1、電力系統繼電保護7 發電機保護7.1 發電機的故障、不正常運行狀態及其保護方式發電機的故障類型與不正常運行狀態 發電機的故障類型主要有定子繞組相間短路、定子一相繞組內的匝間短路、定子繞組單相接地、轉子繞組一點接地或兩點接地、轉子勵磁回路勵磁電流消失等。 發電機的不正常運行狀態主要有：由于外部短路引起的定子繞組過電流；由于負荷超過發電機額定容量而引起的三相對稱過負荷；由于外部不對稱短路或不對稱負荷 （ 如單相負荷，非全相運行等）而引起的發電機負序過電流；由于突然甩負荷而引起的定子繞組過電壓；由于勵磁回路故障或強勵時間過長而引起的轉子繞組過負荷；由于汽輪機主汽門突然關閉而引起的發電機逆功率等。發電

2、機的故障裝設的保護：發電機的故障裝設的保護：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）大于表考慮消弧線圈的補償作用）大于表7.1規定的允許值時，應裝設有選擇性的接規定的允許值時，應裝設有選擇性的接地保護裝置。地保護裝置。對于發電機對于發電機變壓器組，對容量在變壓器組，對容量在100MW以下的發電機，應裝設保護區不小以下的發電機，應裝設保護區不小于定子繞組串聯匝數于定子繞組串聯匝數90%的定子接地保護，對容量在的定子接地保護，對容量在100MW及以上的發電機及以上的發電機，應裝設保護

3、區為，應裝設保護區為100%的定子接地保護，保護帶時限動作于信號，必要時也的定子接地保護，保護帶時限動作于信號，必要時也可以動作于切機。可以動作于切機。發電機的故障裝設的保護：發電機的故障裝設的保護：對對1MW以上發電機的定子繞組及其引出線的相間短路，應裝設縱差動保護。以上發電機的定子繞組及其引出線的相間短路，應裝設縱差動保護。對于發電機定子繞組的匝間短路，當定子繞組星形接線、每相有并聯分支且對于發電機定子繞組的匝間短路，當定子繞組星形接線、每相有并聯分支且中性點側有分支引出端時，應裝設橫差保護。中性點側有分支引出端時，應裝設橫差保護。200MW及以上的發電機有條件及以上的發電機有條件時可裝設

4、雙重化橫差保護。時可裝設雙重化橫差保護。對于發電機勵磁回路的一點接地故障，對對于發電機勵磁回路的一點接地故障，對1MW及以下的小型發電機可裝設定及以下的小型發電機可裝設定期檢測裝置；對期檢測裝置；對1MW以上的發電機應裝設專用的勵磁回路一點接地保護裝置以上的發電機應裝設專用的勵磁回路一點接地保護裝置。對于發電機勵磁消失故障，在發電機不允許失磁運行時，應當在自動滅磁開對于發電機勵磁消失故障，在發電機不允許失磁運行時，應當在自動滅磁開關斷開時連鎖斷開發電機的斷路器；對于采用半導體勵磁以及關斷開時連鎖斷開發電機的斷路器；對于采用半導體勵磁以及100MW及以上及以上采用電機勵磁的發電機，應該增設直接反

5、應發電機失磁時電氣參數變化的專采用電機勵磁的發電機，應該增設直接反應發電機失磁時電氣參數變化的專用失磁保護。用失磁保護。發電機的不正常運行狀態裝設的保發電機的不正常運行狀態裝設的保護：護：對于發電機外部短路引起的過電流，可采用下列保護方式：對于發電機外部短路引起的過電流，可采用下列保護方式：1）負序過電流及單元件低電壓啟動過電流保護，一般用于）負序過電流及單元件低電壓啟動過電流保護，一般用于50MW及及以上發電機；以上發電機；2）復合電壓（包括負序電壓及線電壓）啟動的過電流保護，一般用）復合電壓（包括負序電壓及線電壓）啟動的過電流保護，一般用于于1MW以上的發電機；以上的發電機；3）過電流保護

6、，用于）過電流保護，用于1MW及以下的小型發電機；及以下的小型發電機；4）帶電流記憶的低壓過流保護，用于自并勵發電機。）帶電流記憶的低壓過流保護，用于自并勵發電機。發電機的不正常運行狀態裝設的保發電機的不正常運行狀態裝設的保護：護：對于由對稱負荷引起的發電機定子繞組過電流，應裝設接于一相電流對于由對稱負荷引起的發電機定子繞組過電流，應裝設接于一相電流的過負荷保護。的過負荷保護。對于由不對稱負荷或外部不對稱短路而引起的負序過電流，一般在對于由不對稱負荷或外部不對稱短路而引起的負序過電流，一般在50MW及以上的發電機上裝設負序過電流保護。及以上的發電機上裝設負序過電流保護。對于水輪發電機定子繞組過

7、電壓，應裝設帶延時的過電壓保護。對于水輪發電機定子繞組過電壓，應裝設帶延時的過電壓保護。發電機的不正常運行狀態裝設的保發電機的不正常運行狀態裝設的保護：護：對于轉子回路的過負荷，在對于轉子回路的過負荷，在100MW及以上，并且采用半導體勵磁系及以上，并且采用半導體勵磁系統的發電機上，應裝設轉子過負荷保護。統的發電機上，應裝設轉子過負荷保護。對于對于300MW及以上的發電機，應裝設過勵磁保護。及以上的發電機，應裝設過勵磁保護。對于汽輪發電機主汽門突然關閉而出現的發電機變電動機運行的異常對于汽輪發電機主汽門突然關閉而出現的發電機變電動機運行的異常運行方式，為防止損壞汽輪機，對運行方式，為防止損壞汽

8、輪機，對200MW及以上的大容量汽輪發電及以上的大容量汽輪發電機宜裝設逆功率保護；對于燃汽輪發電機，應裝設逆功率保護。機宜裝設逆功率保護；對于燃汽輪發電機，應裝設逆功率保護。發電機的不正常運行狀態裝設的保發電機的不正常運行狀態裝設的保護：護：其它保護：如當電力系其它保護：如當電力系統振蕩影響機組安全運統振蕩影響機組安全運行時，在行時，在300MW機組上機組上宜裝設失步保護；當汽宜裝設失步保護；當汽輪機低頻運行會造成機輪機低頻運行會造成機械振動，葉片損傷，對械振動，葉片損傷，對汽輪機危害極大時，可汽輪機危害極大時，可裝設低頻保護；當水冷裝設低頻保護；當水冷發電機斷水時，可裝設發電機斷水時，可裝設

9、斷水保護等。斷水保護等。為了快速消除發電機內為了快速消除發電機內部的故障，在保護動作部的故障，在保護動作于發電機斷路器跳閘的于發電機斷路器跳閘的同時，還必須動作于自同時，還必須動作于自動滅磁開關，斷開發電動滅磁開關，斷開發電機勵磁回路，使定子繞機勵磁回路，使定子繞組中不再感應出電勢，組中不再感應出電勢，繼續供給短路電流。繼續供給短路電流。（圖解：海霧對發電廠的影響）（圖解：海霧對發電廠的影響）7.2 發電機定子繞組短路故障的保護7.2.1 發電機定子繞組短路故障的特點發電機定子繞組短路故障的特點發電機內部短路故障發電機內部短路故障-主要是指主要是指定子的各種相間和匝間短路故障定子的各種相間和匝

10、間短路故障，短路故障時在發電機被短接的，短路故障時在發電機被短接的繞組中將會出現很大的短路電流繞組中將會出現很大的短路電流，嚴重損傷發電機本體，甚至使，嚴重損傷發電機本體，甚至使發電機報廢，危害十分嚴重，發發電機報廢，危害十分嚴重，發電機修復的費用也非常高。電機修復的費用也非常高。由于發電機定子單相接地并不會由于發電機定子單相接地并不會引起大的短路電流，不屬于嚴重引起大的短路電流，不屬于嚴重的短路性故障。的短路性故障。發電機定子的短路故障形成比較發電機定子的短路故障形成比較復雜，大體歸納起來主要有五種復雜，大體歸納起來主要有五種情況：情況：單相接地，再由電弧引發故障點單相接地，再由電弧引發故障

11、點處相間短路；處相間短路；直接發生線棒間絕緣擊穿形成相直接發生線棒間絕緣擊穿形成相間短路；間短路；發生單相接地，再由于電位變化發生單相接地，再由于電位變化引發其他地點發生另一點的接地引發其他地點發生另一點的接地，從而構成兩點接地短路；，從而構成兩點接地短路；發電機端部放電構成相間短路；發電機端部放電構成相間短路； 定子繞組同一相的匝間短路故障定子繞組同一相的匝間短路故障。（一臺（一臺660MW發電機內部圖）發電機內部圖）7.2.2 比率制動式縱差動保護比率制動式縱差動保護如圖如圖7-1所示，圖中以一相為例，規定一次電流所示，圖中以一相為例，規定一次電流以流入發電機為正方向：當正常運行以及發生以

12、流入發電機為正方向：當正常運行以及發生保護區外故障時保護區外故障時流入差動繼電器的差動電流入差動繼電器的差動電流為零，電器不動作；當發生發電機內部故障流為零，電器不動作；當發生發電機內部故障時時流入差動繼電器的差動電流較大，當其流入差動繼電器的差動電流較大，當其超過整定值時，繼電器判為發生了發電機內部超過整定值時，繼電器判為發生了發電機內部故障而作用于跳閘。故障而作用于跳閘。為了解決這個問題，考慮到不平衡電流隨著流為了解決這個問題，考慮到不平衡電流隨著流過過TA電流的增加而增加的因素，提出了比率制電流的增加而增加的因素，提出了比率制動的縱差動保護，使動作值隨著外部短路電流動的縱差動保護，使動作

13、值隨著外部短路電流的增大而自動增大。的增大而自動增大。（圖（圖7-1：發電機縱差動保護原理圖）：發電機縱差動保護原理圖）7.2.2 比率制動式縱差動保護比率制動式縱差動保護（圖（圖7-2：比率制動特性曲線）：比率制動特性曲線）7.2.3 標積制動式縱差保護原理標積制動式縱差保護原理7.2.4 發電機縱差動保護的接線方式發電機縱差動保護的接線方式 1 發電機縱差動保護的動作邏輯發電機縱差動保護的動作邏輯 為了對付發生一點在區內而另外一點在區外接地引起的同為了對付發生一點在區內而另外一點在區外接地引起的同相短路故障，當有一相差動繼電器動作且同時有負序電壓相短路故障，當有一相差動繼電器動作且同時有負

14、序電壓時也判定為發電機內部短路故障。時也判定為發電機內部短路故障。 這種動作邏輯的特點：單相這種動作邏輯的特點：單相TA斷線時不會誤動，因此可斷線時不會誤動，因此可省去專用的省去專用的TA斷線閉鎖環節，且保護安全可靠。斷線閉鎖環節，且保護安全可靠。（SEL-300G發電機保護繼電器圖）發電機保護繼電器圖）7.2.4 發電機縱差動保護的接線方式發電機縱差動保護的接線方式 2 發電機不完全縱差動保護接線發電機不完全縱差動保護接線不完全縱差動保護可按下列原則選擇配置中性點TA的個數a/2N(a/2)+1 （7.5）式中N中性點側每相接入縱差動保護的分支數；a發電機每相的并聯的分支總數。式（7.5）簡

15、單地取分支總數的一半，如果分支總數是奇數，則取一半多1。由于存在N選多時相間短路靈敏度高但匝間短路靈敏度下降，N選少時匝間短路靈敏度提高而相間短路靈敏度會下降的問題，式（7.5）選取的N是一種偏于安全的TA 配置方式。對于具體一臺發電機，上述TA 的個數選取方法并不一定是最理想的，靈敏度也不一定最高，它只是不完全縱差動保護的一種簡單的應用方法。由于發電機不完全縱差動保護僅引入了中性點的部分分支電流，因此在應用時要注意以下問題。（）TA的誤差。發電機機端和中性點TA的變比不再相等，不可能使用同一型號的TA，因此TA引起的不平衡電流將會增加。（）誤差源增加。除了通常的誤差以外，不完全縱差動保護還會

16、存在一些特別的誤差源，如各分支參數的一些微小差異（氣隙不對稱，電機振動等）引起的不平衡。（）整定值。相對于發電機完全縱差動保護而言，由于不完全縱差動保護的誤差增加，在整定時應該考慮適當提高縱差動保護的動作門檻和比率制動系數。（）靈敏度。不完全縱差動保護的靈敏度與發電機中性點分支上TA的布置位置及TA的個數有密切的關系。在應用不完全縱差動保護前應考慮進行必要的發電機內部短路故障靈敏度分析與計算。圖圖7-3：發電機不完全縱差動：發電機不完全縱差動保護原理接線（以保護原理接線（以A相為例）相為例）7.2.5 發電機縱差動保護整定與靈敏度發電機縱差動保護整定與靈敏度 1 差動保護靈敏度系數的定義與校驗

17、差動保護靈敏度系數的定義與校驗 根據規程規定，發電機縱差動保護的靈敏度是在發電機機端發生兩相金屬性短路情況下差動電流和動作電流的比值，要求Ksen1.5。隨著對發電機內部短路分析的進一步深入，對發電機內部發生輕微故障的分析成為可能，可以更多地分析內部發生故障時的保護動作行為，從而更好地選擇保護原理和方案。7.2.5 發電機縱差動保護整定與靈敏度發電機縱差動保護整定與靈敏度 2 縱差動保護的整定縱差動保護的整定 由圖7.2可以看出，具有比率制動特性的縱差動保護的動作特性可由A、B、C三點決定。對縱差動保護的整定計算，實質上就是對Id.min、Ires.min及K的整定計算。Id.min整定原則躲

18、過發電機額定工況下差動回路中的最大不平衡電流：Id.min=Krel(Ier1+Ier2) （7.6）式中Krel可靠系數，取1.52；Ier1保護兩側的TA變比誤差產生的差流，取0.06Ign（Ign為發電機額定電流）；Ier2保護兩側的二次誤差（包括二次回路引線差異以及縱差動保護輸入通道變換系數調整不一致）產生的差流，取0.1Ign。代入式（7.6）得Id.min(0.240.32) Ign，通常取0.3Ign。對于不完全縱差動保護，尚需考慮發電機每相各分支電流的差異，應適當提高Id.min的整定值。在數字保護中，由于可由軟件對縱差動保護兩側輸入量進行精確地平衡調整，可有效地減小上述穩態誤

19、差，因此發電機正常平穩運行時，在數字保護中引起的差電流很小，啟動電流的不平衡更多的是指暫態不平衡量。（圖（圖7-2：比率制動特性曲線）：比率制動特性曲線）7.2.5 發電機縱差動保護整定與靈敏度發電機縱差動保護整定與靈敏度 2 縱差動保護的整定縱差動保護的整定 由圖7.2可以看出，具有比率制動特性的縱差動保護的動作特性可由A、B、C三點決定。對縱差動保護的整定計算，實質上就是對Id.min、Ires.min及K的整定計算。Ires.min的整定。拐點電流Ires.min的大小，決定保護開始產生制動作用的電流的大小。由圖7.2可以看出，在啟動電流Id.min及動作特性曲線的斜率犓保持不變的情況下

20、，Ires.min越小，差動保護的動作區越小，而制動區增大；反之亦然。因此，拐點電流的大小直接影響差動保護的動作靈敏度。通常拐點電流整定計算式為Ires.min(0.51.0) Ign（圖（圖7-2：比率制動特性曲線）：比率制動特性曲線）7.2.5 發電機縱差動保護整定與靈敏度發電機縱差動保護整定與靈敏度 2 縱差動保護的整定縱差動保護的整定 由圖7.2可以看出，具有比率制動特性的縱差動保護的動作特性可由A、B、C三點決定。對縱差動保護的整定計算，實質上就是對Id.min、Ires.min及K的整定計算。（圖（圖7-2：比率制動特性曲線）：比率制動特性曲線）7.2.5 發電機縱差動保護整定與靈

21、敏度發電機縱差動保護整定與靈敏度影響差動回路中的最大不平衡電流的因素：影響差動回路中的最大不平衡電流的因素： Krel可靠系數，取1.31.5； Kf暫態特性系數，當兩側TA變比、型號完全相同且二次回路參數相同時，Kf0，當兩側TA變比、型號不同時，Kf可取0.050.1； Id.max最大動作電流。 將以上數據代入式（7.10）得Id.max(0.260.45)Ik.max。令Id.maxIunb.max，代入式（7.8），可得Kres(0.260.45)。 因此，對于發電機完全縱差動保護，Kres可取0.3；而對于不完全縱差動保護,Kres可取0.30.4。而制動線斜率犓則可以根據Ik.m

22、ax與Kres推導得出。7.2.6 發電機橫差動保護發電機橫差動保護1 發電機裂相橫差保護基本原理發電機裂相橫差保護基本原理裂相橫差保護裂相橫差保護大容量發電機每相都由兩個或兩個以上并聯分支繞大容量發電機每相都由兩個或兩個以上并聯分支繞組組成，正常運行時各繞組中電勢相等，流過相等的負荷電流；當同組組成，正常運行時各繞組中電勢相等，流過相等的負荷電流；當同相內非等電位點匝間短路時，各繞組中電勢不再相等，出現因電勢差相內非等電位點匝間短路時，各繞組中電勢不再相等，出現因電勢差而在各繞組間產生的環流。利用這個環流可以實現對發電機定子繞組而在各繞組間產生的環流。利用這個環流可以實現對發電機定子繞組匝間

23、短路的保護，構成裂相橫差保護的原理。匝間短路的保護，構成裂相橫差保護的原理。圖圖7.4某一繞組內部匝間短路橫差動保護某一繞組內部匝間短路橫差動保護7.2.6 發電機橫差動保護發電機橫差動保護1 發電機裂相橫差保護基本原理發電機裂相橫差保護基本原理裂相橫差保護裂相橫差保護大容量發電機每相都由兩個或兩個以上并聯分支繞大容量發電機每相都由兩個或兩個以上并聯分支繞組組成，正常運行時各繞組中電勢相等，流過相等的負荷電流；當同組組成，正常運行時各繞組中電勢相等，流過相等的負荷電流；當同相內非等電位點匝間短路時，各繞組中電勢不再相等，出現因電勢差相內非等電位點匝間短路時，各繞組中電勢不再相等，出現因電勢差而

24、在各繞組間產生的環流。利用這個環流可以實現對發電機定子繞組而在各繞組間產生的環流。利用這個環流可以實現對發電機定子繞組匝間短路的保護，構成裂相橫差保護的原理。匝間短路的保護，構成裂相橫差保護的原理。圖圖7.5同相不同繞組匝間短路橫差動保護同相不同繞組匝間短路橫差動保護7.2.6 發電機橫差動保護發電機橫差動保護 2 單元件橫差動保護基本原理單元件橫差動保護基本原理單元件橫差動匝間短路保護能反應定子繞組匝間短路、分支線棒開焊及機內繞組相間短路。其原理圖如圖7-6所示。實際發電機不同中性點間有不平衡電流：（1）定子同相而不同分支的繞組參數不完全相同，致使兩端的電勢及支路電流有差異；（2）發電機定子

25、氣隙磁場不完全均勻，在不同定子繞組中產生的感應電勢不同；（3）轉子偏心，在不同的定子繞組中產生不同電勢；（4）存在三次諧波電流。單元件橫差保護動作電流必須要克服這些不平衡量，按下式整定：單元件橫差保護動作電流必須要克服這些不平衡量，按下式整定：IsetKrel(Iunb1+Iunb2+Iunb3) (7.11)式中Iunb1額定工況下，同相不同分支繞組由于繞組之間參數的差異產生的不平衡電流，由于是三相之和，一般可取32% IgN；Iunb2磁場氣隙不平衡產生的不平衡電流，一般可取5% IgN；Iunb3轉子偏心（包括正常和異常工況）產生的不平衡電流，一般可取10% IgN；Krel可靠系數，取

26、1.21.5。將各參數代入式（7.11）中，得Iset(0.250.31) IgN，一般可以選取經驗數據(0.20.3) IgN。必要時，應采用實測值來進行整定。實際很多情況下存在較大的三次諧波不平衡電流。因此，單元件橫差保護需要具有性能良好的三次諧波濾過器。（圖（圖7-6：單元件橫差動保護接線原理圖）：單元件橫差動保護接線原理圖）7.2.7 縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護 1 縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護基本原理縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護基本原理 縱向零序電壓縱向零序電壓發電機定子繞組在其同一分支匝間或同發電機定子繞組在其同一分支匝間或同相

27、不同分支間發生短路故障時，均會出現縱向不對稱（即相不同分支間發生短路故障時，均會出現縱向不對稱（即機端相對于中性點出現不對稱），從而產生所謂的縱向零機端相對于中性點出現不對稱），從而產生所謂的縱向零序電壓。序電壓。 該電壓由專用電壓互感器（互感器一次中性點與發電機中該電壓由專用電壓互感器（互感器一次中性點與發電機中性點通過高壓電纜連接起來，而不允許接地）的開口三角性點通過高壓電纜連接起來，而不允許接地）的開口三角形繞組兩端取得。當測量到縱向零序電壓超過定值時，保形繞組兩端取得。當測量到縱向零序電壓超過定值時，保護動作。護動作。（水力發電機的定子繞組圖）（水力發電機的定子繞組圖）7.2.7 縱向

28、零序電壓式定子繞組匝間短路保護縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護 2 縱向零序電壓的整定縱向零序電壓的整定對縱向零序電壓式匝間短路保護進行整定計算的步驟：對縱向零序電壓式匝間短路保護進行整定計算的步驟：對發電機定子的結構進行研究，并估算發生最少匝數匝間短路時的最小縱向對發電機定子的結構進行研究，并估算發生最少匝數匝間短路時的最小縱向零序電壓值；零序電壓值；據此進行整定和靈敏度校核；據此進行整定和靈敏度校核；考慮躲開各種因素引起的不平衡電壓。考慮躲開各種因素引起的不平衡電壓。實用中，縱向零序電壓式匝間短路保護的動作電壓可按下式進行整定實用中，縱向零序電壓式匝間短路保護的動作電壓可按下式進行整定：

29、運行經驗表明，縱向零序電壓式匝間短路保護動作電壓一般可取運行經驗表明，縱向零序電壓式匝間短路保護動作電壓一般可取2.53V。1. 需要指出，縱向零序電壓式匝間短路保護也需要具有性能良好的濾除需要指出，縱向零序電壓式匝間短路保護也需要具有性能良好的濾除三次諧波的濾波器。三次諧波的濾波器。7.2.7 縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護縱向零序電壓式定子繞組匝間短路保護 3 負序功率方向元件負序功率方向元件 為防止區外故障時匝間短路保護誤動作，可以增設負序功為防止區外故障時匝間短路保護誤動作，可以增設負序功率方向元件。同樣，負序功率方向元件的動作方向，應根率方向元件。同樣，負序功率方向元件的動作方向

30、，應根據不同發電機的定子繞組結構來加以確定：據不同發電機的定子繞組結構來加以確定： 對于定子繞組匝間短路時能產生較大負序功率的發電機（對于定子繞組匝間短路時能產生較大負序功率的發電機（例如，定子繞組呈單例如，定子繞組呈單Y型連接的型連接的125MW汽輪發電機）：負汽輪發電機）：負序功率方向元件的動作方向應指向發電機。此時，負序功序功率方向元件的動作方向應指向發電機。此時，負序功率方向元件為允許式，即發電機內部故障時方向元件動作率方向元件為允許式，即發電機內部故障時方向元件動作，其接點閉合允許匝間保護動作。，其接點閉合允許匝間保護動作。 對靈敏度不滿足要求的發電機：可采用閉鎖方式，即方向對靈敏度

31、不滿足要求的發電機：可采用閉鎖方式，即方向元件采用常閉接點方式。當區外發生故障時，接點打開，元件采用常閉接點方式。當區外發生故障時，接點打開，閉鎖保護，可防止保護誤動。閉鎖保護，可防止保護誤動。7.3 發電機定子繞組單相接地保護7.3.1 發電機定子繞組單相接地時電氣量的特征發電機定子繞組單相接地時電氣量的特征中性點不接地的發電機，當發電機內部單相中性點不接地的發電機，當發電機內部單相接地時，接地電容電流應在規定的允許值之接地時，接地電容電流應在規定的允許值之內，如表內，如表7.1所示。大型發電機由于造價昂所示。大型發電機由于造價昂貴，結構復雜，檢修困難，且容量的增大使貴，結構復雜，檢修困難，

32、且容量的增大使得其接地故障電流也隨之增大，為了防止故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，大型發電機有的裝設了消障電流燒壞鐵芯，大型發電機有的裝設了消弧線圈，通過消弧線圈的電感電流與接地電弧線圈，通過消弧線圈的電感電流與接地電容電流的相互抵消，把定子單相接地故障電容電流的相互抵消，把定子單相接地故障電流限制在規定的允許值之內。流限制在規定的允許值之內。（安裝在秦皇島上的兩臺風力發電機圖）（安裝在秦皇島上的兩臺風力發電機圖）對于中性點采用高阻接地方式對于中性點采用高阻接地方式的發電機（即中性點經配電變的發電機（即中性點經配電變壓器接地，配電變壓器的二次壓器接地，配電變壓器的二次側

33、接小電阻），其主要目的是側接小電阻），其主要目的是限制發電機單相接地時的暫態限制發電機單相接地時的暫態過電壓，防止暫態過電壓破壞過電壓，防止暫態過電壓破壞定子繞組絕緣，但另一方面也定子繞組絕緣，但另一方面也人為地增大了故障電流。因此人為地增大了故障電流。因此采用這種方式接地的發電機定采用這種方式接地的發電機定子接地保護應選擇盡快跳閘。子接地保護應選擇盡快跳閘。7.3.1 發電機定子繞組單相接地時電氣量的特征發電機定子繞組單相接地時電氣量的特征假設A相在距離定子繞組中性點 處發生金屬性接地故障，如圖7.7所示。作近似估計時機端各相對地電動勢為（圖（圖7-7a：發電機定子繞：發電機定子繞組單相接地

34、時的電路圖）組單相接地時的電路圖）（圖（圖7-7b：相量圖）：相量圖）零序等效網絡如下所示，故障點的接地電流為：零序等效網絡如下所示，故障點的接地電流為：欠補償運行方式欠補償運行方式-補償的感性電流小于接地容性電流，這樣有利于減小電力變壓器補償的感性電流小于接地容性電流，這樣有利于減小電力變壓器耦合電容傳遞的過電壓。在大型發電機耦合電容傳遞的過電壓。在大型發電機變壓器組單元接線的情況下，由于總電變壓器組單元接線的情況下，由于總電容為定值，一般采用欠補償運行方式。容為定值，一般采用欠補償運行方式。7.3.2 利用零序電壓構成的定子單相接地保護利用零序電壓構成的定子單相接地保護零序電壓隨故障點位置

35、變化的曲線圖如右所零序電壓隨故障點位置變化的曲線圖如右所示。越靠近機端，故障點的零序電壓就越高示。越靠近機端，故障點的零序電壓就越高，可以利用基波零序電壓構成定子單相接地，可以利用基波零序電壓構成定子單相接地保護。保護。零序電壓保護常用于發電機變壓器組零序電壓保護常用于發電機變壓器組(下圖下圖左左)接地保護。其原理接線如下圖右所示。接地保護。其原理接線如下圖右所示。影響不平衡零序電壓的因素主要有：影響不平衡零序電壓的因素主要有：發電機的三次諧波電勢；發電機的三次諧波電勢；機端三相機端三相TV各相間變比誤差；各相間變比誤差；發電機電壓系統中三相對地絕緣不一致；發電機電壓系統中三相對地絕緣不一致；

36、主變高壓側接地故障時由變壓器高壓側傳遞主變高壓側接地故障時由變壓器高壓側傳遞到發電機系統的零序電壓。到發電機系統的零序電壓。零序電壓可取自發電機機端零序電壓可取自發電機機端TV開開口三角繞組或中性點口三角繞組或中性點TV二次側。二次側。當保護動作于跳閘且零序電壓取當保護動作于跳閘且零序電壓取自發電機機端自發電機機端TV開口三角繞組時開口三角繞組時需要有需要有TV一次側斷線的閉鎖措施。一次側斷線的閉鎖措施。7.3.3 三次諧波電壓構成的定子單相接地保護三次諧波電壓構成的定子單相接地保護 1 保護原理保護原理把發電機的對地電容等效地看作集中在發電機的中性點把發電機的對地電容等效地看作集中在發電機的

37、中性點N 和機端和機端S，且每相，且每相的電容大小都是的電容大小都是0.5Cf，并將發電機端引出線、升壓變壓器、廠用變壓器以及，并將發電機端引出線、升壓變壓器、廠用變壓器以及電壓互感器等設備的每相對地電容電壓互感器等設備的每相對地電容Cw 也等效在機端，并設三次諧波電動勢為也等效在機端，并設三次諧波電動勢為E3。332()fSfwCUECC3322()fwNfwCCUECC332fSNfwCUUCC發電機端的三次諧波電壓為：發電機端的三次諧波電壓為： 等值電路如下：等值電路如下：發電機中性點側的三次諧波電壓為：發電機中性點側的三次諧波電壓為：機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓之比為機端三次諧

38、波電壓與中性點三次諧波電壓之比為323 (2)SfwXCC3333729(2)fwSSNNfwCCUXUXCC發電機端對三次諧波的等值電抗為：發電機端對三次諧波的等值電抗為： 等值電路如下：等值電路如下：發電機中性點側對三次諧波的等值電抗為：發電機中性點側對三次諧波的等值電抗為：機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓之比為機端三次諧波電壓與中性點三次諧波電壓之比為7.3.3 三次諧波電壓構成的定子單相接地保護三次諧波電壓構成的定子單相接地保護當發電機定子繞組發生金屬性單相接地時，設當發電機定子繞組發生金屬性單相接地時，設接地發生在距中性點接地發生在距中性點，其等值電路如圖，其等值電路如圖7.13

39、所示，此時不管發電機中性點是否接有消弧線所示，此時不管發電機中性點是否接有消弧線圈，總是有圈，總是有UN3=E3和和US3=(1-)E3，兩者相比，兩者相比，得，得（圖（圖7-13：發電機單相接地時三：發電機單相接地時三次諧波電動勢分布的等值電路圖）次諧波電動勢分布的等值電路圖）（圖（圖7-14：中性點電壓和機端電壓隨故障點的變化曲線）：中性點電壓和機端電壓隨故障點的變化曲線）利用三次諧波構成的接地保護可以反應發電機定子繞組中利用三次諧波構成的接地保護可以反應發電機定子繞組中0.15范圍內的單相接地故障，范圍內的單相接地故障，且當故障點越靠近發電機機端時，保護的靈敏性就越高。且當故障點越靠近發

40、電機機端時，保護的靈敏性就越高。7.3.3 三次諧波電壓構成的定子單相接地保護三次諧波電壓構成的定子單相接地保護2 反應三次諧波電壓比值的定子單相接地保護反應三次諧波電壓比值的定子單相接地保護動作判據為：動作判據為：式中式中整定比值。需要指出，發電機中性點不接地或經消弧線圈接地與發整定比值。需要指出，發電機中性點不接地或經消弧線圈接地與發電機經配電變壓器高阻接地，兩者的整定比值電機經配電變壓器高阻接地，兩者的整定比值是有區別的。是有區別的。3 改進的反應三次諧波電壓比值的定子單相接地保護改進的反應三次諧波電壓比值的定子單相接地保護改進的動作判據為：改進的動作判據為：發電機發生單相接地時：發電機

41、發生單相接地時：33/SNUU333SpNNUK UU7.3.4 利用零序電壓和疊加電源構成利用零序電壓和疊加電源構成100定子單相接地保護定子單相接地保護疊加電源方式的疊加電源方式的100%定子單相接地保護采用疊加低頻電源方式定子單相接地保護采用疊加低頻電源方式疊加電源頻率主要是疊加電源頻率主要是12.5Hz和和20Hz兩種，由發電機中性點變壓器或兩種，由發電機中性點變壓器或發電機端發電機端TV開口處注入一次發電機定子繞組。這種方式能夠獨立地開口處注入一次發電機定子繞組。這種方式能夠獨立地檢測接地故障，與發電機的運行方式無關；不僅在發電機正常運行的檢測接地故障，與發電機的運行方式無關；不僅在

42、發電機正常運行的狀態下可以檢測，而且在發電機靜止或是啟動、停機的過程中同樣能狀態下可以檢測，而且在發電機靜止或是啟動、停機的過程中同樣能夠檢測故障。更重要的是，這種方式對定子繞組各處故障檢測的靈敏夠檢測故障。更重要的是，這種方式對定子繞組各處故障檢測的靈敏度相同。度相同。圖圖7-15：疊加：疊加20Hz低頻電源構成的低頻電源構成的100%定子接地保護定子接地保護7.4 發電機負序電流保護7.4.1 負序電流保護的作用負序電流保護的作用負序電流在轉子中所引起的發熱量，正比于負序電流的平方及所持續負序電流在轉子中所引起的發熱量，正比于負序電流的平方及所持續的時間的乘積。在最嚴重情況下，假設發電機轉

43、子為絕熱體（即不向的時間的乘積。在最嚴重情況下，假設發電機轉子為絕熱體（即不向周圍散熱），則不使轉子過熱所允許的負序電流和時間的關系，可用周圍散熱），則不使轉子過熱所允許的負序電流和時間的關系，可用下式表示：下式表示：隨著發電機組容量不斷增大，它所允許承受負序過負隨著發電機組容量不斷增大，它所允許承受負序過負荷能力也隨之下降（荷能力也隨之下降（A值減小）。例如取值減小）。例如取600MW汽輪汽輪發電機發電機A的設計值為的設計值為4，其允許負序電流與持續時間的，其允許負序電流與持續時間的關系如圖關系如圖7-16中的曲線中的曲線abcde所示。所示。（圖（圖7-16：兩段定時限負序過電流保護動作特

44、性）：兩段定時限負序過電流保護動作特性）7.4.2 定時限負序過電流保護定時限負序過電流保護（圖（圖7-17：發電機負序電流及單相式電壓啟動過電流保護原理接線圖）：發電機負序電流及單相式電壓啟動過電流保護原理接線圖）單相式低電壓啟動過電流保護-由接于相電流上的過電流繼電器KA1和接于線電壓上的低電壓繼電器KV組成單相式的低電壓啟動過電流保護，以專門反應三相對稱短路，與負序過電流保護是并聯工作的，也經過時間繼電器KT1的延時后動作于跳閘。KA3則具有較小的整定值，當負序電流超過發電機的長期允許值時，經時間繼電器KT2的延時后，發出發電機的不對稱過負荷信號。整定原則：按照躲開發電機長期允許的負序電

45、流值和最大負荷下負序過濾器的不平衡電流（均應考慮繼電器的返回系數）來確定。繼電器KA2具有較大的整定值，經時間繼電器KT1的延時后動作于發電機跳閘，以作為防止轉子過熱和后備保護之用。在選擇動作電流時，應當給出一個計算時間tcal，在這個時間內，值班人員有可能采取措施來消除產生負序電流的運行方式。7.4.2 定時限負序過電流保護定時限負序過電流保護如果將按照上述原則整定的兩段式定時限負序過電流保護，應用于直接冷卻的大容量發電機，例如A=4的600MW 機組上，其定值根據式（7.34），采用0.5I2 、4s動作于跳閘和0.1I2 、10s作用于信號，其保護動作時限特性與發電機允許的負序電流曲線的

46、配合情況標示于圖7.16中。由此可見：在曲線ab段內，保護裝置的動作時限（4s）大于發電機允許的時間，因此，可能出現發電機已被損壞而保護尚未動作的情況。在曲線bc段內，保護裝置的動作時限小于發電機的允許時間，從發電機能繼續安全運行的角度來看，在不該切除的時候就將它切除了，因此，沒有充分利用發電機本身所具有的承受負序電流的能力。在曲線cd段內，是靠保護裝置動作發信號，然后由值班人員來處理的。但當負序電流靠近c點附近時，發電機所允許的時間與保護裝置動作的時間實際相差很小，因此，就可能發生保護給出信號后，值班人員還未來得及處理時，發電機已超過了允許時間。由此可見，在cd段內只動作于發出信號也是不安全

47、的。在曲線的de段內，保護根本不反應。結論：兩段式定時限負序過電流保護的動作特性與發電機允許的負序電流曲線不能很好地配合。此外，它也不能反映負序電流變化時發電機轉子的熱積累過程。（圖（圖7-16：兩段定時限負序過電流保護動作特性）：兩段定時限負序過電流保護動作特性）7.4.3 反時限負序過電流保護反時限負序過電流保護反時限曲線特性如圖反時限曲線特性如圖7-19所示。它由上限定時限、反時限、下限定時所示。它由上限定時限、反時限、下限定時限三部分組成。限三部分組成。發電機反時限負序過電流保護邏輯圖如圖發電機反時限負序過電流保護邏輯圖如圖7-20所示：所示：負序反時限特性能真實地負序反時限特性能真實

48、地模擬轉子的熱積累過程，模擬轉子的熱積累過程，并能模擬散熱，即發電機并能模擬散熱，即發電機發熱后若負序電流消失，發熱后若負序電流消失，熱積累并不立即消失，而熱積累并不立即消失，而是慢慢地散熱消失，如此是慢慢地散熱消失，如此時負序電流再次增大，則時負序電流再次增大，則上一次的熱積累將成為該上一次的熱積累將成為該次的初值。次的初值。圖圖7-20：發電機反時限負序過電流保護邏輯圖：發電機反時限負序過電流保護邏輯圖圖圖7.19反時限負序過電流保護動作特性曲線反時限負序過電流保護動作特性曲線7.5 發電機的失磁保護7.5.1 發電機失磁運行及后果發電機失磁運行及后果發電機失磁故障發電機失磁故障發電機的勵

49、磁突然全部消失或部分消失。發電機的勵磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因引起失磁的原因 轉子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關誤跳轉子繞組故障、勵磁機故障、自動滅磁開關誤跳閘、半導體勵磁系統中某些元件損壞或回路發生故障以及誤操作等。閘、半導體勵磁系統中某些元件損壞或回路發生故障以及誤操作等。失磁故障的形式失磁故障的形式 勵磁繞組直接短路或經勵磁電機電樞繞組閉路引勵磁繞組直接短路或經勵磁電機電樞繞組閉路引起失磁、勵磁繞組開路引起失磁、勵磁繞組經滅磁電阻短接而失磁，起失磁、勵磁繞組開路引起失磁、勵磁繞組經滅磁電阻短接而失磁，勵磁繞組經整流器閉路（交流電源消失）失磁。勵磁繞組經整流器閉路（交流電

50、源消失）失磁。當發電機完全失去勵磁時：當發電機完全失去勵磁時：發電機失磁后將從電力系統中吸取感性無功功率發電機失磁后將從電力系統中吸取感性無功功率; fg 為對應發電機轉速的頻率，為對應發電機轉速的頻率，fs 為系統的頻率。為系統的頻率。7.5.1 發電機失磁運行及后果發電機失磁運行及后果 當發電機失磁進入異步運行時，將對電力系當發電機失磁進入異步運行時，將對電力系統和發電機產生以下影響：統和發電機產生以下影響： 需要從電力系統中吸收很大的無功功率以建需要從電力系統中吸收很大的無功功率以建立發電機的磁場。立發電機的磁場。 由于從電力系統中吸收無功功率將引起電力由于從電力系統中吸收無功功率將引起

51、電力系統的電壓下降，甚至可能因電壓崩潰而使系統的電壓下降，甚至可能因電壓崩潰而使系統瓦解。系統瓦解。 在轉子及勵磁回路中將產生頻率為在轉子及勵磁回路中將產生頻率為fg -fs的差的差頻電流。頻電流。 有很大的電磁轉矩周期性地作用在發電機軸有很大的電磁轉矩周期性地作用在發電機軸系上，并通過定子傳到機座上，引起機組振系上，并通過定子傳到機座上，引起機組振動，直接威脅著機組的安全。動，直接威脅著機組的安全。 低勵磁或失磁運行時，定子端部漏磁增加，低勵磁或失磁運行時，定子端部漏磁增加，將使端部和邊段鐵芯過熱。將使端部和邊段鐵芯過熱。（PGL水輪機控制保護屏圖）水輪機控制保護屏圖）7.5.2 發電機失磁

52、后的機端測量阻發電機失磁后的機端測量阻抗抗（發電機勵磁保護裝置圖）（發電機勵磁保護裝置圖）7.5.2 發電機失磁后的機端測量阻發電機失磁后的機端測量阻抗抗1 發電機在失磁過程中的機端測量阻抗發電機在失磁過程中的機端測量阻抗(1) 失磁后到失步前失磁后到失步前在這一階段中，發電機端的測量阻抗為：在這一階段中，發電機端的測量阻抗為：其阻抗的軌跡在復數抗平面上如下圖所示：其阻抗的軌跡在復數抗平面上如下圖所示：由于這個圓是在某一定有功功率由于這個圓是在某一定有功功率 不變的條件下做出的，因此稱為等不變的條件下做出的，因此稱為等有功阻抗圓。機端測量阻抗的軌跡與有功阻抗圓。機端測量阻抗的軌跡與P有密切關系

53、，對應不同的值有有密切關系，對應不同的值有不同的阻抗圓，且不同的阻抗圓，且P越大時圓的直徑越小。越大時圓的直徑越小。7.5.2 發電機失磁后的機端測量阻發電機失磁后的機端測量阻抗抗(2) 臨界失步點臨界失步點對汽輪發電機組，當對汽輪發電機組，當=90時，發電機處于失去靜態穩定的臨界狀態時，發電機處于失去靜態穩定的臨界狀態，稱為臨界失步點。此時輸送到受端的無功功率為（見式，稱為臨界失步點。此時輸送到受端的無功功率為（見式7-37）：）：此時機端的測量阻抗為：此時機端的測量阻抗為：其軌跡也是一個圓的方程，如下圖所示：其軌跡也是一個圓的方程，如下圖所示：這個圓稱為靜穩阻抗圓，也稱等無功阻抗圓。其圓周

54、為發電機以不同這個圓稱為靜穩阻抗圓，也稱等無功阻抗圓。其圓周為發電機以不同的有功功率的有功功率P臨界失穩時，機端測量阻抗的軌跡，圓內為靜穩破壞區臨界失穩時，機端測量阻抗的軌跡，圓內為靜穩破壞區。7.5.2 發電機失磁后的機端測量阻發電機失磁后的機端測量阻抗抗(3) 靜穩破壞后的異步運行階段靜穩破壞后的異步運行階段靜穩破壞后的異步運行階段可用圖靜穩破壞后的異步運行階段可用圖7.24所示的等效電路來表示，此時所示的等效電路來表示，此時機端測量阻抗應為機端測量阻抗應為（圖（圖7-24：異步電機等效圖）：異步電機等效圖）（圖（圖7-25：發電機端測量：發電機端測量阻抗在失磁后阻抗在失磁后 的變化軌跡）

55、的變化軌跡）7.5.2 發電機失磁后的機端測量阻發電機失磁后的機端測量阻抗抗2 發電機在其它運行方式下的機端測量阻抗發電機在其它運行方式下的機端測量阻抗（1）發電機正常運行及外部故障時的機端測量阻抗）發電機正常運行及外部故障時的機端測量阻抗當發電機向外輸送有功功率和無功功率時，其機端測量阻抗當發電機向外輸送有功功率和無功功率時，其機端測量阻抗Zg位于第一象限位于第一象限，如圖，如圖7.26中的中的Zg1，它與，它與R軸的夾角軸的夾角為發電機運行時的功率因數角。當發電為發電機運行時的功率因數角。當發電機只輸出有功功率時，測量阻抗機只輸出有功功率時，測量阻抗Zg2位于位于R軸上。當發電機欠激運行時

56、，向外軸上。當發電機欠激運行時，向外輸送有功功率，同時從電力系統吸收一部分無功功率（輸送有功功率，同時從電力系統吸收一部分無功功率（Q值變為負），但仍值變為負），但仍保持同步并列運行，此時，測量阻抗保持同步并列運行，此時，測量阻抗Zg3位于第四象限。位于第四象限。（2）發電機與系統間發生振蕩時的機端測量阻抗）發電機與系統間發生振蕩時的機端測量阻抗圖圖7.26發電機在各種運發電機在各種運行情況下的機端測量阻抗行情況下的機端測量阻抗（圖（圖7-27：系統振蕩時機：系統振蕩時機端測量阻抗的變化軌跡）端測量阻抗的變化軌跡）7.5.2 發電機失磁后的機端測量阻發電機失磁后的機端測量阻抗抗 （3）發電機自

57、同步并列時的機端測量阻抗）發電機自同步并列時的機端測量阻抗 在發電機接近于額定轉速，不加勵磁而投入斷路器的瞬間在發電機接近于額定轉速，不加勵磁而投入斷路器的瞬間，與發電機空載運行時發生失磁的情況實質上是一樣的。，與發電機空載運行時發生失磁的情況實質上是一樣的。但由于自同步并列的方式是在斷路器投入后立即給發電機但由于自同步并列的方式是在斷路器投入后立即給發電機加上勵磁，因此，發電機無勵磁運行的時間極短。對此情加上勵磁，因此，發電機無勵磁運行的時間極短。對此情況，應該采取措施防止失磁保護的誤動作。況，應該采取措施防止失磁保護的誤動作。7.5.3 失磁保護轉子判據失磁保護轉子判據 失磁保護的轉子判據

58、，便是根據失磁后失磁保護的轉子判據，便是根據失磁后uf初期下降（以至初期下降（以至到負）的特點來判別失磁故障。到負）的特點來判別失磁故障。 1.整定值固定的轉子判據整定值固定的轉子判據 由轉子欠電壓繼電器來實現，可整定為由轉子欠電壓繼電器來實現，可整定為Ufset=0.8uf0（7.45） 式中式中uf0發電機空載勵磁電壓。發電機空載勵磁電壓。 整定值固定的方式，在發電機輸出有功功率較大的情況下整定值固定的方式，在發電機輸出有功功率較大的情況下發生部分失磁時，測量阻抗可能已越過靜穩邊界，但發生部分失磁時，測量阻抗可能已越過靜穩邊界，但uf仍仍大于動作值，以致按此轉子判據整定的保護仍未動作。因大

59、于動作值，以致按此轉子判據整定的保護仍未動作。因此，目前趨向于采用按當前有功負荷下靜穩邊界所對應的此，目前趨向于采用按當前有功負荷下靜穩邊界所對應的勵磁電壓整定。勵磁電壓整定。7.5.3 失磁保護轉子判據失磁保護轉子判據2 整定值隨有功功率而改變的轉子判據整定值隨有功功率而改變的轉子判據發電機在某一有功負荷發電機在某一有功負荷P時失磁，其達到靜穩邊界所對應的勵磁電壓時失磁，其達到靜穩邊界所對應的勵磁電壓也是某一定值。轉子欠電壓繼電器即按此值整定，當也是某一定值。轉子欠電壓繼電器即按此值整定，當P改變時，整定改變時，整定值跟隨改變。值跟隨改變。（圖（圖7-28：極限勵磁電壓：極限勵磁電壓與有功功

60、率的關系曲線）與有功功率的關系曲線）7.5.4 失磁保護的構成方式失磁保護的構成方式一種比較典型的發電機失磁保護構成的邏輯圖如圖一種比較典型的發電機失磁保護構成的邏輯圖如圖7-29所示：所示：（圖（圖7-29：發電機失磁保護的邏輯圖）：發電機失磁保護的邏輯圖）通常取機端阻抗判據作為失磁保護的主通常取機端阻抗判據作為失磁保護的主判據。一般情況下阻抗整定邊界為靜穩判據。一般情況下阻抗整定邊界為靜穩邊界圓，故也稱為靜穩邊界判據，但也邊界圓，故也稱為靜穩邊界判據，但也可以為其他形狀。當定子靜穩判據和轉可以為其他形狀。當定子靜穩判據和轉子低電壓判據同時滿足時，判定發電機子低電壓判據同時滿足時，判定發電機