第七章發(fā)電機(jī)保護(hù)GeneratorProtection

2020/10/2817.1發(fā)電機(jī)的故障、不正常運(yùn)行狀態(tài)及其保護(hù)方式交流同步發(fā)電機(jī)原理發(fā)電機(jī)的故障類型主要有：(1)定子繞組相間短路。(2)定子一相繞組內(nèi)的匝間短路。(3)定子繞組單相接地。(4)轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地或兩點(diǎn)接地。(5)轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流異常下降

或完全消失。

2020/10/282精品資料2020/10/2837.1發(fā)電機(jī)的故障、不正常運(yùn)行狀態(tài)及其保護(hù)方式發(fā)電機(jī)的不正常運(yùn)行狀態(tài)主要有：(1)由于外部短路引起的定子繞組過電流；(2)由于負(fù)荷超過發(fā)電機(jī)額定容量而引起的三相對稱過負(fù)荷；(3)由外部不對稱短路或不對稱負(fù)荷（如單相負(fù)荷、非全相運(yùn)行等）而引起的發(fā)電機(jī)負(fù)序過電流和過負(fù)荷；(4)由于突然甩負(fù)荷而引起的定子繞組過電壓；(5)由于勵磁回路故障或強(qiáng)勵時間過長而引起的轉(zhuǎn)子繞組過負(fù)荷；(6)由于汽輪機(jī)主汽門突然關(guān)閉而引起的發(fā)電機(jī)逆功率等。

2020/10/2847.1發(fā)電機(jī)的故障、不正常運(yùn)行狀態(tài)及其保護(hù)方式發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)的要求：

2020/10/2857.1發(fā)電機(jī)的故障、不正常運(yùn)行狀態(tài)及其保護(hù)方式發(fā)電機(jī)保護(hù)的種類：（1）縱差動保護(hù)：定子繞組及其引出線的相間短路保護(hù)（2）橫差動保護(hù)：定子繞組一相匝間短路的保護(hù)（3）單相接地保護(hù)：對發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地短路的保護(hù)（4）過電流保護(hù)：反應(yīng)外部短路引起的過電流，同時兼作縱差動保護(hù)的后備保護(hù)（5）負(fù)序電流保護(hù)：反應(yīng)不對稱短路或三相負(fù)荷不對稱時，發(fā)電機(jī)定子繞組中出現(xiàn)的負(fù)序電流（6）過負(fù)荷保護(hù)：發(fā)電機(jī)長時間超過額定負(fù)荷運(yùn)行時作用于信號的保護(hù)（7）過電壓保護(hù)：反應(yīng)突然甩負(fù)荷而出現(xiàn)的過電壓，應(yīng)用于水輪發(fā)電機(jī)

2020/10/2867.1發(fā)電機(jī)的故障、不正常運(yùn)行狀態(tài)及其保護(hù)方式發(fā)電機(jī)保護(hù)的種類：（8）勵磁回路接地保護(hù)：勵磁回路的一點(diǎn)接地（信號）和兩點(diǎn)接地保護(hù)（跳閘）：（9）失磁保護(hù)：反應(yīng)轉(zhuǎn)子勵磁回路勵磁電流急劇下降或消失（10）轉(zhuǎn)子過負(fù)荷保護(hù)：對半導(dǎo)體勵磁系統(tǒng)（11）逆功率保護(hù)：當(dāng)汽輪機(jī)主汽門誤關(guān)閉而發(fā)電機(jī)出口斷路器未跳閘，發(fā)電機(jī)失去原動力而變?yōu)殡妱訖C(jī)運(yùn)行，從電力系統(tǒng)中吸收有功功率。危害：汽輪機(jī)尾部葉片有可能過熱而造成事故（12）過勵磁保護(hù)：（13）其他：失步保護(hù)、低頻保護(hù)、斷水保護(hù)。

2020/10/2877.2發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的保護(hù)7.2.1發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的特點(diǎn)(1)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)一般不直接接地，定子單相接地不會引起大的短路電流，不屬于嚴(yán)重故障；（2）定子繞組相間和匝間短路則危害嚴(yán)重，其保護(hù)歷來是發(fā)電機(jī)保護(hù)的研究重點(diǎn)。（3）發(fā)電機(jī)及其機(jī)端引出線的故障中相間短路是最多的，是發(fā)電機(jī)保護(hù)考慮的重點(diǎn)；（4）定子繞組匝間短路發(fā)生的概率較少，但也需要配置保護(hù)。

2020/10/288反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組及其引出線的相間短路的保護(hù)--縱差動保護(hù)，是發(fā)電機(jī)的主要保護(hù)。7.2發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的保護(hù)2020/10/289傳統(tǒng)縱差動保護(hù)整定方法按照以下兩個原則來整定：(1)在正常情況下，電流互感器二次回路斷線時保護(hù)不應(yīng)誤動。保護(hù)裝置和繼電器的起動電流分別為(2)保護(hù)裝置的起動電流按躲開外部故障時的最大不平衡電流整定，此時起動電流應(yīng)整定為再根據(jù)前面章節(jié)對不平衡電流的分析，有2020/10/28107.2.2比率制動式差動保護(hù)為保證在區(qū)外短路時保護(hù)可靠不誤動，按以上方法Iset比較大，保護(hù)的靈敏度較低?？紤]到不平衡電流隨著流過電流互感器TA電流的增加而增加的因素，提出了比率制動式縱差動保護(hù)，使其動作值隨著外部短路電流的增大而自動增大（即利用外部故障時的穿越電流實(shí)現(xiàn)制動）。比率制動式差動繼電器原理接線圖2020/10/28117.2.2比率制動式差動保護(hù)動作區(qū)制動區(qū)動作方程：整定設(shè)置見后2020/10/28127.2發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的保護(hù)7.2.4發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的接線方式1、發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的動作邏輯內(nèi)部相間短路，兩相以上差動繼電器動作；僅一相動作判斷為TA斷線。當(dāng)一點(diǎn)內(nèi)，一點(diǎn)外時，加上負(fù)序電壓判斷。2、發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)接線在發(fā)電機(jī)相間與匝間短路時

會形成差流。解決了同相匝

間短路的保護(hù)問題。2020/10/28137.2.5發(fā)電機(jī)比率制動式差動保護(hù)的整定與靈敏度1、靈敏度要求：

2、整定：（1）啟動電流的整定。

Krel=1.5-2,Ier1反映TA變比誤差取0.06IgnIer2反映二次誤差取0.1Ign通常：(2020/10/28147.2.5發(fā)電機(jī)比率制動式差動保護(hù)的整定與靈敏度(2)拐點(diǎn)電流的整定。大小影響動作靈敏度

(3)比率制動特性的制動系數(shù)和制動線斜率的整定。2020/10/28157.2發(fā)電機(jī)定子繞組短路故障的保護(hù)7.2.6發(fā)電機(jī)橫差動保護(hù)1、裂相橫差動保護(hù)的基本原理在大容量發(fā)電機(jī)中，由于額定電流很大，其每相都是由兩個或多個并聯(lián)的繞組組成。在正常運(yùn)行的時候，各繞組中的電動勢相等，流過相等的負(fù)荷電流。

而當(dāng)任一繞組發(fā)生匝間短路時，繞組中的電動勢就不再相等，因而會出現(xiàn)因電動勢差而在各繞組間產(chǎn)生的環(huán)流。利用這個環(huán)流，可以實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路的保護(hù)，即裂相橫差動保護(hù)。

2020/10/28167.2.6發(fā)電機(jī)橫差動保護(hù)以一個每相具有兩個并聯(lián)分支繞組的發(fā)電機(jī)為例，發(fā)生不同性質(zhì)的同相內(nèi)部短路時裂相橫差動保護(hù)的原理：

圖7.5同相不同繞組匝間短路的橫差動保護(hù)圖7.4一個繞組內(nèi)部匝間短路的橫差動保護(hù)三相共需要六個互感器和三個繼電器。這種方式接線復(fù)雜，保護(hù)中的不平衡電流較大。2020/10/28177.2.6發(fā)電機(jī)橫差動保護(hù)2、單元橫差動保護(hù)的基本原理

如圖7.6，其本質(zhì)是把一半繞組的三相電流之和去與另一半繞組三相電流之和進(jìn)行比較。

這種接線方式?jīng)]有由于互感器誤差所引起的不平衡電流，其起動電流比較小，靈敏度高，且接線非常簡單。

圖7-6單元橫差動保護(hù)接線原理圖動作電流需要克服的是：同相不同分支的參數(shù)差異，氣隙磁場的不均勻，轉(zhuǎn)子偏心，三次諧波（過濾）2020/10/28187.3發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)7.3.1定子繞組單相接地時電氣量的特征中性點(diǎn)都是不接地的發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時，流經(jīng)接地點(diǎn)的電流仍為發(fā)電機(jī)所在電壓網(wǎng)絡(luò)對地電流的總和。大型發(fā)電機(jī)容量的增大使得其接地故障電流也隨之增大，為了防止故障電流燒壞鐵芯，需要裝設(shè)消弧線圈，把定子繞組單相接地電容電流限制在規(guī)定的允許值之內(nèi)。

圖7-7發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地電路2020/10/2819圖7-7發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地時機(jī)端電壓相量圖當(dāng)中性點(diǎn)不接地時，故障點(diǎn)的接地電流為當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時，故障點(diǎn)的接地電流為2020/10/2820圖7-8發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地時的零序等效網(wǎng)絡(luò)(a)中性點(diǎn)不接地；(b)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地當(dāng)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時，采用欠補(bǔ)償?shù)姆绞剑▎卧獧C(jī)組總電容為定值）2020/10/28217.3.2利用零序電壓構(gòu)成的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)

按得圖7.9曲線，越近機(jī)端，故障點(diǎn)零序電壓越高。Uop為零序電壓定子接地保護(hù)的動作電壓。見圖7.11，獲得的基波零序電壓為αX100V.2020/10/2822

目前100%定子繞組接地保護(hù)一般由兩部分組成：一部分是零序電壓保護(hù)，保護(hù)定子繞組的85%以上；另一部分需由其他原理（如利用發(fā)電機(jī)三次諧波原理或疊加電源方式原理）的保護(hù)共同構(gòu)成100%定子繞組的接地保護(hù)。

利用發(fā)電機(jī)三次諧波電壓構(gòu)成的部分，其原理是利用發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和出線端的三次諧波電壓在正常運(yùn)行和接地故障時變化相反的特點(diǎn)構(gòu)成。7.3.3利用三次諧波電壓構(gòu)成的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)2020/10/2823正常運(yùn)行時，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的三次諧波電壓比發(fā)電機(jī)出線端的三次諧波電壓大，按圖7.12等值電路，推得：1）中性點(diǎn)不接地時:2)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時:7.3.3利用三次諧波電壓構(gòu)成的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)2020/10/2824而在發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子接地時，按圖7.13的等值電路推導(dǎo)，有：結(jié)果曲線7.14所示。7.3.3利用三次諧波電壓構(gòu)成的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)2020/10/2825按圖7.14，在發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子接地時，利用這個特點(diǎn)，使發(fā)電機(jī)出口的三次諧波電壓成為動作分量，而使中性點(diǎn)的三次諧波分量成為制動分量，讓繼電器動作，可以反映距中性點(diǎn)約50%范圍內(nèi)的接地故障。7.3.3利用三次諧波電壓構(gòu)成的發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地保護(hù)動作制動2020/10/2826結(jié)論：發(fā)電機(jī)100%定子繞組單相接地保護(hù)動作制動1)利用三次諧波電壓構(gòu)成的接地保護(hù)可以反映發(fā)電機(jī)定子繞組中α<0.5范圍內(nèi)的單相接地故障，并且故障點(diǎn)越接近中性點(diǎn)靈敏度越高；2)利用基波零序電壓構(gòu)成的接地保護(hù)，則可以反應(yīng)α>0.15范圍內(nèi)的單相接地故障，且當(dāng)故障點(diǎn)越靠近機(jī)端保護(hù)的靈敏度越高。--組合構(gòu)成了發(fā)電機(jī)100%定子繞組單相接地保護(hù)。動作區(qū)2020/10/28277.4發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)7.4.1負(fù)序電流保護(hù)的作用不對稱短路或三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生負(fù)序電流。危害：定子中負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場相對于轉(zhuǎn)子2倍的同步轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)子及其鐵芯中感應(yīng)出100Hz的倍頻電流。該電流在電流密度大的對方會灼傷部件，引起更大事故。另外100Hz的倍頻，會引起振蕩，威脅發(fā)電機(jī)安全。由于大容量機(jī)組的額定電流很大，而在相鄰元件末端發(fā)生兩相短路時的短路電流可能較小，此時采用復(fù)合電壓啟動的過電流保護(hù)往往不能滿足作為相鄰元件后備保護(hù)時對靈敏性的要求。

采用負(fù)序過電流保護(hù)作為后備保護(hù)，就可以提高不對稱短路時的靈敏性。由于負(fù)序過電流保護(hù)不能反應(yīng)于三相短路，因此，當(dāng)用它作為后備保護(hù)時，還需要附加裝設(shè)一個單相式的低電壓啟動過電流保護(hù)，以專門反應(yīng)三相短路。(見下圖）2020/10/28287.4發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)7.4.2定時限負(fù)序過電流保護(hù)圖7.17，KA3小整定值發(fā)過負(fù)荷信號，KA2大整定值動作于跳閘，加裝設(shè)一個單相式的低電壓啟動過電流保護(hù)KA1、KV，以專門反應(yīng)三相短路。2020/10/28297.4發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)7.4.2定時限負(fù)序過電流保護(hù)整定：1）KA3小整定值，發(fā)過負(fù)荷信號：2）KA2大整定值動作于跳閘（A=30-40的情況)：動作特性見圖7.16

2020/10/28307.4發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)7.4.2定時限負(fù)序過電流保護(hù)看圖7.16，兩段式定時限負(fù)序過電流保護(hù)的動作特性與發(fā)電機(jī)允許的負(fù)序電流曲線的配合情況---結(jié)論不能很好的配合。因此在100MW及以上，A<10的發(fā)電機(jī)上需安裝能模擬發(fā)電機(jī)允許負(fù)序電流曲線的反時限負(fù)序過電流保護(hù)。2020/10/28317.4發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)7.4.3反時限負(fù)序過電流保護(hù)

三部分：上限定時限、反時限、下限定時限。能真實(shí)地模擬轉(zhuǎn)子的熱積累過程。2020/10/28327.5發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)

過程：當(dāng)發(fā)電機(jī)失磁后，其感應(yīng)電動勢減小，電磁轉(zhuǎn)矩也將減小，轉(zhuǎn)子加速，功角δ增大至超過極限時，發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)失去同步。不利影響：1）這時需要從電力系統(tǒng)中吸收很大的無功功率以建立發(fā)電機(jī)的磁場；2）由于從電力系統(tǒng)中吸收無功功率將引起電力系統(tǒng)電壓下降，從而破壞了負(fù)荷與各電源間的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可能因電壓崩潰而使系統(tǒng)瓦解；3）失磁后發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速超過同步轉(zhuǎn)速，在轉(zhuǎn)子回路產(chǎn)生差頻電流，產(chǎn)生損耗過熱。7.5.1發(fā)電機(jī)失磁運(yùn)行及后果

2020/10/28337.5發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)

圖7.25：正常時機(jī)端測量阻抗位于第一象限，失磁后向第四象限移動。圖7.26：1）正常：Zg1、Zg2、Zg32）外部故障：

Zg5；3）失磁后：Zg4。7.5.2發(fā)電機(jī)失磁后的機(jī)端測量阻抗

2020/10/28347.5發(fā)電機(jī)的失磁保護(hù)

7.5.4失磁保護(hù)的構(gòu)成方式，圖7.29機(jī)端阻抗判據(jù)作為失磁保護(hù)的主判據(jù)。2020/10/2835對于中小機(jī)組，通常都不裝設(shè)失步保護(hù)。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，由運(yùn)行人員來判斷，然后利用人工增加勵磁電流、增加或減少原動機(jī)出力、局部解列等方法來處理。對于大機(jī)組，這樣處理將不能保證機(jī)組的安全，通常需要裝設(shè)用于反應(yīng)振蕩過程的專門的失步保護(hù)。

7.6發(fā)電機(jī)的失步保護(hù)2020/10/2836實(shí)用的失步保護(hù)主要基于反映發(fā)電機(jī)機(jī)端測量阻抗變化軌跡的原理。下圖:1）測量阻抗永久停留在任一區(qū)內(nèi)，為短路；2）測量阻抗軌跡部分穿越這些區(qū)域后以相反方向返回，則判斷為可恢復(fù)的搖擺。