發(fā)電機的保護

1、1. 第六章 發(fā)電機的保護6.1發(fā)電機的故障和不正常運行狀態(tài)及保護方式（一）發(fā)電機的故障定子繞組相間短路很大的短路電流會使繞組過熱，故障點的電弧將破壞絕緣、燒壞鐵芯和繞組，甚至導(dǎo)致發(fā)電機著火。定子繞組匝間短路被短路的部分繞組內(nèi)將產(chǎn)生大的環(huán)流，引起故障處溫度升高，絕緣破壞，并可能轉(zhuǎn)變成單相和相間短路。定子繞組單相接地電網(wǎng)中的電容電流將流過故障點，電流較大時，會使鐵芯局部熔化。勵磁回路一點或兩點接地勵磁回路一點接地未構(gòu)成通路，對發(fā)電機無直接危害。如果另一點再接地，可能燒壞勵磁繞組和鐵芯。此外，由于轉(zhuǎn)子磁通的對稱性破壞，還會引起機組的強烈振動。（二）發(fā)電機的不正常運行狀態(tài)勵磁電流下降或消失發(fā)電機轉(zhuǎn)入

2、異步運行狀態(tài)，從系統(tǒng)吸收無功，造成系統(tǒng)無功不足，電壓下降，甚至使系統(tǒng)電壓崩潰。同時，引起定子電流增加和轉(zhuǎn)子過熱。外部短路引起的定子繞組過電流。過負荷。不對稱運行時，負序電流引起轉(zhuǎn)子表層過熱。定子繞組過電壓。此外，還有發(fā)電機失步、逆功率、非全相運行及勵磁回路故障。（三）發(fā)電機的主要保護反應(yīng)發(fā)電機繞組和引出線相間短路的縱聯(lián)差動保護。反應(yīng)定子繞組接地的100%定子接地保護。反應(yīng)定子繞組匝間短路的橫差保護、定子零序電壓保護和轉(zhuǎn)子二次諧波電流保護。反應(yīng)外部相間短路的過電流保護或復(fù)合電壓啟動的過電流保護。定子繞組過負荷保護。定子繞組過電壓保護。轉(zhuǎn)子表層過熱的定時限和反時限負序電流保護。勵磁回路一點及兩點接

3、地保護。失磁保護。逆功率保護。此外，還有失步保護、低頻保護、斷水保護、非全相運行保護。6.2發(fā)電機縱差保護（一）發(fā)電機縱差保護接線原理如圖6.2-1所示，比較發(fā)電機中性點側(cè)和機端引出線側(cè)的電流。在正常和區(qū)外故障時，發(fā)電機兩側(cè)電流幅值和相位相同，為使差動電流為零，所以兩側(cè)的電流互感器的特性、變比和接線應(yīng)該完全相同。 （二）不平衡電流因為電流互感器之間的差異是客觀存在的，在正常和區(qū)外故障時差動繼電器中會有不平衡電流， （6.2-1）式中，是區(qū)外最大短路電流；是電流互感器誤差，取0.1；是各側(cè)電流互感器的同型系數(shù)，取0.5；是非周期分量影響系數(shù)，取11.5。 （三）具有比率制動特性的差動保護為了使差

4、動保護在區(qū)內(nèi)故障時有足夠的靈敏度，同時在區(qū)外故障時又不會誤動，采用具有比率制動特性的差動保護。根據(jù)圖6.2-1規(guī)定的電流互感器極性和二次側(cè)電流方向，定義的差動量為： （6.2-2）定義的制動量是： （6.2-3）差動保護動作與否由比率制動特性確定，如圖6.2-2所示，特性曲線以上是保護動作區(qū)，特性曲線以下是保護不動作區(qū)。 用最小動作電流（取0.10.3）、最小制動電流（取0.81.0）和斜率K（一般取0.5）三要素可以確定特性曲線。差動保護動作方程為 （6.2-4）（四）不反應(yīng)發(fā)電機匝間短路變壓器匝間短路會影響到變壓器變比，從而改變其與各側(cè)電流互感器變比的關(guān)系，在二次回路中產(chǎn)生差動電流；而發(fā)電

5、機匝間短路只會在繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，因為兩側(cè)電流互感器相同，二次回路中不會產(chǎn)生差動電流。所以發(fā)電機差動保護不能夠和變壓器差動保護一樣保護匝間短路。6.3定子繞組匝間短路保護（一）橫聯(lián)差動保護發(fā)電機定子匝間短路情況如圖6.3-1所示：一種是同一繞組內(nèi)發(fā)生匝間短路，是短路匝數(shù)百分比；另一種是同相的分支繞組不同電位點短路。發(fā)生上述兩種匝間短路時，兩組星型繞組中的三相電流之和不再相同，差動繼電器中產(chǎn)生電流。超過動作值時，保護使發(fā)電機斷路器和勵磁開關(guān)瞬時跳閘。橫聯(lián)差動保護的動作值為 （6.3）式（6.3）中，是發(fā)電機額定電流。發(fā)電機同相的各分支繞組不是處于同一位置，當(dāng)轉(zhuǎn)子回路兩點接地時，磁場對稱性遭到破壞，

6、各分支繞組感應(yīng)電動勢不相等，兩個中性點連線上產(chǎn)生電流，使橫聯(lián)差動保護動作。如果是永久性的轉(zhuǎn)子回路兩點接地，橫聯(lián)差動保護動作也是被允許的，但應(yīng)該防止瞬時轉(zhuǎn)子回路兩點接地使橫聯(lián)差動保護誤動作。為此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子回路一點接地時，應(yīng)該將橫聯(lián)差動保護切換到延時回路，保護經(jīng)過0.51s后將發(fā)動機跳開。三次諧波會在雙星形接線的兩個中性點上產(chǎn)生電壓，使橫聯(lián)差動保護誤動，所以應(yīng)該加裝三次諧波濾波器。當(dāng)同一繞組匝間短路的匝數(shù)很小，或同相兩個分支繞組電位相近的兩點發(fā)生匝間短路時，由于流入差動繼電器的電流很小，保護可能不動作，因此橫聯(lián)差動保護存在死區(qū)。（二）負序功率方向閉鎖的轉(zhuǎn)子回路二次諧波電流保護發(fā)電機定子繞組匝間短

7、路時三相電流不平衡，將產(chǎn)生負序電流，對應(yīng)的負序旋轉(zhuǎn)磁場對于轉(zhuǎn)子以兩倍同步速度旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)產(chǎn)生二次諧波電流，基于此電流能夠構(gòu)成定子繞組匝間短路保護，如圖6.3-2所示： 但是，發(fā)電機外部不對稱故障時也會在轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)產(chǎn)生二次諧波電流，為了防止此時保護誤動，可以在發(fā)電機機端測量負序功率方向，利用外部不對稱故障時和定子繞組匝間短路時負序功率方向相反的特點，確定是否閉鎖保護。在發(fā)電機內(nèi)部兩相短路時，保護會動作，這是被允許的，但會無法判別故障類型。（三）負序功率方向閉鎖的零序電壓保護發(fā)電機定子繞組匝間短路時，三相電壓不對稱，在機端會出現(xiàn)對于發(fā)電機中性點的零序電壓，基于此電壓能夠構(gòu)成定子繞組匝間短

8、路保護，如圖6.3-3所示： 在發(fā)動機機端為此保護裝設(shè)專門的電壓互感器，其星形接線的一次繞組的中性點與發(fā)電機的中性點連接，而不是直接接地。在正常運行和發(fā)電機外部故障時，開口三角形處會因為三次諧波而產(chǎn)生不平衡電壓，所以需要進行濾除三次諧波的處理。為防止外部短路電流太大造成波形畸變產(chǎn)生三次諧波使保護誤動，采用負序功率方向閉鎖。零序電壓繼電器的動作值整定為1V（二次側(cè)）左右，在沒有負序功率方向閉鎖時動作值為3V（二次側(cè)）左右。6.4定子繞組單相接地保護（一）故障原因由于發(fā)電機振動使定子繞組與鐵芯之間的絕緣遭到破壞，或水內(nèi)冷發(fā)電機漏水，使定子繞組接地。因為發(fā)電機中性點不接地或經(jīng)高阻抗接地，定子繞組單相

9、接地并不會引起大的故障電流，對發(fā)電機造成損壞的主要是電弧，把不產(chǎn)生電弧的單相接地電流稱為安全電流，在安全電流下，定子接地保護動作只發(fā)信號而不跳閘，否則立即跳閘停機。（二）基波零序電壓保護如圖6.4-1所示，表示故障點到中性點繞組匝數(shù)占全部的百分比， 在故障處的各相電壓為： （6.4-1）零序電壓為： （6.4-2）在機端的各相電壓為： （6.4-3）零序電壓為： （6.4-4）可知，也即在機端能夠測到故障點的零序電壓，基于此電壓構(gòu)成基波零序電壓保護如圖6.4-1中b所示。三次諧波會產(chǎn)生零序不平衡電壓，為此應(yīng)該加裝三次諧波濾波器，同時將零序電壓繼電器的動作值整定為510V，故可知保護的死區(qū)是在靠

10、近發(fā)電機中性點的區(qū)域。（三）三次諧波零序電壓保護如圖6.4-2所示，在發(fā)電機中性點和機端測量三次諧波電壓和，其中和分別是發(fā)電機定子每相繞組對地電容和外部每相對地電容。 正常運行時，如圖6.4-2中a所示，。定子繞組單相接地時，如圖6.4-2中b所示，和。當(dāng)，則；當(dāng)，則。綜上所述，是定子繞組單相接地且故障點在中性點附近的判據(jù)，基于此構(gòu)成三次諧波零序電壓保護。該保護的保護范圍是，正好覆蓋了基波零序電壓保護的死區(qū)。所以由基波和三次諧波零序電壓保護共同構(gòu)成100%定子繞組單相接地保護。6.5發(fā)電機低勵失磁保護（一）故障分析發(fā)電機低勵失磁是指勵磁電流部分或全部消失，其主要是因為勵磁電源故障、勵磁繞組回路

11、故障、自動滅磁開關(guān)誤動、自動勵磁調(diào)節(jié)裝置故障及人員誤操作。失磁后發(fā)電機由同步運行逐漸轉(zhuǎn)為異步運行，會從系統(tǒng)中吸取無功，引起電壓下降，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性；發(fā)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定，不斷受到機械應(yīng)力作用，威脅發(fā)電機本身的安全。如圖6.5-1所示的系統(tǒng)，發(fā)電機同步運行時的功角特性為： （6.5-1）式中：和分別是發(fā)電機向系統(tǒng)輸出的有功和無功功率，和分別是發(fā)電機電動勢和系統(tǒng)電壓，是和的相位差，也即功角，和分別是發(fā)電機電抗和系統(tǒng)聯(lián)絡(luò)電抗。是臨界失步點。發(fā)電機失磁后會經(jīng)過三個階段：從失磁開始到到達臨界失步點，這一過程中下降而變大，能夠保持不變，所以又稱為等有功過程，其間逐漸減小至零，隨后反向增加，開始從系統(tǒng)吸取

12、無功。不穩(wěn)定異步運行，這一過程中持續(xù)減小至零，過剩的機械功率加速轉(zhuǎn)子，繼續(xù)變大，滑差增大，異步輸出功率增大。穩(wěn)定異步運行，當(dāng)滑差增大至一定數(shù)值時，異步輸出功率與輸入的機械功率達到平衡，轉(zhuǎn)子不在加速，滑差穩(wěn)定。將測量阻抗定義為從發(fā)電機機端向系統(tǒng)方向看到的阻抗。在第一階段，保持不變而變化，測量阻抗的變化軌跡用等有功阻抗圓表示，如圖6.5-2所示。 （6.5-2）式中，。不難發(fā)現(xiàn)，等有功阻抗圓的半徑為，越大，圓越小。正常運行時Q大于零，Z在第一象限內(nèi)；失磁后Q向負方向變化，Z向第四象限移動。當(dāng)，也即臨界失步點時，測量阻抗Z向量在稱為等無功阻抗圓的圓周上，如圖6.5-3所示。 （6.5-3）式中，。（

13、即失步）后，負方向增大，測量阻抗向量向等無功阻抗圓內(nèi)移動，所以圓內(nèi)為失步區(qū)，而圓外為穩(wěn)定工作區(qū)。（二）失磁保護的主要判據(jù)失磁過程中發(fā)電機輸出無功功率方向改變。發(fā)電機失磁后測量阻抗由第一象限進入第四象限，當(dāng)越過等無功阻抗圓圓周后失步，因此，可以把這一靜態(tài)穩(wěn)定極限邊界作為鑒別失磁故障的判據(jù)。在穩(wěn)定異步運行階段，測量阻抗最終落在的范圍內(nèi)。在失磁后的等有功過程中，發(fā)電機電動勢不斷減小，而定子電流在短暫下降后持續(xù)上升。這是因為無功功率先減小至零而后反方向增加。6.6其他保護（一）勵磁回路接地保護勵磁回路一點接地對發(fā)電機沒有直接影響，在檢測到一點接地時保護只發(fā)出告警信號，發(fā)電機可以繼續(xù)運行。但此時勵磁回路

14、對地電壓會升高，可能誘發(fā)另一點接地。勵磁回路兩點接地是嚴重的故障，產(chǎn)生很大的短路電流，應(yīng)該立即跳閘停機。勵磁回路一點接地和兩點接地故障一般依靠接于轉(zhuǎn)子回路的附加電路進行檢測。（二）轉(zhuǎn)子表層過熱保護當(dāng)系統(tǒng)不對稱時，發(fā)電機定子繞組中的負序電流會在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出兩倍工頻的電流，由于轉(zhuǎn)子深部感抗大，該電流主要在轉(zhuǎn)子表層沿軸向流動，因為數(shù)值較大，會在轉(zhuǎn)子表面引起局部高溫。定時限負序過負荷保護按躲過發(fā)電機長期允許的負序電流和最大負荷時負序不平衡電流整定，保護帶時限動作于信號；反時限負序過負荷保護按發(fā)電機熱積累（溫升）過程計算動作時限，保護動作于跳閘。（三）逆功率保護汽輪發(fā)電機組在主汽門關(guān)閉后，發(fā)電機將從系統(tǒng)

15、吸收有功和無功變?yōu)殡妱訖C運行。此時對發(fā)電機不會有危害，但殘留的蒸氣會對汽輪機葉片造成損害，因此應(yīng)該裝設(shè)逆功率保護，帶時限動作于信號，經(jīng)長時限跳閘解列。逆功率運行時，發(fā)電機從系統(tǒng)吸收的有功穩(wěn)態(tài)值約為額定值的4%5.5%，最大暫態(tài)值約為額定值的10%。而此時發(fā)電機吸收的無功往往很大，就要求保護能夠在視在功率很大且無功功率大范圍變化的情況下，檢測出很小的有功功率方向。（四）失步保護當(dāng)系統(tǒng)遭受大擾動引起能量嚴重不平衡時，往往會引起不穩(wěn)定振蕩，使一臺或多臺發(fā)電機失去同步，失步時通常表現(xiàn)為發(fā)電機與系統(tǒng)之間有功功率和無功功率的強烈擺動，振蕩電流的幅值很大，對發(fā)電機機組的周期性扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩會嚴重傷害大軸。失步保護

16、通常由阻抗元件（測量機端阻抗變化軌跡及對時間的變化特征）或測量振蕩中心電壓及變化率等原理構(gòu)成。在短路故障和系統(tǒng)穩(wěn)定振蕩時保護不應(yīng)該動作。保護通常動作于信號，當(dāng)振蕩中心位于發(fā)電機變壓器組內(nèi)部而失步時間或振蕩次數(shù)超過整定值時，保護動作于跳閘解列。（五）定子繞組對稱過負荷保護定子繞組在對稱過負荷時會嚴重發(fā)熱，為避免溫升過高，應(yīng)該裝設(shè)保護帶時限動作于信號，按反時限特性動作于跳閘， （6.6）式（6.6）中，是定子電流的標幺值，K和分別是發(fā)電機熱容量常數(shù)和散熱常數(shù)。（六）發(fā)電機-變壓器組保護發(fā)電機-變壓器組保護與發(fā)電機、變壓器保護的類型基本相同。由于發(fā)電機-變壓器組相當(dāng)于一個元件，所以縱差動保護、后備保護和過負荷保護等可以合并，減少保護的數(shù)目，簡化接線，提高可靠性。 如圖6.6所示，當(dāng)發(fā)電機和變壓器之間無斷路器時，一般共用縱聯(lián)