1、发电机保护第一节 基本概念一 发电机发电机的作用是将汽轮机或水轮机输出的机械能变换成电能。1 主要构成发电机主要由定子和转子两部分构成。在定子与转子间留有适当的间隙，通常将该间隙称作为气隙。极对数为 1 的三相交流同步发电机的结构示意图如图 1 所示。在定子铁芯上设置有槽，每个定子槽分上槽和下槽，上槽及下槽中设置有定子绕组。每台发电机的定子绕组为三相对称式绕组，如图 1 中的 a-x、b-y、c-z 所示。所谓三相对称绕组是指三个绕组（即 a-x、b-y、c-z）的匝数相等，其空间分布相对位置相距 1200。在定子铁芯的上槽与下槽之间设置有屏蔽层。在转子铁芯上也有槽，槽内设置有转子绕组（如图
2、1 中的 Wj 所示） 。.NSjwycxbza图 1 三相同步交流发电机结构示意图为提高发电机的单机容量及降低铁芯及绕组的温度，各种发电机均设置有冷却系统。小型发电机一般采用空气冷却方式，也有采用氢冷式；对于大型汽轮发电机，通常采用水内冷及氢冷方式。2 作用原理在转子绕组中（图 1 中的 Wj）通入直流，产生一恒定磁场（其两极极性分别为NS） 。发电机转子由汽轮机或水轮机拖着旋转，恒定磁场变成旋转磁场（通常称之气隙磁场） 。转子旋转磁场切割定子绕组，必将在定子绕组产生感应电势。由于转子磁场在气隙中按正弦分布，而转子以恒定速度旋转，从而使定子绕组中的感应电势按正弦波规律变化。发电机并网运行时，
3、定子绕组中出现感应电流，向系统输出电能。3 发电机的额定转速转子磁场旋转时，每转过一对磁极，定子绕组中的电势便历经一个周期。因此，定子绕组中电势的频率可由每秒钟转过磁极的极对数来表示。设发电机的极对数（即一个 N、一个 S）为 P，每分钟的转速为 n，则频率 60nf转速 （1）P汽轮发电机的极对数 P1，当电网的频率 f50 赫时，n3000 转/分。对于水轮发电机，其极对数较多，故允许其转速转低，当 P4 时，水轮机的转速 n=750 转/分，当极对数 P24 时，其转速为 125 转/分。4 两种旋转磁场（1）直流激磁旋转磁场直流激磁旋转磁场，又叫机械旋转磁场。在同步发电机转子上装设有转
4、子绕组，通入直流后产生直流激磁的磁极，当转子旋转时，在气隙形成旋转磁场。该旋转磁场与转子无相对运动。气隙旋转磁场的转速与转子的转速相同。发电机正常运行时，转速为同步速。（2）交流激磁的旋转磁场发电机定子三相对称电流流过三相对称绕组时，将在气隙中产生旋转磁场。该旋转磁场由三相交流产生，故称交流激磁的旋转磁场。发电机正常运行时，两种旋转磁场的转速均等于同步速，它们之间无相对运动。又因为转子的转速也等于同步速，因此，定子旋转磁场与转子之间无相对运动，而转子磁场紧拉着定子旋转磁场转动。5 发电机的冷却方式根据冷却介质流通的路途，同步发电机的冷却方式，可分为外冷式及内冷式两种。外冷式又称之表面冷却方式，
5、其冷却介质有空气及氢气两种；内冷式称之直接冷却方式，其冷却介质有氢气及水两种。当采用水冷却方式时，绕组为空心铜制绕组，冷却水直接由绕组内流通。目前，大型汽轮发电机定子绕组的冷却方式，多采用水冷方式。有些发电机的转子绕组也采用水内冷方式。将转子绕组及定子绕组均由水内冷冷却的发电机，称之双水内冷发电机。6 并网运行汽轮发电机电势与端电压的关系发电机并网运行时，向系统送出有功及无功。此时，机端电压与发电机电势的关系是（1）dXIjUE0式中： 发电机电势；U机端电压； I发电机定子电流；发电机的同步电抗。dX若以机端电压为参考向量， 及 的向量关系如图 2 所示。0EU0EUdxIj图 2 机端电压
6、与电势的向量关系在图中： 功率因数角（U 超前 I 的角度） ；发电机电势与机端电压之间的夹角，又称之功角。由图 2 可以看出，当发电机送出有功及无功时，发电机电势 E0 大于机端电压 U。当发电机从系统吸收无功时，发电机电势将小于机端电压。7 发电机的阻抗若不及电阻分量，发电机的阻抗有同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗、负序电抗和零序电抗。（1）同步电抗发电机的同步电抗也叫正序电抗。正常运行时发电机的电抗，称之同步电抗；（2）负序电抗发电机不对称运行时，负序电流产生负序旋转磁场，负序旋转磁场以 2 倍同步转速切割转子绕组。负序电抗等于机端负序电压与定子绕组中负序电流的基波分量之比。（3）零序电抗
7、零序电抗具有漏抗的性质，其大小决定于零序电流产生的漏磁通。（4）暂态电抗 dX当定子电流突然变化时，在转子绕组中产生感应电势（像变压器一样） ，在转子回路中产生感应电流。该电流的作用使定子电抗减小，将减小后的电抗称之为暂态电抗 。dX（5）次暂态电抗当转子上有阻尼绕组时，若定子电流突然变化，由于阻尼绕组回路的阻抗不能突变，致使磁路的磁阻很大，相应的电抗 更小。dX二 电压互感器及电流互感器（TV 及 TA）1 电压互感器将电力主设备一次高电压降低至与一次电压成比例的较小电压，然后送至测量仪表或保护装置的设备，称之为电压互感器（TV） 。它相当一个二卷或三卷降压变压器。（1）特点A、一次绕组匝数
8、很多，二次或三次绕组匝数很少，其内阻很小，相当一电压源。B、变比，设一次设备的额定电压为 。在小电流系统中，保护用 TV 变比为NUKV；在大电流系统中，保护用变比为 KV；发31.0.3NU 1.03.NU电机中性点 TV 的变比应为 KV。1.03NC、保护用三相 TV 的接线方式，通常采用 YN，yn， 。D、运行中 TV 二次不能短路。（2）类型按一次绕组两端对地绝缘的状态分类，TV 可分为两类，即全绝缘 TV 及半绝缘 TV。所谓全绝缘 TV 是指一次端部绕组及中性点处绕组的对地绝缘完全相同；而半绝缘 TV 则是 TV 一次端部绕组的对地绝缘 远高于中性点处绕组的对地绝缘。2 电流互
9、感器 TA将电力系统一次大电流降低到与一次电流成比例的小电流，然后送到测量仪表、自动装置及保护装置的设备，称之为电流互感器 TA。其特点是：A、一次匝数少（最少为一匝） ，二次匝数很多，其内阻很大，对外相当于一电流源；B、运行中 TA 二次不得开路。3 电压互感器及电流互感器的接地为防止运行中由于互感器一次与二次之间绝缘击穿使一次高电压串到二次回路中，而危及人身及二次设备的安全，TA 及 TV 二次必须有一个可靠的接地点，通常称之 “保安接地” 。对于 TA 采用 TA 二次中性点接地；而对于 TV 可采用二次中性点接地（即 N 接地） ，也可采用 B 相接地。第二节 发电机保护的配置一 发电
10、机的故障及不正常运行方式1 发电机的故障（1）定子绕组的故障定子绕组的故障主要有：相间短路（二相短路、三相短路）接地故障：单相接地、两相接地短路故障匝间短路（同分支绕组匝间短路，同相不同分支绕组之间的短路） 。（2）转子绕组的故障主要有：转子绕组一点接地及二点接地，部分转子绕组匝间短路。2 发电机异常运行方式发电机不正常运行方式主要有：定子绕组过负荷，转子绕组过负荷，发电机过电压；发电机过激磁，发电机误上电、逆功率、频率异常、失磁、发电机断水及非全相运行等。二 发电机保护的配置发电机定子绕组或输出端部发生相间短路故障或相间接地短路故障，将产生很大的短路电流，大电流产生的热、电动力或电弧可能烧坏
11、发电机线圈、定子铁芯及破坏发电机结构。转子绕组两点接地或匝间短路，将破坏气隙磁场的均匀性，引起发电机剧烈振动而损坏发电机；另外，还可能烧伤转子及损坏其他励磁装置。发电机异常运行也很危险。发电机过电压、过电流及过激磁运行可能损坏定子绕组；大型发电机失磁运行除对发电机不利之外，还可能破坏电力系统的稳定性。其他异常工况下，长期运行也会危及发电机的安全。为确保发电机安全经常运行，必需配置完善的保护系统。1 短路故障的主保护发电机内部短路故障的主保护有：纵差保护，横差保护（单元件横差及三元件横差保护） ，发电机定子绕组匝间保护（主要有单元件横差保护、纵向零序电压匝间保护及负序功率方向保护） ，转子两点接
12、地保护，励磁机纵差保护。2 短路故障的后备保护发电机短路故障的后备保护主要有：复压闭锁过流保护，对称过流及过负荷保护，不对称过流及过负荷保护、负序过电流保护，转子过流及过负荷保护、转子两点接地保护、带记忆的低压过流保护。3 其他故障保护发电机单相接地保护，发电机失磁保护。4 发电机异常运行保护发电机异常运行保护有：发电机过电压保护，发电机过激磁保护、逆功率保护，转子一点接地保护，定子过负荷保护、非全相运行保护、大型发电机失步保护、频率异常保护等。5 开关量保护发电机断水保护等。6 临时性保护所谓临时性保护是指：发电机正常运行时应退出的保护。其中有发电机误上电保护及发电机启、停机保护等。第三节
13、发电机纵差保护发电机纵差保护，是发电机相间故障的主保护。一 纵差保护的分类1 按输入电流的不同分类发电机差动保护由三个分相差动元件构成。若按由差动元件两侧输入电流的不同进行分类，可以分成完全纵差保护和不完全保护两类。其交流接入回路分别如图 3（a）和图3（b）所示。ABCJ aJ bJ cABCJ aJ bJ c(a) (b)图 3 发电机纵差保护的交流接入回路在图 3 中：Ja、Jb、Jc分别为发电机 A、B、C 三相的差动元件；A、B、C发电机三相输入端子。由图 3 可以看出，发电机完全纵差保护与不完全纵差保护的区别是：对于完全纵差保护，在发电机中性点侧，输入到差动元件的电流为每相的全电流
14、，而不完全差动保护，由中性点输入到差动元件的电流为每相定子绕组某一分支的电流。2 按制动方式分类为确保区外故障时纵差保护可靠不动作，在差动元件中设置有制动量。按制动方式分类，差动保护可分为比率制动式和标积制动方式。3 按出口方式分类目前，发电机纵差保护均采用由三个差动元件构成的分相差动保护。由于发电机电压系统系小电流接地系统，故保护的出口既可以采用单相出口方式，也可以采用循环闭锁出口方式。所谓循环闭锁出口方式，是指：在三个相差动元件中，只有二个或三个元件动作后，保护才作用于出口。另外，为防止发电机两相接地（一个接地点在差动保护区内，另一个接地点在差动保护区外）短路时差动保护拒绝出口，一般采用由
15、负序电压元件去解除循环闭锁措施。此时，当负序电压元件动作之后，只要有一相差动元件动作，保护就作用于出口。二 动作方程目前，国内生产及广泛应用的发电机差动保护装置，为提高区内故障时的动作灵敏度及确保区外故障时可靠不动作，一般采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为zodzzd IIIKI000)(（1）式中： 差动电流，完全纵差： ，不完全纵差： ；dI NSdII NSdIKI制动电流，完全纵差： ，不完全纵差： ，标积制zI 2zI2zI动式完全纵差时： ，标积制动式不完全纵差时：)180cos(SNz；)180cos(SNzKII比率制动系数；0zI拐点电流，开始起制动作时的最小
16、制动电流；初始动作电流；d、 SI分别为中性点及机端差动 TA 的二次电流；NK由中性点流入差动 TA 的电流与中性点全电流的比值； 与 之间的相位差。IS三 动作特性具有两段折线式发电机纵差保护的动作特性如图 4 所示。由图 4 可以看出：纵差保护的动作特性由二部分组成：即无制动部分和有制动部分。这种动作特性的优点是：在区内故障电流小时，它具有很高的动作灵敏度；在区外故障时，它具有较强的躲过暂态不平衡电流的能力。在图 4 中： dzoI最小启动电流；拐点电流；zoI动作电流（差电流） ；d制动电流；zK制动系数， 。tgKz动作区t gK d z oIzIdIIz o制 动 区图 4 发电机
17、纵差保护动作特性某些厂家生产的发电机差动保护的动作特性，采用所变谓斜率（变制制系数）的动作特性，实际上是多段折线式的动作特性。数十年的运行实践表明，只要对各参数（ dzoI、及 zK）进行合理的整定，图 4 所示的动作特性，完全可以满足发电机对差动保护动作oI可靠性及动作灵敏度的要求。四 逻辑框图发电机纵差保护的出口方式：有单相出口方式及循环闭锁出口方式两种，其逻辑框图分别如图 5（a）及图 5（b）所示。A 相差动CB&T A 断 线信 号出 口T A 断线相差动相差动1（a ）单相出口方式的发电机纵差保护逻辑框图A 相差动CB&U 2信号出口&相差动相差动11（b）循环闭锁出口方式发电机纵
18、差保护逻辑框图图 5 发电机纵差保护逻辑框图由图 5（a）可以看出：当采用单相出口方式时，只要有一相差动元件动作，保护即作用于出口。由图 5（b）可以看出：当采用循环闭锁出口方式时，只有二相差动元件动作后，才作用于出口；但是，当出现负序电压时，只要有一相差动元件动作，保护即作用于出口。五 整定原则及取值建议由纵差保护的动作特性可以看出，对其定值的整定，主要是确定其构成三要素：即比率制动系数 zK，最小动作电流 dzoI和拐点电流 0zI。1 最小动作电流 dzoI最小动作电流也叫启动电流或初始动作电流。对于动作特性为两段或多段折线式纵差保护，最小动作电流实质是无制动时的动作电流。对 dzoI的
19、整定原则是：按躲过正常工况下的最大不平衡电流来整定。可按下式进行整定（2）eHdzoIKI)(21式中： 可靠系数，通常取 1.52；TA 变比误差，10P 级互感器误差为 0.03，故 可取 0.06（考虑两侧 TA1 1K正、负误差） ；2K保护装置通道传输变换及调整误差，可取 0.1；eI发电机额定电流，TA 二次值。代入式（2）可得 （0.240.32） eI，一般取 0.3 eI。dzoI对于不完全纵差保护，尚应考虑每相分支电流的不平衡，故还应适当提高定值。2 拐点电流 0zI理论上分析，外部故障时短路电流总比发电机的额定电流大，因此，其纵差保护的拐点电流应大于或等于其额定电流。但是
20、，由于差动保护的初始动作电流是按照发电机正常工况的不平衡电流来整定的，未考虑暂态过程的影响，故在外部故障切除后的暂态过程中，若无制动作用，则差动保护有可能不正确动作。在外部故障切除后的暂态过程中，由于差动两侧 TA 二次的暂态特性不能完全相同，致使差动两侧电流之间的相位发变化，从而使不平衡电流增大。此外，若拐点电流 0zI过大，由于无制作用可能致使差动保护误动。因此， 0zI应取（0.50.8） eI。3 比率制动系数 zK比率制动系数的取值原则，应按使差动元件躲过发电机外部三相短路时产生的最大不平衡电流来整定。区外三相短路时，差动元件可能产生的最大不平衡电流为max321max)(KhII（
21、3）式中： 最大不平衡电流；maxhI最大短路电流；KTA 的 10%误差；12通道的变换及传输误差，取 0.1；两侧 TA 暂态特性不一产生的误差，取 0.05。3代入式（3）得0.25 ，maxhIaxKI25.0K当不计拐点电流时，差动元件的比率制动系数应为，可取 0.30.4。325.025.)31.(. Hz对于不完全纵差保护，当两侧差动 TA 型号不同时，可取 。5.0zK4 解除循环闭锁的负序电压元件定值一般按高压母线出线末端故障产生的负序电压来整定。通常 VU)129(六 对各类发电机纵差保护的评价各种类型的发电机纵差保护均有自己的特点。1 完全纵差保护发电机完全纵差保护，是发
22、电机相间故障的主保护。由于差动元件两侧 TA 的型号、变比完全相同，受其暂态特性的影响较小。其动作灵敏度也较高，但不能反应定子绕组的匝间短路及线棒开焊。2 不完全纵差保护不完全纵差保护除保护定子绕组的相间短路之外，尚能反应定子线棒开焊及某些匝间短路。但是，由于在中性点侧只引入其一分支的电流，故在整定计算时，尚应考虑各分支电流不相等产生的差流。另外，当差动元件两侧 TA 型号不同及变比不同时，受系统暂态过程的影响较大。3 比率制动式与标积制动式两者均能有效躲过区外故障，其动作特性也完全相同。当区外故障时，标积制动方式纵差保护与比率制动式纵差保护工况完全相同。不同的是标积制动式纵差保护的制动电源反
23、映两侧电流之间的相位敏感，故内部故障时其灵敏度更高（因制动量为负值） 。第四节 发电机横差保护发电机横差保护适用于定子绕组为多分支的发电机，当某相中某一分支发生匝间短路或某相两分支之间在不同匝数处发生短路时，横差保护应立即动作切除发电机。一 横差保护的分类根据交流回路引入电流及保护中含差动元件的数量不同，发电机横差保护可分为单元件横差和三元件横差。三元件横差又称裂相横差。二 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，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。1 交流接入回路及动作方程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 TA 二次电流。以定子绕组为每相两分支的发电机
24、为例，其交流接入回路如图 6 所示。过电流元件AB C图 6 单元件横差保护的交流接入回路其动作方程为（4）opI式中： 中性点 TA 二次电流；横差保护动作电流整定值。opI2 逻辑框图横差保护是发电机内部短路的主保护，应无延时动作。但考虑到转子两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动，故在转子一点接地保护动作后，使横差保护带一个小延时动作。保护动作逻辑框图如图 7 所示。转子一点接地保护 动 作&信号出口o pII&t 1o p o1图 7 单元件横差保护逻辑框图3 定值的整定对单元件横差保护的整定，主要是确定动作电流及动作延时。（1）动作电流 opI目前，在单元件横差保护中，设置
25、有三次谐波滤过器。因此，其动作电流应按躲过系统发生不对称短路或发电机失磁失步运行时转子偏心产生的最大不平衡电流。（5）eHopIKI)(321式中： 可靠系数，取 1.5；K额定工况下，同相不同分支绕组由于参数的差异产生的不平衡电流，最大1K可取 ；06.%232正常工况下气隙不均匀产生的不平衡电流，取 0.05 ；eI异常工况下转子偏心产生的不平衡电流，取 0.1 。3将各参数代入式（5）得（0.30.35） ，可取 0.35 。opIeIeI（2）动作延时动作延时 可取 0.51 秒。1t三 裂相横差保护1 交流输入回路裂相横差保护由三个横差元件构成，每个元件两侧的输入电流分别接在某相定子
26、绕组两分支（或两分支组）上的 TA 二次。以 A 相横差元件为例，其交流接入回路如图 8 所示。* *1I2I1iiA 机端中性点横差元件图 8 A 相横差保护交流接入回路由图可以看出：由于两组 TA 二次呈反极性连接，且在正常工况下一次电流 ，故21I流入差动元件的电流为零。当定子绕组的某一分支匝间短路或两分支不同匝间短路时，图中的一次电流 ，故在差回路中产生差流，保护动作。21I2 逻辑框图在转子两点接地之后，为避免横差保护抢先动作，对于裂相横差保护应具有短动作延时。裂相横差保护的逻辑框图如图 9 所示。A 相横差C相 横差B&转子一 点接地相横差1&t 11信号出口图 9 裂相横差保护逻
27、辑框图3 动作方程及动作特性图 9 中的横差元件，可以采用具有比率制动特性的差动元件，也可以采用像单元件横差元件那样的过电流元件。采用过电流元件时，其动作方程为（6）opdI式中： 差回路中的差流；差动元件动作电流整定值。opI采用具有比率制动特性的差动元件时，其动作方程为)(zoZdzoIKII式中： 差流， ；21Id制动电流， ；zI IIz初始动作电流；do比率制动系数；zK拐点电流；I、 （TA 二次值）分别为某相定子绕组分支（或分组）电流。12根据式（6）可以划出如图 10 所示的动作特性。dzoIzoIdI zItgKz动作区图 10 裂相横差保护的动作特性在图 10 中：各种符
28、号的物理意义同式（6） 。4 整定计算（1）采用过电流元件时动作电流应按躲过区外不对称短路时产生的最大不平衡差流来整定。（7）)2(max31(2KHopIKI式中： 可靠系数，取 1.151.2；两侧 TA 的 10%误差，取 0.1；12K通道传输及调整误差，取 0.1；不对称短路时，由于转子偏心造成的误差取 0.1。3将以上各数据代入式（7） ，可得)2(max36.045.(21KopII可取 )(max.0K（2）采用具有比率制动特性的差动元件时对其定值的整定，主要是确定最小动作电流 ，拐点电流 及比率制动系数。dzoIzoIA、最小动作电流 dzoI按躲过正常工况下产生的最大不平衡
29、电流来整定。（8）eHdzoIKI)(2132式中： 可靠系数，取 1.52；K两侧 TA 变比误差，取 0.06；12气隙磁场不均匀产生的误差，取 0.05；保护装置通道传输及调整误差，取 0.1。3代入式（8）可得（0.250.27） ，可取 0.2 。dzoIeIeIB、拐点电流 zoI在额定工况下，保护的制动电流约为 0.5 ，因此，拐点电流可取（0.30.4） 。eI eIC、比率制动系数 zK比率制动系数 可取 0.4。z第五节 纵向零序电压式发电机定子匝间保护发电机定子绕组发生匝间短路时，将出现纵向零序电压。纵向零序电压式匝间保护是以纵向零序电压为判据构成的发电机匝间短路保护。一
30、 交流接入回路纵向零序电压式匝间保护的接入电压，取自机端专用 TV 的开口三角形电压。对发电机专用 TV 的要求是：全绝缘式 TV，其一次中性点不能接地，而应通过高压电缆与发电机中性点连接起来。保护装置的交流接入回路如图 10 所示。ABC定子 绕组专用 T V3 U 0匝间保护装置图 10 纵向零序电压式匝间保护交流接入回路在图 10 中：对保护接入专用 TV 二次电压的目的是用于 TV 断线闭锁。二 逻辑框图为防止专用 TV 一次断线时匝间保护误动，引入 TV 断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他原因（例如专用 TV 回路出现问题）产生的纵向零序电压使保护误动，通常采用负序功率方向闭锁元件
31、（也有采用负序功率增量方向元件闭锁的） 。对于微机型保护装置，负序功率方向判据应采用允许式闭锁。该保护的逻辑框图如图 11 所示。专用T V 断 线t03 U 0 P 2 0信号出口图 11 发电机纵向零序电压式匝间保护逻辑框图在图中： 纵向零序电压元件；03U负序功率方向元件；2P时间元件。t对匝间保护引入一个短延时 的目的是：在专用 TV 一次断线或一次保险抖动时，确保t可靠闭锁保护出口。三 专用 TV 断线闭锁元件匝间保护及 式定子接地保护 TV 断线闭锁，在 TV 一次断线时应动作。 为防止 TV03U一次断线时保护误动，通常采用比较两组 TV 二次电压大小及相位差的原理。国内已采用过
32、的反应 TV 一次断线的 TV 断线闭锁装置，其构成原理有两种：一种是比较 TV 二次三相电压向量和比较式，另一种是电压平衡原理。1 三相电压向量和比较式反映 TV 二次三相电压向量和的比较式 TV 断线闭锁装置，是按对专用 TV 及普通 TV二次三相电压的向量和进行绝对值比较的原理构成。其动作方程为（9）cbaCBAUU（10）在式（9）和（10）中： 、 、 专用 TV 二次三相电压；ABC、 、 普通 TV 二次三相电压。aUbc式（9）表示专用 TV 一次断线；式（ 10）表示普通 TV 一次断线。正常工况下，TV 二次三相平衡，其向量之和近似等于零。当专用 TV 一次某相断线时V，而
33、普通 TV 二次 。反之，当普通 TV 一次断线时，57CBAU 0cbaU，而 V。因此，式（9）及式（10）能正确反应 TV 一次断057cbaU线。但是，由于专用 TV 一次中性点不接地，而普通 TV 一次中性点直接接地，当发电机定子绕组发生单相接地进，断线闭锁元件将误判普通 TV 断线。2 电压平衡式原理电压平衡式 TV 断线闭锁元件，是按比较两组 TV 二次同名相间电压 、 及abU的原理构成。其动作逻辑框图如图 12 所示。bcU&普通 T V 的 U2闭 锁匝间 保 护信号信 号 UUUU c ab ca b 、m a x图 12 电压平衡式 TV 断线闭锁逻辑框图在图 12 中
34、： 差压整定值；、 、 专用 TV 与普通 TV 二次同名相间电压之差；abcca取 、 、 中的最大者；bUmxabcUcaU2普通 TV 二次的负序电压。由图 12 可以看出：若 、 及 三者中任一个大于 时，判为 TV 一次abcca断线；此时，如果普通 TV 二次无负序电压，则判为专用 TV 断线，若普通 TV 二次有负序电压，则被判为普通 TV 断线。专用 TV 断线时，闭锁匝间保护；普通 TV 断线时，闭锁 定子接地保护。03U分析表明：当发电机定子绕组一点接地时，断线闭锁装置不会误动。四 负序功率方向负序功率方向元件的接入电压为机端普通 TV 二次三相电压，接入电流为机端 TA
35、二次三相电流。负序功率方向元件的作用，是防止区外故障及因任何原因使专用 TV 三次回路异常时匝间保护误动。为此，其动作方向应指向发电机内，当发电机输出负序功率时，允许保护动作。五 定值整定对纵向零序电压式匝间保护的整定，主要是确定纵向零序电压元件的动作电压，断线闭锁元件的差压，负序电压元件的动作电压。1 动作电压 03U动作电压 的整定原则是：能可靠躲过正常工况下由于发电机纵向不对称及 TV 一次或三次参数不一致产生的零序电压；另外，在定子绕组发生最少匝间短路时，保护应可靠动作。对于定子绕组为单 Y 连接的发电机，其整定值可适当增大。例如对于上海电机厂生产的 125MW 双水内冷式汽轮发电机，
36、 可取 8V 以上；而对于容量为 200MW300MW、定子绕03U组呈双 Y 连接的汽轮发电机，可取 3V 左右。2 压差 U压差 的整定值，应确保专用 TV 一次断线时，其二次相间电压与普通 TV 同名相相间电压之差等于其 23 倍。多卷式石英沙型 TV 一次保护熔断时，因两断点之间的距离很近而不能使 TV 一次电压完全消失，故该差压可取 68V。3 负序功率方向元件的动作方向为防止因专用 TV 三次回路异常或一次保险熔断不干脆使保护误动，负序功率方向元件的动作方向应指向机内。4 负序电压元件的动作电压负序电压元件的动作电压，应保证正常工况不误动，通常取 68V。五 提高动作可靠性措施为确
37、保纵向零序电压式匝间保护动作可靠性，除增加一动作小延时及设置负序功率方向元件之外，尚应保证专用 TV 二次及三次回路满足反措要求。在 TV 三次回路不应设置保险或隔离刀闸的辅助接点；在 TV 端子箱 TV 二次和三次回路严格分开。另外，专用 TV 一次中性点对地绝缘应高（采用全绝缘式 TV，一次中性点通过高压电缆与发电机中性点联接起来） ，决不允许一次中性点接地。第六节 定子接地保护一 发电机定子单相接地的危害设发电机定子绕组为每相单分支且中性点不接地。发电机定子绕组接线示意图及机端电压向量图如图 13 中的（a） 、 （b）所示。ABCAUBUCU03 U（a） （b）图 13 定子绕组接线
38、示意图及电压向量图设 A 相定子绕组发生接地故障，接地点距中性点的电气距离为 （机端接地时 1） 。此时，相当于在接地点出现一个零序电压。由图 13（b）可以看出：A 相绕组接地时，使 B 相及 C 相对地电压，由相电压升高到另一值，当机端 A 相接地时， B、C 两相的对地电压由相电压升高到线电压（升高到 倍3的相电压） 。另外，发电机定子绕组及机端连接元件（包括主变低压侧及厂高变高压侧）对地有分布电容。零序电压通过分布电容向故障点供给电流。此时，如果发电机中性点经某一电阻接地，则发电机零序电压通过电阻也为接地点供给电流。发电机定子绕组单相接地的危害是：非接地相对地电压的升高，将危及对地绝缘
39、，当原来绝缘较弱时，可能造成非接地相相继发生接地故障，从而造成相间接地短路，损害发电机；另外，流过接地点的电流具有电弧性质，可能烧伤定子铁芯。如果定子铁芯烧伤，修复很困难。分析表明：接地点距发电机中性点越远，接地运行对发电机的危害越大；反之越小。中性点附近时，若不再出现其他部位接地故障，不会危害发电机。二 零序电压及安全接地电流设定子 A 相接地，接地点距中性点的电气距离为 ，则机端对地电压为 。接AU)1(地点的零序电压ACBUU)1(30（11）由式（11）可以看出，定子单相接地时，发电机系统的零序电压与接地点的位置有关，如图 14 所示。 03eU1图 14 零序电压与接地位置的关系在图
40、 14 中： 发电机相电压额定值；eU发电机系统的零序电压；03接地点距中性点的电气距离，机端接地时， 1。 可以看出：接地点距中性点越远，零序电压越高。机端接地时零序电压最大（等于发电机相电压） ；中性点接地时，零序电压等于零。接地时的最大电容电流为（12）3max10cUIec式中： 机端接地时流过接地点的电容电流，单位为安培；发电机电压，单位 KV；e发电机对地容抗，单位法拉。c所谓发电机的安全接地电流，是指长期流过接地点、而不损坏发电机定子铁芯的最大电流。对于不同电压等级及不同容量的发电机，其安全接地电流不同。发电机电压越高及容量越大，其安全接地电流越小。安全接地电流与发电机电压及容量
41、的关系列于下表。发电机电压 容量 安全接地电流 备注6.3KV 50MW 及以下 4A10.5KV 50100MW 3A13.815.75KV 125200MW 2A 氢冷发电机 2.5A18KV 以上 300600MW 1A三 发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压各种类型发电机运行时，均会产生三次谐波电势。在额定工况下，发电机的三次电压可能超过其额定电压的 5%。发电机定子绕组对地有分布电容。因此，在发电机定子绕组及其对地分布电容构成的回路中，将流过三次谐波电流，从而在发电机端及中性点对地之间产生三次谐波电压。1 发电机三次谐波电量的等值回路作以假设：发电机定子绕组对地的分布电容沿发
42、电机定子绕组均匀分布，其总电容为；发电机出线及连接元件（厂高变高压侧，主变低压侧）对地总电容为 ；发电机的GC SC三次谐波电势为 。若将电容 分成两等分，其一置于机端，另一置于中性点，则发电3EGC机三次谐波电流流通的等值回路如图 15 所示。 2GCSNU3 SU33i3E图 15 三次谐波电量的等级回路在图 15 中： 发电机的三次谐波电势；3E三次谐波电流；3i发电机的对地总分布电容；GC发电机出线及所连元件对地总电容。S由图可以看出：三次谐波电势通过对地电容产生三次谐波电流，三次谐波电流在机端及中性点对地容抗上产生压降，从而形成机端三次谐波电压 及中性点三次谐波电压SU3。NU3还可
43、以看出，由于机端对地电容（ + ）比中性点对地电容 大，故 2GCS2GCSU3。 + 。N3SN3E机端三次谐波电压的大小可在机端 TV 开口三角绕组两端测量；而中性点的三次谐波电压，可在中性点 TV（或消弧线圈或配电变压器）二次进行测量。2 、 及 的变化规律3ESUN3理论分析及测量表明，对于大多数发电机，其三次谐波电势(E3)随基波电势的增大而增大。在并网之前，机端及中性点的三次谐波电压随发电机电压升高而升高；在并网之后，对于汽轮发电机，机端及中性点三次谐波电压随有功的增大而增大；而对于水轮发电机则随着 l 无功功率的增大而增大。测量表明，在从发电机零起升压到负荷的全过程中， 与 之间
44、的相位变化不大。SU3N3 定子接地时接地点位置对 及 的影响SU3N分析表明，发电机定子绕组发生接地故障时，对 及 之间相对大小及相对相位SU3N均有影响。接地点的位置不同， 及 之比不同。S3N当机端接地时， 0(对地电容为零)，而 最大( , 的向量和一定)；SU3 3S3N而中性点接地时， 0，而 最大。 及 随接地点 的变化规律如图 16 所示。NS3SUNS31图 16 及 的大小与接地位置 的关系SU3N4 机端连接元件的变化对 及 的影响机端连接元件对 及 的影响，主要是连接元件对地电容的影响。不同的连接元SU3N件，对地电容不同。连接元件对地电容越大，其影响越大。理论分析及测
45、量结果表明：当发电机断路器两侧对地并有电容时，发电机并网后 增大而 减小。NU3S3三 发电机定子接地保护统计表明，在发电机的各种故障中，定子接地故障占的比例很大。为确保发电机的安全，当出现定子绕组接地故障时，应即时发现并作相应的处理。这要靠定子接地保护。规程规定，对容量为 100MW 及以上的发电机，应装设 100%定子接地保护（即没有死区的接地保护） 。1 定子接地保护的类别定子接地保护的种类很多。其中有零序电压式，零序电流式，三次谐波电压式，叠加直流式，叠加交流式，注入式等等。2 零序电流式定子接地保护目前，国内采用的零序电流式定子接地保护有两种。一种用于小机组，另一种用于大机组。小机组
46、零序电流式定子接地保护的原理构成接线图如图 17 所示。发电 机t0信号出口T A电流元件图 17 零序电流式定子接地保护构成示意图在图中：TA零序 TA，套在发电机三相出线上。由图可以看出，接地保护实际上由一接在零序 TA 二次的电流元件及时间元件构成。零序 TA 无变比，靠漏磁使一次零序电流（即电容电流）传递至二次的。该保护的优点是：构成简单及选择性强，可以区分接地点在机内还是在机外。其缺点是：由于零序 TA 尺寸的限制，只能用于小机组。用于大机组零序电流式定子接地保护的原理接线图如图 18 所示。定子绕组电流元件t0信号出口T AABCR图 18 零序电流式定子接地保护构成示意图在图 1
47、8 中：R发电机中性点对地附加电阻，通常为 1K；TA电流互感器。当定子绕组接地，有电流流过中性点，电流元件动作，经延时作用于出口。该保护的优点是：构成简单。其缺点是：有死区，在中性点附近接地时不动作，不能满足大机组对接地保护的要求；另外，增加了流过接地点的电流，对发电机很不利。3 叠加式定子接地保护叠加式定子接地保护有两类，其一是叠加直流式，另一是叠加低频交流式（例如叠加一 12.5Hz 的低频电压） 。叠加式定子接地保护的优点是：动作灵敏度高（特别是叠加直流式）及无死区（100%定子接地保护） 。缺点是构成复杂，需要一套外加电源。4 零序电压式定子接地保护零序电压式定子接地保护的零序电压，可取自机端 TV 三次开口电压，也可取自发电机中性点 TV 二次（或消弧线圈或配电变压器二次） 。其动作逻辑框图如图 19 所示。T V 断线信号出口t0图 19 零序电压式定子接地保护逻辑框图( 零序电压取自机端三次)在图 19 中： 零序电压元件。0U3当零序电压元件 接于至机端 TV 三次时，为防止 TV 一次断线保护误动，应设置TV 断线闭锁。该保护的优点是：构成简单，动作可靠，其缺点是有死区，在从中性点向机内 1015%的定子绕组接地时，该保护不动作。四 双频式 100%定子接地保护双频式定子接地保护，由两部分组成。其一是基波零序电压式接地保护
