模塊五 主設(shè)備保護 任務(wù)2 發(fā)電機保護

子任務(wù)1：無時限電流速斷保護（電流I段）任務(wù)2：發(fā)電機保護教學(xué)重點直流發(fā)電機的基本工作原理基于電磁感應(yīng)原理：右手定則產(chǎn)生磁場：（N、S極）運動導(dǎo)線ab、cd切割磁場線圈感應(yīng)電動勢——交變換向整流——電刷間輸出直流電動勢圖1.直流發(fā)電機的工作原理模型教學(xué)重點發(fā)電機的保護構(gòu)成與運行

發(fā)電機并網(wǎng)是指將發(fā)電機同步并入電網(wǎng)，以向電網(wǎng)輸出電能。發(fā)電機是電力系統(tǒng)中十分重要和貴重的設(shè)備，發(fā)電機的安全運行直接影響電力系統(tǒng)的安全。由于發(fā)電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在運行中可能發(fā)生故障和異常運行狀態(tài)，會對發(fā)電機造成危害。同時，系統(tǒng)故障也可能損壞發(fā)電機，特別是現(xiàn)代的大中型發(fā)電機，其單機容量大，對系統(tǒng)影響大，損壞后的修復(fù)工作工作困難且工期長。因此，要對發(fā)電機可能發(fā)生的故障類型及不正常運行狀態(tài)進行分析，并且針對各種不同故障和不正常運行狀態(tài)，給發(fā)電機裝設(shè)性能完善的繼電保護裝置必不可少。由發(fā)電機的工作原理我們知道轉(zhuǎn)子、定子是發(fā)電機的主要部件，因此對于發(fā)電機的繼電保護也主要從定子、轉(zhuǎn)子入手。教學(xué)重點發(fā)電機的保護構(gòu)成與運行教學(xué)重點發(fā)電機的故障類型定子繞組故障：

1.相間短路

2.一相的匝間短路

3.單相接地轉(zhuǎn)子繞組故障：

1.一點接地

2.兩點接地短路

3.轉(zhuǎn)子繞組失磁能使定子繞組絕緣損壞，甚至引起發(fā)電機著火?？赡芤鸢l(fā)電機強烈振動，甚至把轉(zhuǎn)子繞組燒壞。導(dǎo)致發(fā)電機異步運行，甚至解列。教學(xué)難發(fā)電機的不正常運行狀態(tài)⒈由于外部短路引起的定子繞組過電流；⒉負荷超過發(fā)電機額定容量而引起的過負荷；以上兩種會引起定子繞組溫度升高，加速絕緣老化，縮短機組壽命，可能發(fā)展為定子繞組故障。⒊定子繞組過電壓；可造成定子繞組絕緣擊穿。⒋轉(zhuǎn)子表層過熱。可造成轉(zhuǎn)子局部灼傷，嚴(yán)重時使護環(huán)受熱松脫。教學(xué)難發(fā)電機的保護方式1.縱差動保護：定子繞組及其引出線的相間短路保護2.橫差動保護：定子繞組一相匝間短路的保護3.單相接地保護：對發(fā)電機定子繞組單相接地短路的保護其中接地電容電流：5A以下動作于信號

5A以上動作于跳閘

教學(xué)重點教學(xué)難

發(fā)電機縱聯(lián)差動保護反應(yīng)了發(fā)電機定子繞組及其引出線的相間短路故障，動作于瞬時跳發(fā)電機出口開關(guān)、滅磁及停機，是發(fā)電機的主要保護。發(fā)電機縱聯(lián)差動保護的原理與短距離輸電線路及變壓器縱聯(lián)差動保護的原理相同，這里不再贅述。發(fā)電機縱聯(lián)差動保護邏輯框圖如下圖所示。發(fā)電機縱聯(lián)差動保護的原理A相差動元件動作B相差動元件動作C相差動元件動作TA斷線檢測I/VI/VIMIN≥1&差動出口TA斷線信號···教學(xué)重點發(fā)電機縱聯(lián)差動保護的分類根據(jù)接線方式和位置的不同，縱聯(lián)差動保護可分為完全縱聯(lián)差動保護和不完全縱聯(lián)差動保護。

·教學(xué)重點發(fā)電機縱聯(lián)差動保護的分類兩者的區(qū)別是接入發(fā)電機中性點的電流不同。（1）完全縱聯(lián)差動保護在發(fā)電機中性點側(cè)與出口開關(guān)側(cè)裝有兩組變比相同的電流互感器，按環(huán)流法連接將該相的差流回路接入電流繼電器，在正?；虮Ｗo范圍外發(fā)生短路故障時，中性點與出口側(cè)的電流數(shù)值和相位都相同，差流回路沒有電流或極小，繼電器不會動作；而當(dāng)保護范圍內(nèi)發(fā)生故障時，將產(chǎn)生一個回路差流，當(dāng)其超過電流繼電器整定值時即啟動發(fā)電機完全縱差保護動作。（2）不完全縱聯(lián)差動保護完全縱聯(lián)差動保護在定子繞組發(fā)生匝間短路時兩側(cè)電流仍相等，保護不能動作。若僅引入發(fā)電機中性點側(cè)部分與機端電流來構(gòu)成縱聯(lián)差動保護，在發(fā)電機相間或匝間短路時均會產(chǎn)生流差，使保護動作切除故障。這種縱聯(lián)差動保護稱為不完全縱聯(lián)差動保護。教學(xué)難發(fā)電機縱聯(lián)差動保護的整定計算

發(fā)電機縱聯(lián)差動保護一般采用兩折線的比率制動特性，因此對縱聯(lián)差動保護的整定計算，實質(zhì)就是對Id.min、Ires.min及K的整定計算。

(1)最小動作電流Id.min的整定。最小動作電流Id.min的整定原則是躲過發(fā)電機額定運行時差動回路中的最大不平衡電流。通常對發(fā)電機縱聯(lián)差動保護可取Id.min=(0.1~0.3)In.g。(2)最小拐點電流Ires.min的整定。最小拐點電流Ires.min的大小決定開始產(chǎn)生制動作用的電流大小。因此，拐點電流的大小直接影響差動保護的動作靈敏度。通常拐點電流整定為Ires.min=(0.5~1.0)In.g。

(3)制動線斜率K的整定。發(fā)電機縱聯(lián)差動保護的制動線斜率K一般可取0.3~0.4。教學(xué)重點教學(xué)難發(fā)電機定子接地

定子繞組單相接地（定子繞組與鐵芯間的絕緣破壞）是發(fā)電機最常見的一種故障。由于大中型發(fā)電機中性點不接地或經(jīng)高阻接地，定子單相接地并不產(chǎn)生大的故障電流。所以定子繞組單相接地通常只發(fā)信號而不跳閘，故障機組經(jīng)轉(zhuǎn)移負荷后平穩(wěn)停機。同時也應(yīng)指出，發(fā)電機單相接地故障往往是相間或匝間短路的先兆。因此對于大型發(fā)電機組，在定子單相接地保護動作發(fā)信號后應(yīng)立即通知系統(tǒng)調(diào)度部門，瞬間減少故障機組負荷，盡快實現(xiàn)停機檢修。教學(xué)重點教學(xué)難

發(fā)電機單機容量的增大，一般使三相定子繞組對地電容增加，相應(yīng)的接地電流也增大。如不采取措施(如增設(shè)消弧線圈),單相接地故障將危及定子鐵芯，因此必須對大型發(fā)電機的頂子單相接地電流制定一個合理的安全允許值。為確保大型發(fā)電機的安全，不使單相接地故障發(fā)展成相間或匝間短路，應(yīng)使單相接地故障處產(chǎn)生電弧或使接地電弧瞬間熄滅。這個不產(chǎn)生電弧的最大接地電流被定義為發(fā)單相接地的安全電流。其值與發(fā)電機的額定電壓有關(guān)。下表列出了不同容量發(fā)電機的接地電流允許值:發(fā)電機定子接地電流允許值發(fā)電機額定電壓（KV）發(fā)電機額定容量（MW）單相接地電流允許值（A）6.3及以下≦50410.550~100313.8~15.75125~200218~203001教學(xué)重點教學(xué)難大中型發(fā)電機定子接地保護的基本要求

國內(nèi)外運行經(jīng)驗證明，由于機械原因或水內(nèi)冷機組的定子漏水，單相接地故障有可能首先在中性點附近發(fā)生（幾率較小），也可能故障初始是由位于中性點附近的定子多匝線圈中發(fā)生部分匝間短路。由于短路匝數(shù)少，橫差保護不能反應(yīng)，故障繼續(xù)發(fā)展，最終中性點附近繞組的繞組對鐵芯擊穿，形成單相接地故障。如果定子接地保護在中性點附近存在死區(qū)，則故障將進一步蔓延為相間或?qū)娱g短路，使機組嚴(yán)重損壞。因此應(yīng)強調(diào)大中型發(fā)電機裝設(shè)無死區(qū)（100%保護區(qū)）定子接地保護的必要性。對于10萬kW及以上的發(fā)電機組，除此以外，還要求在定子繞組任一點經(jīng)過渡電阻接地時，保護能靈敏動作。

現(xiàn)代的發(fā)電機，其中性點都是不接地或經(jīng)消弧線圈接地的。因此，當(dāng)發(fā)電機內(nèi)部單相接地時，流經(jīng)接地點的電流仍為發(fā)電機所在電壓網(wǎng)絡(luò)（即與發(fā)電機有直接電聯(lián)系的各元件）對地電容電流之總和，而不同之處在于故障點的零序電壓將隨發(fā)電機內(nèi)部接地點的位置而改變。下圖為發(fā)電機內(nèi)部單相接地時的電流分布網(wǎng)絡(luò)接線圖。發(fā)電機定子繞組單相接地的特點教學(xué)重點教學(xué)難發(fā)電機定子的短路性故障歸納起來主要有五種情況：1.單相接地，再由電弧引發(fā)故障點處相間短路；2.直接發(fā)生線棒間絕緣擊穿形成相間短路；3.發(fā)生單相接地，再由于電位變化引發(fā)其他地點發(fā)生另一點的接地，從而構(gòu)成兩點接地短路；4.發(fā)電機端部放電構(gòu)成相間短路；5.定子繞組同一相的匝間短路故障。發(fā)電機定子短路性故障教學(xué)難發(fā)電機相間短路的后備保護

發(fā)電機相間短路的后備保護主要采用復(fù)合電壓啟動的過電流保護和負序電流保護，以提高保護的靈敏度。復(fù)合電壓啟動的過電流保護的工作原理在變壓器保護中已介紹過，不再贅述。下面介紹負序過電流保護。當(dāng)發(fā)電機三相負荷不對稱或系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路時，定子繞組中的負序分量電流產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場，將在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出100Hz交變電流，該電流使得轉(zhuǎn)子端部，護環(huán)內(nèi)表面等處因電流過大而過熱灼傷，甚至引起護環(huán)松脫導(dǎo)致發(fā)生重大事故。另外，在定子轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生的100Hz交變電磁力矩的作用下，機組會發(fā)生振動。教學(xué)重點教學(xué)難負序定時限過電流保護原理

負序電流引起的發(fā)熱與負序電流的大小和持續(xù)時間有關(guān)?？捎孟铝邪l(fā)熱過程特性方程來表示，即(I2)2×t=A~abcQFKAKVZANKA1KA2KAWKT2KT1信號解列滅磁+++++--教學(xué)重點教學(xué)難負序定時限過電流保護原理

負序定時限過電流保護原理接線如上圖所示，未能反應(yīng)定子繞組及外部相間短路故障，保護從發(fā)電機中性點側(cè)電流互感器獲取三相電流。圖中，負序電流繼電器KAW為兩段式負序電流保護的啟動元件。其中，電流元件KA2構(gòu)成負序過電流保護（不靈敏段），經(jīng)KT2延時動作解列滅磁；電流元件KA1構(gòu)成不對稱過負荷保護（靈敏段），經(jīng)KT1延時動作與信號。負序過電流保護的保護動作電流應(yīng)根據(jù)定子發(fā)熱條件來整定。

國內(nèi)外電機廠均承諾過其發(fā)電機不會發(fā)生匝間短路，不必裝設(shè)匝間保護，理由是槽內(nèi)上下線圈的絕緣是相對槽側(cè)壁絕緣的兩倍，因此發(fā)生匝間短路前應(yīng)先發(fā)生定子接地故障。但在發(fā)電機端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，既有相間絕緣又有匝間絕緣，如果端部固定不當(dāng)或發(fā)生振動，可能會使絕緣逐漸磨損引起短路。因此有條件的前提下有必要裝設(shè)匝間短路保護。

容量較大的發(fā)電機每相都有兩個或兩個以上的并聯(lián)支路。同一支路繞組匝間短路或同相不同支路的繞組匝間短路，都稱為定子繞組的匝間短路。發(fā)生匝間短路時，縱差動保護往往不能反應(yīng)，故對于發(fā)電機定于繞組的匝間短路，必須裝設(shè)專用保護。發(fā)電機匝間短路教學(xué)難橫聯(lián)差動保護

對于定子每相都由兩個并聯(lián)支路組成，且每一支路在中性點側(cè)均有引出端的發(fā)電機，可采用橫差動保護。原理接線圖如下圖所示：ABCO1O2DL—11/bTATZJKAKTKSKM信號至主斷路器至MK教學(xué)難匝間短路電流分布

當(dāng)定子繞組同一分支發(fā)生匝間短路時，如右圖所示：由于同相兩分支電動勢不等，電動勢差在同相兩支路中產(chǎn)生的環(huán)流Ikl流過，中性點連線上的電流互感器。若此電流大于橫差保護的動作電流，則保護動作。IK1·IK1·IK1·IK1·TAO2KAα教學(xué)難

當(dāng)定子繞組同相不同分支發(fā)生匝間短路時，且a1≠a2時，如右圖所示：在兩故障分支電動勢差的作用下，將產(chǎn)生環(huán)流I'kl和I''kl，其中I''kl若足夠大，則橫差保護動作。TAO2KAα1IK1·、IK1·、IK1·、、IK1·、、IK1·、α2、IK1·、

需要指出發(fā)電機定子繞組相間短路時，橫差動保護也會動作。但由于其死區(qū)較大，且不能反映引出線上的相間短路，因此不能代替縱差動保護。匝間短路電流分布發(fā)電機零序電壓匝間短路保護

大容量的發(fā)電機，由于其結(jié)構(gòu)緊湊，無法引出所有分支，往往只在中性點引出三個端子，無法裝設(shè)橫差保護。因此大型機組通常采用反映零序電壓的匝間短路保護。發(fā)電機正常運行時，機端不出現(xiàn)基波零序電壓。相間短路時，也不出現(xiàn)零序電壓。單相接地故障時，接地故障相對地電壓為零，而中性點對地電壓上升為相電壓，因此三相出線對中性點電壓仍然對稱，不出現(xiàn)零序電壓。若定子繞組匝間短路，則三相對發(fā)電機中性點電壓的對稱性被破壞，因而出現(xiàn)零序電壓。零序電壓元件由專用電壓互感器取得縱向零序電壓，專用電壓互感器原理接線如圖所示。如圖分析，零序電壓的大小與電動勢成正比。利用此零序電壓可構(gòu)成匝間短路保護。TAkNnTV03U0·教