發(fā)電機保護原理

1、發(fā)電機保護原理大型發(fā)電機的造價高昂，結(jié)構(gòu)復雜，一旦發(fā)生故障遭到破壞，其檢修難度大，檢修時間長，要造成很大的經(jīng)濟損失。例如，一臺20萬kW的汽輪發(fā)電機，因勵磁回路兩點接地使大軸和汽缸磁化，為退磁需停機1個月以上，姑且不論檢修費用和對國民經(jīng)濟造成的間接損失，僅電能損失就近千萬元。大機組在電力系統(tǒng)中占有重要地位，特別是單機容量占系統(tǒng)容量較大比例的情況下，大機組的突然切除，會給電力系統(tǒng)造成較大的擾動。因此，發(fā)電機的安全運行對電力系統(tǒng)的正常工作、用戶的不間斷供電、保證電能的質(zhì)量等方面，都起著極其重要的作用。1 發(fā)電機故障形式由于發(fā)電機是長期連續(xù)旋轉(zhuǎn)的設(shè)備，它既要承受機身的振動，又要承受電流、電壓的沖擊，

2、因而常常導致定子繞組和轉(zhuǎn)子線圈的損壞。因此，發(fā)電機在運行中，定子繞組和轉(zhuǎn)子勵磁回路都有可能產(chǎn)生危險的故障和不正常的運行情況。一般說來，發(fā)電機的故障和不正常工作情況有以下幾種：（1） 定子繞組相間短路故障：定子繞組相間短路故障是對發(fā)電機危害最大的一種故障。故障時，短路電流可能把發(fā)電機燒毀。（2） 定子繞組匝間短路：定子繞組匝間短路時，在匝間電壓的作用下產(chǎn)生環(huán)流，可能使匝間短路發(fā)展為單相接地短路和相間短路。（3） 定子繞組接地故障：定子繞組的單相接地故障是發(fā)電機內(nèi)較常見的一種故障，故障時，發(fā)電機電壓系統(tǒng)的電容電流流過定子鐵心，造成鐵心燒傷，當此電流較大時將使鐵心局部熔化。（4） 勵磁回路接地故障：

3、發(fā)電機勵磁回路一點或兩點接地時，一般說來，轉(zhuǎn)子一點接地對發(fā)電機的危害并不嚴重，但一點接地后，如不及時處理，就有可能導致兩點接地，而發(fā)生兩點接地時，由于破壞了轉(zhuǎn)子磁通的平衡，可能引起發(fā)電機的強烈振動，或?qū)⑥D(zhuǎn)子繞組燒損。（5） 定子繞組過負荷：超過發(fā)電機額定容量運行形成過負荷時，將引起發(fā)電機定子溫度升高，加速絕緣老化，縮短發(fā)電機的壽命，長時間過負荷，可能導致發(fā)電機發(fā)生其他故障。（6） 定子繞組過電壓：調(diào)速系統(tǒng)慣性較大的發(fā)電機，如水輪發(fā)電機或大容量的汽輪發(fā)電機，在突然甩負荷時，可能出現(xiàn)過電壓，造成發(fā)電機繞組絕緣擊穿。（7） 定子過電流：由于外部短路或系統(tǒng)振蕩而引起定子過電流時，也將引起發(fā)電機定子溫度

4、升高，加速絕緣老化等后果，長時間過電流，也可能導致發(fā)生其他故障。（8） 勵磁電流異常下降或消失：發(fā)電機勵磁電流異常下降或消失時，發(fā)電機將從系統(tǒng)吸收大量無功功率，發(fā)電機可能與系統(tǒng)失步并轉(zhuǎn)入異步運行狀態(tài)，從而引起系統(tǒng)電壓下降，甚至可使系統(tǒng)崩潰。（9） 補充勵磁繞組過負荷、轉(zhuǎn)子表層負序過負荷、定子鐵心過勵磁、發(fā)電機逆功率、失步、頻率異常、發(fā)電機突然加電壓、發(fā)電機起停。2 發(fā)電機保護配置為了使同步發(fā)電機能根據(jù)故障的情況有選擇地、迅速地發(fā)出信號或?qū)⒐收习l(fā)電機從系統(tǒng)中切除，以保證發(fā)電機免受更為嚴重的損壞，減少對系統(tǒng)運行所產(chǎn)生的不良后果，使系統(tǒng)其余部分繼續(xù)正常運行，在發(fā)電機上裝設(shè)能反應各種故障的繼電保護是十

5、分必要的。對于發(fā)電機可能發(fā)生的故障和不正常工作狀態(tài)，根據(jù)發(fā)電機的容量有選擇地裝設(shè)以下保護：（2） 發(fā)電機主保護：為發(fā)電機定子繞組及其引出線地相間短路保護。（1） 1MW以上的發(fā)電機，應裝設(shè)縱聯(lián)差動保護。（2） 對100MW以下的發(fā)電機變壓器組，當發(fā)電機與變壓器之間有斷路器時，發(fā)電機與變壓器宜分別裝設(shè)單獨的縱聯(lián)差動保護。（3） 對100MW及以上發(fā)電機變壓器組，應裝設(shè)雙重快速保護，每一套主保護宜具有發(fā)電機縱聯(lián)差動保護和變壓器縱聯(lián)差動保護功能。（4） 以上裝設(shè)的過電流保護、電流速斷保護、低電壓保護、低壓過流和差動保護均應動作于停機。（3） 匝間保護：為定子繞組一相匝間短路保護。a） 對定子繞組為星

6、形接線、每相有并聯(lián)分支且中性點側(cè)有分支引出端的發(fā)電機，應裝設(shè)零序電流型橫差保護或裂相橫差保護、不完全差動保護。b） 50MW及以上發(fā)電機，當定子繞組為星形接線，中性點只有三個引出端子時，根據(jù)用戶和制造廠的要求，也可裝設(shè)專用的匝間短路保護。（4） 短路后備保護：當發(fā)電機縱差保護范圍外發(fā)生短路，而短路元件的保護或斷路器拒絕動作時，為了可靠切除故障，則應裝設(shè)反應外部短路的過電流保護。該保護兼作縱差保護的后備保護。保護裝置宜配置在發(fā)電機的中性點側(cè)。a） 對于1MW及以下與其它發(fā)電機或與電力系統(tǒng)并列運行的發(fā)電機，應裝設(shè)過流保護。b） 1MW以上的發(fā)電機，宜裝設(shè)復合電壓（包括負序電壓及線電壓）起動的過電流

7、保護。靈敏度不滿足要求時可增設(shè)負序過電流保護。c） 50MW及以上的發(fā)電機，宜裝設(shè)負序過電流保護和單元件低壓起動過電流保護。d） 并列運行的發(fā)電機和發(fā)電機變壓器組的后備保護，對所連接母線的相間故障，應具有必要的靈敏系數(shù)。e） 以上各項短路保護裝置，宜帶有二段時限，以較短的時限動作于縮小故障影響的范圍或動作于解列，以較長的時限動作于停機。（5） 定子繞組單相接地保護：為發(fā)電機定子繞組單相接地保護。a） 與母線直接連接的發(fā)電機：當單相接地故障電流（不考慮消弧線圈的補償作用）大于允許值時，應裝設(shè)有選擇性的接地保護裝置。保護裝置由裝于機端的零序電流互感器和電流繼電器構(gòu)成。其動作電流按躲過不平衡電流和外

8、部單相接地時發(fā)電機穩(wěn)態(tài)電容電流整定。接地保護帶時限動作于信號，但當消弧線圈退出運行或由于其他原因使殘余電流大于接地電流允許值，應切換為動作于停機。當未裝接地保護，或裝有接地保護但由于運行方式改變及靈敏系數(shù)不符合要求等原因不能動作時，可由單相接地監(jiān)視裝置動作于信號。為了在發(fā)電機與系統(tǒng)并列前檢查有無接地故障，保護裝置應能監(jiān)視發(fā)電機端零序電壓值。b） 發(fā)電機變壓器組：對100MW以下發(fā)電機，應裝設(shè)保護區(qū)不小于90的定子接地保護，對100MW及以上的發(fā)電機，應裝設(shè)保護區(qū)為100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停機。檢查發(fā)電機定子繞組和發(fā)電機回路的絕緣狀況，保護裝置應能監(jiān)視機端零

9、序電壓值。（6） 勵磁回路接地保護：為勵磁回路地接地故障保護。a） 對1MW及以下發(fā)電機的轉(zhuǎn)子一點接地故障，可裝設(shè)定期檢測裝置。b） 1MW及以上的發(fā)電機應裝設(shè)專用的轉(zhuǎn)子一點接地保護裝置延時動作于信號，宜減負荷平穩(wěn)停機。有條件時可動作于程序跳閘。c） 對旋轉(zhuǎn)勵磁的發(fā)電機宜裝設(shè)一點接地故障定期檢測裝置。（7） 定子繞組過負荷保護：對過負荷引起的發(fā)電機定子繞組過電流的保護。a） 定子繞組非直接冷卻的發(fā)電機，應裝設(shè)定時限過負荷保護，保護接一相電流，帶時限動作于信號。b） 定子繞組為直接冷卻且過負荷能力較低（例如低于1.5倍、60s），過負荷保護由定時限和反時限兩部分組成。定時限部分的動作電流按在發(fā)電

10、機長期允許的負荷電流下能可靠返回的條件整定，帶時限動作于信號，在有條件時，可動作于自動減負荷。反時限部分的動作特性按發(fā)電機定子繞組的過負荷能力確定，保護動作于停機。保護應反應電流變化時定子繞組的熱積累過程。不考慮在靈敏系數(shù)和時限方面與其他相間短路保護相配合。（8） 轉(zhuǎn)子表層過負荷保護：對不對稱負荷、非全相運行及外部不對稱短路引起的負序電流的保護。a） 50MW及以上A值（轉(zhuǎn)子表層承受負序電流能力的常數(shù)）大于10的發(fā)電機，應裝設(shè)定時限負序過負荷保護。保護與4.2.6.3條的負序過電流保護組合在一起。保護的動作電流按躲過發(fā)電機長期允許的負序電流值和躲過最大負荷下負序電流濾過器的不平衡電流值整定，帶

11、時限動作于信號。b） 100MW及以上A值小于10的發(fā)電機，應裝設(shè)由定時限和反時限兩部分組成的轉(zhuǎn)子表層過負荷保護。定時限部分：動作電流按發(fā)電機長期允許的負序電流值和躲過最大負荷下負序電流濾過器的不平衡電流值整定，帶時限動作于信號。反時限部分：動作特性按發(fā)電機承受短時負序電流的能力確定，動作于停機。保護應能反應電流變化時發(fā)電機轉(zhuǎn)子的熱積累過程。不考慮在靈敏系數(shù)和時限方面與其他相間短路保護相配合。（9） 勵磁繞組過負荷保護：對勵磁系統(tǒng)故障或強勵時間過長的勵磁繞組過負荷的保護。a） 100MW及以上采用半導體勵磁的發(fā)電機，應裝設(shè)勵磁繞組過負荷保護。b） 300MW以下采用半導體勵磁的發(fā)電機，可裝設(shè)定

12、時限勵磁繞組過負荷保護，保護帶時限動作于信號和降低勵磁電流。c） 300MW及以上的發(fā)電機其勵磁繞組過負荷保護可由定時限和反時限兩部分組成。定時限部分；動作電流按正常運行最大勵磁電流下能可靠返回的條件整定，帶時限動作于信號和降低勵磁電流。反時限部分：動作特性按發(fā)電機勵磁繞組的過負荷能力確定，并動作于解列滅磁或程序跳閘。保護應能反應電流變化時勵磁繞組的熱積累過程。（10） 定子繞組過電壓保護：對發(fā)電機定子繞組的異常過電壓的保護，以切除突然甩去全部負荷后引起定子繞組過電壓。a） 對水輪發(fā)電機，應裝設(shè)過電壓保護，其整定值根據(jù)定子繞組絕緣狀況決定。過電壓保護宜動作于解列滅磁。b） 對于100MW及以上

13、的汽輪發(fā)電機，宜裝設(shè)過電壓保護，其整定值根據(jù)定子繞組絕緣狀況決定。過電壓保護宜動作于解列滅磁或程序跳閘。（11） 發(fā)電機過激磁保護：為防止由于頻率降低和/或電壓升高引起發(fā)電機器磁密過高而損壞發(fā)電機，應裝設(shè)過勵磁保護。a） 300MW及以上發(fā)電機，應裝設(shè)過勵磁保護。保護裝置可由低定值和高定值二部分組成的定時限過勵磁保護或反時限過勵磁保護，有條件時應優(yōu)先裝設(shè)反時限過勵磁保護。定時限過勵磁保護：低定值部分，帶時限動作于信號和降低勵磁電流；高定值部分，動作于解列滅磁或程序跳閘。反時限過勵磁保護：反時限特性曲線由上限定時限、反時限、下限定時限三部分組成。上限定時限、反時限動作于解列滅磁，下限定時限動作于

14、信號。反時限的保護特性曲線應與發(fā)電機的允許過勵磁能力相配合。b） 汽輪發(fā)電機裝設(shè)了過勵磁保護可不再裝設(shè)過電壓保護。 （12） 逆功率保護：當汽輪發(fā)電機主汽門誤關(guān)閉，或機爐保護動作關(guān)閉主汽門而發(fā)電機出口斷路器未跳閘時，發(fā)電機失去原動力變成電動機運行，從電力系統(tǒng)吸收有功功率。這種工況對發(fā)電機并無危險，但由于鼓風損失，汽輪機尾部葉片有可能過熱而造成汽輪機事故，故大型機組要裝設(shè)用逆功率繼電器構(gòu)成的逆功率保護，用于保護汽輪機。a） 200MW及以上的汽輪發(fā)電機，宜裝設(shè)逆功率保護。b） 對燃汽輪發(fā)電機，應裝設(shè)逆功率保護。c） 保護裝置由靈敏的功率繼電器構(gòu)成，帶時限動作于信號，經(jīng)汽輪機允許的逆功率時間延時動

15、作于解列。d） 對300MW及以上汽輪發(fā)電機，發(fā)電機勵磁回路一點接地，發(fā)電機運行頻率異常，勵磁電流異常下降或消失等異常運行方式，保護動作于停機，宜采用程序跳閘方式。采用程序跳閘方式，由逆功率繼電器作為閉鎖元件。（13） 低勵、失磁保護：為防止發(fā)電機低勵（勵磁電流低于靜穩(wěn)極限所對應地勵磁電流）或失去勵磁（勵磁電流為零）后，從系統(tǒng)中吸收大量無功功率而對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響而裝設(shè)的保護。不允許失磁運行的發(fā)電機及失磁對電力系統(tǒng)有重大影響的發(fā)電機應裝設(shè)專用的失磁保護。a） 對汽輪發(fā)電機，失磁保護宜瞬時或短延時動作于信號。有條件的機組可進行勵磁切換。失磁后母線電壓低于系統(tǒng)允許值時，帶時限動作于解列。當發(fā)電機母

16、線電壓低于保證廠用電穩(wěn)定運行要求的電壓時，帶時限動作于解列，并切換廠用電源。有條件的機組失磁保護也可動作于自動減出力。當減出力至發(fā)電機失磁允許負荷以下，其運行時間接近于失磁允許運行限時時，可動作于程序跳閘。（14） 失步保護：大型發(fā)電機應裝設(shè)反應系統(tǒng)振蕩過程的失步保護。在短路故障、系統(tǒng)同步振蕩、電壓回路斷線等情況下，保護不應誤動作。a） 中小型發(fā)電機都不裝設(shè)失步保護，當系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，由運行人員判斷，根據(jù)情況用人工增加勵磁電流、增加或減少原動機出力、局部解列等方法來處理。b） 300MW及以上發(fā)電機宜裝設(shè)失步保護。通常保護動作于信號。當振蕩中心在發(fā)電機變壓器組內(nèi)部，失步運行時間超過整定值或電流

17、振蕩次數(shù)超過規(guī)定值時，保護還動作于解列，并保證斷路器斷開時的電流不超過斷路器允許開斷電流。（15） 頻率異常保護：反應發(fā)電機頻率降低或升高的保護。a） 對低于額定頻率帶負載運行的300MW及以上汽輪發(fā)電機，應裝設(shè)頻率異常保護。保護動作于信號，并有累計時間顯示。b） 對高于額定頻率帶負載運行的100MW及以上汽輪發(fā)電機或水輪發(fā)電機，應裝設(shè)高頻率保護。保護動作于解列滅磁或程序跳閘。（16） 解列保護：對調(diào)相運行的水輪發(fā)電機，在調(diào)相運行期間有可能失去電源時，應裝設(shè)解列保護，保護裝置帶時限動作于停機。（17） 其他保護：對于發(fā)電機起停過程中發(fā)生的故障、斷路器斷口閃絡(luò)及發(fā)電機軸電流過大等故障和異常運行方

18、式，可根據(jù)機組特點和電力系統(tǒng)運行要求，采取措施或增設(shè)相應保護。對300MW及以上機組宜裝設(shè)突然加電壓保護。（18） 勵磁機/勵磁變保護：a） 自并勵發(fā)電機的勵磁變壓器宜采用電流速斷保護作為主保護；過電流保護作為后備保護。b） 對交流勵磁發(fā)電機的主勵磁機的短路故障宜在中性點側(cè)的TA回路裝設(shè)電流速斷保護作為主保護，過電流保護作為后備保護。對于100MW及以上容量的發(fā)電機變壓器組裝設(shè)數(shù)字式保護時，除非電量保護外，應雙重化配置。當斷路器具有兩組跳閘線圈時，兩套保護宜分別動作于斷路器的一組跳閘線圈。對于600MW及以上發(fā)電機組應裝設(shè)雙重化的電氣量保護，對非電氣量保護應根據(jù)主設(shè)備配套情況，有條件的也可進行

19、雙重化配置。在考慮大機組繼電保護的總體配置時，比較強調(diào)最大限度地保證機組安全和最大限度地縮小故障破壞范圍，盡可能避免不必要的突然停機，特別要避免保護裝置誤動和拒動。這樣，不僅要求有可靠性、靈敏性、選擇性和快速性好的保護裝置，還要求在繼電保護的總體配置上盡量做到完善、合理，并力求避免煩瑣、復雜。在討論大機組保護的配置原則時應遵循以下幾點：（1） 在電機設(shè)計制造之前，繼電保護工作者應主動向電機專業(yè)人員介紹有關(guān)大機組保護對發(fā)電機設(shè)計制造的要求，具體反映在發(fā)電機招標文件中應表明發(fā)電機中性點側(cè)引出方式和中性點接地方式、電流互感器配置要求等。應該改變過去那種繼電保護人員不過問主設(shè)備設(shè)計制造，直到發(fā)電機運到

20、電廠才發(fā)現(xiàn)繼電保護技術(shù)性能難以完善的局面。（2） 切實加強大型發(fā)電機變壓器組主保護，保證在保護范圍內(nèi)任一點發(fā)生各種故障，均有雙重或多重主保護，有選擇性地、快速地、靈敏地切除故障，使機組受到的損傷最輕、對電力系統(tǒng)的影響最小。（3） 為了慎重選定發(fā)電機變壓器組內(nèi)部故障主保護方案，繼電保護設(shè)計人員應確切了解主設(shè)備內(nèi)部故障時的電氣特征，為此電機生產(chǎn)廠家應向繼電保護設(shè)計或運行部門提供發(fā)電機的電磁設(shè)計資料，在充分分析計算內(nèi)部故障的基礎(chǔ)上，提出發(fā)電機變壓器組的主保護方案和發(fā)電機中性點側(cè)引出方式、電流互感器安裝位置及其型號。（4） 在切實加強主保護的前提下，同時注意落實后備保護的簡化。過于復雜的后備保護配置方案，不僅是不必要的，而且運行實踐證明是有害的。具體說，發(fā)電機側(cè)即主變低壓側(cè)不再裝設(shè)后備保護，僅在主變壓