发电机组保护

目录

1、发电机保护原理 .............................................................................................. 2

1.1、隐极式同步电机.................................................................................... 3

1.2、凸极式同步发电机................................................................................ 4

2、发电机保护 ...................................................................................................... 6

2.1纵联差动接地保护（相间短路）........................................................... 7

2.2、电压元件闭锁的电流保护和过负荷保护（相间短路）.................... 7

2.3、负序过电流保护.................................................................................... 8

2.4、定子绕组单相接地保护........................................................................ 9

2.5、转子回路接地保护.............................................................................. 10

2.6、发电机低励、失磁保护...................................................................... 10

3、 发电机特殊保护 .......................................................................................... 15

3.1、过励保护.............................................................................................. 15

3.2、发电机过电压保护.............................................................................. 15

3.3、横联差动接地保护（匝间短路）...................................................... 15

3.3.1、单元件式横差保护................................................................... 15

3.3.2、不完全横差保护....................................................................... 16

3.3.3、其他横差保护........................................................................... 16

3.4、发电机失步保护.................................................................................. 17

3.5、发电机逆功率保护.............................................................................. 17

3.6、发电机频率异常保护.......................................................................... 18

3.7、发电机非全相运行保护...................................................................... 18

3.7、发电机断口闪络保护.......................................................................... 18

3.8、发电机内部故障预测装置.................................................................. 18

其他 ...................................................................................................................... 19

同步电机特点：同步电机转速与极对数、电流频率有严格的关系。n 60f p高压、大容量的同步电动机采用旋转磁极式结构；小容量采用旋转电枢式。 转枢式---转子绕组（电枢），定子磁极

转极式---转子磁极，定子电枢。

✧

✧ 隐极式同步电机只有卧式一种；凸极式则分为卧式和立式结构。

✧ 卧式：多数同步电动机、调相机、内燃机发电机、冲击式水轮发电机 ✧ 立式：低速、大型水轮发电机。

1、发电机保护原理

额定功率PN：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 "W" 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。

额定电压UN： 指额定状态下电枢出线端的电压，以 "V" 为量纲单位。 额定电流IN： 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 "A" 为量纲单位。

额定转速nN： 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。 额定励磁电流 If： 指电机在额定状态时的励磁电流值。

对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PN＝UN IN (对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UN IN ηN)

同步电机空载时，气隙中的同步旋转主磁场仅由转子励磁电流（直流）建立； 负载时定子绕组流过电流产生磁势（称为电枢磁势），它与励磁磁势共同作用产生合成气隙磁场。因此存在电枢反应问题。电枢磁场和主极磁场都是相对静

止的，二者本身是旋转的。

1.1、隐极式同步电机

由于隐极同步电机气隙均匀，电枢磁势对主极磁场的影响在气隙圆周上任何位置都一样，可以整体考虑电枢反应的影响，不用分成交直轴分量考虑。

磁路不饱和：利用叠加原理，分别考虑负载时电枢磁势Fa和励磁磁势Ff1的各自独立作用，然后进行叠加。即

在

If直流励磁电流在励磁基波磁势主磁通E0感应电动势（定子绕组） φfσ漏磁通 负载定子电流Fa电枢磁势基波a电枢磁通Ea电枢感应电动势

φσ定子漏磁通Eσ定子感应漏电势 ........

得定子电动势平衡方程：在

.E0+Ea+Eδ=U+IRa......

其中，Ea=-jIXa

..；（ 电枢反应电势，Xa电枢反应电抗）

；（ 电枢感应漏电势，Xσ漏电抗总为常数。）

.....Eδ=-jIXσ...所以，E0=U+IRa+jIXσ+jIXa=U+IRa+jIXd

Xd=Xa+Xσ为隐极同步电机的同步电抗，它表征对称稳态远行时电

枢反应基波磁场和漏磁场综合效应的电磁参数。

所以，E0=U+jIXs+jIXd ....

1.2、凸极式同步发电机

凸极同步电机的气隙不均匀，同一电枢磁势作用在不同气隙位置时，电枢磁势对主极磁场的影响不同，所以气隙磁场会有变化。

ψ=90,正弦电枢磁势基波作用在d轴上。

ψ=0, 正弦电枢磁势基波作用在q轴上。

0≤ψ≤90 电枢磁势作用在任意位置，电枢磁场分布不对称，不能直接确定电枢反应的大小。（双反应理论）当电枢磁势的轴线既不和直轴重合又不和交轴重合时，可以把电枢磁势分解成直轴分量和交轴分量。分别求出直轴和交轴磁势的电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。

所以，E0=U+jIXs+jIdXd+jIqXq

.....

2、发电机保护

故障类型及不正常运行状态：

1． 故障类型

定子绕组相间短路：危害最大

定子绕组一相的匝间短路：可能发展为单相接地短路和相间短路

定子绕组单相接地：较常见，可造成铁芯烧伤或局部融化

转子绕组一点接地或两点接地：一点接地时危害不严重；两点接地时，因破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈震动或将转子绕组烧损。

转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失：从系统吸收无功功率，造成失步，从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。

2． 不正常运行状态

由于外部短路引起的定子绕组过电流：温度升高，绝缘老化

由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷：温度升高，绝缘老化

由于外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷：在转子中感应出100hz的倍频电流，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，而导致发电机重大事故。此外，引起发电机的100hz的振动。

由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压：调速系统惯性较大发电机，在突然甩负荷时，可能出现过电压，造成发电机绕组绝缘击穿。

由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷：

由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率：当机炉保护动作或调速控制回路故障以及某些人为因素造成发电机转为电动机运行时，发电机将从系统吸收有功功率，即逆功率。

保护类型：

发电机纵差动保护：定子绕组及其引出线的相间短路保护

横差动保护：定子绕组一相匝间短路的保护

单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路的保护

发电机的失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失

过电流保护：反应外部短路引起的过电流，同时兼作纵差动保护的后备保护 负序电流保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中出现的负序电流

过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护

过电压保护：反应突然甩负荷而出现的过电压

转子一点接地保护和两点接地保护：励磁回路的接地故障保护

转子过负荷保护：

逆功率保护：当汽轮机主汽门误关闭而发电机出口断路器未跳闸，发电机失去原动力而变为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率。危害：汽轮机尾部叶片有可能过热而造成事故。

2.1纵联差动接地保护（相间短路）

Icd≧Idz0+k1（Izd-Izd0）

Idz0=（0.1~0.2）Ie 最小动作电流按躲过最大负荷下差动回路的不平衡电流整定

Izd0=（0.8~1.2）Ie 最小制动电流

Icd= I1-I2 不平衡电流

Izd=（I1+I2）/2 制动电流

k1 制动系数 0.3~0.4

外部短路电流愈大，不平衡电流就愈大，但制动电流的增大使动作电流增加的更大，有效的防止外部短路时误动。（最大外部短路）

新型差动保护：

1、可变比率制动式差动保护

2、标积制动式差动保护

I1I2COSθ ∙∙

2.2、电压元件闭锁的电流保护和过负荷保护（相间短路）

复合电压之低电压闭锁

对于汽轮机按躲过电动机自启动或发电机失磁而出现非同步运行时的最低电压整定。一般二次电压整定为0.5~0.6Ue。

对于水轮机组不允许在失磁情况下运行，一般二次电压整定为0.7Ue。

复合电压之负序电压闭锁

在发生各种不对称短路时，系统产生负序电压，用以启动保护。负序电压整定值很小，保护很灵敏，按照躲开正常运行情况下出现的最大不平衡电流，根据运行经验，一般可取（0.06～0.09）Ue。

电流及时间可独立整定（Ⅱ段保护）

发电机过负荷保护

定子绕组过负荷、转子绕组过负荷。

可设置定时限或反时限

2.3、负序过电流保护

系统发生不对称短路或三相负荷不对称时，将有负序电流流过发电机的定子绕组并在发电机中产生以两倍同步转速对转子的旋转磁场，从而在转子中产生倍频电流。

热量公式Q=I2Rt

2I2故引入，*t=A

I2*——以发电机额定电流倍数表示的负序电流的标幺值

A——允许过热时间常数

负序定时限过流保护

两段式 I段 'I2dz=0.5Ie.f

"I2dz=0.1Ie.f 经t1延时动作于跳闸 经t2延时动作于信号 Ⅱ段

1）在ab段内，t1>

2）在bc段内，t1

t允,不安全 3）在cd段内 ， 发信号，由于运行人员处理，而靠近C点时，已>

4）在de段内，保护根本不反应

负序反时限过流保护

t≥FS2

⎛I Ip2⎝⎫⎪-1⎪⎭2→I2t-IP2t≥IP2Fs2

2.4、定子绕组单相接地保护

由于发电机的中性点不接地或经高阻抗接地，故定子绕组单相接地故障并不引起大的故障电流，相应定子绕组单相接地通常只发信号，经转移负荷后平稳停机。

故障点零序电压为 Udo(α)=1/3(UdA+UdB+UdA)=-αEA ....

要求：故障点电流不应超过安全电流；100%的保护区；保护区内任一点故障都具有足够高的灵敏度。

发电机定子中产生3次谐波的因素：转子槽数及槽分度数不完全满足0.677比率、转子气隙分布、磁路饱和。

基波零序电压型定子接地保护：零序电压可取自发电机中性点单相电压互感器或消弧线圈的二次电压，或中性点配电变的二次电压，也可取自极端三相电压互感器的开口三角电压。随动作电压整定值的不同，存在动作死区（发电机中性点附近5~10%）。基波零序电压采集回路中增加3次滤波回路，降低启动电压，可提高保护范围。

三次谐波电压型定子接地保护：通过机端3次谐波电压Us配合中性点3次

谐波电压Un来判断。正常情况下：Un>Us ,中性点接地时Un

外加电源式定子接地保护：直流电源、20Hz或100Hz的交流电源。

2.5、转子回路接地保护

判断方法包括：电桥式、迭加直流电压式、迭加交流电压式、切换采样式、利用定子2次谐波电压等方法。

ULα⎧i=UL(1-α+Rz+Rg)g⎪1 ⎨(UαU1-⎪i2=LR+R)+Lgzg⎩

定子二次谐波电流保护转子两点接地保护

转子两点接地对转子旋转磁场产生畸变，会在定子中回路中产生很大的二次谐波电流。

2.6、发电机低励、失磁保护

低励：发电机的励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流。

失磁：发电机失去励磁。

失磁原因：三种（1）励磁回路开路，励磁绕组断线 灭磁开关误动作，励磁调节装置的自动开关误动，可控硅励磁装置中部分元件损坏（2） 励磁绕组由于

长期发热，绝缘老化或损坏引起短路（3） 运行人员调整等。

失磁后的影响 ： 对电力系统

吸收Q→U↓.无功储备不足，将因电压崩溃而瓦解

U↓→其它发电机Q↑→过电流→后备保护动作，故障扩大 失磁→失步→振荡→甩负荷 对发电机 （1）转子中

ff-fss=

的差频电流→过热

fs-ff

fs

↑→

吸

（2）转差率

Q↑.→

R2(1-s)

↓.→s定子过电流→ 发热

（3） 转速↑.→振动

气轮发电机： Pac较大s

转子运动方程：

d2δTJ=PT-(P-Pac)2

dt

d2δ

PT——原动机功率 P——同步功率 Pac——异步功率 dt2——电气角加

速度 TJ——机组的惯性时间常数

失磁后各电气量的波形

定子电压、电流：

有功功率、无功功率：

隐极式发电机机端功率公式：

Px=

UxE0

sinδ Xd∑

2

UxE0Ux

Qx=cosδ-

Xd

∑Xd∑

凸极式发电机机端功率公式：

2⎛UxE0Ux

1-1Px=sinδ+

Xd∑2 ⎝Xq∑Xd∑

⎫

⎪sin2δ ⎪⎭

2⎛UxE0Ux1⎫2 1⎪sin2δ Qx=cosδ-+Ux-

⎪Xd∑Xd∑

⎝Xq∑Xd∑⎭

特点：1） 圆的大小与P有关 P↑→圆↓

2） 失磁前，发电机向系统送无功，Q为正，

Zf

位与第Ⅰ象限

失磁后，随Q的变化，Q由正→负，快 。

Zf

从Ⅰ→Ⅳ象限，圆越小，从Ⅰ→Ⅳ

3） 圆的位置与jxS有关，若xS=0， 圆心在实轴上，

Zf

很容易进入第

Ⅳ象限

可见，失磁后， 向第四象限移动，且最终将稳定在第四象限内

2⎛Ux⎫Ux2j2ϕ

1、等有功圆Z= 2P+jxs⎪⎪+2Pe；

X⎝X⎭

2、静稳边界圆z=-j

1

(xd-xs)+1(xd+xs)ej(2ϕ+90︒)(隐极式发电机机端)； 22

"

3、异步边界圆；xd为s→∞时的机端阻抗

4、等压边界圆；

汽轮发电机失磁后，不应当立即动作于停机，而应当动作于断开灭磁开关、投入异步电阻、按规定的速度把发电机负荷减小到允许值，维持一定时间的异步运行（几分钟）。（可用低电压元件作为母线电压监视，延时动作于停机（躲过系统振荡），保证系统的安全；同时用励磁低电压元件作为闭锁元件）

水轮发电机失磁后，应当动作于停机（0.5~1.0s延时）。 3、 发电机特殊保护

3.1、过励保护

过励保护：U=4.44 f W B S B=K U/f (K=1/4.44WS) 常用发电机出口的过电压保护和低频保护兼作过励磁保护。 发电机过励保护的原理电路：

Uc=U

nyN(2πfRC)+1

2

UC=yN(2πRC)

U

f

对于发电机变压器组，通常装设两段过励保护，一段按变压器整定，一段按发电机整定。

3.2、发电机过电压保护

对于水轮发电机，由于调速系统动作迟缓，容易在甩负荷后出现不允许的过电压，因此要装设过电压保护。

对于汽轮机组，20万kW以上的大型汽轮发电机装设过电压保护。（定时限或反时限过电压）

动作电压取额定电压的1.5~1.7倍，经0.5S延时动作于停机。 3.3、横联差动接地保护（匝间短路）

当一相定子绕组有两个及以上并联分支时，装设此种保护

双星形接线中性点引出六个端子的发电机，设置单元件式横差保护。 大型机组考虑经济问题中性点只引出三个端子或只引出中性点， 3.3.1、单元件式横差保护

当发电机出现三次谐波电势时，且三相同相位，若任一分支与其与支路不相

等，则中性点连线上会出现三次谐波环流。

该接线没有互感器特性不同而引起的 灵敏度高，接线也较简单。 同时该保护对定子绕组开焊故障具有较高的灵敏度。 3.3.2、不完全横差保护

当一相定子绕组有两个及以上并联分支时，装设此种保护

正常：I1=I2 Ij=(I1-I2)/nl=0 匝间接地： IJ=(I1-I2+2I)/nl=

.

.

.

."d

"Id

.

.

.

>Idz 动作

"

死区：（1） 同一分支：α≈0,Id≈0. 保护不动

（2） 同相两分支间：α1≈α2,Id≈0. 保护不动 （3）不同相绕组匝间： 保护不动 缺点：接线复杂

"

3.3.3、其他横差保护

负序功率方向匝间短路保护

负序功率由发电机流向系统，表明发电机内部发生故障（相间或匝间短路）；负序功率由系统流向发电机，表明系统存在不对称故障。（该保护在发电机启动过程中或在并网前失效）

零序电压匝间短路保护

要求将电压互感器的一次中性点与发电机中性点直接联接，且不能直接接地，转用为发电机内部故障判断。（应装设三次谐波电压滤波回路）

同时考虑零序电压启动值低，应设置负序方向闭锁。 在发电机启动过程三次谐波电路失效，因此保护将误动。

同时当发电机定子接地保护动作于跳闸时，而电压互感器的一次中性点与发电机中性点间的连接线接地时，定子接地保护动作于跳闸。

转子二次谐波电流保护定子匝间短路保护

定子中负序电流会在转子中产生很大的二次谐波电流。在发电机启动过程中保护将失效或者性能恶化。

3.4、发电机失步保护

对于中小机组，通常不装设失步保护。当系统发生振荡时,由人来判断，然后用人工增加或减少原动机出力、局部裂解等方法来处理。

而大机组和高压电力系统，发电机和变压器的阻抗值增加了，系统的等效阻抗下降了，振荡中心常落在发电机或升压变压器的范围内，造成设备的损毁，规定失步时间不超过3s。

保护装置要区分短路故障、稳定振荡及非稳定振荡。

3.5、发电机逆功率保护

汽轮机组出现逆功率时，对气机损毁严重，因此要配置逆功率保护。也可采用人为关闭主气门。

Z+

rdzr≤dz 22

z

≥90︒ Z+rdz

270︒≥arg

3.6、发电机频率异常保护

异频保护通常用于保护汽轮机，动作于信号，不切除发电机。频率高时，降低原动机出力，必要时切除部分机组；频率下降时增加原动机出力，投入备用机组或自动减负荷。

3.7、发电机非全相运行保护

220kV以上电压系统中的大型发电机变压器组，采用分相操作的断路器，会出现非全相运行的情况。

判断方法：采用负序电流元件、配合断路器的辅助触点联合判断。

动作情况：动作于跳断路器，断路器失灵拒动时，切除与该断路器连接在同一母线上的全部有源支路。

3.7、发电机断口闪络保护

220kV以上电压系统中的大型发电机变压器组，在进行同期并列的过程中，断路器合闸之前，当发电机与系统电压夹角为180°时，造成断口闪络事故。产生冲击转矩作用于发电机上，产生负序电流，在转子上引起附加损耗。

判断方法：采用负序电流元件、配合断路器的辅助触点联合判断。

动作情况：动作于发电机灭磁，以降低发电机出口电压，无效后启动断路器失灵情况相应的操作。

3.8

、发电机内部故障预测装置

局部过热“故障预测”装置工作原理：

其他

1. 对称的三相绕组内通过对称的三相电流时，三相合成磁势的基波是一个

正弦分布、波幅恒定的旋转磁势波，其幅值为每相脉振磁势波振幅的3/2倍。

2. 合成磁势波的转速，即为同步转速:n=60f/p

3. 当某相电流达到最大值时，合成磁势波的波幅与该相绕组的轴线重合。 4. 合成磁势波的转向取决于三相电流的相序和三相绕组在空间上的排列次

序。合成磁势波从电流超前的绕组轴线向电流滞后的绕组轴线转动。