1、发电机保护发电机保护 李薇薇李薇薇 故障类型及异常工况状态故障类型及异常工况状态 .发电机可能发生的故障发电机可能发生的故障 （1）定子绕组相间短路）定子绕组相间短路 （2）定子绕组匝间短路）定子绕组匝间短路 （3）定子绕组一相绝缘破坏引起的单相接地）定子绕组一相绝缘破坏引起的单相接地 （4）励磁回路（转子绕组）接地）励磁回路（转子绕组）接地 （5）励磁回路低励（励磁电流低于静稳极限对）励磁回路低励（励磁电流低于静稳极限对应的励磁电流）、失磁应的励磁电流）、失磁 .发电机主要的异常工况发电机主要的异常工况 （1）过负荷）过负荷 （2）定子绕组过电流）定子绕组过电流 （3）定子绕组过电压）定子绕
2、组过电压 （4）三相电流不对称）三相电流不对称 （5）过励磁）过励磁 （6）逆功率）逆功率 （7）失步、非全相、断路器出口闪络、误上电等）失步、非全相、断路器出口闪络、误上电等 发电机保护类型发电机保护类型 1.定子绕组：纵联差动保护；定子绕组单相接地保定子绕组：纵联差动保护；定子绕组单相接地保护；定子绕组的匝间短路保护；发电机外部短路引护；定子绕组的匝间短路保护；发电机外部短路引起的过电流保护；不对称负荷或外部不对称短路而起的过电流保护；不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流保护；水轮发电机定子绕组过电引起的负序过电流保护；水轮发电机定子绕组过电压保护。压保护。2.转子绕组：励磁回路的
3、接地故障；失磁保护；转子绕组：励磁回路的接地故障；失磁保护；转子过负荷保护。转子过负荷保护。3.其它异常工况保护其它异常工况保护 发电机纵差动保护发电机纵差动保护 发电机完全纵差保护交流接入回路示意图发电机完全纵差保护交流接入回路示意图 发电机不完全纵差保护交流接入回路示意图发电机不完全纵差保护交流接入回路示意图 （1）保护起动电流整定 对于中、小容量的发电机完全差动保护的整定原则按以下条件进行：根据对不平衡电流的分析,代入上式,则 （2）发电机差动保护灵敏度校验 发电机纵联差动保护的灵敏性以灵敏系数来衡量,其值为 式中 Ik.min为发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流。发电机比率制动
4、式差动保护发电机比率制动式差动保护 1.动作方程动作方程 2、发电机纵差保护动作特性、发电机纵差保护动作特性 3.3.保护逻辑框图保护逻辑框图 单相出口方式发电机纵差保护逻辑框图单相出口方式发电机纵差保护逻辑框图 循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图 发电机完全纵差动保护一般使用循环闭锁出发电机完全纵差动保护一般使用循环闭锁出口方式。发电机不完全纵差动保护一般使用口方式。发电机不完全纵差动保护一般使用单相出口方式。对于单相出口方式。对于100MW及以上的大容量及以上的大容量发电机，我国目前均推荐采用有制动特性的发电机，我国目前均推荐采用有制动特性的差动继
5、电器，即利用外部故障时的穿越电流差动继电器，即利用外部故障时的穿越电流实现制动，这样既能保证发生区外故障时可实现制动，这样既能保证发生区外故障时可靠地避开最大不平衡电流的影响，有能达到靠地避开最大不平衡电流的影响，有能达到提高区内故障时的灵敏性目的。提高区内故障时的灵敏性目的。定子绕组的匝间短路保护定子绕组的匝间短路保护 容量较大的发电机每相都有两个或两个以上容量较大的发电机每相都有两个或两个以上的并联支路，定子绕组的匝间短路包括同相的并联支路，定子绕组的匝间短路包括同相同分支绕组匝间短路、相同相不同分支间的同分支绕组匝间短路、相同相不同分支间的短路，其示意图如图所示。定子绕组匝间短短路，其示
6、意图如图所示。定子绕组匝间短路，纵差动保护不能反应，故在发电机路，纵差动保护不能反应，故在发电机(尤其尤其是大型机组是大型机组)上装没匝间短路保护。上装没匝间短路保护。横联差动保护横联差动保护 发电机横差保护，是发电机定子绕组匝间发电机横差保护，是发电机定子绕组匝间短路（同分支匝间短路及同相不同分支之间短路（同分支匝间短路及同相不同分支之间的匝间短路）、线棒开焊的主保护，也能保的匝间短路）、线棒开焊的主保护，也能保护定子绕组相间短路。护定子绕组相间短路。发电机横差保护，有单元件横差保护（又发电机横差保护，有单元件横差保护（又称高灵敏度横差保护）和裂相横差保护两种。称高灵敏度横差保护）和裂相横差
7、保护两种。1.单元件横差保护单元件横差保护 单元件横差保护，适用于每相定子绕组为多分支，单元件横差保护，适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。且有两个或两个以上中性点引出的发电机。（1）构成原理）构成原理 发电机单元件横差保护的输入电流，为发电机两发电机单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上的个中性点连线上的TA二次电流。以定子绕组每相两二次电流。以定子绕组每相两分支的发电机为例，其交流输入回路示意图如图分支的发电机为例，其交流输入回路示意图如图9-7所示。所示。2.裂相横差保护裂相横差保护 裂相横差保护，又称三元件横差保护，实裂相横差保护，又称三元件横
8、差保护，实际上是分相横差保护。际上是分相横差保护。（1）构成原理及动作特性）构成原理及动作特性 以每相定子绕组有二分支的发电机为例，以每相定子绕组有二分支的发电机为例，发电机裂相横差保护的交流输入回路示意发电机裂相横差保护的交流输入回路示意图图 裂相横差保护的实质是：将每相定子绕组的裂相横差保护的实质是：将每相定子绕组的分支回路分成两组，并通过两组分支回路分成两组，并通过两组TA将各组分将各组分支电流分别引入到保护装置中计算差动电流支电流分别引入到保护装置中计算差动电流和制动电流。和制动电流。保护的动作特性，可采用比率制动特性，保护的动作特性，可采用比率制动特性，也可采用标积制动特性。具有比率
9、制动特性也可采用标积制动特性。具有比率制动特性的动作方程和动作特性如下所示。的动作方程和动作特性如下所示。二次谐波电流的匝间短路保护二次谐波电流的匝间短路保护 当发电机定子绕组发生匝间短路或线棒开焊故障时，三相定当发电机定子绕组发生匝间短路或线棒开焊故障时，三相定于电流中使出现负序分量。该负序分量电流产生负序旋转磁于电流中使出现负序分量。该负序分量电流产生负序旋转磁场在发电机励磁线圈场在发电机励磁线圈WEG中感应出二次中感应出二次(100Hz)谐波电流。谐波电流。因此，可利用转子回路出现二次谐波电流为判据，构成发电因此，可利用转子回路出现二次谐波电流为判据，构成发电机匝间短路保护。但是，当发电
10、机内部或外部发生不对称相机匝间短路保护。但是，当发电机内部或外部发生不对称相间短路时，三相定子电流中也有负序分量。间短路时，三相定子电流中也有负序分量。WEG中也会出中也会出现二次谐波电流。为防止这种情况下匝间短路保护误动，采现二次谐波电流。为防止这种情况下匝间短路保护误动，采用了负序功率方向元件闭锁保护的出口回路。当发电机定子用了负序功率方向元件闭锁保护的出口回路。当发电机定子绕组外部发生不对称短路时，负序功率方向继电器动作，将绕组外部发生不对称短路时，负序功率方向继电器动作，将禁止门禁止门NG闭锁，保护不功作；当定子绕组发生匝间短路或闭锁，保护不功作；当定子绕组发生匝间短路或线棒开焊时，负
11、序功率方向继电器不动作，禁止门线棒开焊时，负序功率方向继电器不动作，禁止门NG开放，开放，允许保护动作。允许保护动作。纵向零序电压式匝间保护纵向零序电压式匝间保护 发电机纵向零序电压式匝间保护，是发电发电机纵向零序电压式匝间保护，是发电机同相同分支匝间短路及同相不同分支之间机同相同分支匝间短路及同相不同分支之间匝间短路的主保护。匝间短路的主保护。1.构成原理构成原理 该保护反映的是发电机纵向零序电压的基该保护反映的是发电机纵向零序电压的基波分量，并用其三次谐波增量作为制动量波分量，并用其三次谐波增量作为制动量 发电机正常运行或相间短路时，无零序电压。定子绕组单相发电机正常运行或相间短路时，无零
12、序电压。定子绕组单相接地时，故障相对地电压等于零，中性点对地电压为相电压，接地时，故障相对地电压等于零，中性点对地电压为相电压，三相定子绕组对中性点电压仍然对称，不出现机端对绕组中三相定子绕组对中性点电压仍然对称，不出现机端对绕组中性点的零序电压。当定子绕组发生匝间短路时，便出现机端性点的零序电压。当定子绕组发生匝间短路时，便出现机端三相对中性点电压不对称。例如图所示的三相对中性点电压不对称。例如图所示的A相绕组发生匝间相绕组发生匝间短路，设被短路的绕组匝数与每相总绕组匝数之比为短路，设被短路的绕组匝数与每相总绕组匝数之比为，则，则故障相电动势为故障相电动势为EAN(1-)EA，而末发生匝间短
13、路的其它，而末发生匝间短路的其它两相电动势不变。因此，出现了机端对中性点的零序序电压两相电动势不变。因此，出现了机端对中性点的零序序电压为纵向零序电压取自机端专用为纵向零序电压取自机端专用TV的开口三角输出端。的开口三角输出端。TV应应全绝缘全绝缘,其一次中性点不允许接地，而是通过高压电缆与发其一次中性点不允许接地，而是通过高压电缆与发电机中性点联接起来。电机中性点联接起来。零序电压基波通道与三次谐波通道相互独立，零序电压基波通道与三次谐波通道相互独立，并采用硬件滤波回路和软件付氏滤波算法滤并采用硬件滤波回路和软件付氏滤波算法滤去零序电压基波通道的三次谐波分量，滤去去零序电压基波通道的三次谐波
14、分量，滤去三次谐波电压通道的基波分量，保护的交流三次谐波电压通道的基波分量，保护的交流接入回路如图所示。接入回路如图所示。TV断线闭锁与功率方向闭锁断线闭锁与功率方向闭锁 为防止专用为防止专用TV一次断线时保护误动，引入一次断线时保护误动，引入TV断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他原因（例如，专用原因（例如，专用TV回路有问题）产生的纵回路有问题）产生的纵向零序电压使保护误动，引入负序功率方向向零序电压使保护误动，引入负序功率方向闭锁。负序功率方向判据采用开放式（即闭锁。负序功率方向判据采用开放式（即“允许式”）闭锁。“允许式”）闭锁。发电机定子的单相接地
15、保护发电机定子的单相接地保护 根据安全要求，发电机的外壳都是接地的，根据安全要求，发电机的外壳都是接地的，因此，定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接因此，定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍。当接地电流比较大，能在地故障比较普遍。当接地电流比较大，能在故障点引起电弧时将使绕组的绝缘和定子故障点引起电弧时将使绕组的绝缘和定子铁心挠坏，并且也容易发展成相问短路，造铁心挠坏，并且也容易发展成相问短路，造成更人的危害。我国规定，当接地电容电流成更人的危害。我国规定，当接地电容电流等于或大于等于或大于5A时，应装设动作于跳闷的接地时，应装设动作于跳闷的接地保护，当接地电流小于保护，当接地电流小于5
16、A时，一般装设作用时，一般装设作用于信号的接地保护。于信号的接地保护。发电机定子绕组单相接地的特点发电机定子绕组单相接地的特点 现代的发电机，其中性点都是不接地或经现代的发电机，其中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，因此，当发电机内部单相消弧线圈接地的，因此，当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络电压网络(即与发电机直接电联系的各元件即与发电机直接电联系的各元件)对地电容电流之总和，而不同之处在于故障对地电容电流之总和，而不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变。而改变。如上图（如上图（a）所示，假设）所示，假设A相接地发生在定于相接地发生在定于绕组距中性点绕组距中性点处，处，表示出中性点到故障点表示出中性点到故障点的绕组占全部绕组布线的百分数，则故障点的绕组占全部绕组布线的百分数，则故障点各相电势为各相电势为 ，而各相对地电压而各相对地电压分别为：分别为：因此，故障点的零序电压为因此，故障点的零序电压为 上式表明,故障点的零序电压将随着故障点的位置不同而改变。由此可