第九章發(fā)電機保護

一、發(fā)電機的故障和異常運行狀態(tài)

發(fā)電機的故障類型主要有：1）定子繞組相間短路；2）定子繞組一相的匝間短路；3）定子繞組單相接地；4）轉(zhuǎn)子繞組一點接地或兩點接地等。5）發(fā)電機失磁

發(fā)電機的不正常運行狀態(tài)主要有：1）由外部短路引起的定子繞組過電流；2）由負荷超過發(fā)電機額定容量而引起的定子繞組三相對稱過負荷；3）由于突然甩負荷而引起的定子繞組過電壓；4）由外部不對稱短路或不對稱負荷(如單相負荷、非全相運行等)引起的轉(zhuǎn)子表層過負荷等。

二、發(fā)電機保護的配置1．發(fā)電機的主保護（1）縱聯(lián)差動保護（2）匝間短路保護

（3）定子繞組單相接地保護（4）轉(zhuǎn)子繞組接地保護（5）發(fā)電機失磁保護

2．發(fā)電機的后備保護（1）外部短路引起的定子繞組過電流保護（2）定子繞組過負荷保護（3）轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子表層過負荷保護（4）定子繞組過電壓保護（5）逆功率保護（6）失步保護（7）過激磁保護（8）低頻率保護發(fā)電機相間短路的縱聯(lián)差動保護

用于反映發(fā)電機定子繞組及其引出線相間短路故障的主保護。

一、發(fā)電機縱差保護的接線方式有完全縱差動保護和不完全縱差動保護兩種接線方式。1.發(fā)電機完全縱差動保護

圖9—1發(fā)電機縱差保護原理接線示意圖G●●●●2．發(fā)電機不完全縱差動保護中性點側(cè)有6個引出端子展示：

中性點側(cè)有4個引出端展示：圖9－5單元件式橫差保護原理接線示意圖（a）中性點側(cè)有6個引出端子;（b）中性點側(cè)有4個引出端（a）

UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA機殼（b）·UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA·機殼發(fā)電機不完全縱差動保護構(gòu)成原理發(fā)電機不完全縱差動保護是一種能同時反應(yīng)發(fā)電機相間短路、匝間短路和分支繞組開焊故障的新型發(fā)電機縱差保護。它是通過比較發(fā)電機機端每相定子的全相電流和中性點側(cè)每相定子的部分相電流大小和相位而構(gòu)成的。

圖9－2不完全縱差動保護原理接線圖（a）中性點側(cè)引出6個端子（b）中性點側(cè)引出4個端子TA1TA1TA2TA2·分析可見發(fā)電機完全縱差保護和不完全縱差保護均是比較發(fā)電機兩側(cè)同相電流的大小和相位而構(gòu)成；不同之處是：完全縱差保護是比較每相定子首末兩端的全相電流，而不完全縱差動保護是比較機端每相定子全相電流和中性點側(cè)每相定子的部分相電流而構(gòu)成。

二、發(fā)電機縱差保護的原理1．比率制動式發(fā)電機縱差保護原理

圖9—1發(fā)電機縱差保護原理接線示意圖G●●●●（1）動作電流和制動電流

動作電流：制動電流：

為機端側(cè)定子相電流；為中性點側(cè)定子全相電流或分支繞組相電流；平衡系數(shù)當時為完全縱差保護接線方式；時為不全縱差保護接線方式。

（2）縱差保護的動作判據(jù)及動作特性當以下兩個方程同時滿足時，差動元件動作。

比率制動式發(fā)電機縱差保護的動作特性：

圖9－3比率制動式發(fā)電機縱差保護的動作特性Iop.min.Ires.min.IresK動作區(qū)制動區(qū)IK2.標積制動式發(fā)電機縱差動保護原理

動作電流：制動電流：動作判據(jù)：

圖9—1發(fā)電機縱差保護原理接線示意圖G●●●●式中，為之間的相位差；S為標積制動系數(shù)，通常取1.0。

1）當發(fā)電機正常運行或保護區(qū)外短路時：

制動量最大，動作量最小，保護可靠不動。2）當保護區(qū)內(nèi)短路時：制動量為負值，呈現(xiàn)動作作用，動作量最大，保護動作，且靈敏。

三、發(fā)電機縱差保護邏輯框圖

當發(fā)電機縱差保護的二相或三相差動元件同時動作時，縱差保護才出口跳閘；為防止一點在區(qū)內(nèi)另一點在區(qū)外的兩點接地故障發(fā)生，當有一相縱差元件動作且同時有負序電壓時，縱差保護出口跳閘。若只有一相縱差元件動作而無負序電壓時，判為TA斷線；若負序電壓長時間存在而無差電流時，判為TV斷線。圖9－4發(fā)電機縱差保護邏輯框圖t/oTV斷線U相差動V相差動W相差動二相或三相差動元件動作U相差動V相差動W相差動只一相差動元件動作&&U2>≥1TA斷線···發(fā)電機定子繞組的匝間短路保護

每個分支的匝間或分支之間的短路，就稱為發(fā)電機定子繞組的匝間短路故障。

一、單元件式橫聯(lián)差動保護發(fā)電機在正常運行情況下，每相定子繞組的兩個分支上電勢相等，各供出一半的負荷電流；當任一相繞組中發(fā)生匝間短路時，兩個繞組中的電勢不相等，因而在兩個分支繞組中產(chǎn)生環(huán)流。

1．保護的接線方式及其特點

（a）

UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA機殼（b）·UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA·機殼接線評價：保護接線較簡單，靈敏度較高。通常又稱為高靈敏的單元件式橫聯(lián)差動保護。保護只適合于：1）定子繞組中性點側(cè)引出6個或4個端子的發(fā)電機。2）中性點側(cè)引出端子較多的水輪發(fā)電機。

2．保護的原理分析1

1)保護裝置中裝設(shè)了三次諧波濾過器1，以消除三次諧波電流的影響，提高靈敏度。

2圖9－6單元件式橫聯(lián)差保護原理接線圖1-三次諧波濾過器；2－帶有延時的保護裝置2．保護的原理分析22）當定子繞組的同分支匝間短路時：

3）定子繞組不同分支間發(fā)生短路時：

4）保護存在死區(qū)：當時或者不同分支間的短路匝數(shù)相同（）及差別較小時，保護不能動作。

3．保護的整定原則

單元件式橫聯(lián)差動保護的動作電流為

時間整定：需增設(shè)0.5～1秒的延時，以躲過轉(zhuǎn)子回路的瞬時兩點接地故障。

2圖9－6單元件式橫聯(lián)差保護原理接線圖1-三次諧波濾過器；2－帶有延時的保護裝置二、故障分量負序功率方向匝間短路保護

適用于：中性點側(cè)沒有6個或4個引出端子的發(fā)電機定子匝間短路保護。裝設(shè)位置：該保護裝設(shè)在發(fā)電機的機端；基本原理：利用發(fā)電機外部故障與定子繞組匝間短路時產(chǎn)生的負序分量及其負序功率的方向不同而實現(xiàn)的。

1．故障時負序功率方向的分析

1）發(fā)電機外部橫向不對稱短路時（K1）：負序功率的方向由系統(tǒng)指向發(fā)電機。2）發(fā)電機內(nèi)部兩相短路時（K2）：負序功率的方向由發(fā)電機指向系統(tǒng)。3）發(fā)電機定子繞組一相匝間短路時（K3K4)：負序功率方向亦由發(fā)電機指向系統(tǒng)。可見，負序功率的方向隨故障點的位置而變化，利用這一特點可以實現(xiàn)定子繞組的匝間短路保護。

zgZs2．保護的構(gòu)成及其動作判據(jù)

保護動作的判據(jù)：當以下三個式子同時成立時，保護跳閘。

zgZs3．保護定值的整定及注意事項：

1)根據(jù)經(jīng)驗，通常?。?，大約在0.1％左右，可固定選取

2)故障分量負序功率方向()保護，若裝在發(fā)電機中性點(電流取中性點TA)，僅反映發(fā)電機內(nèi)部匝間短路故障。

三、縱向零序電壓原理的匝間短路保護適用于中性點側(cè)沒有6個或4個引出端子的發(fā)電機定子匝間短路保護的另一種方案。該保護利用發(fā)電機定子繞組發(fā)生匝間短路時，機端三相對發(fā)電機中性點出現(xiàn)的零序電壓而構(gòu)成。

1.保護的構(gòu)成原理如圖所示：在發(fā)電機機端側(cè)裝設(shè)專用的電壓互感器。圖9—9零序電壓匝間短路保護原理接線圖發(fā)電機正常運行1）發(fā)電機正常運行或相間短路時，無零序電壓。

單相接地故障2）當發(fā)電機內(nèi)部或外部發(fā)生單相接地故障時：故障相對地電壓等于零，中性點對地電壓上升為相電壓。因此三相定子繞組對中性點電壓仍然對稱，不出現(xiàn)零序電壓。

匝間短路3）當發(fā)電機定子繞組發(fā)生匝間短路或匝數(shù)不等的相間短路時：繞組匝間短路時，出現(xiàn)三相對中性點的零序電壓，其大小與被短路的繞組匝數(shù)a成正比。構(gòu)成零序電壓匝間短路保護在構(gòu)成零序電壓匝間短路保護時，需設(shè)置三次諧波濾過器，以提高保護的靈敏度。當發(fā)電機外部短路電流較大時，采用負序功率方向閉鎖方式，使保護退出工作。還需裝設(shè)斷線閉鎖元件。圖9－10負序功率閉鎖的零序電壓匝間保護原理方框圖l－三次諧波濾過器；2－斷線閉鎖保護；3－跳閘出口2．保護的整定原則按躲過外部嚴重故障時的最大不平衡基波零序電壓和三次諧波零序電壓整定

圖9－10負序功率閉鎖的零序電壓匝間保護原理方框圖l－三次諧波濾過器；2－斷線閉鎖保護；3－跳閘出口第二節(jié)

發(fā)電機定子繞組的

單相接地保護1.定子繞組單相接地故障的零序電壓

正常運行時，發(fā)電機機端三相電壓是對稱的當發(fā)電機機端U相發(fā)生金屬性接地故障時，U相對地電壓為零，其它兩相對地電壓升高倍。

顯然：發(fā)電機機端一相金屬性接地時，機端零序電壓的大小等于發(fā)電機故障前的相電壓。

中性點附近處如圖：接地發(fā)生在定子繞組距中性點附近處，則各相機端對地電壓：

圖9－12發(fā)電機內(nèi)部單相接地故障時示意圖及電壓相量圖（a）示意圖；（b）電壓相量圖UVW（b）WKUKVKUVWKU機端零序電壓將隨著故障點的位置不同而改變。當接地點發(fā)生在距中性點處時，發(fā)電機零序電壓的大小等于故障前相電壓的倍。

2．正常運行和定子單相接地時三次諧波電壓分布

正常運行時，發(fā)電機機端的三次諧波電壓總是小于中性點側(cè)的三次諧波電壓

當發(fā)電機中性點經(jīng)消弧線圈接地時：

（2）距中性點處發(fā)生單相接地時三次諧波電壓的分布發(fā)電機三次諧波的總結(jié)論：發(fā)電機中性點接地時：發(fā)電機機端接地時：當時：

二、反應(yīng)基波零序電壓的定子接地保護

過電壓元件檢測發(fā)電機機端電壓互感器二次側(cè)開口三角形的輸出電壓當檢測的電壓大于保護的動作整定值時，過電壓元件動作發(fā)出信號。

保護裝置的整定值應(yīng)避開正常運行時的不平衡電壓(包括三次諧波電壓)，以及變壓器高壓側(cè)接地時在發(fā)電機端所產(chǎn)生的零序電壓。根據(jù)運行經(jīng)驗，保護的起動電壓一般整定為15～30V左右?？紤]采用性能良好的三次諧波濾過器后，其動作值可降至5～10V。保護在中性點附近有5％～10％的死區(qū)。

三、基波零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成的100％定子接地保護

1．保護的工作原理100％定子接地保護由兩部分組成：一部分是基波零序電壓保護另一部分是三次諧波電壓保護。由基波零序電壓保護來反應(yīng)發(fā)電機85％～95％的定子繞組單相接地；三次諧波電壓保護來反應(yīng)發(fā)電機中性點附近定子繞組的單相接地。

因為：正常運行時機端三次諧波電壓總是小于中性點側(cè)的三次諧波電壓，即而在距中性點50%范圍內(nèi)接地時零序電壓保護三次諧波保護圖9－18100％定子接地保護的保護范圍示意圖所以：利用為動作量，為制動量，以為保護的動作條件，可以反應(yīng)中性點側(cè)定子繞組50％范圍以內(nèi)的接地故障。100％定子接地保護

該保護的動作判據(jù)為：

2.保護的整定計算（1）三次諧波電壓保護（2）基波零序電壓保護當時，應(yīng)校驗高壓系統(tǒng)接地短路時傳遞到機端的基波零序電壓，以免保護誤動。

第五節(jié)發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路接地保護

當轉(zhuǎn)子回路發(fā)生一點接地故障時，動作于信號；當轉(zhuǎn)子回路兩點接地時，動作于跳閘。

一、轉(zhuǎn)子回路一點接地保護保護原理（切換采樣式轉(zhuǎn)子一點接地保護）：

（1－a）EaES1S2RRRRR1RfaU1,U2I1I2圖9－20切換采樣式轉(zhuǎn)子一點接地保護原理接線圖中：S1、S2是微機控制的電子開關(guān)；為接地電阻；為接地點的位置；E為轉(zhuǎn)子電壓；R為4個降壓電阻；R1為測量電阻。

接地點位置為：接地電阻為：正常運行時:四4個電阻R對稱，U1＝U2，ΔU＝0，；轉(zhuǎn)子繞組一點接地時：U1≠U2,當接地電阻小于或等于接地電阻整定值時，經(jīng)延時發(fā)出信號。

2.整定計算當接地電阻的高定值整定為10KΩ時，延時(4～10秒)動作于發(fā)信號；當接地電阻低定值整定為10KΩ時，