側(cè)為非直接接地電網(wǎng)時，利用高壓側(cè)接地時的零序電壓。2、反映零序電壓保護原理接線缺點：保護在離中性點附近仍有5%~10%存在動作死區(qū)。圖7-16反應(yīng)零序電壓的發(fā)電機定子繞組接地保護7.4.3利用三次諧波電壓的構(gòu)成100%定子繞組單相接地保護1．發(fā)電機三次諧波電壓分布的特點由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙磁通密度的非正弦分布和鐵磁飽和的影響，在定子繞組中感應(yīng)的電動勢除基波分量外，還含有百分之幾的三次諧波電動勢E3。如果把發(fā)電機的對地電容等值地集中在發(fā)電機的中性點N和機端S，每端為0.5C0G；并將發(fā)電機機端出線、升壓變壓器、廠用變壓器等其他元件的每相對地電容C0S

放在機端，則正常運行時的等值電路如圖7-17所示。利用等值電路，根據(jù)分壓原理，可以求得中性點及極端的三次諧波電壓分別為2、定子繞組單相接地時三次諧波電壓的分布（7-18）由式（7-18）可見，在正常運行時，發(fā)電機中性點側(cè)三次諧波電壓UN3總是大于發(fā)電機端三次諧波電壓US3，在極限情況下，發(fā)電機出線開路時（C0G=0）時，UN3=US3，當(dāng)發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地時，等效電路如圖7-18所示。圖7-17正常運行時等效網(wǎng)絡(luò)圖7-18發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地時三次諧波電壓分布等效電路假設(shè)基波電容電流完全補償，則有發(fā)電機中性點側(cè)三次諧波等值阻抗為（7-19）（7-20）將式（7-19）代入（7-20）得發(fā)電機端三次諧波電抗三次諧波之比發(fā)電機開路時：圖7-182、定子繞組單相接地時三次諧波電壓的分布設(shè)發(fā)電機定子繞組距中性點處發(fā)生金屬性單相接地，其等效電路如圖7-19所示。無論發(fā)電機中性點是否接有消弧線圈，恒有UN3=E3,Us3=(1-)E3，其比值為圖7-19定子單相繞組接地時三次諧波電壓分布等效電路2、定子繞組單相接地時三次諧波電壓的分布

UN3和US3隨變化曲線如圖7-20所示。圖7-20UN3隨US3變化曲線7.4.3利用三次諧波電壓的構(gòu)成100%定子繞組單相接地保護圖7-21零序電壓和三次諧波結(jié)合構(gòu)成100%定子接地保護原理圖7.4.3利用三次諧波電壓的構(gòu)成100%定子繞組單相接地保護圖中UX1和UX2為電抗變換器，UX1一次繞組接在電壓互感器TV1的開口三角繞組側(cè)，反應(yīng)機端的三次諧波電壓UT3.C1和UX1的一次繞組并聯(lián)，組成對三次諧波電壓的并聯(lián)諧振電路。放大機端的三次諧波電壓。同理，接在發(fā)電機中性點側(cè)TV的二次側(cè)的UX2,由于其一次繞組和電容C3組成并聯(lián)諧振電路，也能放大中性點的三次諧波電壓UN3.UX1和UX2的二次電壓分別反應(yīng)UT3和UN3,經(jīng)過整流濾波后即可以進行絕對值比較。圖中C2、C4對基波起到阻波作用，這因為容抗和頻率成反比。零序電壓保護部分由和機端電壓互感器的開口三角接線側(cè)的三次諧波電壓濾過器和零序電壓元件組成。三次諧波電壓保護區(qū)為30%，零序電壓保護區(qū)為85%，兩者結(jié)合就可以保護全部定子繞組。提高保護靈敏度措施：加裝3次諧波濾過器。高壓側(cè)中性點直接接地電網(wǎng)中，利用保護延時躲過高壓側(cè)接地故障。高壓側(cè)中性點非直接接地電網(wǎng)中，利用高壓側(cè)接地出現(xiàn)的零序電壓閉鎖或者制動發(fā)電機接地保護。注意：在中性點附近接地仍有5%的死區(qū)。7.5發(fā)電機勵磁回路接地保護1、勵磁回路一點接地保護

當(dāng)勵磁繞組絕緣嚴重下降或損壞時，會引起勵磁回路的接地故障，最常見的是勵磁回路一點接地故障。發(fā)生一點接地故障后，勵磁回路對地電壓將升高，在某些條件下會誘發(fā)第二點接地，勵磁回路發(fā)生兩點接地故障將嚴重損壞發(fā)電機。1）絕緣檢查裝置用一個或兩個電壓表定期測量勵磁回路正、負極對低電壓。正常運行時，電壓表V1，V2的讀數(shù)相等。當(dāng)勵磁回路對地絕緣水平下降時，V1與V2的讀數(shù)不相等。

缺點：中點附近接地時，存在動作死區(qū)。2）直流電橋式一點接地保護正常時電橋處于平衡狀態(tài)；當(dāng)勵磁繞組發(fā)生一點接地時，電橋失去平衡。缺點接地點靠近勵磁回路兩極時保護靈敏度高，而接地點靠近中點M時，存在死區(qū)。措施：1）在電阻R1的橋臂中串接非線性元件穩(wěn)壓管，其阻值隨外加勵磁電壓的大小而變化，因此，保護裝置的死區(qū)隨勵磁電壓改變而移動位置。這樣在某一電壓下的死區(qū)，在另一電壓下則變?yōu)閯幼鲄^(qū)，從而減小了保護拒動的機率。2）轉(zhuǎn)子偏心和磁路不對稱等原因，使轉(zhuǎn)子繞組中點對地電壓不保持為零，而是在一定范圍內(nèi)波動。利用此電壓來消除保護死區(qū)。2、勵磁回路兩點接地保護兩點接地，故障點流過很大短路電流，電弧可能燒傷轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子磁場發(fā)生畸變，力矩不平衡，致使機組振動。可能使汽缸磁化。工作原理：當(dāng)勵磁回路K1點發(fā)生接地后，投入刀閘S1并按下按鈕SB，調(diào)節(jié)的滑動觸點，使電橋平衡。調(diào)整平衡后，合上S2，將保護投入工作。當(dāng)勵磁回路第二點發(fā)生接地時，電橋平衡遭到破壞，電流繼電器中有電流通過，若電流大于繼電器的動作電流，保護動作，斷開發(fā)電機出口斷路器。缺點：1）若故障點K2點離第一個故障點K1點較遠，則保護的靈敏度較好；反之，若K2點離K1點很近，保護將拒動，因此保護存在死區(qū)，死區(qū)范圍在10%左右。2）若第一個接地點K1點發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組的正極或負極端，則因電橋失去作用，不論第二點接地發(fā)生在何處，保護裝置將拒動，死區(qū)達100%。3）由于兩點接地保護只能在轉(zhuǎn)子繞組一點接地后投入，所以對于發(fā)生兩點同時接地，或者第一點接地后緊接著發(fā)生第二點接地的故障，保護均不能反映。圖7-28電橋式轉(zhuǎn)子兩點接地保護的原理接線圖7.6發(fā)電機的失磁保護7.6.1、發(fā)電機失磁運行及其產(chǎn)生的影響

發(fā)電機失去勵磁時，其勵磁電流將近似按指數(shù)規(guī)律衰減，定子電動勢隨勵磁電流減小而降低。發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩將小于原動機轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)子加速，使發(fā)電機功角增加，當(dāng)功角超過靜態(tài)穩(wěn)定極限時，發(fā)電機失去同步而進入異步運行。勵磁故障或完全失磁：造成低勵故障的原因通常是由于主勵磁機或副勵磁機故障；勵磁系統(tǒng)有些整流元件損壞或自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)不正確動作及操作上的錯誤。完全失磁通常是由于自動滅磁開關(guān)誤跳閘，勵磁調(diào)節(jié)器整流裝置中自動開關(guān)誤跳閘，勵磁繞組斷線或端口短路以及副勵磁機勵磁電源消失等。7.6.1發(fā)電機失磁運行及其產(chǎn)生的影響發(fā)電機失去勵磁后，對電力系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響1）使系統(tǒng)出現(xiàn)無功功率缺額發(fā)電機失磁后，不但不能向系統(tǒng)輸送功率，而且還要從系統(tǒng)吸收無功功率。使系統(tǒng)出現(xiàn)無功功率缺額。2）造成其他發(fā)電機過電流為了供給失磁發(fā)電機無功功率，可能造成系統(tǒng)中其他發(fā)電機過電流。失磁發(fā)電機容量在系統(tǒng)中比重越大，過電流越大。發(fā)電機失磁對發(fā)電機本身影響1）由于轉(zhuǎn)子損耗增大而造成轉(zhuǎn)子局部過熱發(fā)電機失磁后，轉(zhuǎn)子會和定子磁場間出現(xiàn)速度差，定子旋轉(zhuǎn)磁場切割轉(zhuǎn)子，就在轉(zhuǎn)子回路感應(yīng)出轉(zhuǎn)差頻率電流，引起附加溫升。2）發(fā)電機受交變的異步力矩的沖擊而發(fā)生震動，發(fā)電機磁路越不對稱，則交變的異步力矩越大，發(fā)電機震動越厲害。7.6.2、發(fā)電機失磁后機端的測量阻抗指從發(fā)電機端向系統(tǒng)方向所看到的阻抗。測量阻抗失磁后機端測量阻抗的變化是失磁保護的重要判據(jù)。以發(fā)電機與無窮大系統(tǒng)并列運行為例進行討論：失磁進入穩(wěn)態(tài)異步運行三個階段失磁后到失步前臨界失步點失步后1）失磁后到失步前的階段

失磁后到失步前，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子存在慣性，失步前的失磁發(fā)電機滑差很小，發(fā)電機輸出的有功功率基本上保持失磁前輸出的有功功率值，可近似看作恒定，而無功功率則從正值變?yōu)樨撝?。圖11-28發(fā)電機與無限大系統(tǒng)并列運行測量阻抗：結(jié)論：因系統(tǒng)電抗、電壓、發(fā)電機輸出有功不變，測量阻抗變化軌跡是圓。其圓心座標(biāo)：圓半徑：o'等有功園2）臨界失步點表示發(fā)電機從系統(tǒng)吸收無功，且為常數(shù)。測量阻抗：當(dāng)汽輪發(fā)動機處于靜態(tài)穩(wěn)定極限，此時失磁發(fā)電機輸送至系統(tǒng)無功功率為：簡化后測量阻抗為：等無功阻抗園，圓內(nèi)為失步區(qū)，圓外為穩(wěn)定區(qū)。3）失步后異步運行階段最大、最小測量阻抗機端測量阻抗：圖7-32發(fā)電機異步運行的等值電路圖7-31等值電路失磁后其機端測量阻抗沿等有功圓向第四象限變化。臨界失步時達到等無功阻抗圓的b點。異步運行后，便進入等無功阻抗圓，穩(wěn)定在c點附近。圖7-33失磁后機端測量阻抗7.6.3、失磁保護的主要判據(jù)與構(gòu)成

發(fā)電機的失磁故障可采用無功功率改變方向、機端測量阻抗超越靜穩(wěn)邊界圓的邊界、機端測量阻抗進入異步靜穩(wěn)邊界阻抗圓為主要判據(jù)，來檢測失磁故障。

為防止誤動還需要用非正常運行狀態(tài)下的某些特征作為失磁保護和輔助判據(jù)。例如勵磁電壓的下降，系統(tǒng)電壓的降低均可用作失磁保護輔助判據(jù)。7.7發(fā)電機相間短路后備保護及過負荷保護7.7.1過電流保護發(fā)電機的過電流保護時發(fā)電機外部短路和定子繞組內(nèi)部相間短路的后備保護，它的保護范圍一般包括升壓變壓器的高中壓母線、廠