第九章 發電機保護-丁書文

第九章發電機保護

一、發電機的故障和異常運行狀態

發電機的故障類型主要有：1）定子繞組相間短路；2）定子繞組一相的匝間短路；3）定子繞組單相接地；4）轉子繞組一點接地或兩點接地等。5）發電機失磁

發電機的不正常運行狀態主要有：1）由外部短路引起的定子繞組過電流；2）由負荷超過發電機額定容量而引起的定子繞組三相對稱過負荷；3）由于突然甩負荷而引起的定子繞組過電壓；4）由外部不對稱短路或不對稱負荷(如單相負荷、非全相運行等)引起的轉子表層過負荷等。

二、發電機保護的配置1．發電機的主保護（1）縱聯差動保護（2）匝間短路保護

（3）定子繞組單相接地保護（4）轉子繞組接地保護（5）發電機失磁保護

2．發電機的后備保護（1）外部短路引起的定子繞組過電流保護（2）定子繞組過負荷保護（3）轉子繞組、轉子表層過負荷保護（4）定子繞組過電壓保護（5）逆功率保護（6）失步保護（7）過激磁保護（8）低頻率保護發電機相間短路的縱聯差動保護

用于反映發電機定子繞組及其引出線相間短路故障的主保護。

一、發電機縱差保護的接線方式有完全縱差動保護和不完全縱差動保護兩種接線方式。1.發電機完全縱差動保護

圖9—1發電機縱差保護原理接線示意圖G●●●●2．發電機不完全縱差動保護中性點側有6個引出端子展示：

中性點側有4個引出端展示：圖9－5單元件式橫差保護原理接線示意圖（a）中性點側有6個引出端子;（b）中性點側有4個引出端（a）

UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA機殼（b）·UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA·機殼發電機不完全縱差動保護構成原理發電機不完全縱差動保護是一種能同時反應發電機相間短路、匝間短路和分支繞組開焊故障的新型發電機縱差保護。它是通過比較發電機機端每相定子的全相電流和中性點側每相定子的部分相電流大小和相位而構成的。

圖9－2不完全縱差動保護原理接線圖（a）中性點側引出6個端子（b）中性點側引出4個端子TA1TA1TA2TA2·分析可見發電機完全縱差保護和不完全縱差保護均是比較發電機兩側同相電流的大小和相位而構成；不同之處是：完全縱差保護是比較每相定子首末兩端的全相電流，而不完全縱差動保護是比較機端每相定子全相電流和中性點側每相定子的部分相電流而構成。

二、發電機縱差保護的原理1．比率制動式發電機縱差保護原理

圖9—1發電機縱差保護原理接線示意圖G●●●●（1）動作電流和制動電流

動作電流：制動電流：

為機端側定子相電流；為中性點側定子全相電流或分支繞組相電流；平衡系數當時為完全縱差保護接線方式；時為不全縱差保護接線方式。

（2）縱差保護的動作判據及動作特性當以下兩個方程同時滿足時，差動元件動作。

比率制動式發電機縱差保護的動作特性：

圖9－3比率制動式發電機縱差保護的動作特性Iop.min.Ires.min.IresK動作區制動區IK2.標積制動式發電機縱差動保護原理

動作電流：制動電流：動作判據：

圖9—1發電機縱差保護原理接線示意圖G●●●●式中，為之間的相位差；S為標積制動系數，通常取1.0。

1）當發電機正常運行或保護區外短路時：

制動量最大，動作量最小，保護可靠不動。2）當保護區內短路時：制動量為負值，呈現動作作用，動作量最大，保護動作，且靈敏。

三、發電機縱差保護邏輯框圖

當發電機縱差保護的二相或三相差動元件同時動作時，縱差保護才出口跳閘；為防止一點在區內另一點在區外的兩點接地故障發生，當有一相縱差元件動作且同時有負序電壓時，縱差保護出口跳閘。若只有一相縱差元件動作而無負序電壓時，判為TA斷線；若負序電壓長時間存在而無差電流時，判為TV斷線。圖9－4發電機縱差保護邏輯框圖t/oTV斷線U相差動V相差動W相差動二相或三相差動元件動作U相差動V相差動W相差動只一相差動元件動作&&U2>≥1TA斷線···發電機定子繞組的匝間短路保護

每個分支的匝間或分支之間的短路，就稱為發電機定子繞組的匝間短路故障。

一、單元件式橫聯差動保護發電機在正常運行情況下，每相定子繞組的兩個分支上電勢相等，各供出一半的負荷電流；當任一相繞組中發生匝間短路時，兩個繞組中的電勢不相等，因而在兩個分支繞組中產生環流。

1．保護的接線方式及其特點

（a）

UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA機殼（b）·UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA·機殼接線評價：保護接線較簡單，靈敏度較高。通常又稱為高靈敏的單元件式橫聯差動保護。保護只適合于：1）定子繞組中性點側引出6個或4個端子的發電機。2）中性點側引出端子較多的水輪發電機。

2．保護的原理分析1

1)保護裝置中裝設了三次諧波濾過器1，以消除三次諧波電流的影響，提高靈敏度。

2圖9－6單元件式橫聯差保護原理接線圖1-三次諧波濾過器；2－帶有延時的保護裝置2．保護的原理分析22）當定子繞組的同分支匝間短路時：

3）定子繞組不同分支間發生短路時：

4）保護存在死區：當時或者不同分支間的短路匝數相同（）及差別較小時，保護不能動作。

3．保護的整定原則

單元件式橫聯差動保護的動作電流為

時間整定：需增設0.5～1秒的延時，以躲過轉子回路的瞬時兩點接地故障。

2圖9－6單元件式橫聯差保護原理接線圖1-三次諧波濾過器；2－帶有延時的保護裝置二、故障分量負序功率方向匝間短路保護

適用于：中性點側沒有6個或4個引出端子的發電機定子匝間短路保護。裝設位置：該保護裝設在發電機的機端；基本原理：利用發電機外部故障與定子繞組匝間短路時產生的負序分量及其負序功率的方向不同而實現的。

1．故障時負序功率方向的分析

1）發電機外部橫向不對稱短路時（K1）：負序功率的方向由系統指向發電機。2）發電機內部兩相短路時（K2）：負序功率的方向由發電機指向系統。3）發電機定子繞組一相匝間短路時（K3K4)：負序功率方向亦由發電機指向系統。可見，負序功率的方向隨故障點的位置而變化，利用這一特點可以實現定子繞組的匝間短路保護。

zgZs2．保護的構成及其動作判據

保護動作的判據：當以下三個式子同時成立時，保護跳閘。

zgZs3．保護定值的整定及注意事項：

1)根據經驗，通常取：，大約在0.1％左右，可固定選取

2)故障分量負序功率方向()保護，若裝在發電機中性點(電流取中性點TA)，僅反映發電機內部匝間短路故障。

三、縱向零序電壓原理的匝間短路保護適用于中性點側沒有6個或4個引出端子的發電機定子匝間短路保護的另一種方案。該保護利用發電機定子繞組發生匝間短路時，機端三相對發電機中性點出現的零序電壓而構成。

1.保護的構成原理如圖所示：在發電機機端側裝設專用的電壓互感器。圖9—9零序電壓匝間短路保護原理接線圖發電機正常運行1）發電機正常運行或相間短路時，無零序電壓。

單相接地故障2）當發電機內部或外部發生單相接地故障時：故障相對地電壓等于零，中性點對地電壓上升為相電壓。因此三相定子繞組對中性點電壓仍然對稱，不出現零序電壓。

匝間短路3）當發電機定子繞組發生匝間短路或匝數不等的相間短路時：繞組匝間短路時，出現三相對中性點的零序電壓，其大小與被短路的繞組匝數a成正比。構成零序電壓匝間短路保護在構成零序電壓匝間短路保護時，需設置三次諧波濾過器，以提高保護的靈敏度。當發電機外部短路電流較大時，采用負序功率方向閉鎖方式，使保護退出工作。還需裝設斷線閉鎖元件。圖9－10負序功率閉鎖的零序電壓匝間保護原理方框圖l－三次諧波濾過器；2－斷線閉鎖保護；3－跳閘出口2．保護的整定原則按躲過外部嚴重故障時的最大不平衡基波零序電壓和三次諧波零序電壓整定

圖9－10負序功率閉鎖的零序電壓匝間保護原理方框圖l－三次諧波濾過器；2－斷線閉鎖保護；3－跳閘出口第二節

發電機定子繞組的

單相接地保護1.定子繞組單相接地故障的零序電壓

正常運行時，發電機機端三相電壓是對稱的當發電機機端U相發生金屬性接地故障時，U相對地電壓為零，其它兩相對地電壓升高倍。

顯然：發電機機端一相金屬性接地時，機端零序電壓的大小等于發電機故障前的相電壓。

中性點附近處如圖：接地發生在定子繞組距中性點附近處，則各相機端對地電壓：

圖9－12發電機內部單相接地故障時示意圖及電壓相量圖（a）示意圖；（b）電壓相量圖UVW（b）WKUKVKUVWKU機端零序電壓將隨著故障點的位置不同而改變。當接地點發生在距中性點處時，發電機零序電壓的大小等于故障前相電壓的倍。

2．正常運行和定子單相接地時三次諧波電壓分布

正常運行時，發電機機端的三次諧波電壓總是小于中性點側的三次諧波電壓

當發電機中性點經消弧線圈接地時：

（2）距中性點處發生單相接地時三次諧波電壓的分布發電機三次諧波的總結論：發電機中性點接地時：發電機機端接地時：當時：

二、反應基波零序電壓的定子接地保護

過電壓元件檢測發電機機端電壓互感器二次側開口三角形的輸出電壓當檢測的電壓大于保護的動作整定值時，過電壓元件動作發出信號。

保護裝置的整定值應避開正常運行時的不平衡電壓(包括三次諧波電壓)，以及變壓器高壓側接地時在發電機端所產生的零序電壓。根據運行經驗，保護的起動電壓一般整定為15～30V左右。考慮采用性能良好的三次諧波濾過器后，其動作值可降至5～10V。保護在中性點附近有5％～10％的死區。

三、基波零序電壓和三次諧波電壓構成的100％定子接地保護

1．保護的工作原理100％定子接地保護由兩部分組成：一部分是基波零序電壓保護另一部分是三次諧波電壓保護。由基波零序電壓保護來反應發電機85％～95％的定子繞組單相接地；三次諧波電壓保護來反應發電機中性點附近定子繞組的單相接地。

因為：正常運行時機端三次諧波電壓總是小于中性點側的三次諧波電壓，即而在距中性點50%范圍內接地時零序電壓保護三次諧波保護圖9－18100％定子接地保護的保護范圍示意圖所以：利用為動作量，為制動量，以為保護的動作條件，可以反應中性點側定子繞組50％范圍以內的接地故障。100％定子接地保護

該保護的動作判據為：

2.保護的整定計算（1）三次諧波電壓保護（2）基波零序電壓保護當時，應校驗高壓系統接地短路時傳遞到機端的基波零序電壓，以免保護誤動。

第五節發電機轉子回路接地保護

當轉子回路發生一點接地故障時，動作于信號；當轉子回路兩點接地時，動作于跳閘。

一、轉子回路一點接地保護保護原理（切換采樣式轉子一點接地保護）：

（1－a）EaES1S2RRRRR1RfaU1,U2I1I2圖9－20切換采樣式轉子一點接地保護原理接線圖中：S1、S2是微機控制的電子開關；為接地電阻；為接地點的位置；E為轉子電壓；R為4個降壓電阻；R1為測量電阻。

接地點位置為：接地電阻為：正常運行時:四4個電阻R對稱，U1＝U2，ΔU＝0，；轉子繞組一點接地時：U1≠U2,當接地電阻小于或等于接地電阻整定值時，經延時發出信號。

2.整定計算當接地電阻的高定值整定為10KΩ時，延時(4～10秒)動作于發信號；當接地電阻低定值整定為10KΩ時，