发电机保护详细讲解

发电机定子接地保护发电机定子绕组单相接地保护由于发电机容易发生绕组线棒和定子铁芯之间绝缘的破坏，因此发生单相接地故障的比例很高，约占定子故障的70~80%。由于大型发电机组定子对地电容较大，当发电机机端附近发生接地故障时，故障点的电容电流比较大，影响发电机的安全运行；同时由于接地故障的存在，会引起接地弧光过电压，可能导致发电机其它位置绝缘的破坏，形成危害严重的相间或匝间短路故障。发电机定子绕组单相接地故障电流允许值中性点不接地的发电机，当发电机内部单相接地时，接地电容电流应在规定的允许值之内，如下表所示。大型发电机由于造价昂贵，结构复杂，检修困难，且容量的增大使得其接地故障电流也随之增大，为了防止故障电流烧坏铁芯，大型发电机有的装设了消弧线圈，通过消弧线圈的电感电流与接地电容电流的相互抵消，把定子单相接地故障电流限制在规定的允许值之内。表发电机定子绕组单相接地故障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)6.3504汽轮发电机50~10010.5水轮发电机10~1003汽轮发电机125~20013.8~15.75水轮发电机40~22521）18~20300~6001注：1）对氢冷发电机为2.5。单相接地故障时的零序电压ACCDABBDAADEEUEEUEU)1(ACDBDADdEUUUU)(310CfCwdAEBECEADUBDUCDUAE0dU（a）电路图（b）相量图图发电机定子绕组单相接地时的电路图和相量图发电机定子接地时的零序网络图0dUfCfC)(1wCd0dUfCfC)(1wCd3L（a）中性点不接地（b）中性点经消弧线圈接地图发电机内部单相接地时的零序等效网络当中性点不接地时，故障点的接地电流为AwfdECCjI)(3当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流为AwfdECCLjI)](31[当机端发生单相接地故障时，接地电流最大AwfdECCLjI)](31[max经消弧线圈接地可补偿故障接地容性电流。在装设消弧线圈时，要采用过补偿方式选择线圈的电感L，使得补偿的感性电流大于接地容性电流，以防止系统总容抗和消弧线圈的感抗在数值上相等，发生共振而引起过电压。而在大型发电机变压器组单元接线的情况下，由于总电容为定值，要采用欠补偿运行方式，即补偿的感性电流小于接地容性电流，这样有利于减小电容耦合传递的过电压。当发电机电压网络的接地电容电流大于允许值时，不论该网络是否装有消弧线圈，接地保护动作于跳闸；当接地电流小于允许值时，接地保护动作于信号，即可以不立即跳闸，由值班人员请示调度中心后，转移故障发电机的负荷，然后平稳停机进行检修。对于中小型发电机，通常采用零序电压定子单相接地构成保护，由于整定值要避开不平衡电压，保护区一般只能达到定子绕组的85~95%，故在发电机中性点附近存在着死区。实现发电机定子100%接地保护主要利用三次谐波电压或是叠加电源与零序电压配合构成。利用零序电压的定子单相接地保护故障点的零序电压将随着故障点位置的不同而改变，越靠近机端，故障点的零序电压就越高，因此可以利用基波零序电压构成定子单相接地保护，通常零序电压保护用于发电机变压器组，该保护反映发电机的基波零序电压大小，而零序电压取自发电机机端TV的开口△绕组或中性点TV二次侧(也可从消弧线圈副方绕组取得)。由于发电机正常运行时，相电压中含有三次谐波，因此，在机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出，此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高低绕组之间有电容存在，在发电机机端也会产生零序电压。因此，为了保证选择性，保护要具有三次谐波滤除功能，并且整定时要躲过正常运行时的不平衡电压以及变压器高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压。0dU0.50.501.01.03U0t/0发信或跳闸零序电压保护的出口方式：发信或跳闸。当动作于跳闸且零序电压取自发电机机端TV的开口△绕组时需要装设TV断线闭锁。利用零序电压的定子单相接地保护该保护反映发电机的基波零序电压大小，而零序电压取自发电机机端TV的开口△绕组或中性点TV二次侧(也可从消弧线圈副方绕组取得)。由于发电机正常运行时，相电压中含有三次谐波，因此，在机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出，此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器高低绕组之间有电容存在，在发电机机端也会产生零序电压。因此，为了保证选择性，保护要具有三次谐波滤除功能，并且整定时要躲过正常运行时的不平衡电压以及变压器高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压。零序电压保护的出口方式：发信或跳闸。当动作于跳闸且零序电压取自发电机机端TV的开口△绕组时需要装设TV断线闭锁。利用零序电压构成的定子单相接地保护03U0.50.501.01.0pU0100V图定子绕组单相接地时03U与的关系曲线保护构成原理3U0交流模件装置装置交流模件动作方程：3U0＞3U0g3U0——机端TV开口三角电压或中性点TV（或消弧线圈）二次电压；3U0g——动作电压整定值。保护动作逻辑当零序电压式定子接地保护的输入电压取自机端TV开口三角形绕组时，为确保TV一次断线时保护不误动，需引入TV断线闭锁。3U0TV断线&t信号出口机端TV开口三角电压3U0中性点零序电压t信号出口&t信号机端TV开口三角03U03U中性点零序电压&01TV断线信号利用零序电压和三次谐波电压构成的100％定子单相接地保护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，在定子绕组中感应的电势除基波分量外，还含有高次谐波分量。其中三次谐波分量是零序性质的分量，它虽然在线电势中被消除，但是在相电势中依然存在。如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点N和机端S，且每相的电容大小都是0.5Cf,并将发电机端引出线、升压变压器、厂用变压器以及电压互感器等设备的每相对地电容也等效在机端Cw，并设三次谐波电势为E3，那么当发电机中性点不接地时，其等值电路如图所示。这时中性点及机端的三次谐波电压分别为33)(22ECCCCUwfwfN33)(2ECCCUwffS机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压比为wffNSCCCUU233由上式可见，在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压UN3总是大于发电机端的三次谐波电压US3。当发电机孤立运行时，即发电机出线端开路，=0时，ddd=。中性点及机端的三次谐波电压分别为wC3NU3SU发电机三次谐波电势和对地电容的等值电路图2fC2fC3EwC3SU3NUSN2fC2fC3EwC3SU3NUSL3NffNCLCLjX32)3(3)32)(3(33)27(63wfNCCjX)2(323wfSCCjX)2(9273333wfwfNSNSCCCCXXUU9733NSUU其中为整定比值。需要指出，发电机中性点不接地或经消弧线圈接地与发电机经配电变压器高阻接地时，两者的比值整定值是有区别的。3E3E3NU3SU020406080100(%)（中性点）（机端）|/|33NSUU||||333NNpSUUKU叠加电源方式的100%定子单相接地保护采用叠加低频电源方式，叠加电源频率主要是12.5Hz和20Hz两种，由发电机中性点变压器或发电机端TV开口处注入一次发电机定子绕组。这种方式能够独立地检测接地故障，与发电机的运行方式无关；不仅在发电机正常运行的状态下可以检测，而且在发电机静止或是启动、停机的过程中同样能够检测故障。更重要的是，这种方式对定子绕组各处故障检测的灵敏度相同。负载外加20Hz电源R1R2abUsefIsef接地变压器Gab中性点变压器电流互感器滤波分压叠加20Hz低频电源方式的100%定子单相接地保护原理图反时限负序电流保护当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情况下三相负荷不平衡时，在发电机定子绕组中将出现负序电流，此电流在发电机空气隙中建立的负序旋转磁场相对于转子为两倍的同步转速，因此将在转子绕组、阻尼绕组以及转子铁心等部件上感应于100Hz的倍频电流，该电流使得转子上电流密度很大的某些部位（如转子端部、护环内表面等），可能出现局部灼伤，甚至可能使护环受热松脱，从而导致发电机的重大事故。此外，负序气隙旋转磁场与转子电流之间以及正序气隙旋转磁场与定子负序电流之间所产生的100Hz交变电磁转矩，将同时作用在转子大轴和定子机座上，从而引起100Hz的振动。负序电流在转子中所引起的发热量，正比于负序电流的平方及所持续的时间的乘积。在最严重的情况下，假设发电机转子为绝热体（即不向周围散热），则不使转子过热所允许的负序电流和时间的关系，可用下式表示tAtIdti02222*tdtiIt*0222式中：i2——流经发电机的负序电流值；t——i2所持续的时间；——在时间t内的平均值，应采用以发电机额定电流为基准的标么值；A——与发电机型式和冷却方式有关的常数。22*I22it(s)2It1tupI2mI2up222KIAt负序反时限过流保护动作特性YH7ＩU2LH过滤器2I1232I2I2I4acbt5t6信号不对称过负荷信号Y0发电机的失磁保护发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有：转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。对各种失磁故障综合起来看，有以下几种形式：励磁绕组直接短路或经励磁电机电枢绕组闭路而引起的失磁、励磁绕组开路引起的失磁、励磁绕组经灭磁电阻短接而失磁，励磁绕组经整流器闭路（交流电源消失）失磁。当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零。由于发电机的感应电势Ed随着励磁电流的减小而减小，因此，其电磁转矩也将小于原动机的转矩，因而引起转子加速，使发电机的功角δ增大。当δ超过静态稳定极限角时，发电机与系统失去同步。发电机失磁后将从电力系统中吸取感性无功功率。在发电机超过同步转速后，转子回路中将感应出频率为ff-fs（ff此处为对应发电机转速的频率，fs为系统的频率）的电流，此电流产生异步转矩。当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时，即进入稳定的异步运行。发电机失磁影响（1）需要从电网中吸收很大的无功功率以建立发电机的磁场。所需无功功率的大小，主要取决于发电机的参数（X1、X2、Xad）以及实际运行时的转差率。汽轮发电机与水轮发电机相比，前者的同步电抗Xd=X1+Xad较大，所需无功功率较小。假设失磁前发电机向系统送出无功功率Q1，而在失磁后从系统吸收无功功率Q2，则系统中将出现的无功功率缺额(Q1+Q2)。失磁前带的有功功率越大，失磁后转差就越大，所吸收的无功功率也就越大，因此，在重负荷下失磁进入异步运行后，如不采取措施，发电机将因过电流使定子过热。（2）由于从电力系统中吸收无功功率将引起电力系统的电压下降，如果电力系统的容量较小或无功功率储备不足，则可能使失磁发电机的机端电压、升压变压器高压侧的母线电压、或其它邻近的电压低于允许值，从而破坏了负荷与各电源间的稳定运行，甚至可能因电压崩溃而使系统瓦解。(3)失磁后发电机的转速超过同步转速，因此，在转子及励磁回路中将产生频率为ff-fs的交流电流，即差频电流。差频电流在转子回路中产生的损耗，如果超出允许值，将使转子过热。特别是直接冷却的大型机组，其热容量的裕度相对降低，转子更易过热。而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。发电机失磁影响(4)对于直接冷却的大型汽轮发电机，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，也呈现较明显的不对称，由于这些原因，在重负荷下失磁后，这种发电机的转矩、有功功率要发生周期性摆动。这种情