發(fā)電機保護原理課件

發(fā)電機保護原理發(fā)電機保護原理1發(fā)電機保護主要內(nèi)容對于發(fā)電機可能發(fā)生的故障和不正常工作狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)發(fā)電機的容量有選擇地裝設(shè)以下保護。1、縱聯(lián)差動保護：為定子繞組及其引出線的相間短路保護。2、橫聯(lián)差動保護：為定子繞組一相匝間短路保護。只有當(dāng)一相定子繞組有兩個及以上并聯(lián)分支而構(gòu)成兩個或三個中性點引出端時，才裝設(shè)該種保護。3、單相接地保護：為發(fā)電機定子繞組的單相接地保護。發(fā)電機保護主要內(nèi)容對于發(fā)電機可能發(fā)生的故障和不正常工作狀態(tài)，2

4、勵磁回路接地保護：為勵磁回路的接地故障保護。5、低勵、失磁保護：為防止大型發(fā)電機低勵(勵磁電流低于靜穩(wěn)極限所對應(yīng)的勵磁電流)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，100MW及以上容量的發(fā)電機都裝設(shè)這種保護。6、過負荷保護：發(fā)電機長時間超過額定負荷運行時作用于信號的保護。中小型發(fā)電機只裝設(shè)定子過負荷保護；大型發(fā)電機應(yīng)分別裝設(shè)定子過負荷和勵磁繞組過負荷保護。

4、勵磁回路接地保護：為勵磁回路的接地故障保護。3

7、定子繞組過電流保護：當(dāng)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，這種保護作為外部短路的后備，也兼作縱差保護的后備保護。8、定子繞組過電壓保護：用于防止突然甩去全部負荷后引起定子繞組過電壓，水輪發(fā)電機和大型汽輪發(fā)電機都裝設(shè)過電壓保護，中小型汽輪發(fā)電機通常不裝設(shè)過電壓保護。

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9、負序電流保護：電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或者三相負荷不對稱(如電氣機車、電弧爐等單相負荷的比重太大)時，會使轉(zhuǎn)子端部、護環(huán)內(nèi)表面等電流密度很大的部位過熱，造成轉(zhuǎn)子的局部灼傷，因此應(yīng)裝設(shè)負序電流保護。10、失步保護：反應(yīng)大型發(fā)電機與系統(tǒng)振蕩過程的失步保護。11、逆功率保護：當(dāng)汽輪機主汽門誤關(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，從電力系統(tǒng)吸收有功功率而造成汽輪機事故，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。

9、負序電流保護：電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或者三相負荷不對稱5

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比例制動式差動保護

保護構(gòu)成原理，按比較發(fā)電機中性點TA與極端TA二次同名相電流的大小及相位構(gòu)成。以一相差動為例，并設(shè)兩側(cè)電流的正方向指向發(fā)電機內(nèi)部。

比例制動式差動保15

16比率制動方程比率制動方程17

這種動作特性的優(yōu)點是：在區(qū)內(nèi)故障電流較小時，它具有較高的動作靈敏度；而區(qū)外故障時，它具有較強的躲過暫態(tài)不平衡差流的能力。

這種動作特性的優(yōu)點是：在區(qū)內(nèi)故障電流較小時，它具有較高的動18

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保護采用比率制動原理，出口設(shè)置為循環(huán)閉鎖方式，保護邏輯見圖一。因為發(fā)電機中性點一般不直接接地，當(dāng)發(fā)電機差動區(qū)內(nèi)發(fā)生相間短路故障時，有兩相或三相差動同時動作出口跳閘；而當(dāng)發(fā)電機収生一相在區(qū)內(nèi)接地另一相在區(qū)外同時接地故障，只有一相差動動作，但同時有負序電壓，保護也出口跳閘。如果只有一相差動動作無負序電壓，判斷為TA斷線。這是應(yīng)為發(fā)電機中性點不直接接地，內(nèi)部相間短路時一般都會二相差動或三相差動同時動作。

保護采用比率制動原理，出口設(shè)置為循環(huán)閉鎖方式，保護邏輯見圖20

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二、發(fā)電機低壓過流（記憶）保護保護反應(yīng)發(fā)電機電壓和電流大小，電流最好取自中性點側(cè)，主要作為發(fā)電機相間短路的后備保護。當(dāng)發(fā)電機為自并勵方式時，過流元件應(yīng)有電流記憶功能。

二、發(fā)電機低壓過流（記憶）保護保護反應(yīng)22

記憶過流指在當(dāng)發(fā)電機采用自并勵系統(tǒng)時，由于勵磁變接在發(fā)電機出口，當(dāng)外部故障而主保護拒動時，正常后備保護應(yīng)動作，可由于發(fā)電機出口電壓降低，會造成轉(zhuǎn)子電流減少，進而使定子電流減少使保護返回。為此設(shè)計了記憶過流保護，記憶故障初的電流而忽略以后的電流。記憶過流保護應(yīng)為微機保護作為發(fā)電機內(nèi)部短路故障和區(qū)外短路故障的后備保護.

記憶過流指在當(dāng)發(fā)電機采用自并勵系統(tǒng)時，由于勵磁變接在發(fā)電23

24三、發(fā)電機過電壓保護用于防止突然甩去全部負荷后引起定子繞組過電壓,水輪發(fā)電機和大型汽輪發(fā)電機都裝設(shè)過電壓保護。當(dāng)運行中的發(fā)電機突然甩掉負荷或者帶時限切除距發(fā)電機較近的外部故障時，由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度的增加以及強行勵磁裝置動作等原因，發(fā)電機的機端電壓將升高。三、發(fā)電機過電壓保護用于防止突然甩去全部負荷后引起定子繞組過25

對于水輪發(fā)電機，由于調(diào)速系統(tǒng)慣性較大，使制動過程緩慢，因此在突然失去負荷時，轉(zhuǎn)速將超過額定值，這時發(fā)電機輸出端電壓有可能高達額定值得1.8-2倍，為了防止發(fā)電機的絕緣受到損壞，在水輪發(fā)電機上一般應(yīng)裝設(shè)過電壓保護。

對于水輪發(fā)電機，由于調(diào)速系統(tǒng)慣性較大，使制動過程緩慢，因此26

27四、發(fā)電機3U0定子接地保護保護采用基波零序電壓式，范圍為由機端至機內(nèi)90％左右的定子繞組單相接地故障?？勺餍C組的定子接地保護，也可與三次諧波保護合用，組成大中型發(fā)電機的100％定子接地保護。四、發(fā)電機3U0定子接地保護保護采用基波零序電壓式，范圍為由28

發(fā)電機定子繞組的單相接地是發(fā)電機最常見的一種故障，并且是相間或匝間短路的先兆。因此定子接地保護是大型機組保護中重要的保護，它對預(yù)防定子繞組嚴重短路故障具有重要意義。

發(fā)電機定子繞組的單相接地是發(fā)電機最常見的一種故障，并且是相29

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基波零序電壓的發(fā)電機單相接地保護的特點（1）簡單、可靠。（2）設(shè)有三次諧波濾過器以降低不平衡電壓。（3）由于與發(fā)電機有電聯(lián)系的元件少，接地電流不大，適用于發(fā)電機－變壓器組。其不足之處是不能作為100定子接地保護，有死區(qū)，但一般不小于15%。

基波零序電壓的發(fā)電機單相接地保護的特點（1）簡單、可靠。31發(fā)電機中性點附近是否可能首先發(fā)生接地故障，過去曾有兩種觀點發(fā)電機中性點附近是否可能首先發(fā)生接地故障，過去曾有兩種觀點32

發(fā)電機能實現(xiàn)100％定子接地保護，采用了基波零序電壓式定子接地保護和三次諧波電壓構(gòu)成的定子接地保護。，前者可反應(yīng)發(fā)電機的機端向機內(nèi)不少于85％定子繞組單相接地故障（85％～95％），后者反應(yīng)發(fā)電機中性點向機端20％左右定子繞組單相接地故障（0～50％）。通過這兩種保護的相互配合，達到了大容量機組100％定子接地保護的要求。

發(fā)電機能實現(xiàn)100％定子接地保護，采用了基波零序電壓式定子33保護接入的3Uo電壓，取自發(fā)電機機端電壓互感器開口三角繞組兩端和發(fā)電機中性點電壓互感器的二次側(cè)保護接入的3Uo電壓，取自發(fā)電機機端電壓互感器開口三角繞組兩34

零序電壓式定子接地保護的輸入電壓取自機端TV開口三角形繞組時，為確保TV一次斷線時保護不誤動，需引入TV斷線閉鎖。

零序電壓式定子接地保護的輸入電壓取自機端TV開口三角形繞組35

36第二部分是利用發(fā)電機三次諧波電動勢構(gòu)成的定子接地保護由于發(fā)電機氣隙磁通密度的非正旋分布和受鐵芯飽和的影響，其定子中的感應(yīng)電動勢除基波外，還含有三、五、七次等高次諧波。因為三次諧波具有零序分量的性質(zhì)，在線電動勢中它們雖然不存在，但在相電動勢中亦然存在。正常運行時，發(fā)電機中性點的三次諧波電壓總是大于發(fā)電機機端的三次諧波電壓。而當(dāng)發(fā)電機靠中性點側(cè)0～50％范圍內(nèi)有接地故障時，發(fā)電機機端的三次諧波電壓大于發(fā)電機中性點的三次諧波電壓。根據(jù)發(fā)電機定子繞組中性點附近接地故障的三次諧波分布特性，保護裝置取發(fā)電機中性點及機端三次諧波電壓，并對其進行大小和相位的矢量比較。第二部分是利用發(fā)電機三次諧波電動勢構(gòu)成的定子接地保護由于發(fā)電37

五、發(fā)電機阻抗原理失磁保護

五、發(fā)電機阻抗原理失磁保護

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失磁保護是及時發(fā)現(xiàn)和切除由于勵磁系統(tǒng)故障引起的發(fā)電機異常運行和故障

正常運行時，若用阻抗復(fù)平面表示機端測量阻抗，則阻抗的軌跡在第一象限（滯相運行）或第四象限（進相運行）內(nèi)穩(wěn)定運行。發(fā)電機失磁后，機端測量阻抗的軌跡將沿著等有功阻抗園進入異步邊界園內(nèi)。所以，阻抗原理發(fā)電機失磁保護將機端測量阻抗是否進入預(yù)先整定的阻抗圓作為發(fā)電機是否低或失磁的主要判據(jù)。

失磁保護是及時發(fā)現(xiàn)和切除由于勵磁系統(tǒng)故障引起的發(fā)電機異39

40失磁對電力系統(tǒng)的危害失磁對電力系統(tǒng)的危害41失磁對發(fā)電機的危害失磁對發(fā)電機的危害42

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45發(fā)電機失磁保護阻抗圓原理邏輯圖發(fā)電機失磁保護阻抗圓原理邏輯圖46

47我廠失磁判據(jù)阻抗型失磁保護，由阻抗判據(jù)（Zg＜）、轉(zhuǎn)子低電壓判據(jù)（Vfd＜）、機端低電壓判據(jù)（Ug＜）及過功率判據(jù)（P＞）構(gòu)成。我廠失磁判據(jù)阻抗型失磁保護，由阻抗判據(jù)（Zg＜）、轉(zhuǎn)子低電壓48發(fā)電機失磁保護阻抗圓原理邏輯圖發(fā)電機失磁保護阻抗圓原理邏輯圖49TV斷線閉鎖判據(jù)邏輯框圖TV斷線閉鎖判據(jù)邏輯框圖50

六、發(fā)電機對稱過負荷

（一）發(fā)電機過負荷判據(jù)及特性

六、發(fā)電機對稱過負荷

（一）發(fā)電機過負荷判據(jù)及特性51

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54（二）定子繞組的過負荷保護（二）定子繞組的過負荷保護55

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57八、發(fā)電機不對稱過負荷八、發(fā)電機不對稱過負荷58發(fā)電機承受負序電流能力發(fā)電機承受負序電流能力59定時限負序電流保護定時限負序電流保護60

61保護反應(yīng)發(fā)電機定子的負序電流大小，是發(fā)電機的轉(zhuǎn)子過熱保護，也叫轉(zhuǎn)子表層過熱保護。保護最好取自發(fā)電機中性點側(cè)。保護反應(yīng)發(fā)電機定子的負序電流大小，是發(fā)電機的轉(zhuǎn)子過熱保護，也62九、發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護保護采用注入直流電源原理，直流電源由裝置自產(chǎn)。因此，在發(fā)電機運行及不運行時，均可監(jiān)視發(fā)電機勵磁回路的對地絕緣。該保護動作靈敏、無死區(qū)?？紤]到雙套化配置方案中，轉(zhuǎn)子接地保護由于保護原理的要求不能雙套化，否則會相互影響導(dǎo)致測量失誤。如采用一套運行一套備用方式，需要時應(yīng)可靠安全地帶電切換。九、發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護保護采用注入直流電源原理，直流電源63轉(zhuǎn)子一點接地原理發(fā)電機勵磁回路一點接地，由于構(gòu)不成電流通路，并不影響發(fā)電機的正常運行，也不會對發(fā)電機構(gòu)成危害。對于一點接地故障的危害，主要擔(dān)心再發(fā)生第二點接地故障，因為在一點接地故障后，勵磁回路對地電壓有所升高，就有可能發(fā)生第二個接地故障點。其危害有：轉(zhuǎn)子一點接地原理發(fā)電機勵磁回路一點接地，由于構(gòu)不成電流通路，64

（1）破壞發(fā)電機氣隙磁場的對稱性，使氣隙磁場不均勻發(fā)生畸變，氣隙磁通失去平衡，引起發(fā)電機的劇烈振動而損壞發(fā)電機、無功出力降低。汽輪發(fā)電機勵磁回路兩點接地還可能引起軸系和汽機磁化，后果嚴重。若裝有橫差保護，還會引起它的誤動作，所以轉(zhuǎn)子一點接地保護動作后要將橫差保護加上一個短的延時防止誤動。（2）兩點接地造成沒被短路繞組的電流增大，如果流過轉(zhuǎn)子本體的短路電流大（通常以1500A為界限），熱效應(yīng)燒損轉(zhuǎn)子的同時還會使轉(zhuǎn)子發(fā)生緩慢變形而形成偏心，進一步加劇振動。還可能損壞其他勵磁裝置且導(dǎo)致失磁故障，危及發(fā)電機和系統(tǒng)的安全。

（1）破壞發(fā)電機氣隙磁場的對稱性，使氣隙磁場不均勻發(fā)生畸變65

對于水輪發(fā)電機，在發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點接地后，應(yīng)立即安排停機（這是水輪發(fā)電機的結(jié)構(gòu)決定的），因此水輪發(fā)電機一般不設(shè)置轉(zhuǎn)子兩點接地保護。

對于水輪發(fā)電機，在發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點接地后，應(yīng)立即安排停機（這是66

轉(zhuǎn)子一點接地保護邏輯框圖

轉(zhuǎn)子一點接地保護邏輯框圖67十、勵磁繞組過負荷保護十、勵磁繞組過負荷保護68

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勵磁回路反時限過負荷（過流）保護邏輯圖勵磁回路反時限過負荷（過流）保護邏輯圖70十一、勵磁變過流、速斷保護保護反映變壓器低壓側(cè)電流的大小。當(dāng)電流超過額定電流值（過負荷）或很大時（故障引起過電流），經(jīng)延時動作于信號（過負荷）或作用于跳開分支開關(guān)。十一、勵磁變過流、速斷保護保護反映變壓器低壓側(cè)電流的大小。當(dāng)71變壓器過電流保護邏輯框圖變壓器過72十二、發(fā)電機軸電流保護機組在正常運行時一旦出現(xiàn)軸承絕緣性能下降，此時在較高的軸電壓作用下將會產(chǎn)生較大的軸電流。當(dāng)通過瓦面的軸電流密度超過0．2A／cm2，就可能對軸瓦產(chǎn)生電腐蝕，油膜遭到破壞，危及機組安全運行。為此，合理配置及裝設(shè)可靠的軸電流保護裝置，在大型水輪發(fā)電機組的保護中顯得尤為重要。十二、發(fā)電機軸電流保護機組在正常運行時一旦出現(xiàn)軸承絕緣性能下73軸電壓、軸電流的產(chǎn)生發(fā)電機在轉(zhuǎn)動過程中，只要有不平衡的磁通交鏈在轉(zhuǎn)軸上，則在發(fā)電機轉(zhuǎn)軸的兩端就會產(chǎn)生感應(yīng)電勢。這個感應(yīng)電勢稱為軸電壓。軸電壓主要可分為2部分：①轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)時切割不平衡磁通而在軸兩端產(chǎn)生的軸電壓；②由于存在軸向漏磁通而在轉(zhuǎn)軸兩端產(chǎn)生的軸電壓。軸電壓、軸電流的產(chǎn)生發(fā)電機在轉(zhuǎn)動過程中，只要有不平衡的74

造成發(fā)電機磁場不平衡，進而產(chǎn)生軸電壓的原因有3個方面：①由于制造及安裝工藝等原因造成的磁路不均衡及氣隙不對稱，這是無法避免的因素口。②發(fā)電機內(nèi)部或外部發(fā)生不對稱短路時產(chǎn)生軸電壓。這是因為定子繞組的短路部分有感應(yīng)電流，它阻止合成磁通通過這部分繞組所在的定子區(qū)域；而此時，定子繞組的未短路部分卻沒有此現(xiàn)象，這種作用與定子磁路不對稱等價，產(chǎn)生軸向以基頻為主的交變磁通。如果定子繞組引出線位于發(fā)電機長度方向的兩側(cè)，則不對稱的外部短路也可能產(chǎn)生軸電壓。③勵磁回路接地或轉(zhuǎn)子繞組匝間短路也會產(chǎn)生很強的軸向不平衡磁通口。當(dāng)軸電壓達到一定值時，通過軸承及其底座等形成閉合回路產(chǎn)生電流，這個電流稱為軸電流。

造成發(fā)電機磁場不平衡，進而產(chǎn)生軸電壓的原因有3個方面：①75軸電流對發(fā)電機的影響正常情況下，轉(zhuǎn)軸與軸承間有潤滑油膜的存在，起到絕緣的作用。對于較低的軸電壓，這層潤滑油膜仍能保護其絕緣性能，不會產(chǎn)生軸電流。但當(dāng)軸承底座絕緣墊因油污、損壞或老化等原因失去絕緣性能，且當(dāng)軸電壓達到一定數(shù)值時，則軸電壓足以擊穿軸與軸承間的油膜而發(fā)生放電；軸電流將從轉(zhuǎn)軸、油膜、軸承座及基礎(chǔ)等外部回路通過，由于該閉合回路阻抗極小，故電流密度很大，特別當(dāng)軸與軸瓦形成金屬性接觸的瞬間，軸電流可達上千安，將嚴重灼傷軸瓦；當(dāng)潤滑油中摻人熔化的金屬微粒后，油膜阻值降低，加速電火花進一步侵蝕擴展。同時，軸電流的電解作用使?jié)櫥吞炕?，熔化的金屬微粒摻人潤滑系統(tǒng)使?jié)櫥瑒┦艿轿廴荆呔鶗斐捎偷臐櫥阅茏儾?，使軸承溫度升高。軸電流對發(fā)電機的影響正常情況下，轉(zhuǎn)軸與軸承間有潤滑油膜的存在76

77十三、發(fā)電機過頻保護汽輪機葉片有自己的自振頻率。并網(wǎng)運行的發(fā)電機，當(dāng)系統(tǒng)頻率異常時，汽輪機葉片可能產(chǎn)生共振，從而使葉片發(fā)生疲勞，長久下去可能損壞汽輪機的葉片。發(fā)電機頻率異常保護，是保護汽輪機安全的。頻率過高：轉(zhuǎn)子離心力增大，易使轉(zhuǎn)子的部件損壞。十三、發(fā)電機過頻保護汽輪機葉片有自己的自振頻率。并網(wǎng)運行的發(fā)78

發(fā)電機過頻保護邏輯框圖

發(fā)電機過頻保護邏輯框79十四、發(fā)電機縱向零序電壓式匝間保護發(fā)電機縱向零序電壓式匝間保護，是發(fā)電機同相同分支匝間短路及同相不同分支之間匝間短路的主保護。該保護反映的是發(fā)電機縱向零序電壓的基波分量，并用其三次諧波增量作為制動量。

保護原理：

發(fā)電機定子繞組發(fā)生內(nèi)部短路，三相機端對中性點的電壓不再平衡，因為機端電壓互感器中性點與發(fā)電機中性點直接相連且不接地，所以互感器開口三角繞組輸出縱向3U0。

十四、發(fā)電機縱向零序電壓式匝間保護發(fā)電機縱向零序電壓式匝間保80縱向零序電壓式匝間保護交流接入回路縱向零序電壓式匝間保護交流接入回路81

發(fā)電機正常運行時，機端不平衡基波零序電壓很小，但可能有較大的三次諧波電壓，為降低保護定值和提高靈敏度，保護裝置中增設(shè)三次諧波阻波功能。

為保證匝間保護