发电机及主保护简介1230.pdf

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1、发电机及主保护简介 发电机是汽轮发电机组三大重要组成部分之一。一、发电机工作原理：在定子铁芯槽内沿定子铁芯内圆，每相隔 120o分别安放着放有 A、B、C三相并且线圈匝数相等的线圈，转子上有励磁绕组（也称转子绕组）R-L。通过电刷和滑环的滑动接触，将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组，产生稳恒的磁场。当发电机转子被汽轮机转子带动以 n1(3000转每分钟)速旋转时，定子绕组（也称电枢绕组）不断地切割磁力线，在定子线圈中产生感应电动势（感应电压），发电机和外面线路上的负载连接后输出电压。二、发动机的结构组成：发电机通常由定子、转子、端盖及轴承等部件构成。发电机定子的组成：发电机定子主要由机座、

2、定子铁芯、定子绕组、端盖等部分组成。1）机座与端盖：机座是用钢板焊成的壳体结构，它的作用主要是支持和固定定子铁芯和定子绕组。此外，机座可以防止氢气泄漏和承受住氢气的爆炸力。在机壳和定子铁芯之间的空间是发电机通风（氢气）系统的一部分。由于发电机定子采用径向通风，将机壳和铁芯背部之间的空间沿轴向分隔成若干段，每段形成一个环形小风室，各小风室相互交替分为进风区和出风区。这些小室用管子相互连通，并能交替进行通风。氢气交替地通过铁芯的外侧和内侧，再集中起来通过冷却器，从而有效地防止热应力和局部过热。端盖是发电机密封的一个组成部分，为了安装、检修、拆装方便，端盖由水平分开的上、下两半构成，并设有端盖轴承。

3、在端盖的合缝面上还设有密封沟，沟内充以密封胶以保证良好的气密。2）定子铁芯：定子铁芯是构成发电机磁路和固定定子绕组的重要部件。为了减少铁芯的磁滞和涡流损耗，定子铁芯采用导磁率高、损耗小、厚度为 0.5mm的优质冷轧硅钢片冲制而成。每层硅钢片由数张扇形片组成一个圆形，每张扇形片都涂了耐高温的无机绝缘漆。冲片上冲有嵌放线圈的下线槽及放置槽楔用的鸽尾槽。扇形冲片利用定子定位筋定位，通过球墨铸铁压圈施压，夹紧成一个刚性圆柱形铁芯，用定位筋固定在内机座上。齿部是通过压圈内侧的非磁性压指来压紧。边段铁芯涂有粘接漆，在铁芯装压后加热，使其粘接成一个牢固的整体，进一步提高铁芯的刚度。3）定子绕组：定子绕组是由

4、嵌入铁芯槽内的绝缘线棒在端部联结成的线圈，绕组端部为篮式结构，并且由引线环连接成固定的相带。采用连续式 F 级环氧粉云母绝缘系统，表面有防晕处理措施。轴向可沿支架滑销方向自由移动，减少由于负荷或工况变化而在定子绕组和支撑系统中引起的应力，满足机组调峰运行的要求。在负载运行条件下，定子绕组会产生自感应涡流损耗，为减少这种损耗，定子线棒采用了罗贝尔换位形式。所谓换位，就是在线棒编织时，让每根线棒沿轴向长度，分别处于槽内不同高度的位置，这样每根线棒的漏电抗相等，使每根导体内电流均匀，减少直线及端部的横向漏磁通在各股导体内产生的环流及附加损耗。定子线棒由矩形的空心和实心股线混合编织而成，定子绕组就是通

5、过空心股线中的水介质来冷却的。定子线棒端部的所有股线均焊接到水电接头上，通过铜带将两根线棒水电接头焊在一起形成电气连接，构成一匝线圈；而所有空心股线中的冷却水通过水电接头的水路接至靠滑环端的汇流母管，并经绝缘引水管进入线圈。在发电机的集电环端设有一条进水母管；在汽机端部设有一条出水母管。冷却水流通道为单向型，即从集电环端流向汽机端。发电机转子：1）转子本体：发电机转子是由一根整体合金钢锻件加工而成，在转子本体上径向地开有许多纵向槽用于安装转子绕组，作为磁路。转子绕组在槽内由铝合金和钢槽楔紧固以抵御转子旋转所产生的离心力。这种磁性和非磁性两种槽楔的应用能够保证合理的分布磁通。这些槽楔均楔入了转子

6、槽口处的鸽尾槽内。转子大齿上加工横向槽（即月牙槽），用于均衡大、小齿方向的刚度，以避免由于它们之间的较大差异而产生倍频振动。2）转子绕组：转子绕组由高强度含银铜线制成，具有较高的抗蠕变能力，从而提高了发电机承担调峰负荷的能力。为防止由于离心力的作用，对转子绕组端部产生破坏，转子线圈放入槽内后，槽口用铝合金槽楔和钢槽楔固紧，以抵御转子高速旋转产生的离心力。非磁性槽楔和磁性槽楔的应用，保证了合理的磁通分布。采用了高强度、非磁性合金钢锻件加工而成的护环，热套在转子本体两端，采用悬挂式嵌装，一端与转子本体热套配合，另一端为悬挂式。转子绕组与护环之间采用模压的绝缘环绝缘。为了隔开和支撑端部线圈，限制它们

7、之间由于温差和离心力引起的位移，端部绕组间隔块放置了模压的环氧玻璃布绝缘块。转子槽衬用含云母、玻璃纤维等材料的复合绝缘压制而成，具有良好的绝缘性能和机械性能。槽衬内表面和端部护环绝缘内表面涂有低摩檫系数的干性滑移剂，使转子铜线在负荷及工况变化引起热胀冷缩时可沿轴向自由收缩，以满足发电机调峰运行的要求。3）转子引线和集电环：通过转子引线与集电环以及电刷装置，可以给发电机提供额定出力及强励时所需的励磁电流。转子电流通过电刷通入热套在转子外伸端的集电环，再通过与集电环相联接的径向和轴向导电螺杆传到转子绕组。导电螺杆用高强度和高导电率的铜合金制成。导电螺杆与转轴之间有密封结构以防漏氢。集电环用耐磨合金

8、钢制成，是一对带沟槽的钢环，经绝缘后热套在转子轴上的。在集电环与转轴之间设有绝缘套筒。集电环上加工有轴向和径向通风孔。表面的螺旋沟可以改善电刷与集电环的接触状况，使电刷之间的电流分配均匀。两集电环间设有同轴离心式风扇以冷却集电环和电刷。4）护环、中心环、阻尼环：因为转子旋转时，转子线圈端部受到很大的离心力的作用，为了防止对转子线圈端部的破坏，采用了非磁性、高强度合金钢锻件加工而成的护环来保护转子线圈端部。护环分别装配在转子本体两端，与本体端热套配合，另一端热套在悬挂的中心环上。转子线圈与护环之间采用模压的绝缘环绝缘。为了隔开和支撑端部线圈，限制它们之间由于温差和离心力引起的位移，端部线圈间放置

9、了模压的环氧玻璃布绝缘块。中心环对护环起着与转轴同心的作用，当转子旋转时，轴的挠度不会使护环受到交变应力作用而损伤。中心环还有防止转子线圈端部轴向位移的作用。为减少由于不平衡负荷产生的负序电流在转子上引起的发热，提高发电机承受不平衡负荷（负序电流和异步运行）的能力，采用了半阻尼绕组，在转子本体两端（护环下）设有阻尼绕组。该半阻尼绕组只在转子两端装梳齿状的用紫铜板制成的阻尼环，其梳齿伸进每个槽及大齿上阻尼槽的槽楔下，由槽楔压紧。阻尼电流通路是由护环、槽楔、阻尼铜条形成的阻尼系统。5）碳刷：碳刷是将励磁电流投入高速旋转的转子绕组的关键部件。为了能在发电机运行时安全、迅速地更换电刷，采用了盒式刷握结

10、构。每次可换一组（4 个）电刷。通入转子励磁电流的电刷是由天然石磨材料粘结制成。碳刷具有低的摩擦系数和自润滑作用。每个碳刷带有两柔性的铜引线（即刷辫）。采用恒压式弹簧径向地装在刷盒上，从而在电刷长度达到磨损极限之前没必要调整弹簧压力。弹簧的压力施加在碳刷中心线上，弹簧是一种螺旋式的，压力是恒定的。刷架采用左右分瓣把合结构，由导电环、刷座及风罩等部件组成，对地绝缘。电刷的更换：正常操作条件下，电刷磨损量在 1000小时时为 1015mm，当电刷长度达到接近磨损极限时，电刷软导线处于几乎完全伸长的状态。因此，电刷运行一段时间应经常检查，密切注意，当发现电刷过短时应及时进行更换。发电机通风系统：高速

11、汽轮发电机为了减少因离心力而产生的机械应力以及降低风摩耗，转子直径一般做得比较小，长度比较大，即采用细长的转子。特别是在 3000转分以上的大容量高速机组，由于材料强度的关系，转子直径受到严格的限制，一般不能超过 1.2米。而转子本体的长度又受到临界速度的限制。当本体长度达到直径的 6 倍以上时,转子的第二临界速度将接近于电机的运转速度，运行中可能发生较大的振动。所以大型高速汽轮发电机转子的尺寸受到严格的限制。10 万千瓦左右的空冷电机其转子尺寸已达到上述的极限尺寸,要再增大电机容量,只有靠增加电机的电磁负荷来实现。为此必须加强电机的冷却。所以 5 10 万千瓦以上的汽轮发电机都采用了冷却效果

12、较好的氢冷或水冷技术。发电机以氢气作为主要冷却介质，采用径向多流式密闭循环通风方式运行，定子绕组采用单独的水冷却系统，而氢气冷却系统，包括风扇盒氢气冷却器完整地放置于发电机内部。1）定子通风系统：发电机定子铁芯沿轴向分为 13 个风区，6个进风区和 7个出风区相间布置。装在转子上的两个轴流风扇（汽、励侧各一）将风分别鼓入气隙和铁芯背部，进入背部的气流沿铁芯径向风道冷却进风区铁芯后进入气隙；少部分风进入转子槽内风道，冷却转子绕组；其它大部分再折回铁芯，冷却出风区的铁芯，最后从机座风道进入冷却器；被冷却器冷却后的氢气进入风扇前再循环。这种交替进出的径向多流通风保证了发电机铁芯和绕组的均匀冷却，减少

13、了结构件热应力和局部过热。为了防止风路的短路，常在定、转子之间气隙中冷热风区间的定子铁芯上加装气隙隔环，以避免由转子抛出的热风吸入转子再循环。2）转子通风系统：转子本体段的导体冷却采用的是“气隙取气”系统：在转子线棒凿了两排不同方向的斜流孔至槽底，于是，沿转子本体轴向就形成了若干个平行的斜流通道。通过这些通道，氢气交替的进入和流出转子绕组进风口的风斗，迫使冷却氢气与转子转速相匹配的速度通过斜流通道到达导体槽的底部，然后拐向另一侧同样沿斜流通道流出导体。从每个进风口鼓进的冷风是分成两条斜流通道向两个方向流进导体，同样，有两条出风通道汇流在一起从出风口流出进入气隙。3）氢气冷却器：为减少氢冷发电机

14、的通风阻力和缩短风道，氢气冷却器安放在机座内的矩形框内。冷却器为四组，立放在发电机机座的四角。冷却器和机座间的密封垫结构既可以密封氢气，又可以在冷却器因温度变化胀缩时起到补偿作用，从而始终起到良好的密封作用。氢气冷却器的水箱结构保证了发电机在充氢的状态下，可以打开水箱清洗冷却水管，当冷却器水管从外部水管拆开后，氢气冷却器可以从发电机中抽出。图21 发电机结构原理图 图22 发电机剖视图 三、发电机的型号说明：QFSN-660-2-22BQ汽轮机拖动 F 发电机 S 定子绕组水冷 N 转子绕组氢内冷 660额定功率 2 两极 22定子额定电压 22KV。水氢氢冷却方式：定子线圈（包括定子引线）直

15、接水冷、转子线圈直接氢冷（气隙取气方式），定子铁心氢冷。发电机采用密闭循环通风冷却，机座内部的氢气由装于转子两端的轴流式风扇驱动。集电环和电刷空气冷却，两集电环间设有离心式风扇。轴承为强迫润滑（由汽机润滑油系统供油）。发电机配有氢油水控制系统，以提供和控制发电机冷却用氢气，密封油和定子线圈冷却用水。四、发电机的分类：1、按冷却方式分为：水冷，空冷(就是自然冷却)，氢冷，复合冷却(水空冷水氢冷)。2、按励磁方式分为：自励和他励两种。自励分自并励和自复励，他励分为直流发电机供电和交流励磁机（变压后）供电两种。3、按同异步分：同步，异步发电机。同步发电机是转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流发电机

16、。转子转速与定子旋转磁场的转速不相同的交流发电机叫异步发电机，如风力发电机。4、按中性点接地方式分为：采用不接地、经消弧线圈接地、经电阻或直接接地三种方式。发电机一般都接成星形，主要有两点好处。一是可消除高次谐波的存在；二是如果接成三角形的话，当内部故障或绕组接错造成三相不对称，此时就会产生环流，将发电机损坏。这里主要讲高次谐波危害，高次谐波中最主要的成分是三次谐波，它是以为槽与槽之间磁场的间断分布产生的。基波的一个周期相当于三次谐波的三个周期，也就是说，基波的 360 相当于三次波的 3360，这样，由于基波各差 120 相位，对于三次波来说是 3120=360 ，角度差 360 就相当于没

17、有相位差，它们是同相的，因此，如果发电机接成三角形的话，就会产生环流，而接成星形则可以相互抵消。（1）、发电机中性点不接地方式:当发电机单相接地时,接地点仅流过系统另两相与发电机有电气联系的电容电流,当这个电流较小时,故障点的电弧常能自动熄灭,故可大大提高供电的可靠性。它主要缺点是内部过电压对相电压倍数较高。（2）、发电机中性点经消弧线圈接地:当发电机电容电流较大时,一般采用中性点经消弧线圈接地,这主要考虑接地电流大到一定程度时接地点电弧不能自动熄灭。而且接地电流若烧坏定子铁芯时难以修复。中性点接了消弧线圈后,单相接地时可产生电感性电流,补偿接地点的电容电流而使接地点电弧自动熄灭。（3）、发电

18、机中性点经电阻或直接接地:这种方式虽然单相接地较为简单和内部过电压对相电压的倍数较低,但是单相接地短路电流很大,甚至超过三相短路电流,可能使发电机定子绕组和铁芯损坏,而且在发生故障时会引起短路电流波形畸变,使继电保护复杂化 五、哈密电厂发电机参数：2.1.3.1 发电机的参数：名称 参数 名称 参数 型号 QFSN-660-2-22B 额定功率因数：0.9（滞后）额定容量 733MVA 额定功率 660MW 定子额定电压 UN 22kV 额定励磁电压 UFn 426V 定子额定电流 IN 19245 A 额定励磁电流 IFn 4675 A 额定频率 fN 50Hz 空载励磁电压 UF0 152

19、.5V 额定转速 nN 3000r/min 空载励磁电流 If0 1792.7 A 定子接线方式 YY 冷却方式 水氢氢 励磁方式 自并励静止可控硅励磁 进口 ABB 强励顶值电压 2 倍额定励磁电压（机端额定电压降至 80%）强励持续时间 20 秒 额定效率 98.85%相数 3 极数 2 额定氢压 0.45MPa 氢冷器最高进水温度 38 噪声（机壳 1 米、高 1.2米处）85 分贝 额定氢压运行时的漏氢量 10Nm3/24小时（0.45MPa）定子、转子、定子铁芯绝缘等级 F 级（温升按 B 级考核）制造厂 东方电气集团东方电机有限公司 6.1发变组保护概述 大型发变组单机容量大、造价

20、昂贵，保护的拒动或误动将造成十分严重的后果，所以大型机组继电保护的技术指标要求更高。自并励励磁方式和发电机出口开关的应用，使保护的设置和出口方式上和常规发电机变压器组相比发生了显着的变化。发电机是电力系统中最主要的设备，大容量机组在系统中的地位举足轻重，如何保障发电机在电力系统中的安全运行，就显得非常重要。由于大容量机组一般采用直接冷却技术，体积和质量并不随容量成比例增大，从而使得大型发电机各参数与中小型发电机已大不相同，因此故障和不正常运行时的特性也与中小型机组有了较大差异，给保护带来复杂性。大型发电机组与中小型发电机组相比，主要不同点表现在：1）短路比减小，电抗增大。大型发电机的短路比大约

21、减小到 0.5左右，各种电抗都比中小型发电机大。因此大型发电机组的短路水平反而比中小型机组的短路水平低，这对继电保护是十分不利的。由于dx的增大，使发电机的静稳储备系数chK减小，因此在系统受到扰动或发电机发生失磁故障时，很容易失去静态稳定。由于dx、dx、dx等参数的变大，使发电机平均异步转矩大大降低，约从中小型发电机的 2 3 倍额定值减小至额定值左右。于是失磁后异步运行时滑差增大，允许异步运行的负载更小、时间更短，另一方面要从系统吸取更多的无功功率，对系统稳定运行不利。2）时间常数增大。大型发电机组定子回路时间常数aT和比值daTT/显着增大，短路时定子非周期电流的衰减较慢，整个短路电流

22、偏移在时间轴一侧若干工频周期，使电流互感器更容易饱和，影响大机组保护正确工作。3）惯性时间常数降低。大容量机组的体积并不随容量成比例地增大，有效材料利用率提高，其直接后果是机组的惯性常数 H明显降低，600MW发电机的惯性时间常数在 1.75左右，在扰动下机组更易于发生振荡。4）热容量降低。有效材料利用率提高的另一后果是发电机的热容量（WS/）与铜损、铁损之比显着下降。例如 200MW及更小的发电机的定子绕组对称过负荷能力为 1.5倍额定电流，允许持续运行 120S，转子绕组过负荷能力为 2倍额定激磁电流，允许持续运行 30S；对于 600MW汽轮发电机，定子绕组过负荷能力规定为 1.5倍额定

23、电流、30S，转子绕组过负荷能力为 2 倍额定激磁电流、10S。转子表层承受负序过负荷的能力tI22，中小汽轮发电机组（间接冷却方式）为 30S，600MW（直接冷却方式）汽轮发电机减小到 10S。6.2发电机主要故障和异常 6.2.1 定子绕组的相间短路 反应发电机定子相间短路，保护发电机定子。一般装设纵联差动保护装置，保护压板均投“跳闸”位置，瞬时动作于全停。发电机定子绕组发生相间短路若不及时切除，将烧毁整个发电机组，引起极为严重的后果，必须有二套或两套以上的快速保护反应此类故障。动作结果：跳发变组出口开关、跳发电机励磁开关、跳汽机。6.2.2 定子绕组匝间短路 单机容量的增大，汽轮发电机

24、轴向长度与直径之比明显加大，这将使机组运行中振动加剧，匝间绝缘磨损加快，有时还可能引起冷却系统的故障，因此装设灵敏的匝间短路保护，用作发电机定子绕组的匝间短路、分支开焊故障以及相间短路的主保护。因为冲击电压波沿定子绕组的分布是不均匀的，波头越陡，分布越不均匀，因此由机端进入发电机的冲击波，有可能首先在定子绕组的始端发生匝间短路，有鉴于此，大型机组均在机端装设三相对地的平波电容和氧化锌避雷器，即使这样也不能完全排除冲击过电压造成的发电机匝间绝缘损坏，因此也希望装设匝间短路保护。发电机定子绕组发生匝间短路会在短路环内产生很大电流。由于工作原理不同，发电机纵差保护将不能反应。目前为止，反应发电机定子

25、匝间短路的保护有：单元件横差保护、负序功率方向保护、纵向零序电压保护和转子二次谐波电流保护。6.2.3 定子单相接地 定子绕组的单相接地（定子绕组与铁芯间的绝缘破坏）是发电机最常见的一种故障，定子故障接地电流超过一定值就可能造成发电机定子铁芯烧坏，而且发电机单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆。在我国，为了确保大型发电机的安全，不使单相接地故障发展成相间故障或匝间短路，使单相接地故障处不产生电弧或者使接地电弧瞬间熄灭，这个不产生电弧的最大接地电流被定义为发电机单相接地的安全电流。其值与发电机额定电压有关，18kV及以上发电机接地电流允许值为 1A。发电机的中性点接地方式与定子接地保护的构成密

26、切相关，同时中性点接地方式与单相接地故障电流、定子绕组过电压等问题有关。大型发电机中性点接地方式和定子接地保护应该满足三个基本要求，即：1）故障点电流不应超过安全电流，否则保护应动作于跳闸。2）保护动作区覆盖整个定子绕组；有 100%保护区，保护区内任一点接地故障应有足够高的灵敏度。3）暂态过电压数值较小，不威胁发电机的安全运行。大型发电机中性点采用何种接地方式，国内一直存在着是采用消弧线圈还是采用高阻接地争议。建议采用消弧线圈接地者，认为可以将接地电流限制在安全接地电流以下，熄灭电弧防止故障发展，从而可以争取时间使发电机负荷平稳转移后停机，减小对电网的冲击。而实际上我国就曾有过发电机接地电流

27、虽小于安全电流，长时间运行最终还是发展成相间短路的教训。中性点经配电变压器高阻接地方式是国际上与变压器接成单元的大中型发电机中性点最广泛采用的一种接地方式，设计发电机中性点经配电变压器接地，主要是为了降低发电机定子绕组的过电压（不超 2.6倍的额定相电压），极大地减少发生谐振的可能性，保护发电机的绝缘不受损。但是发电机单相容量的增大，一般使三相定子绕组对地电容增加，相应的单相接地电容电流也增大，另外，发电机中性点经配电变压器高阻接地必然导致单相接地故障电流的增大，其数值美、日、法、瑞士等国以控制在 15A以下为标准，这些国家认为在此电流下持续 5 10min，定子铁芯只受轻微损伤。为保证大型发

28、电机的安全，中性点经配电变压器高阻接地的 600MW机组必须使定子接地保护动作于发电机故障停机。6.2.4 失磁 失磁保护反应发电机励磁回路故障引起的发电机异常运行。发电机低励（表示发电机的励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流）或失磁，是常见的故障形式。发电机低励或失磁后，将过渡到异步发电机运行状态，转子出现转差，定子电流增大，定子电压下降，有功功率下降，无功功率反向并且增大；在转子回路中出现差频电流；电力系统的电压下降及某些电源支路过电流。所有这些电气量的变化，都伴有一定程度的摆动。1）对电力系统来说，低励或失磁后所产生的危险，主要表现在以下几个方面：低励或失磁的发电机，由发出无功功率转为从

29、电力系统中吸收无功功率，从而使系统出现巨大的无功差额，发电机的容量越大，在低励和失磁时产生的无功缺额越大，如果系统中无功功率储备不足，将使电力系统中邻近的某些点的电压低于允许值，甚至使电力系统因电压崩溃而瓦解。当一台发电机发生低励或失磁后，由于电压下降，电力系统的其它发电机在自动励磁调节器的作用下自动增大无功输出，从而使某些发电机、变压器或线路过电流，其后备保护可能因过流而跳闸，使故障范围扩大。一台发电机低励或失磁后，由于该发电机有功功率的摆动，以及系统电压的下降，可能导致相邻的正常运行发电机与系统之间，或电力系统的各部分之间失步，使系统产生振荡，甩掉大量负荷。2）对发电机本身来说，低励或失磁

30、产生的不利影响，主要表现在以下几个方面：由于出现转差，在发电机转子回路中出现差频电流。对于直接冷却高利用率的大型机组，其热容量裕度相对降低，转子更容易过热。流过转子表层的差频电流，还可能使转子本体与槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热甚至灼伤。低励或失磁的发电机进入异步运行之后，发电机的等效电抗降低，从电力系统中吸收的无功功率增加。低励或失磁前带的有功功率越大，转差就越大，等效电抗就越小，所吸收的无功功率就越大。在重负荷下失磁后，由于过电流，将使定子过热。对于直接冷却高利用率的大型汽轮发电机，其平均异步转矩的最大值较小，惯性常数也相对降低，转子在纵轴和横轴方面，也呈较明显的不对称。由于这些原

31、因，在重负荷下失磁后，这种发电机的转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动，将有很大甚至超过额定值的电磁转矩周期性地作用到发电机的轴系上，并通过定子传递到机座上。此时，转差也作周期性变化，其最大值可能达到 4%5%，发电机周期性地严重超速。这些都直接威胁着机组的安全。低励或失磁运行时，定子端部漏磁增强，将使端部的部件和边段铁芯过热。由于发电机低励和失磁对电力系统和发电机本身的上述危害，为保证电力系统和发电机的安全，必须装设低励失磁保护，以便及时发现低励和失磁故障并采取必要的措施。失磁保护检出失磁故障后，可采取的措施之一，就是迅速把失磁的发电机从电力系统中切除，这是最简单的办法。但是，失磁对电力系统

32、和发电机本身的危害，并不象发电机内部短路那样迅速地表现出来。另一方面，大型汽轮发电机组，突然跳闸会给机组本身及其辅机造成很大的冲击，对电力系统也会加重扰动。汽轮发电机组有一定的异步运行能力，例如，东方电机厂生产的 600MW汽轮机组在失磁后允许 40%负荷持续运行 15min。因此，对于汽轮发电机，失磁后还可以采取另一种措施，即监视母线电压，当电压低于允许值时，为防止电力系统发生振荡或造成电压崩溃，迅速将发电机切除；当电压高于允许值时，则不应当立即把发电机切除，而是首先采取降低原动机出力等措施，并随即检查造成失磁的原因，予以消除，使机组恢复正常运行，以避免不必要的事故停机。如果在发电机允许的时

33、间内，不能消除造成失磁的原因，则再由保护装置或由操作人员手动停机。在我国电力系统中，就有过多次 10300MW机组失磁之后用上述方法避免事故停机的事例。通过大量研究并试验，证明容量不超过 800MW的二极汽轮发电机若失磁机组快速减载到允许水平，只要电网有相应无功储备，可确保电网电压，失磁机组的厂用电保持正常工作的情况，失磁机组可不跳闸，尽快恢复励磁。应当明白一点，发电机低励产生的危害比完全失磁更严重，原因是低励时尚有一部分励磁电压，将继续产生剩余同步功率和转矩，在功角 0 360的整个变化周期中，该剩余功率和转矩时正时负地作用在转轴上，使机组产生强烈的振动，功率振荡幅度加大，对机组和电力系统的

34、影响更严重，如图 6 1 所示。此情况下一般失步保护会动作，如果失步保护未动作，出于大机组的安全考虑，应迅速拉开灭磁开关。发电机低励和失磁状况下的波形如下：发电机低励和失磁状况下的波形 6.2.5 转子接地故障 转子绕组绝缘破坏常见的故障形式有两种：转子绕组匝间短路和励磁回路一点接地。发电机转子在运输或保存过程中，由于转子内部受潮、铁芯生锈，随后铁锈进入绕组，造成转子绕组主绝缘或匝间绝缘损坏；转子加工过程中的铁屑或其它金属物落入转子，也可能引起转子主绝缘或匝间绝缘的损坏；转子绕组下线时绝缘的损坏或槽内绕组发生位移，也将引发接地或匝间短路；氢内冷转子绕组的铜线匝上，带有开启式的进氢和出氢孔，在启

35、动或停机时，由于转子绕组的活动，部分匝间绝缘垫片发生位移，引起氢气通风孔局部堵塞，使转子绕组局部过热和绝缘损坏；运行中转子滑环上的电流引线的导电螺钉未拧紧，造成螺钉绝缘损坏；电刷粉末沉积在滑环下面的绝缘突出部分，使励磁回路绝缘电阻严重下降。转子绕组匝间短路多发生在沿槽高方向的上层线匝，对于气体冷却的转子，这种匝间短路不会直接引起严重后果，也无需立即消除缺陷，所以并不要求装设转子绕组匝间短路保护。转子绕组匝间短路的故障处理没有统一的标准，一旦发现这类故障，发电机是否继续运行应综合考虑现有的运行经验、故障的形式和特点、故障发现在机组运行期间或预防性试验中或机组安装时等诸多因素。我国某些电厂根据转子

36、绕组的绝缘状况、机组的振动水平和输出无功功率的减少程度，决定机组是否停机检修。转子一点接地对汽轮发电机组的影响不大，一般允许继续运行一段时间。发电机组发生一点接地后，转子各部分对地电位发生变化，比较容易诱发两点接地，汽轮发电机一旦发生两点接地，其后果相当严重，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，可能因过热而烧伤；由于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡，从而引起振动。励磁回路两点接地，还可使轴系和汽机磁化。励磁回路两点接地，即使保护正确动作，从防止汽缸和大轴磁化方面来看，已为时晚矣。一台 30 万千瓦汽轮发电机，因励磁回路两点接地使大轴和汽缸磁化

37、，为退磁需停机一个月以上，各项经济损失需上千万元。励磁回路发生两点接地故障引起的后果非常复杂，处理很麻烦。近年来，大型汽轮发电机均装设一点接地保护。但在一点接地保护动作于信号还是动作于跳闸的问题上，存在着不同的看法。主张动作于信号者，则考虑装设两点接地保护；主张动作于停机者，则认为不必再装设两点接地保护，这有利于避免发生汽机磁化。另外，由于目前尚缺少选择性好、灵敏度高、经常投运且运行经验成熟的励磁回路两点接地保护装置，所以也有不装设两点接地保护的意见，进口大型机组，很多不装两点接地保护。ABB公司的 UN5000型励磁系统中带有电桥式转子接地保护装置，他们对转子接地保护的设计思想是：当励磁回路

38、绝缘电阻下降到一定值时报警，继续下降至一定值时，保护动作切除发电机组，以防止发生两点接地导致灾难性事故。6.2.6 定子对称过负荷 发电机对称过负荷通常是由于系统中大电源切除、生产过程短时冲击性负荷、大型电动机自起动、强行励磁、失磁、同期操作及振荡等原因引起的。对于大型发电机，定子和转子的材料利用率很高，发电机的热容量（WS/）与铜损、铁损之比显着下降，因而热时间常数也比较小。从限制定子绕组温升的角度，实际上就是要限制定子绕组电流，所以实际上对称过负荷保护，就是定子绕组对称过流保护。发电机过负荷，即要在电网事故情况下充分发挥发电机的过负荷能力，对电网起到最大程度的支撑，又要在危及发电机安全的情

39、况及时将发电机解列，防止发电机的损坏。对于 600MW汽轮发电机，发电机具有一定的短时过负荷能力，从额定工况下的稳定温度起始，能承受 1.3倍额定定子电流下运行至少一分钟。允许的电枢电流和持续时间（直到 120秒）如下表所示：发电机定子绕组过负荷能力 时间（秒）10 30 60 120 电枢电流（%）226 154 130 116 大型发电机定子过负荷保护，跟据过负荷能力，一般由定时限和反时限两部分组成。6.2.7 定子不对称过负荷 电力系统中发生不对称短路，或三相负荷不对称（大型单相负荷）时，将有负序电流流过发电机的定子绕组，并在发电机转子中产生两倍同步转速的磁场，从而在转子中产生倍频电流。

40、汽轮发电机转子由整块钢锻压而成，绕组置于槽中，倍频电流由于集肤效应的作用，主要在转子表面流通，并经转子本体槽楔和阻尼条，在转子的端部附近约 10%30%的区域内沿周向构成闭合回路。这一周向电流，有很大的数值，例如一台 600MW机组，可达 250300kA。这样大的频倍电流流过转子表层时，将在护环与转子本体之间和槽楔与槽壁之间等接触上形成热点，将转子烧伤。倍频电流还将使转子的平均温度升高，使转子挠性槽附近断面较小的部位和槽楔、阻尼环与阻尼条等分流较大的部位，形成局部高温，从而导致转子表层金属材料的强度下降，危及机组的安全。此外，转子本体与护环的温差超过允许限度，将导致护环松脱，造成严重的破坏。

41、为防止发电机的转子遭受负序电流的损伤，大型汽轮发电机都要求装设比较完善的负序电流保护，因为他保护的对象是发电机转子，是转子表层负序发热的唯一主保护，因此，习惯上称它为发电机转子表层负序过负荷保护，它由定时限和反时限两部分组成。发电机转子长期承受负序电流的能力和短时承受负序电流发热的能力tI22，是整定负序电流保护的依据。6.2.8 励磁回路过流 我厂 660MW发电机，在额定工况稳定温度下，发电机励磁绕组允许在励磁电压为 125%额定值下运行一分钟，允许的励磁电压与持续时间（直到 120秒）如下表所示：发电机励磁绕组过负荷能力 时间（秒）10 30 60 120 励磁电压（%）208 146

42、125 112 在发电机过励限制器失灵或强励动作后返回失灵时，为了使发电机励磁绕组不致过热损坏，装设有：定时限和反时限励磁绕组过负荷保护，后者作用解列灭磁。针对发电机的各种工况，自动调整励磁装置都设有励磁限制，为防止励磁绕组过电流，设有过励限制器，防止励磁绕组过负荷，可靠性由励磁调节器来保证。三套反时限保护的作用：定子过负荷、转子表层负序过负荷、励磁回路过负荷三套反时限保护有各自明确的保护职责，特别是第二个反时限保护，它是转子表层负序发热的唯一主保护，完全由发电机的转子安全来决定它的动作延时大小。这三套过负荷保护，被看作是发电机安全运行的一道屏障，在灵敏度和延时方面，都不考虑与其他短路保护相配

43、合，发电机的发热状况，是其整定的唯一根据，用于在各种异常运行情况下保障机组的安全。经实例计算，利用上述反时限电流保护，外部远处短路时动作往往太慢，外部近处短路时动作又可能太快，不符合后备保护选择性要求。对于大机组已有双重主保护，两套主保护互为快速后备，并且配备专用的后备保护，利用此三套反时限保护来兼作后备保护的现实意义不大。6.2.9 过电压 大型汽轮发电机运行中出现危及绝缘安全的过电压是比较常见的现象，当满负荷下突然甩去全部负荷，电枢反应突然消失，由于调速系统和自动调整励磁装置都是由惯性环节组成，转速仍将上涨，励磁电流不能突变，使得发电机电压在短时间内也要上升，如果没有自动电压调节器或励磁系

44、统在手动方式运行，恒励磁电流调节，则电压继续上升一直到达由同步电抗所决定的最大值，其值可能达到 1.31.5倍额定值，持续时间可能达到数秒，甩负荷将导致严重的发电机电压升高。发电机主绝缘的工频耐压水平，一般为 1.3倍额定电压持续 60S，而实际过电压的数值和持续时间可能超过试验电压和允许时间，因此，对发电机主绝缘构成了直接威胁。ABB的 UN5000型励磁调节器在发电机开关断开时，将励磁电流调节器的给定值复归到空载励磁电流值。尽管这样，还是不能完全避免发电机定子过电压的发生。因此大型汽轮发电机均装设过电压保护，保持动作电压为 1.3倍额定电压，经 0.5S延时作用于解列灭磁。6.2.10 过

45、励磁 由于发电机或变压器发生过励磁故障时并非每次都造成设备的明显破坏，往往容易被人忽视，但是多次反复过励磁，将因过热而使绝缘老化，降低设备的使用寿命。当过励倍数大于 1时发电机的过励磁，主要表现在发电机定子铁芯背部漏磁场增强，在定子铁芯的定位筋中感应电势，并通过定子铁芯构成闭路，流过电流，不仅造成严重过热，还可能在定位筋和定子铁芯接触面造成火花放电，这对氢冷发电机组十分不利。发电机运行中造成过激磁原因：机组并列前；操作错误；误加励磁电流引起激磁；发电机PT 断线造成误判断；启动过程中误将电压升至额定值，发电机因低频运行而导致过励磁；停机过程中灭磁开关拒动，自动励磁调节器为保持机端额定电压，使发

46、电机遭受过励磁；发电机出口开关跳闸后，若励磁手动运行或自动失灵，电压与频率均会升高，因频率升高较慢引起发电机过激磁。发电机的允许过激磁倍数一般低于变压器过激磁倍数，更易遭受过激磁的危害，因此大型发电机需装设性完善的过激磁保护。对于发电机出口装设开关的发电机变压器组，发电机和变压器的过激磁保护应单独设置。6.2.11 频率异常 频率降低对发电机有以下各方面的影响：频率降低引起转子的转速降低，使转子两端进风量降低，引起发电机的冷却条件变坏，各部分的温度升高。频率降低，由于发电机的电势和频率磁通成正比，为保持电势不变，就要增加励磁电流，使转子线圈的温度升高。频率降低时，为保持机端电压不变，就得增加磁

47、通，使定子铁芯饱和，机座的某些结构部件产生局部高温，有的部位甚至冒火星。低频工况运行导致厂用电动机的转速降低，影响发电机的出力，并直接威胁着发电机甚至整个电厂和系统的安全运行。一方面由于低频的同时存在系统无功缺额，另一方面由于发电机转速下降，同等励磁条件下机端电压下降，厂用系统低电压，严重的低频降可能导致系统频率崩溃或电压崩溃。当发电机频率低于额定值一定范围时，发电机的输出功率应降低，功率降低一般与频率降低成一定比例，在低频运行时发电机如果发生过负荷，如上所述会导致发电机的热损伤，但限制汽轮发电机组低频运行的决定性因素是汽轮机而不是发电机。频率异常保护主要用于保护汽轮机，防止汽轮机叶片及其拉金

48、的断裂事故。汽轮机的叶片，都有一自振频率vf，如果发电机运行频率升高或者降低，当Hzknfv5.7时叶片将发生谐振，其中 k 为谐振倍率，k=1，2，3，n 为转速（r/min），叶片承受很大的谐振应力，使材料疲劳，达到材料所不允许的限度时，叶片或拉金就要断裂，造成严重事故。材料的疲劳是一个不可逆的积累过程，所以汽轮机都给出在规定的频率下允许的累计运行时间。从对汽轮机叶片及其拉金影响的积累作用方面看，频率升高对汽轮机的安全也是有危险的，所以频率异常保护应当包括反应频率升高的部分。由于频率升高是通过机组的调速系统作用、超速保护来实现，而且频率升高大多数是在轻负荷或空载时发生，此时汽轮机叶片和拉金

49、所承受的应力，要比低频满载时小得多，所以一般频率异常保护中，不设置反应频率升高的部分，而只包括反应频率下降的部分，并称为低频保护。我厂 660MW汽轮发电机组能在 48.5-50.5Hz范围内安全连续运行，当频率偏差大于下表频率值时，低频保护应该据此设定各段动作频率和相应时限。发电机频率在 48.550.5Hz时允许运行时间：频率（Hz）允许时间 每次（sec）累计（min）51.051.5 30 30 50.551.0 180 180 48.550.5 连续运行 48.548.0 300 300 48.047.5 60 60 47.547.0 20 10 47.046.5 5 5 6.2.1

50、2 发电机与系统之间失步 对于大机组和超高压电力系统，发电机装有快速响应的自动调整励磁装置，并与升压变压器组成单元接线，送电网络不断扩大，使发电机与系统的阻抗比例发生了变化。发电机和变压器阻抗值增加了，而系统的等效阻抗值下降了。因此，振荡中心常落在发电机机端或升压变压器范围内。如下图所示为主变高压侧 AB 相故障延时 0.2S切除引起的发电机和系统失步振荡波形，发电机机端测量电流、电压波形。发电机和系统失步振荡波形 由于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。因为机炉的辅机都由接在机端的厂用变压器供电，电压周期性地严