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第第6单元单元 发电机的继电保护发电机的继电保护6.1 发电机的故障、不正常工作状态及保护配置发电机的故障、不正常工作状态及保护配置 发电机保护是保护发电机免受短路故障损坏的重要自动装置。当发电机内部短路故障时，继电保护装置在很短的时间内发出动作命令，保护发电机免受短路电流的损坏。发电机的故障类型： 1、发电机定子绕组相间短路（d1故障）； 2、发电机定子绕组匝间短路 （1）绕组同相同分支匝间短路（d2故障） ； （2）绕组同相不同分支匝间短路（d3故障） ； 3、发电机定子绕组单相接地短路； 4、发电机转子励磁回路一点或两点接地（d4故障） ； 5、失磁（低励）故障。发电机故障的危害：定子线圈短路发生在定子铁芯中段，特别是发生在不同的槽间时，对发电机铁芯造成的伤害尤其严重。此时对定子铁芯的恢复处理比 较困难，多数发电厂会选择将发电机返厂大修，但是较长的返修周期使发电单位的经济效益 受到了巨大的损失。定子线圈端部的短路对发电机的定子端部铁芯造成破坏 ，因其损伤部位靠近外部，而较易进行处理。定子接地短路时，会破坏定子线棒及其相邻 线棒，也会对发电机的铁芯造成不同程度的损坏。发电机的不正常工作状态： 1、定子绕组过电流和定子过负荷； 外部短路会造成发电机定子绕组过电流。 2、定子绕组负序过电流和负序过负荷； 由于外部不对称短路或不对称负荷引起负序电流。 3、发电机突然甩负荷引起的定子绕组过电压； 4、由于主汽门突然关闭引起的发电机逆功率 ； 5、转子励磁回路故障或强行励磁时间过长引起的转子励磁绕 组过负荷； 6、 发电机频率上升或下降针对发电机故障和不正常运行状态，应该配置的发电机保护： 1、纵联差动保护，反应发电机定子绕组及引出线相间短路； 2、定子绕组匝间短路； 3、定子单相接地保护； 4、定子过负荷保护； 5、 励磁回路接地保护 6、失磁保护 7、 失步保护 8、逆功率保护 9、定子绕组过电压保护 10、发电机过励磁保护 11、转子过负荷保护 12、发电机频率保护发电机保护的配置：大型发电机安装的电压互感器PT/TV：（1）TV1/PT1；（2）TV2/PT2；（3）TV3/PT3。大型发电机安装的电流互感器CT/TA：（1）TA6/CT6；（2）TA7/CT7；（3）TA4/CT4。发电机保护的动作方式：（1）全停（停机）：断开发电机断路器、灭磁，关闭汽轮发电机主汽门。（2）程序跳闸：对于汽轮发电机，首先关闭主汽门，待逆功率继电器动作后，再跳发电机断路器并灭磁。（3）解列灭磁：断开发电机断路器、灭磁，汽轮机甩负荷。（4）解列：断开发电机断路器，汽轮机甩负荷。（5）减励磁：将发电机励磁电流减至给定值。（6）减出力：将原动机出力减至给定值。（7）缩小故障范围（母线解列）：断开母联或分段断路器。（8）信号：发出声光信号。（9）励磁切换：将励磁电源由工作励磁电源系统切换到备用励磁电源系统（10）厂用电源切换：由厂用工作电源供电切换到备用电源供电发电机保护的动作方式保护配置类型动作方式主保护 发电机纵差保护 发变组差动保护定子绕组匝间短路保护 转子回路两点接地保护 全停全停全停全停接地保护 定子接地（基波）保护 定子接地（三次谐波）保护 转子一点接地保护 全停发信号 发信号 失磁保护 失磁保护 t1段 t2、t3段 t4段 发信号 全停 切换厂用电过负荷保护 定子过负荷保护 定时限 反时限 发信号 解列灭磁 6.2 发电机的差动保护电流差动原理应用在发电机中构成发电机差动保护。发电机差动保护只能反映发电机内部相间短路故障。A相差动电流 ，如果 ，则A相发生相间短路；B相差动电流 ，如果 ，则B相发生相间短路；C相差动电流 ，如果 ，则C相发生相间短路。aAAcdIII.0.AcdIbBBcdIII.0.BcdIcCCcdIII.0.CcdI发电机差动保护作为发电机定子绕组及其出线的相间短路故障的主保护。规程规定发电机需要采用两套差动保护。为防止断线差动误动，任一相电流互感器断线，均应能闭锁差动，断线功能应设置开关，使其能投能退。任一相电流互感器断线都应发信号。差动保护瞬时动作于全停。发电机变压器组的差动保护（发变组大差动保护） 发变组大差动保护87GT的保护范围： （1）发电机； （2）主变； （3）发电机、主变、励磁变、厂用变之间的母线。 发变组大差动保护可以反应保护范围内的相间短路、变压器相间、匝间短路故障。 发电机的匝间短路保护一、裂相横联差动保护，可以反应相间短路和匝间短路故障A相裂相差动电流： ，如果 ，认为故障。B相裂相差动电流： ，如果 ，认为故障。C相裂相差动电流： ，如果 ，认为故障。21.aaAcdIII0.AcdI21.bbBcdIII0.BcdI21.ccCcdIII0.AcdI裂相横差动保护瞬时动作于跳闸。 发电机的匝间短路保护二、单元件横联差动保护动作条件是： ，其中 是动作整定值setHCIIsetI单元件横联差动保护可以反应相间短路和匝间短路故障。 发电机的匝间短路保护三、反应零序电压的匝间短路保护（纵向零序过电压保护）当发电机内部发生匝间短路或发生对中性点不对称的各种相间短路时，TV输出纵向基波零序电压，纵向零序电压保护正确动作。动作判据：发电机定子匝间保护作为发电机定子绕组匝间短路故障的主保护。保护瞬时动作于全停。setUU 03 6.3 发电机定子绕组接地保护如果定子绕组与铁芯间的绝缘遭到破坏，就会发生定子绕组单相接地故障。定子绕组单相接地故障的危害：（1）持续的接地电流会产生电弧烧损铁芯。对于额定电压大于10kV的发电机，安全电流仅约为1A。（2）接地电流将破坏定子绕组绝缘，扩大事故。发电机定子接地故障后较短的时间内，可能导致发生严重的定子绕组内部相间、匝间短路故障。发电机定子绕组接地保护正常情况下,发电机三相电压中的基波零序电压3Uo很小；当定子绕组单相接地故障时,就出现3Uo。利用基波零序电压构成定子绕组单相接地保护，采用过电压继电器，其动作方程为 ：反应基波零序电压的发电机接地保护（横向零序过电压保护）单相接地基波零序电压保护只能保护定子绕组靠近机端的85%左右，不能反映中性点附近的接地故障。opUU 03 是动作电压门槛值。opU 发电机定子绕组接地保护100%保护区的定子单相接地保护： 由两种保护共同组成（1）基波零序过电压保护，延时动作于全停。（2）三次谐波零序电压保护，延时动作于发信号。基波零序过电压保护负责定子绕组靠近机端85 的部分；三次谐波零序电压保护负责定子绕组靠近中性点的15部分。大型发电机定子接地保护应满足以下几个基本要求： （1）有100的保护区。 （2）保护区内任一点发生接地故障时，保护应有足够高的灵敏度。20Hz低频交流电源注入式的100定子接地保护方案判据：或opinopinIIUU0，其中 为20Hz电流有效值。inI 起停机定子接地保护起停机定子接地保护作为发电机升速升励磁尚未并网前的定子接地短路故障的保护，延时动作于灭磁。起停机定子接地保护是一种用于低频情况下的横向零序过电压保护。其横向零序电压可以取自发电机中性点侧。起停机定子接地保护的逻辑框图动作判据：setUU 03setU是零序电压动作门槛值，一般取10V（二次侧） 发电机启停机保护保护的作用：1、防止发电机、主变、高厂变在启动或停机过程中发生相间短路故障；2、防止发电机在启动或停机过程中发生定子接地故障。保护由以下两个元件构成：1、反应相间短路的差回路过电流保护；2、对于发电机定子接地故障的零序过电压保护。保护出口结果：动作于全停。由于启停机过程中频率低而导致常规保护不能正确动作，启停机保护采用了不受频率影响的算法，保证可靠切除启停机过程中的故障。 6.4 发电机的电流、电压保护发电机后备保护也可采用低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护、负序电流加单相式低电压起动的过电流保护、阻抗保护。一、复合电压起动的过电流保护 同变压器的复合电压起动的过电流保护。 动作条件是： （1）（相）过电流， 是相电流动作整定值。 （2）（相）低电压， （3）负序过电压， 复合电压起动的过电流保护的灵敏度比过电流保护高。setsetIII，NsetsetUUUU）（，6 . 05 . 0NsetsetUUUU1 . 0. 2. 22，二、发电机的定子过负荷保护（对称过负荷保护）是反应发电机定子绕组电流增大的过电流保护。1、定时限过负荷保护按大于发电机长期允许的负荷电流来整定。定时限段动作于跳闸。定时限段动作于信号。2、反时限过负荷保护反时限保护动作于解列或程序跳闸。三、负序电流保护对于容量为5万kW以上的发电机，需配置负序电流保护。不对称负荷或故障、非全相运行引起的定子绕组负序电流的危害：在转子本体和各部件上感应电流，导致转子过热，甚至烧伤转子。负序电流危害产生的原因：（1）定子绕组负序电流产生的定子合成磁场与正序电流产生的磁场转向相反，即逆转子旋转方向的旋转。相对于转子来说以2倍同步转速相对旋转。（2）负序电流产生的定子合成磁场切割转子，会在转子本体和各部件（如阻尼条）上感应两倍工频的涡流。（3）由于转子本体和各部件的自阻抗很小，涡流很大，导致转子过热，甚至烧坏转子本体表面及阻尼条。（4）使发电机转子产生100HZ的交变振动。发电机承受负序电流的能力：发电机定子绕组流过一定负序电流时，不使转子损坏的可以经受该负序电流存在的时间。定子负序电流越大，发电机可以承受的时间越短；定子负序电流越小，发电机可以承受的时间越长。发电机转子发热所容许的负序电流 （标么值）和时间t 之间的关系可以表示为：2I22IAt防止定子负序电流危害的措施是配置负序电流保护。（1）负序定时限过电流保护，延时动作于信号；（2）负序反时限过电流保护，延时动作于程序跳闸。 6.5 发电机励磁回路接地保护发电机转子一点接地保护的作用是防止励磁回路两点接地故障。发电机励磁回路两点接地故障的危害：（1）使转子磁场畸变，力矩不平衡，转子剧烈振动；（2）很大的故障电流烧坏励磁线圈和转子本体；（3）励磁回路两点接地使汽轮机磁化。发电机转子一点接地保护（乒乓式变电桥励磁回路一点接地保护）的工作原理：通过切换电桥两臂电阻值的大小，并利用在不同状态下测量的U1,U2的电压，计算出励磁绕组对地的绝缘电阻，从而判断是否发生一点接地故障。转子一点接地保护动作于发信号。发电机转子两点接地保护1、电桥式两点接地保护原理在求出一点接地的 和 后，通过开关S1、S2的不同状态，可以求解出 和 ，从而实现两点接地保护。1gR2gR2、定子电压二次谐波分量原理测量发电机机端定子二次正序谐波电压分量。setsUU. 22 .发电机转子两点接地、定子匝间短路都会产生二次电压分量。转子两点接地保护在发生一点接地后自动投入，延时动作于全停。7. 发电机的失磁保护发电机失磁故障的危害：（1）从系统中吸收大量无功功率，使系统电压降低，可能导致系统不稳定；（2）发电机失磁进入异步运行状态，转子表面感应差频电流，引起转子过热；（3）定子过电流；（4）异步运行后，发电机转矩、有功功率剧烈波动。发电机失磁是指发电机的励磁电流突然全部消失或部分消失。发电机失磁原因主要有： 灭磁开关误跳闸， 转子励磁绕组短接，励磁绕组回路开路以及交流励磁电源消失等。发电机失磁事故的处理发电机失磁事故的特征：（1）发电机转子电压降低或指示为零；（2）转子电流指示为零或指示异常，无功反向指示，功率因数指示进相；（3）发电机有功指示降低，定子电压指示降低，电流指示增大并摆动；（4）“失磁”保护动作信号发出。发电机失磁事故的处理：（1）如果失磁保护动作 ，则确认机组安全停运后，厂用电切换至备变供电；（2）如果该失磁保护未动作，应立即解列停机，厂用电切换至备变供电；（3）迅速查出故障原因并消除故障后，根据值长命令重新启动机组。发电机失磁保护阻抗判据的工作原理：根据发电机失磁后机端测量阻抗Z的变化轨迹来识别失磁故障。发电机失磁保护的逻辑原理发电机失磁保护通常由多个判据共同构成：1、发电机机端测量阻抗判据（ ）；2、转子励磁绕组低电压判据（ ）；3、主变高压侧低电压判据（ ）；4、发电机定子过电流判据（ ）。gZfUhUgI发电机的失步保护 发电机失步：发电机与系统失去同步（频率不相等），发电机处于振荡失步状态。发电机失步的危害：（1）振荡中心落在机端附近，使振荡过程对机组的影响加重了。机端电压周期性地严重下降，这点对大型汽轮发电机的安全运行特别不利。（2）定子绕组过电流，定子端部遭受机械损伤。（3）一台发电机失步可能扩大到整个电力系统，导致电力系统的崩溃。 大型发电机组必须装设失步保护，能够尽快检出失步故障，或者可以把失步振荡转化为稳定振荡，减轻振荡过程对电力系统的不利影响。发电机的失步保护的基本原理遮挡器特性失步保护原理。失步保护出口结果：（1）区外失步，动作于信号。即振荡中心位于发变组外部。（2）区内失步，动作于全停。即振荡中心位于发变组内部。电力系统振荡：并联运行的电力系统或发电厂之间出现功率角大范围周期性变化的现象，即发电机失步。发电机区外失步振荡的处理：（1）应适当增加励磁，发电机在频率上升时失步，保护动作于减出力；发电机在频率下降时失步，保护动作于增出力。（2）若为区外失步，应增加发电机励磁电流，维持机端电压，根据中调命令处理。（3）若为区内振荡，或振荡原因是由于发电机并列不当引起，应立即将发电机解列。（4）处理中，增加励磁电流时应注意不能使发电机过负荷跳闸，同时注意励磁调节器强励幅值不超过2倍额定值，时间不能超过10秒。（5）立即把情况汇报中调，以便取得系统协助，尽快消除振荡。 6.7 发电机的逆功率保护发电机逆功率：汽轮机主汽门误关闭而高压侧断路器未跳开时，发电机将从系统中吸收有功功率。发电机逆功率的危害：造成汽轮机尾部叶片过热，易折断。发电机逆功率保护的工作原理： ，保护动作。0cosUIP逆功率保护动作结果：（1）发信号（2）解列、切换厂用电源。 t1=15s， t2=23min程序逆功率保护：发电机在过负荷、过励磁等异常运行保护动作后，需要程序跳闸时采用。 6.8 发电机的过励磁保护发电机过励磁：在发电机中有1NBBfU造成发电机铁芯部分饱和，是铁芯损耗增大，引起局部过热；另外，会使定子铁芯背部漏磁场增强，引起定位筋和铁芯中电流急剧增大，引起过热。1、定时限过励磁保护保护动作后可以发全停，或发信号。延时可整定。2、反时限过励磁保护过激磁倍数整定值一般在1.01.5之间, 时间延时考虑最大到3000秒。反时限过励磁保护延时动作于全停。 6.9 发电机的误上电保护发电机误上电（误合闸）：（1）发电机盘车时，未加励磁，断路器误合，造成发电机异步起动。（2）发电机起停过程中，已加励磁，但频率异常，断路器误合。（3）高厂变低压开关误合闸，造成发电机异步启动或非同期合闸。发电机误上电保护原理发电机误上电保护延时动作于全停。 6.10 发电机的断路器断口闪络保护断路器断口闪络：接在220kV以上电压系统中的大型发电机-变压器组，在进行同步并列的过程中，作用于断口上的电压，随待并发电机与系统等效发电机电势之间相角差的变化而不断变化，当=180时其值最大，为两者电势之和。当两电势相等时，则有两倍的相电压作用于断口上，有时要造成断口闪络事故。断路器断口闪络的危害：一般是一相或两相闪络，产生负序电流，威胁发电机的安全。断口闪络除给断路器本身造成损坏，并且可能由此引起事故扩大，破坏系统的稳定运行。断路器断口闪络保护的动作条件：（1）断路器辅助触点三相断开：（2）机端有负序电流。断路器断口闪络保护首先动作于灭磁，失效时动作于断路失灵保护。 发电机的非全相运行主断路器断口闪络、失灵，单相重合闸过程中都会产生发电机非全相运行状态。发电机非全相运行的危害：（1）产生负序电流，在转子本体和各部件上感应电流，导致转子过热，甚至烧伤转子；（2）发电机发生振动，声音异常，损害发电机转子。发电机非全相运行的处理：（1）在非全相状态下，严禁手动关闭汽轮机主汽门，严禁切断发电机励磁；（2）若继电保护未启动，可以用按手操按钮断主开关一次，若仍断不开，应立即联系上级变电站断开对侧开关；