发电机变压器组继电保护及自动装置

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发电机变压器组继电保护及自动装置第一节发电机继电保护同步发电机是电力系统最重要和昂贵的设备，它的安全运行直接影响到电力系统的安全。然而，在发电机运行过程中，其定子绕组和转子回路都可能出现故障和异常情况。当故障发生后，对系统的影响较大，同时修复工作复杂且工期长，经济损失也较大。因此，发电机必须装设专门的、性能完善的继电保护装置。一旦发生故障，保护装置能快速而有选择性地将发电机从系统中切除，并进行灭磁。同步发电机处于不正常运行状态时，保护装置应能及时发出信号，以便运行人员进行处理。

1一、故障类型及异常工况状态故障类型定子绕组相间短路:破坏绝缘，烧坏铁芯匝间短路:破坏纵绝缘，进而发展为单相接地或相间短路单相接地:铁芯局部熔化转子绕组一点接地或两点接地:两点接地时烧坏励磁绕组和铁芯，破坏转子磁通对称性，引起发电机振动，对于水轮发电机和同步调相机，危害更大励磁电流急剧下降或消失:发电机要从系统吸取大量的无功功率，引起定子过电流，同时发电机可能失去同步而进入异步运行，若系统无功储备不足，将引起电压下降，严重时会危机系统的稳定运行。

2异常工况状态定子绕组过电流过负荷负序过电流和过负荷定子绕组过电压转子绕组过负荷逆功率

3二.大容量发电机组的特点大容量发电机组指的是容量在200MW以上汽轮发电机和容量在125MW以上的水轮发电机。大容量发电机组有如下特点。1.短路比减小(短路比意义是对应于空载额定电压的励磁电流下三相稳态短路时的短路电流与额定电流之比)、电抗增大2.惯性时间常数降低3.热容量降低4.时间常数增大此外，大容量发电机组采用直接冷却方式，绝缘水平相对有所降低，且冷却系统较复杂，发生故障的几率相对增多；由于单机容量增大，机组轴向长度与直径之比增大，容易引起气隙不均匀，使振动加剧。

4三.发电机的继电保护配置根据GB/T14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》的要求，发电机应装设以下继电保护装置。

5发电机保护纵联差动保护接地保护接地电容电流≥5A时动作于跳闸的零序电流保护接地电容电流<5A时作用于信号保护区为100％的定子接地保护横联差动保护过电流负序过电流及单相式低电压起动过电流保护复合电压(负序电压及线电压)起动的过电流保护过电流保护负序电流保护过负荷保护过电压保护水轮发电机设一点接地保护汽轮发电机定期检测一点接地；大容量机组装设—点接地保护和两点接地保护转子回路保护

6发电机保护失磁保护转子过负荷保护。逆功率保护失步保护低频保护断水或漏水保护断路器断口逆闪络保护为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁问路，以使转子回路电流不会在定于绕组中再感应电势，继续供给短路电流。

7四.发电机保护出口方式如上所述，发电机不同的保护，出口方式不同。根据故障和异常运行状态的性质及动力系统的条件，按规定分别作用于：停机是指断开发电机断路器、灭磁，对汽轮发电机还要关闭主汽门，对水轮发电机还要关闭导水翼。解列灭磁是指断开发电机断路器，灭磁，汽轮机甩负荷。解列是指断开发电机断路器，汽轮机甩负荷。减出力是指将原动机出力减至给定值。程序跳闸对汽轮发电机来说，是指首先关闭主汽门，待逆功率继电器动作后，再跳开发电机断路器并灭磁；对水轮发电机，是指首先将导水翼关到空载位置，再跳开发电机断路器并灭磁。减励磁将发电机励磁电流减到至定值。励磁切换将励磁电源系统由工作励磁电源系统切换到备用励磁电源系统。厂用电源切换由厂用工作电源供电切换到备用电源供电。分出口动作于单独回路。信号发出声光信号。

8五．同步发电机的纵差动保护纵差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护。图4.1发电机完全纵差保护交流接入回路完全纵差动不完全纵差动

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10实现制动,动作值的整定可只按躲过发电机正常运行时的不平衡电流，三、发电机比率制动式差动保护1、动作方程与动作特性完全纵差时不完全纵差时

11（二）发电机纵差动保护的基本工作原理1．发电机比率制动式差动保护工作原理完全纵差时不完全纵差时

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13（三）比率制动式发电机纵差保护定值整定

14①启动电流Iact0按躲过正常工况下最大不平衡差流来整定。不平衡差流产生的原因：主要是差动保护两侧TA的变比误差，保护装置中通道回路的调整误差。对于不完全纵差，尚需考虑发电机每相各分支电流的不平衡。一般Iact0=（0.3～0.4）IN.G②拐点电流Ibrk0Ibrk0的大小，决定保护开始产生制动作用的电流大小，建议按躲过外部故障切除后的暂态过程中产生的最大不平衡差流整定。

15③比率制动系数Kbrk（按避开外部）1、保护最大动作电流整定1）保护装置的最大动作电流按避开外部故障时的最大不平衡电流整定。一般取为1.3取1型号相同时为0.5不完全纵差取值要大一点。一般Ibrk0=（0.5～0.8）IN.G

16Kbrk应按躲过区外三相短路时产生的最大暂态不平衡差流来整定。通常，对发电机完全纵差Kbrk=0.3～0.5;对于不完全纵差保护，当两侧差动TA型号不同时，取Kbrk=0.5，以躲过区外故障因两侧TA暂态特性不同及转子偏心而造成的不平衡差流等。

17④负序电压U2解除循环闭锁的负序电压（二次值）可取U2=（9～12）V。⑤差动速断倍数Is对于发电机的差动速断，其作用相当于差动高定值，应按躲过区外三相短路时产生的最大不平衡差流来整定，一般取Is=4～8（倍）。

18⑥解除TA断线功能差流倍数Ict通常Ict=0.8～1.2IN.G。发电机额定电流IN.G⑦差动保护灵敏度校验必须满足机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数:Ksen≥2

19⑥解除TA断线功能差流倍数Ict通常Ict=0.8～1.2IN.G。发电机额定电流IN.G⑦差动保护灵敏度校验必须满足机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数:Ksen≥2

203、保护动作逻辑框图发电机纵差保护的出口方式，有两种设置：单相出口方式及循环闭锁出口方式。当采用循环闭锁出口方式时，为提高发电机内部及外部不同相同时接地故障（即两相接地短路）时保护动作的可靠性，采用负序电压解除循环闭锁（即改成单相出口方式）。对于单相出口方式，设置专门的TA断线判别，并当差电流大于解除TA断线闭锁电流倍数Ict时可解除TA断线判别功能。

21图10-4单相出口方式发电机纵差保护逻辑框图发电机不完全纵差动保护一段使用单相出口方式。

22图10-5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推荐使用循环闭锁出口方式。

23六．同步发电机的定子绕组匝间短路保护

241.发电机纵向零序电压式匝间短路保护保护采用两段式：I段为次灵敏段，II段为灵敏段。动作方程:

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27定值取值建议（1）纵向零序电压动作值及动作电压的整定原则是：能可靠躲过正常工况下由发电机纵向不对称及专用TV三相参数不一致产生的零序电压，而在定子绕组发生最小匝间短路时能可靠动作。对于由上海电机厂生产的定子绕组呈单Y型连接、容量为125MW的汽轮发电机，可取8V以上；而对于国内生产的定子绕组呈双Y型连接、容量为200MW～300MW的汽轮发电机，可取5V~8V。可取（0.4~0.8），一般约3V左右。

28三次谐波额定电压取发电机额定负荷下三次谐波电势2~5V三次谐波增量制动系数一般取0.4~0.5纵向零序电压式匝间保护，应带一个小延时动作，以确保在专用TV一次断线时能可靠不动作。运行实践表明：t0=0.15~0.2秒是合理的。

292.匝间短路的裂相横差保护

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31七．同步发电机的定子单相接地保护表10-1发电机单相接地电流允许值发电机额定电压(kV)发电机额定容量(MW)接地电流允许值(A)6.3<50410.550-100313.10-15.75125-2002①110-203001①对于氢冷发电机,允许值为2.5A。

32定子接地保护方案基波零序电压式定子接地保护，保护范围为由机端至机内90%左右的定子绕组单相接地故障。可作小机组的定子接地保护。也可与三次谐波定子接地保护合用，组成大、中型发电机的100%定子接地保护。1、基波零序电压式定子接地保护

33故障点的零序电压为

34发电机基波零序电压式定子接地保护原理图

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37100％定子接地保护装置组成：第—部分是零序电压保护，保护定子绕组的85％以上；第二部分保护则用来消除零序电压保护不能保护的死区。为提高可靠性，两部分的保护区应相互重总叠。2、利用基波零序电压和三次谐波电压构成的100％定子接地保护1）、发电机三次谐波电势的分布特点产生原因：由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响。

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39可见：在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压U3N总是大于发电机端的三次谐波电压U3S。极限情况是当发电机出线端开路时:U3S＝U3N机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压之比为

40当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地发生在距中性点a处，此时不管发电机中性点是否接有消弧线圈，恒有：

41动作量：机端三次谐波电压U3S；制动量：中性点侧三次谐波电压UN3；保护的动作条件：U3S>U3N保护范围：反应定子绕组中性点侧约50％范围内的接地故障。

42三次谐波定子接地保护交流接入回路

43绝对值比较式定子接地保护的动作方程为K1、K3三次谐波式定子接地保护调整系数定值浮动电压门坎。定子接地保护逻辑框图

442、基波零序电压和三次谐波电压构成的定子单相接地保护(1)保护原理基波零序电压保护：发电机距机端95％范围内定子绕组单相接地故障（中性点附近有5%的死区）；三次谐波电压保护：发电机中性点附近定子绕组的单相接地。动作判据为

45Uset——为实测基波不平衡电压。当UOP＜10V时，应校验高压系统接地短路时传递到机端的基波零序电压，以免误动。2)三次谐波电压比的整定。若实测发电机正常运行时的最大三次谐波电压比值设为K0，则取K＝(1.05～1.15)K0。取1.2～1.3

46若发电机机端电压互感器变比为不管发电机中性点接地方式如何，中性点电压互感器变比应满足

47八．发电机相间短路后备保护1\同步发电机复合电压过流保护保护

481、构成原理及逻辑框图（0.7～0.75）UN（8%~10%）UN

49图4.19发电机复合电压过电流保护出口逻辑框图

502、阻抗保护（包括发电机、变压器）发电机变压器低阻抗保护，主要作为发电机及变压器相间短路的后备保护，有时还兼作相邻设备（母线、线路等）相间短路的后备保护。该保护主要由三个相间阻抗元件构成。阻抗元件的接入电压和接入电流，可以取自机端TV及TA的二次，也可以取自主变高压侧或中压侧TV及TA二次。

51图4.20发电机低阻抗保护动作逻辑框图

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53正向阻抗及反向阻抗的整定对于发电机变压器组的阻抗保护，当阻抗保护的输入电压及电流取自机端时，阻抗园应整定为具有偏移度的方向阻抗园。此时：ZF=ZT（变压器的二次阻抗）

54阻抗保护的动作延时，应大于相邻线路保护距离I段的动作时间，而小于相邻线路对侧距离II段的动作时间当阻抗保护的输入电压及电流取自主变高压侧时，阻抗园应整定为过原点的下抛园。此时，

553、发电机反时限对称过负荷保护作用：是发电机定子的过热保护，主要用于内冷式大型汽轮发电机。构成原理：保护反映发电机定子电流的大小，其输入电流同发电机定时限过负荷及过电流保护，即可为发电机TA二次某一相电流，或者为三相电流。该保护由定时限和反时限两部分构成。

56动作方程定时限部分：反时限部分

57动作特性当发电机的电流大于定时限动作整定值时，经延时发信号；而大于反时限启动电流值时，保护的动作时间与电流大小成反比，出口作用于解列或程序跳闸。保护的反时限特性曲线由三部分构成：上限短延时、反时限及下限长延时。其特性曲线如图所示。

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594、发电机反时限不对称过负荷保护发电机反时限不对称过负荷保护，适用于大型内冷式汽轮发电机。是发电机的转子过热保护，也叫转子表层过热保护。构成原理保护反应发电机定子电流中的负序分量。其输入电流为发电机TA二次三相电流。保护由定时限和反时限二部分构成。

60动作方程定时限部分：反时限部分

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63九．发电机转子接地保护图4.25叠加直流式转子一点接地保护原理图DGT-801P48

64十．发电机失磁保护（阻抗原理）DGT-801P51

65十一.发电机失步保护P58

66一、发电机的失磁运行及其产生的影响失磁故障——指励磁突然全部消失或部分消失使励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流。1、失磁原因：★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★励磁绕组由于长期发热，绝缘老化或损坏引起短路★运行人员调整等

672、失磁后的基本物理过程：功角特性关系：转子运动方程：异步功率电气角加速度机组的惯性时间常数

68●Ed↓→Pe↓PT不变转子加速→δ↑→P=PT。δ由δ1→δ2→δ3变化。当δ<900时，发电机未失步——同步振荡阶段；当δ=900（静态稳定极限角）——临界失步状态；

69在发电机超过同步转速后，转子回路将感应出频率为fG-fs的差频电流，该电流将产生异步功率Pac，当Pac=PT即进入稳态的异步运行阶段。2、失磁的影响对电力系统：※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。

70对发电机：※转子中fG-fs的差频电流→过热。※转差率↑→吸收Q↑→定子过电流→发热。※转速↑→振动。对汽轮发电机：Pac较大，s<0.5%可稳定运行，即可异步运行一段时间。对水轮发电机：Pac较小，s很大→Q↑、I↑，发热厉害，故不允许失磁异步运行。

71二、失磁发电机机端测量阻抗的变化轨迹1、等有功阶段与等有功阻抗圆：失步前，P基本不变———等有功过程

722、等无功阶段与等无功阻抗圆（临界失步圆）

73阻抗判据

74转子低电压判据发电机反应功率Pt（也称凸极功率）

75阻抗型失磁保护框图

76当发电机失磁导致机端低电压动作时，经延时t4发出信号并作用于出口（如切换励磁或切换厂用电源等措施）；当发电机失磁导致机组功率超过整定值时，经延时t5发出信号并作用于出口（如降出力）；当发电机失磁并导致系统低电压动作时，经延时t3发出信号并作用于跳闸；当发电机失磁阻抗元件满足，或同时转子低电压也满足时，经t1延时或t2延时发出信号并作用于出口（如解列灭磁）。

77十一、发电机失步保护反应电机机端测量阻抗的变化轨迹，动作特性为双遮挡器的失步保护

78可以看出：电阻线R1、R2、R3、R4及电抗线将阻抗复平面分成0~4共5个区测量阻抗依次穿过五个区后记录一次滑极。当滑极次数累计达到整定值时，便发出跳闸命令。

79失步保护逻辑框图开断电流所谓开断电流，系指断路器断开时，流过开关触点的电流。该电流不能大于开关允许的额定遮断电流。