1、第 6 6 單元 發電機的繼電保護第第6單元單元 發電機的繼電保護發電機的繼電保護6.1 發電機的故障、不正常工作狀態及保護配置發電機的故障、不正常工作狀態及保護配置 發電機保護是保護發電機免受短路故障損壞的重要自動裝置。當發電機內部短路故障時，繼電保護裝置在很短的時間內發出動作命令，保護發電機免受短路電流的損壞。大型汽輪發電機是電廠中的重要電氣設備浙江玉環電廠的百萬千萬燃煤超超臨界機組該發電機組由上海汽輪發電機有限公司引進西門子公司技術設計制造，定子單體凈重446噸，長11.6米，高4.7米，寬5.1米。機端電壓為27kV,YY接線，6端子引出，無刷勵磁，勵磁電流5653A大型汽輪發電機的結

2、構特點轉速高轉速高 體積小體積小 密封機座密封機座結構緊湊結構緊湊 大型汽輪發電機的結構發電機定子的結構發電機內部的電氣連接關系圖發電機定子繞組中性點非直接接大地，一般高電阻、消弧線圈或不接地。發電機的故障類型： 1、發電機定子繞組相間短路（d1故障）； 2、發電機定子繞組匝間短路 （1）繞組同相同分支匝間短路（d2故障） ； （2）繞組同相不同分支匝間短路（d3故障） ； 3、發電機定子繞組單相接地短路； 4、發電機轉子勵磁回路一點或兩點接地（d4故障） ； 5、失磁（低勵）故障。發電機的不正常工作狀態： 1、定子繞組過電流和定子過負荷； 外部短路會造成發電機定子繞組過電流。 2、定子繞組負

3、序過電流和負序過負荷； 由于外部不對稱短路或不對稱負荷引起負序電流。 3、發電機突然甩負荷引起的定子繞組過電壓； 4、由于主汽門突然關閉引起的發電機逆功率 ； 5、轉子勵磁回路故障或強行勵磁時間過長引起的轉子勵磁繞 組過負荷； 6、 發電機頻率上升或下降針對發電機故障和不正常運行狀態，應該配置的發電機保護： 1、縱聯差動保護，反應發電機定子繞組及引出線相間短路； 2、定子繞組匝間短路保護； 3、定子單相接地保護； 4、定子過負荷保護； 5、 勵磁回路接地保護 6、失磁保護 7、 失步保護 8、逆功率保護 9、定子繞組過電壓保護 10、發電機過勵磁保護 11、轉子過負荷保護 12、發電機頻率保護

4、發電機保護的動作方式：（1）全停（停機）：斷開發電機斷路器、滅磁，關閉汽輪發電機主汽門。（2）程序跳閘：對于汽輪發電機，首先關閉主汽門，待逆功率繼電器動作后，再跳發電機斷路器并滅磁。（3）解列滅磁：斷開發電機斷路器、滅磁，汽輪機甩負荷。（4）解列：斷開發電機斷路器，汽輪機甩負荷。（5）減勵磁：將發電機勵磁電流減至給定值。（6）減出力：將原動機出力減至給定值。（7）縮小故障范圍（母線解列）：斷開母聯或分段斷路器。（8）信號：發出聲光信號。（9）勵磁切換：將勵磁電源由工作勵磁電源系統切換到備用勵磁電源系統（10）廠用電源切換：由廠用工作電源供電切換到備用電源供電發電機保護的動作方式保護配置類型動作

5、方式主保護 發電機縱差保護 發變組差動保護定子繞組匝間短路保護 轉子回路兩點接地保護 全停全停全停全停接地保護 定子接地（基波）保護 定子接地（三次諧波）保護 轉子一點接地保護 全停發信號 發信號 失磁保護 失磁保護 t1段 t2、t3段 t4段 發信號 全停 切換廠用電過負荷保護 定子過負荷保護 定時限 反時限 發信號 解列滅磁 6.2 發電機的差動保護電流差動原理應用在發電機中構成發電機差動保護。發電機差動保護只能反映發電機內部相間短路故障。A相差動電流 ，如果 ，則A相發生相間短路；B相差動電流 ，如果 ，則B相發生相間短路；C相差動電流 ，如果 ，則C相發生相間短路。aAAcdIII.

6、0.AcdIbBBcdIII.0.BcdIcCCcdIII.0.CcdI發電機差動保護作為發電機定子繞組及其出線的相間短路故障的主保護。規程規定發電機需要采用兩套差動保護。為防止斷線差動誤動，任一相電流互感器斷線，均應能閉鎖差動保護。差動保護瞬時動作于全停。發電機變壓器組的差動保護（發變組大差動保護） 發變組大差動保護87GT的保護范圍： （1）發電機； （2）主變； （3）發電機、主變、勵磁變、廠用變之間的母線。 發變組大差動保護可以反應保護范圍內的各種相間短路，變壓器相間、匝間、變壓器高壓側接地短路故障。 發電機的匝間短路保護一、裂相橫聯差動保護，可以反應相間短路和匝間短路故障A相裂相差動

7、電流： ，如果 ，認為故障。B相裂相差動電流： ，如果 ，認為故障。C相裂相差動電流： ，如果 ，認為故障。21.aaAcdIII0.AcdI21.bbBcdIII0.BcdI21.ccCcdIII0.AcdI裂相橫差動保護瞬時動作于跳閘。 發電機的匝間短路保護二、單元件橫聯差動保護動作條件是： ，其中 是動作整定值setHCIIsetI單元件橫聯差動保護可以反應相間短路和匝間短路故障。 發電機的匝間短路保護三、反應零序電壓的匝間短路保護（縱向零序過電壓保護）當發電機內部發生匝間短路或發生對中性點不對稱的各種相間短路時，TV輸出縱向基波零序電壓，縱向零序電壓保護正確動作。動作判據：發電機定子匝

8、間保護作為發電機定子繞組匝間短路故障的主保護。保護瞬時/短延時動作于全停。setUU 03 6.3 發電機定子繞組接地保護如果定子繞組與鐵芯間的絕緣遭到破壞，就會發生定子繞組單相接地故障。定子繞組單相接地故障的危害：（1）持續的接地電流會產生電弧燒損鐵芯。對于額定電壓大于10kV的發電機，安全電流僅約為1A。（2）接地電流將破壞定子繞組絕緣，擴大事故。發電機定子接地故障后較短的時間內，可能導致發生嚴重的定子繞組內部相間、匝間短路故障。發電機定子繞組接地保護正常情況下,發電機三相電壓中的基波零序電壓3Uo很小；當定子繞組單相接地故障時,就出現3Uo。利用基波零序電壓構成定子繞組單相接地保護，采用

9、過電壓繼電器，其動作方程為 ：反應基波零序電壓的發電機接地保護（橫向零序過電壓保護）單相接地基波零序電壓保護只能保護定子繞組靠近機端的85%左右，不能反映中性點附近的接地故障。opUU 03 是動作電壓門檻值。opU 發電機定子繞組接地保護100%保護區的定子單相接地保護： 由兩種保護共同組成（1）基波零序過電壓保護，延時動作于全停。（2）三次諧波零序電壓保護，延時動作于發信號。基波零序過電壓保護負責定子繞組靠近機端85 的部分；三次諧波零序電壓保護負責定子繞組靠近中性點的15部分。大型發電機定子接地保護應滿足以下幾個基本要求： （1）有100的保護區。 （2）保護區內任一點發生接地故障時，保

10、護應有足夠高的靈敏度。20Hz低頻交流電源注入式的100定子接地保護方案判據：或opinopinIIUU0，其中 為20Hz電流有效值。inI 發電機啟停機保護保護的作用：1、防止發電機、主變、高廠變在啟動或停機過程中發生相間短路故障；2、防止發電機在啟動或停機過程中發生定子接地故障。保護由以下兩個元件構成：1、反應定子繞組相間短路的縱聯電流差動保護；2、反應定子繞組接地故障的基波零序過電壓保護。保護出口結果：動作于全停。由于啟停機過程中頻率低而導致常規保護不能正確動作，啟停機保護采用了不受頻率影響的算法，保證可靠切除啟停機過程中的故障。 6.4 發電機的電流、電壓保護發電機后備保護也可采用低

11、電壓起動的過電流保護、復合電壓起動的過電流保護、負序電流加單相式低電壓起動的過電流保護、阻抗保護。一、復合電壓起動的過電流保護 同變壓器的復合電壓起動的過電流保護。 動作條件是： （1）（相）過電流， 是相電流動作整定值。 （2）（相）低電壓， （3）負序過電壓， 復合電壓起動的過電流保護的靈敏度比過電流保護高。setsetIII，NsetsetUUUU）（，6 . 05 . 0NsetsetUUUU1 . 0. 2. 22，二、發電機的定子過負荷保護（對稱過負荷保護）是反應發電機定子繞組電流增大的過電流保護。1、定時限過負荷保護按大于發電機長期允許的負荷電流來整定。定時限段動作于跳閘。定時限

12、段動作于信號。2、反時限過負荷保護反時限保護動作于解列或程序跳閘。三、負序電流保護對于容量為5萬kW以上的發電機，需配置負序電流保護。不對稱負荷或故障、非全相運行引起的定子繞組負序電流的危害：在轉子本體和各部件上感應電流，導致轉子過熱，甚至燒傷轉子。負序電流危害產生的原因：（1）定子繞組負序電流產生的定子合成磁場與正序電流產生的磁場轉向相反，即逆轉子旋轉方向的旋轉。相對于轉子來說以2倍同步轉速相對旋轉。（2）負序電流產生的定子合成磁場切割轉子，會在轉子本體和各部件（如阻尼條）上感應兩倍工頻的渦流。（3）由于轉子本體和各部件的自阻抗很小，渦流很大，導致轉子過熱，甚至燒壞轉子本體表面及阻尼條。（4

13、）使發電機轉子產生100Hz 的交變振動。發電機承受負序電流的能力：發電機定子繞組流過一定負序電流時，不使轉子損壞的可以經受該負序電流存在的時間。定子負序電流越大，發電機可以承受的時間越短；定子負序電流越小，發電機可以承受的時間越長。發電機轉子發熱所容許的負序電流 （標么值）和時間t 之間的關系可以表示為：2I22IAt防止定子負序電流危害的措施是配置負序電流保護。（1）負序定時限過電流保護，延時動作于信號；（2）負序反時限過電流保護，延時動作于程序跳閘。 6.5 發電機勵磁回路接地保護發電機轉子一點接地保護的作用是防止勵磁回路兩點接地故障。發電機勵磁回路兩點接地故障的危害：（1）使轉子磁場畸

14、變，力矩不平衡，轉子劇烈振動；（2）很大的故障電流燒壞勵磁線圈和轉子本體；（3）勵磁回路兩點接地使汽輪機磁化。發電機轉子一點接地保護（乒乓式變電橋勵磁回路一點接地保護）的工作原理：通過切換電橋兩臂電阻值的大小，并利用在不同狀態下測量的U1,U2的電壓，計算出勵磁繞組對地的絕緣電阻，從而判斷是否發生一點接地故障。轉子一點接地保護動作于發信號。發電機轉子兩點接地保護1、電橋式兩點接地保護原理在求出一點接地的 和 后，通過開關S1、S2的不同狀態，可以求解出 和 ，從而實現兩點接地保護。1gR2gR2、定子電壓二次諧波分量原理測量發電機機端定子二次正序諧波電壓分量。setsUU. 22 .發電機轉子

15、兩點接地、定子匝間短路都會產生二次電壓分量。轉子兩點接地保護在發生一點接地后自動投入，短延時動作于全停。7. 發電機的失磁保護發電機失磁故障的危害：（1）從系統中吸收大量無功功率，使系統電壓降低，可能導致系統不穩定；（2）發電機失磁進入異步運行狀態，轉子表面感應差頻電流，引起轉子過熱；（3）定子過電流；（4）異步運行后，發電機轉矩、有功功率劇烈波動。發電機失磁是指發電機的勵磁電流突然全部消失或部分消失。發電機失磁原因主要有： 滅磁開關誤跳閘， 轉子勵磁繞組短接，勵磁繞組回路開路以及交流勵磁電源消失等。發電機失磁保護阻抗判據的工作原理：根據發電機失磁后機端測量阻抗Z的變化軌跡來識別失磁故障。發電

16、機失磁保護的邏輯原理發電機失磁保護通常由多個判據共同構成：1、發電機機端測量阻抗判據（ ）；2、轉子勵磁繞組低電壓判據（ ）；3、主變高壓側低電壓判據（ ）；4、發電機定子過電流判據（ ）。gZfUhUgI發電機的失步保護 發電機失步：發電機與系統失去同步（頻率不相等），發電機處于振蕩失步狀態。發電機失步的危害：（1）振蕩中心落在機端附近，使振蕩過程對機組的影響加重了。機端電壓周期性地嚴重下降，這點對大型汽輪發電機的安全運行特別不利。（2）定子繞組過電流，定子端部遭受機械損傷。（3）一臺發電機失步可能擴大到整個電力系統，導致電力系統的崩潰。 大型發電機組必須裝設失步保護，能夠盡快檢出失步故障，

17、采取措施把失步振蕩轉化為穩定振蕩，減輕振蕩過程對電力系統的不利影響。發電機的失步保護的基本原理遮擋器特性失步保護原理。失步保護出口結果：（1）區外失步，動作于信號。即振蕩中心位于發變組外部。（2）區內失步，動作于全停。即振蕩中心位于發變組內部。 6.7 發電機的逆功率保護發電機逆功率：汽輪機主汽門誤關閉而高壓側斷路器未跳開時，發電機將從系統中吸收有功功率。發電機逆功率的危害：造成汽輪機尾部葉片過熱，易折斷。發電機逆功率保護的工作原理： ，保護動作。0cosUIP逆功率保護動作結果：（1）發信號（2）解列、切換廠用電源。 t1=15s， t2=23min程序逆功率保護：發電機在過負荷、過勵磁等異

18、常運行保護動作后，需要程序跳閘時采用。 6.8 發電機的過激磁保護發電機過激磁：在發電機中有1NBBfU造成發電機鐵芯部分飽和，使鐵芯損耗增大，引起局部過熱；另外，會使定子鐵芯背部漏磁場增強，引起定位筋和鐵芯中電流急劇增大，引起過熱。1、定時限過激磁保護保護動作后可以發全停，或發信號。延時可整定。2、反時限過激磁保護過激磁倍數整定值一般在1.01.5之間, 時間延時考慮最大到3000秒。反時限過激磁保護延時動作于全停。 6.9 發電機的誤上電保護發電機誤上電（誤合閘）：（1）發電機盤車時，未加勵磁，斷路器誤合，造成發電機異步起動。（2）發電機起停過程中，已加勵磁，但頻率異常，斷路器誤合。（3）高廠變低壓開關誤合閘，造成發電機異步啟動或非同期合閘。發電機誤上電保護原理發電機誤上電保護延時動作于全停。 6.10 發電機的斷路器斷口閃絡保