1、第第7章章 發電機繼電保護發電機繼電保護7.1.1發電機的故障和異常運行狀態（一）發電機內部故障發電機由定子繞組定子繞組和轉子繞組轉子繞組兩部分構成。常見故障：1. 定子繞組相間短路；2. 定子繞組單相匝間短路；3. 定子繞組單相接地；4. 轉子繞組一點接地或兩點接地；5. 轉子勵磁回路電流消失。7.1 發電機的故障類型、不正常運行狀態及其保護方式7.1 發電機的故障類型、不正常運行狀態及其保護方式7.1.1發電機的故障和異常運行狀態（二）發電機的不正常運行狀態不正常運行狀態1. 外部短路引起的定子繞組過電流；2. 負荷超過發電機額定容量而引起的三相對稱過負荷；3. 外部不對稱短路或不對稱負荷

2、而引起的發電機負序過電流和過負荷；4. 突然甩負荷而引起的定子繞組過電壓；5. 勵磁回路故障或強勵時間過長而引起的轉子繞組過負荷；6. 汽輪機主汽門突然關閉而引起的發電機逆功率運行等。7.1 發電機的故障類型、不正常運行狀態及其保護方式7.1.2大型發電機組的特點及對繼電保護的要求對繼保提出的新要求： 裝設具有反時限特性的過負荷保護及過電流保護。 大型機組更需要性能完善的失磁保護 用靈敏的匝間短路保護和漏水保護 裝氣隙不均保護和設計新的反應匝間短路的橫差保護 考慮后備保護靈敏度問題7.1 發電機的故障類型、不正常運行狀態及其保護方式7.1.3 發電機保護裝設的原則總的原則 針對發電機的故障類型

3、和不正常狀態，根據發電機的容量和重要程度和規程規定配置相應的保護保護配置1. 縱差動保護：對1MW以上發電機的定子繞組及其引出線的相間短路2. 接地保護：對直接連于母線的發電機定子繞組單相接地故障，當單相接地故障電流（不考慮消弧線圈的補償作用）大于規定的允許值時,應裝設有選擇性的接地保護裝置.（如圖7.1）7.1 發電機的故障類型、不正常運行狀態及其保護方式7.1.3 發電機保護裝設的原則發電機額定電壓（kV）發電機額定功率接地電容電流允許值 (A)6.350410.5汽輪發電機501003水輪發電機1010013.815.75汽輪發電機1252002*水輪發電機402251820300600

4、1圖 7.1發電機定子繞組單相接地故障電流允許值* 對氫冷發電機為2.57.1 發電機的故障類型、不正常運行狀態及其保護方式7.1.3 發電機保護裝設的原則3. 匝間短路保護：對于定子繞組匝間短路，當定子繞組采用星形接線，每相有并聯分支且中性點側引出端安裝CT時，應裝設橫差保護。4. 外部短路引起的過電流保護：對于發電機外部短路引起的過電流可采用以下保護方式： 負序過電流保護或單相式低壓啟動過電流保護 復合電壓啟動過電流保護 過流保護 對于300MW及以上的發電機，應裝設過勵磁保護；7.2 發電機的縱差動保護 縱差保護是發電機定子繞組及其引出線相間短路的主保護，因此，它應能快速切斷內部所發生的

5、故障，同時在正常運行及外部故障時，又應能保證動作的選擇性和工作的可靠性。7.2 發電機的縱差動保護7.2.1工作原理 利用比較發電機中性點側和引出線側電流幅值和相位的原理構成，因此在發電機中性點側和引出線側裝設特性和變比完全相同的電流互感器來實現縱差動保護。圖7.2 發電機縱差保護單相原理圖（a）內部故障情況（b）正常運行及外部故障情況7.2 發電機的縱差動保護7.2.1工作原理縱差保護是發電機定子繞組及其引出線相間短路的主保護。保護原理：利用比較發電機中性點側和引出線側電流幅值和相位的原理構成。 圖7.3 發電機縱差保護單相原理圖（a）內部故障情況（b）正常運行及外部故障情況7.2 發電機的

6、縱差動保護7.2.1工作原理 發電機內部故障時，如圖（a）中的k1點短路，兩側電流互感器的一、二次側電流如圖所示，差動繼電器中的電流為 。當 大于繼電器的整定電流時，繼電器動作。 在正常運行或保護區外故障時，流過繼電器的電流為兩側電流之差（ ），如圖7.1（b）所示（短路點k2）。 在循環電流回路兩臂引線阻抗相同、兩側電流互感器特性完全一致和鐵芯剩磁一樣的理想情況下，兩側二次電流相等（ ），流過繼電器的電流為零。但實際上差動繼電器中流過不大的電流，此電流稱為不平衡電流。III kIIII kII 7.2 發電機的縱差動保護7.2.2 整定原則（一）在正常運行情況下，電流互感器二次回路斷線時保護

7、不應誤動保護裝置整定電流繼電器的整定電流 電流互感器變比setrelNGIKI./set rrelNGTAIKIKTAK7.2 發電機的縱差動保護7.2.2 整定原則（一）在正常運行情況下，電流互感器二次回路斷線時保護不應誤動 斷線監視繼電器的整定電流按躲開正常運行時的不平衡電流整定，原則上越靈敏越好。根據經驗，一般選擇為：.0.2/set rNGTAIIK7.2 發電機的縱差動保護7.2.2 整定原則（一）在正常運行情況下，電流互感器二次回路斷線時保護不應誤動圖7.4 具有斷線監視裝置的發電機縱差保護原理接線圖 保護裝置采用三相式接線，在差動回路的中線上接有斷線監視繼電器器KA，當任一相電流

8、互感器回路斷線時，它都能動作，經過延時發出信號。 為了使差動保護的范圍能包括發電機引出線（或電纜）在內，因此所使用的電流互感器應裝設在靠近斷路器的位置。7.2 發電機的縱差動保護7.2.2 整定原則（二）躲過外部故障時的最大不平衡電流整定電流： （7-1）考慮非周期分量的影響，并將穩態不平衡電流計算式 帶入（7-1）式得： （7-2） 可靠系數，取1.3 非周期分量系數，當采用具有速飽和鐵芯的差動繼電器時，取1 電流互感器同型系數，當型號相同時取0.5.maxset rrelunbIKI.max0.1/unbstkTAIK IK.max0.1/set rrelnpstkTAIKK K IKre

9、lKnpKstK7.2 發電機的縱差動保護7.2.2 整定原則（二）躲過外部故障時的最大不平衡電流1. 汽輪機組汽輪機組出口處發生三相短路的最大短路電流約為 ，帶入（7-2），差動繼電器的整定電流為：2. 水輪機組水輪機組出口處發生三相短路時的最大短路電流約為 ，差動繼電器中的整定電流為：.max8kNGII.(0.50.6)/set rNGTAIIK.max5kNGII.(0.50.6)/set rNGTAIIK7.2 發電機的縱差動保護7.2.2 整定原則（三）靈敏度檢效靈敏度計算公式： 為發電機內部故障時流過保護裝置的最小短路電流時考慮以下兩種情況：1）發電機與系統并列運行以前，在其出線

10、端發生兩相短路，此時差動回路中只有發電機供給的短路電流 ，而 =0；2）發電機采用自同期并列時，發電機出線端發生兩相短路，差動回路只有系統供給的短路電流 ， =0 。.minksensetKII.minkII 1I 1I1I1要求：要求：一般不小于一般不小于27.3 發電機定子繞組匝間短路保護7.3.1 裝設匝間短路保護的必要性根據情況出現了以下觀點：1. 定子繞組匝間絕緣強度高于對地絕緣強度，可以不裝匝間短路保護。2. 大型機組的定子同槽上下層線棒同屬一相的很少，不再裝設匝間短路保護?？偨Y：總結：隨著單機容量的增大，發電機定子繞組的并聯分支數將增多，不考慮定子匝間短路及其保護是不合理的。7.

11、3 發電機定子繞組匝間短路保護7.3.2 單元件橫差保護圖7.5 發電機定子繞組匝間短路的電流分布(a) 在某一繞組內部匝間短路； (b)在同相不同繞組匝間短路7.3 發電機定子繞組匝間短路保護7.3.2 單繼電器橫差保護 如（a）所示，當某一繞組內發生匝間短路時，由于故障支路與非故障支路的電動勢不相等，因此，有一個環流產生，這時在差動回路中將有電流，當此電流大于繼電器的整定電流時，保護動作。短路匝數 越多，則環流越大，而當 較小時，保護就不動作。因此，保護是有死區的。 如（b）所示，在同相的兩個分支間發生匝間短路，當12時，由于兩個分支存在電勢差，將分別出現兩個環流 和 ，流入繼電器內的電流

12、為 。若這種短路發生在等位點上（即12）時，將不會有環流。因此，12或12 時，保護也出現死區。kIkI3/kTArKII7.3 發電機定子繞組匝間短路保護7.3.2 單繼電器橫差保護 根據定子繞組匝間短路的特點，橫差保護有兩種接線方式：1. 比較每相兩個分支繞組的電流之差。2. 在兩組星形接線的中性點連線上裝設一個電流互感器，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 保護裝置的整定電流，通常取發電機定子繞組額定電流2030，即：(0.2 0.3)NGsetII7.3 發電機定子繞組匝間短路保護7.3.3 定子繞組零序電壓原理的匝間短路保護 圖7.6 由負序功

13、率閉鎖的縱向零序電壓匝間短路保護原理圖當發電機正常運行和外部相間短路時，TVN1輔助二次繞組沒有輸出電壓，即3U0=0。當發電機內部或外部發生單相接地故障時，中性點電位升高為U0 ，由于TVN1一次側中性點不接地，開口三角繞組輸出電壓為0V。保護的零序動作電壓由正常運行負荷工況下的零序不平衡電壓U0.unb決定。7.4 發電機定子繞組單相接地保護根據安全運行經驗： 當接地電容電流大于等于5A時，應裝設動作于跳閘的接地保護；當接地電流小于5A時，一般裝設作用于信號的接地保護。7.4 發電機定子繞組單相接地保護7.4.1 利用零序電流構成的定子接地保護 接于零序電流互感器上的發電機零序電流保護，其

14、整定值的選擇原則如下：1. 躲過外部單相接地時，發電機本身的電容電流以及由于零序電流互感器一次側三相導線排列不對稱，而在二次側引起的不平衡電流。2. 保護裝置的一次動作電流應小于規定的允許值。3. 為防止外部相間短路產生的不平衡電流引起接地保護誤動作，應在相間保護動作時將接地保護閉鎖。4. 保護裝置一般帶有12 s的時限，以躲過外部單相接地瞬間，發電機暫態電容電流的影響。5. 為了減小死區的范圍，盡量降低保護的起動電流。7.4 發電機定子繞組單相接地保護7.4.2 利用零序電壓構成的定子接地保護圖7.7 發電機電壓系統的對地電容分布圖繼電器的起動電壓一般整定為繼電器的起動電壓一般整定為1515

15、30V30V左右左右。為了減小死區，可采取如下措施來降低起動電壓：為了減小死區，可采取如下措施來降低起動電壓：加裝三次諧波帶阻過濾器；對于高壓側中性點直接接地電網，利用保護裝置的延時來躲過高壓側的接地故障；在高壓側中性點非直接接地電網中，利用高壓側的零序電壓將發電機接地保護閉鎖或利用它對保護實現制動。7.4 發電機定子繞組單相接地保護7.4.2 利用零序電壓構成的定子接地保護 為提高可靠性，兩部分的保護區應相互重疊。 構成第二部分保護的方案主要有：1. 發電機中性點加固定的工頻偏移電壓，其值為額定相電壓的1015。當發電機定子繞組接地時，利用此偏移電壓來加大故障點的電流（其值限制在1025A左

16、右），接地保護即反應于這個電流而動作，使發電機跳閘。2. 附加直流或低頻（20Hz或50Hz）電源，通過發電機端的電壓互感器將其電流注入發電機定子繞組，當定子繞組接地時，保護裝置將反應于此注入電流的增大而動作。3. 利用發電機固有的三次諧波電勢，以發電機中性點側和機端側三次諧波電壓比值的變化，或比值和方向的變化，來作為保護動作的判據。 7.5 發電機的失磁保護7.5.1 發電機失磁運行的后果 失磁原因：u轉子繞組故障u勵磁機故障u自動滅磁開關誤跳閘u半導體勵磁系統中某些元件損壞u回路發生故障以及誤操作等 7.5 發電機的失磁保護7.5.1 發電機失磁運行的后果失磁過程：1.勵磁電流衰減到零，發

17、電機空載電勢隨勵磁電流越來越小，造成空載電勢下降。2.空載電勢下降輸出電磁功率下降轉子加速3.功角增大，當功角超過穩定運行的極限角時，發電機失去同步轉子繞組將從系統吸收無功以供給轉子的感應勵磁電流4.轉速達到一定值時，若功率達到新的平衡，則發電機進入穩定異步運行狀態，即作為異步發電機運行。 7.5 發電機的失磁保護7.5.1 發電機失磁運行的后果異步運行對電力系統的影響： 發電機輸出電磁功率減少，轉子加速，進入異步運行 失磁后將從系統吸收大量感性無功，端部發熱 若系統無功充足，發電機最終可以穩定為異步運行狀態，若無功缺額較大，可能引起電壓不穩定，導致系統崩潰，造成大面積停電 轉子過熱 機組振動

18、 7.5 發電機的失磁保護7.5.1 發電機失磁運行的后果異步運行對發電機的的影響： 汽輪機：調速靈敏，異步轉差小，若無功充足，可允許異步運行一段時間。否則應切除 水輪機：調速慢，異步轉差大，異步運行吸收無功量大，通常不允許異步運行對大容量發電機，通常裝設失磁保護，動作于跳閘，減負荷或發出信號 7.5 發電機的失磁保護7.5.2 發電機失磁保護的輔助判據輔助判據的依據： 以靜穩定邊界或異步邊界作為判據的失磁阻抗繼電器能夠鑒別正常運行與失磁故障。但是，在發電機外部短路、系統振蕩、長線路充電、自同期并列及電壓回路斷線等，失磁繼電器可能誤動作。因此，必須利用其他特征量作為輔助判據。 7.5 發電機的

19、失磁保護7.5.2 發電機失磁保護的輔助判據在失磁保護中，常用的輔助判據和閉鎖措施如下：1. 勵磁電壓是一個多變的參數，通常把它的變化作為失磁保護的輔助判據。2. 利用負序分量作為輔助判據，防止失磁保護在短路或短路伴隨振蕩的過程中誤動。3. 失磁保護帶有延時可以躲過振蕩的影響。 7.5 發電機的失磁保護7.5.3失磁保護的構成方式根據發電機容量和勵磁方式的不同，失磁保護的方式有以下兩種：1. 容量在100MW以下的帶直流勵磁機的水輪發電機和不允許失磁運行的汽輪發電機，一般是利用轉子回路勵磁開關的輔助觸點連鎖跳開發電機的斷路器2. 對于容量在100MW以上的發電機和采用半導體勵磁的發電機，一般采

20、用根據發電機失磁后定子回路參數變化的特點構成失磁保護。7.6 發電機-變壓器組繼電保護的特點及配置7.6.1發電機-變壓器組繼電保護的特點1. 差動保護 圖7.8 發電機-變壓器組差動保護配置方式 (a)共用一套差動保護；(b)共用一套差動保護及發電機配一套 差動保護； (c)雙重化差動保護；(d)發電機一變壓器組及廠用分支的差動保護7.6 發電機-變壓器組繼電保護的特點及配置7.6.1發電機-變壓器組繼電保護的特點1. 差動保護配置方式 對于100MW及以下，一般只裝設一套差動保護 對于200MW及以上的汽輪發電機，增設復合電流速斷保護，或在變壓器上增設單獨的差動保護，即采用雙重快速保護方式 對于高壓側電壓為330kV及以上的變壓器，可裝設雙重差動保護 當發電機一變壓器組之間有分支線時，分支線應包括在差動保護范圍內7.6 發電機-變壓器組繼電保護的特點及配置7.6.1發電機-變壓器組