发电机保护原理.doc

1、发电机保护原理大型发电机的造价高昂，结构复杂，一旦发生故障遭到破坏，其检修难度大，检修时间长，要造成很大的经济损失。例如，一台 20 万 kW 的汽轮发电机，因励磁回路两点接地使大轴和汽缸磁化，为退磁需停机 1 个月以上，姑且不论检修费用和对国民经济造成的间接损失，仅电能损失就近千万元。大机组在电力系统中占有重要地位，特别是单机容量占系统容量较大比例的情况下，大机组的突然切除，会给电力系统造成较大的扰动。因此，发电机的安全运行对电力系统的正常工作、用户的不间断供电、保证电能的质量等方面，都起着极其重要的作用。1 发电机故障形式由于发电机是长期连续旋转的设备，它既要承受机身的振动，又要承受电流、

2、电压的冲击，因而常常导致定子绕组和转子线圈的损坏。因此，发电机在运行中，定子绕组和转子励磁回路都有可能产生危险的故障和不正常的运行情况。一般说来，发电机的故障和不正常工作情况有以下几种：（1） 定子绕组相间短路故障：定子绕组相间短路故障是对发电机危害最大的一种故障。故障时，短路电流可能把发电机烧毁。（2） 定子绕组匝间短路：定子绕组匝间短路时，在匝间电压的作用下产生环流，可能使匝间短路发展为单相接地短路和相间短路。（3） 定子绕组接地故障：定子绕组的单相接地故障是发电机内较常见的一种故障，故障时，发电机电压系统的电容电流流过定子铁心，造成铁心烧伤，当此电流较大时将使铁心局部熔化。（4） 励磁回

3、路接地故障：发电机励磁回路一点或两点接地时，一般说来，转子一点接地对发电机的危害并不严重，但一点接地后，如不及时处理，就有可能导致两点接地，而发生两点接地时，由于破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈振动，或将转子绕组烧损。（5） 定子绕组过负荷：超过发电机额定容量运行形成过负荷时，将引起发电机定子温度升高，加速绝缘老化，缩短发电机的寿命，长时间过负荷，可能导致发电机发生其他故障。（6） 定子绕组过电压：调速系统惯性较大的发电机，如水轮发电机或大容量的汽轮发电机，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。（7） 定子过电流：由于外部短路或系统振荡而引起定子过电流时，也将引起发

4、电机定子温度升高，加速绝缘老化等后果，长时间过电流，也可能导致发生其他故障。（8） 励磁电流异常下降或消失：发电机励磁电流异常下降或消失时，发电机将从系统吸收大量无功功率，发电机可能与系统失步并转入异步运行状态，从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。（9） 补充励磁绕组过负荷、转子表层负序过负荷、定子铁心过励磁、发电机逆功率、失步、频率异常、发电机突然加电压、发电机起停。2 发电机保护配置为了使同步发电机能根据故障的情况有选择地、迅速地发出信号或将故障发电机从系统中切除，以保证发电机免受更为严重的损坏，减少对系统运行所产生的不良后果，使系统其余部分继续正常运行，在发电机上装设能反应各种故障的

5、继电保护是十分必要的。对于发电机可能发生的故障和不正常工作状态，根据发电机的容量有选择地装设以下保护：（ 2） 发电机主保护：为发电机定子绕组及其引出线地相间短路保护。（ 1） 1MW 以 上 的 发 电 机 ， 应 装 设 纵 联 差 动 保护 。（ 2） 对 100MW 以 下 的 发 电 机 变 压 器 组 ， 当发 电 机 与 变 压 器 之 间 有 断 路 器 时 ， 发 电 机与 变 压 器 宜 分 别 装 设 单 独 的 纵 联 差 动 保 护 。（ 3） 对 100MW 及 以 上 发 电 机 变 压 器 组 ， 应装 设 双 重 快 速 保 护 ， 每 一 套 主 保 护 宜

6、 具 有发 电 机 纵 联 差 动 保 护 和 变 压 器 纵 联 差 动 保护 功 能 。（ 4） 以 上 装 设 的 过 电 流 保 护 、 电 流 速 断 保 护 、低 电 压 保 护 、 低 压 过 流 和 差 动 保 护 均 应 动作 于 停 机 。（3） 匝间保护：为定子绕组一相匝间短路保护。a） 对 定 子 绕 组 为 星 形 接 线 、 每 相 有 并 联 分 支 且 中性 点 侧 有 分 支 引 出 端 的 发 电 机 ， 应 装 设 零 序 电流 型 横 差 保 护 或 裂 相 横 差 保 护 、 不 完 全 差 动 保护 。b） 50MW 及 以 上 发 电 机 ， 当

7、定 子 绕 组 为 星 形 接 线 ，中 性 点 只 有 三 个 引 出 端 子 时 ， 根 据 用 户 和 制 造厂 的 要 求 ， 也 可 装 设 专 用 的 匝 间 短 路 保 护 。（4） 短路后备保护：当发电机纵差保护范围外发生短路，而短路元件的保护或断路器拒绝动作时，为了可靠切除故障，则应装设反应外部短路的过电流保护。该保护兼作纵差保护的后备保护。保护装置宜配置在发电机的中性点侧。a） 对 于 1MW 及 以 下 与 其 它 发 电 机 或 与 电 力 系 统并 列 运 行 的 发 电 机 ， 应 装 设 过 流 保 护 。b） 1MW 以 上 的 发 电 机 ， 宜 装 设 复

8、合 电 压 （ 包 括负 序 电 压 及 线 电 压 ） 起 动 的 过 电 流 保 护 。 灵 敏度 不 满 足 要 求 时 可 增 设 负 序 过 电 流 保 护 。c） 50MW 及 以 上 的 发 电 机 ， 宜 装 设 负 序 过 电 流 保护 和 单 元 件 低 压 起 动 过 电 流 保 护 。d） 并 列 运 行 的 发 电 机 和 发 电 机 变 压 器 组 的 后 备 保护 ， 对 所 连 接 母 线 的 相 间 故 障 ， 应 具 有 必 要 的灵 敏 系 数 。e） 以 上 各 项 短 路 保 护 装 置 ， 宜 带 有 二 段 时 限 ， 以较 短 的 时 限 动 作

9、 于 缩 小 故 障 影 响 的 范 围 或 动 作于 解 列 ， 以 较 长 的 时 限 动 作 于 停 机 。（5） 定子绕组单相接地保护：为发电机定子绕组单相接地保护。a） 与 母 线 直 接 连 接 的 发 电 机 ： 当 单 相 接 地 故 障 电流 （ 不 考 虑 消 弧 线 圈 的 补 偿 作 用 ） 大 于 允 许 值时 ， 应 装 设 有 选 择 性 的 接 地 保 护 装 置 。 保 护 装置 由 装 于 机 端 的 零 序 电 流 互 感 器 和 电 流 继 电 器构 成 。 其 动 作 电 流 按 躲 过 不 平 衡 电 流 和 外 部 单相 接 地 时 发 电 机 稳

10、 态 电 容 电 流 整 定 。 接 地 保 护带 时 限 动 作 于 信 号 ， 但 当 消 弧 线 圈 退 出 运 行 或由 于 其 他 原 因 使 残 余 电 流 大 于 接 地 电 流 允 许 值 ，应 切 换 为 动 作 于 停 机 。 当 未 装 接 地 保 护 ， 或 装有 接 地 保 护 但 由 于 运 行 方 式 改 变 及 灵 敏 系 数 不符 合 要 求 等 原 因 不 能 动 作 时 ， 可 由 单 相 接 地 监视 装 置 动 作 于 信 号 。 为 了 在 发 电 机 与 系 统 并 列前 检 查 有 无 接 地 故 障 ， 保 护 装 置 应 能 监 视 发 电机

11、 端 零 序 电 压 值 。b） 发 电 机 变 压 器 组 ： 对 100MW 以 下 发 电 机 ， 应装 设 保 护 区 不 小 于 90 的 定 子 接 地 保 护 ， 对100MW 及 以 上 的 发 电 机 ， 应 装 设 保 护 区 为100 的 定 子 接 地 保 护 。 保 护 带 时 限 动 作 于 信 号 ，必 要 时 也 可 以 动 作 于 停 机 。 检 查 发 电 机 定 子 绕组 和 发 电 机 回 路 的 绝 缘 状 况 ， 保 护 装 置 应 能 监视 机 端 零 序 电 压 值 。（6） 励磁回路接地保护：为励磁回路地接地故障保护。a） 对 1MW 及 以

12、下 发 电 机 的 转 子 一 点 接 地 故 障 ，可 装 设 定 期 检 测 装 置 。b） 1MW 及 以 上 的 发 电 机 应 装 设 专 用 的 转 子 一 点接 地 保 护 装 置 延 时 动 作 于 信 号 ， 宜 减 负 荷 平 稳停 机 。 有 条 件 时 可 动 作 于 程 序 跳 闸 。c） 对 旋 转 励 磁 的 发 电 机 宜 装 设 一 点 接 地 故 障 定 期检 测 装 置 。（7） 定子绕组过负荷保护：对过负荷引起的发电机定子绕组过电流的保护。a） 定 子 绕 组 非 直 接 冷 却 的 发 电 机 ， 应 装 设 定 时 限过 负 荷 保 护 ， 保 护

13、接 一 相 电 流 ， 带 时 限 动 作 于信 号 。b） 定 子 绕 组 为 直 接 冷 却 且 过 负 荷 能 力 较 低 （ 例 如低 于 1.5 倍 、 60s） ， 过 负 荷 保 护 由 定 时 限 和 反时 限 两 部 分 组 成 。定 时 限 部 分 的 动 作 电 流 按 在 发 电 机 长 期 允 许 的负 荷 电 流 下 能 可 靠 返 回 的 条 件 整 定 ， 带 时 限 动作 于 信 号 ， 在 有 条 件 时 ， 可 动 作 于 自 动 减 负 荷 。反 时 限 部 分 的 动 作 特 性 按 发 电 机 定 子 绕 组 的 过负 荷 能 力 确 定 ， 保 护

14、 动 作 于 停 机 。 保 护 应 反 应电 流 变 化 时 定 子 绕 组 的 热 积 累 过 程 。 不 考 虑 在灵 敏 系 数 和 时 限 方 面 与 其 他 相 间 短 路 保 护 相 配合 。（8） 转子表层过负荷保护：对不对称负荷、非全相运行及外部不对称短路引起的负序电流的保护。a） 50MW 及 以 上 A 值 （ 转 子 表 层 承 受 负 序 电 流 能力 的 常 数 ） 大 于 10 的 发 电 机 ， 应 装 设 定 时 限负 序 过 负 荷 保 护 。 保 护 与 4.2.6.3 条 的 负 序 过 电流 保 护 组 合 在 一 起 。 保 护 的 动 作 电 流

15、按 躲 过 发电 机 长 期 允 许 的 负 序 电 流 值 和 躲 过 最 大 负 荷 下负 序 电 流 滤 过 器 的 不 平 衡 电 流 值 整 定 ， 带 时 限动 作 于 信 号 。b） 100MW 及 以 上 A 值 小 于 10 的 发 电 机 ， 应 装 设由 定 时 限 和 反 时 限 两 部 分 组 成 的 转 子 表 层 过 负荷 保 护 。定 时 限 部 分 ： 动 作 电 流 按 发 电 机 长 期 允 许 的 负序 电 流 值 和 躲 过 最 大 负 荷 下 负 序 电 流 滤 过 器 的不 平 衡 电 流 值 整 定 ， 带 时 限 动 作 于 信 号 。反 时

16、限 部 分 ： 动 作 特 性 按 发 电 机 承 受 短 时 负 序电 流 的 能 力 确 定 ， 动 作 于 停 机 。 保 护 应 能 反 应电 流 变 化 时 发 电 机 转 子 的 热 积 累 过 程 。 不 考 虑在 灵 敏 系 数 和 时 限 方 面 与 其 他 相 间 短 路 保 护 相配 合 。（9） 励磁绕组过负荷保护：对励磁系统故障或强励时间过长的励磁绕组过负荷的保护。a） 100MW 及 以 上 采 用 半 导 体 励 磁 的 发 电 机 ， 应装 设 励 磁 绕 组 过 负 荷 保 护 。b） 300MW 以 下 采 用 半 导 体 励 磁 的 发 电 机 ， 可 装

17、设 定 时 限 励 磁 绕 组 过 负 荷 保 护 ， 保 护 带 时 限 动作 于 信 号 和 降 低 励 磁 电 流 。c） 300MW 及 以 上 的 发 电 机 其 励 磁 绕 组 过 负 荷 保护 可 由 定 时 限 和 反 时 限 两 部 分 组 成 。定 时 限 部 分 ； 动 作 电 流 按 正 常 运 行 最 大 励 磁 电流 下 能 可 靠 返 回 的 条 件 整 定 ， 带 时 限 动 作 于 信号 和 降 低 励 磁 电 流 。反 时 限 部 分 ： 动 作 特 性 按 发 电 机 励 磁 绕 组 的 过负 荷 能 力 确 定 ， 并 动 作 于 解 列 灭 磁 或 程

18、 序 跳 闸 。保 护 应 能 反 应 电 流 变 化 时 励 磁 绕 组 的 热 积 累 过程 。（10） 定子绕组过电压保护：对发电机定子绕组的异常过电压的保护，以切除突然甩去全部负荷后引起定子绕组过电压。a） 对 水 轮 发 电 机 ， 应 装 设 过 电 压 保 护 ， 其 整 定 值根 据 定 子 绕 组 绝 缘 状 况 决 定 。 过 电 压 保 护 宜 动作 于 解 列 灭 磁 。b） 对 于 100MW 及 以 上 的 汽 轮 发 电 机 ， 宜 装 设 过电 压 保 护 ， 其 整 定 值 根 据 定 子 绕 组 绝 缘 状 况 决定 。 过 电 压 保 护 宜 动 作 于

19、解 列 灭 磁 或 程 序 跳 闸 。（11） 发电机过激磁保护：为防止由于频率降低和/或电压升高引起发电机器磁密过高而损坏发电机，应装设过励磁保护。a） 300MW 及 以 上 发 电 机 ， 应 装 设 过 励 磁 保 护 。保 护 装 置 可 由 低 定 值 和 高 定 值 二 部 分 组 成 的 定时 限 过 励 磁 保 护 或 反 时 限 过 励 磁 保 护 ， 有 条 件时 应 优 先 装 设 反 时 限 过 励 磁 保 护 。定时限过励磁保护：低定值部分，带时限动作于信号和降低励磁电流；高定值部分，动作于解列灭磁或程序跳闸。反时限过励磁保护：反时限特性曲线由上限定时限、反时限、下

20、限定时限三部分组成。上限定时限、反时限动作于解列灭磁，下限定时限动作于信号。反时限的保护特性曲线应与发电机的允许过励磁能力相配合。b） 汽 轮 发 电 机 装 设 了 过 励 磁 保 护 可 不 再 装 设 过 电压 保 护 。 （12） 逆功率保护：当汽轮发电机主汽门误关闭，或机炉保护动作关闭主汽门而发电机出口断路器未跳闸时，发电机失去原动力变成电动机运行，从电力系统吸收有功功率。这种工况对发电机并无危险，但由于鼓风损失，汽轮机尾部叶片有可能过热而造成汽轮机事故，故大型机组要装设用逆功率继电器构成的逆功率保护，用于保护汽轮机。a） 200MW 及 以 上 的 汽 轮 发 电 机 ， 宜 装

21、设 逆 功 率保 护 。b） 对 燃 汽 轮 发 电 机 ， 应 装 设 逆 功 率 保 护 。c） 保 护 装 置 由 灵 敏 的 功 率 继 电 器 构 成 ， 带 时 限 动作 于 信 号 ， 经 汽 轮 机 允 许 的 逆 功 率 时 间 延 时 动作 于 解 列 。d） 对 300MW 及 以 上 汽 轮 发 电 机 ， 发 电 机 励 磁 回路 一 点 接 地 ， 发 电 机 运 行 频 率 异 常 ， 励 磁 电 流异 常 下 降 或 消 失 等 异 常 运 行 方 式 ， 保 护 动 作 于停 机 ， 宜 采 用 程 序 跳 闸 方 式 。 采 用 程 序 跳 闸 方式 ， 由

22、 逆 功 率 继 电 器 作 为 闭 锁 元 件 。（13） 低励、失磁保护：为防止发电机低励（励磁电流低于静稳极限所对应地励磁电流）或失去励磁（励磁电流为零）后，从系统中吸收大量无功功率而对系统产生不利影响而装设的保护。不允许失磁运行的发电机及失磁对电力系统有重大影响的发电机应装设专用的失磁保护。a） 对 汽 轮 发 电 机 ， 失 磁 保 护 宜 瞬 时 或 短 延 时 动 作于 信 号 。 有 条 件 的 机 组 可 进 行 励 磁 切 换 。 失 磁后 母 线 电 压 低 于 系 统 允 许 值 时 ， 带 时 限 动 作 于解 列 。 当 发 电 机 母 线 电 压 低 于 保 证

23、厂 用 电 稳 定运 行 要 求 的 电 压 时 ， 带 时 限 动 作 于 解 列 ， 并 切换 厂 用 电 源 。 有 条 件 的 机 组 失 磁 保 护 也 可 动 作于 自 动 减 出 力 。 当 减 出 力 至 发 电 机 失 磁 允 许 负荷 以 下 ， 其 运 行 时 间 接 近 于 失 磁 允 许 运 行 限 时时 ， 可 动 作 于 程 序 跳 闸 。（14） 失步保护：大型发电机应装设反应系统振荡过程的失步保护。在短路故障、系统同步振荡、电压回路断线等情况下，保护不应误动作。a） 中 小 型 发 电 机 都 不 装 设 失 步 保 护 ， 当 系 统 发 生振 荡 时 ，

24、由 运 行 人 员 判 断 ， 根 据 情 况 用 人 工 增加 励 磁 电 流 、 增 加 或 减 少 原 动 机 出 力 、 局 部 解列 等 方 法 来 处 理 。b） 300MW 及 以 上 发 电 机 宜 装 设 失 步 保 护 。 通 常保 护 动 作 于 信 号 。 当 振 荡 中 心 在 发 电 机 变 压 器组 内 部 ， 失 步 运 行 时 间 超 过 整 定 值 或 电 流 振 荡次 数 超 过 规 定 值 时 ， 保 护 还 动 作 于 解 列 ， 并 保证 断 路 器 断 开 时 的 电 流 不 超 过 断 路 器 允 许 开 断电 流 。（15） 频率异常保护：反应

25、发电机频率降低或升高的保护。a） 对 低 于 额 定 频 率 带 负 载 运 行 的 300MW 及 以 上汽 轮 发 电 机 ， 应 装 设 频 率 异 常 保 护 。 保 护 动 作于 信 号 ， 并 有 累 计 时 间 显 示 。b） 对 高 于 额 定 频 率 带 负 载 运 行 的 100MW 及 以 上汽 轮 发 电 机 或 水 轮 发 电 机 ， 应 装 设 高 频 率 保 护 。保 护 动 作 于 解 列 灭 磁 或 程 序 跳 闸 。（16） 解列保护：对调相运行的水轮发电机，在调相运行期间有可能失去电源时，应装设解列保护，保护装置带时限动作于停机。（17） 其他保护：对于发

26、电机起停过程中发生的故障、断路器断口闪络及发电机轴电流过大等故障和异常运行方式，可根据机组特点和电力系统运行要求，采取措施或增设相应保护。对 300MW 及以上机组宜装设突然加电压保护。（18） 励磁机/励磁变保护：a） 自 并 励 发 电 机 的 励 磁 变 压 器 宜 采 用 电 流 速 断 保护 作 为 主 保 护 ； 过 电 流 保 护 作 为 后 备 保 护 。b） 对 交 流 励 磁 发 电 机 的 主 励 磁 机 的 短 路 故 障 宜 在中 性 点 侧 的 TA 回 路 装 设 电 流 速 断 保 护 作 为 主保 护 ， 过 电 流 保 护 作 为 后 备 保 护 。对于 1

27、00MW 及以上容量的发电机变压器组装设数字式保护时，除非电量保护外，应双重化配置。当断路器具有两组跳闸线圈时，两套保护宜分别动作于断路器的一组跳闸线圈。对于 600MW 及以上发电机组应装设双重化的电气量保护，对非电气量保护应根据主设备配套情况，有条件的也可进行双重化配置。在考虑大机组继电保护的总体配置时，比较强调最大限度地保证机组安全和最大限度地缩小故障破坏范围，尽可能避免不必要的突然停机，特别要避免保护装置误动和拒动。这样，不仅要求有可靠性、灵敏性、选择性和快速性好的保护装置，还要求在继电保护的总体配置上尽量做到完善、合理，并力求避免烦琐、复杂。在讨论大机组保护的配置原则时应遵循以下几点

28、：（1） 在电机设计制造之前，继电保护工作者应主动向电机专业人员介绍有关大机组保护对发电机设计制造的要求，具体反映在发电机招标文件中应表明发电机中性点侧引出方式和中性点接地方式、电流互感器配置要求等。应该改变过去那种继电保护人员不过问主设备设计制造，直到发电机运到电厂才发现继电保护技术性能难以完善的局面。（2） 切实加强大型发电机变压器组主保护，保证在保护范围内任一点发生各种故障，均有双重或多重主保护，有选择性地、快速地、灵敏地切除故障，使机组受到的损伤最轻、对电力系统的影响最小。（3） 为了慎重选定发电机变压器组内部故障主保护方案，继电保护设计人员应确切了解主设备内部故障时的电气特征，为此电

29、机生产厂家应向继电保护设计或运行部门提供发电机的电磁设计资料，在充分分析计算内部故障的基础上，提出发电机变压器组的主保护方案和发电机中性点侧引出方式、电流互感器安装位置及其型号。（4） 在切实加强主保护的前提下，同时注意落实后备保护的简化。过于复杂的后备保护配置方案，不仅是不必要的，而且运行实践证明是有害的。具体说，发电机侧即主变低压侧不再装设后备保护，仅在主变压器高压侧配置反应相间短路和单相接地的后备保护，作为主变压器高压母线故障和主变压器引线部分故障保护的后备。（5） 主变压器高压侧相间短路后备保护，以高压母线两相金属性短路的灵敏系数大于或等于 1.2 为整定条件，首先考虑采用过电流保护，

30、如灵敏度不够，改用一段简易阻抗保护，不设振荡闭锁环节，以0.51.0s 延时取得选择性和避越振荡，但应有电压回路断线闭锁和电流启动环节；对自并励方式的发电机，还应校核短路电流衰减对过电流或低阻抗保护的影响，并采取相应的技术措施，例如低电压保持的过电流保护、电压控制的过电流保护或精确工作电流足够小的低阻抗保护。（6） 应装设必要的异常工况保护和有足够灵敏度的长延时远后备保护，但应力求简化。3. 发电机保护的出口方式对于发电机的各项保护，宜根据故障和异常运行方式的性质及动力系统具体条件，按规定分别动作于：（ 1） 停 机 ： 断 开 发 电 机 断 路 器 、 灭 磁 ， 对 汽 轮 发 电 机

31、，还 要 关 闭 主 汽 门 ； 对 水 轮 发 电 机 还 要 关 闭 导 水 翼 ；（ 2） 解 列 灭 磁 ： 断 开 发 电 机 断 路 器 、 灭 磁 ， 汽 轮 机 甩负 荷 ；（ 3） 解 列 ： 断 开 发 电 机 断 路 器 ， 汽 轮 机 甩 负 荷 ；（ 4） 减 出 力 ： 将 原 动 机 出 力 减 到 给 定 值 ；（ 5） 缩 小 故 障 影 响 范 围 ： 例 如 断 开 预 定 的 其 它 断 路 器 ；（ 6） 程 序 跳 闸 ： 对 汽 轮 发 电 机 首 先 关 闭 主 汽 门 ， 待 逆功 率 继 电 器 动 作 后 ， 再 跳 发 电 机 断 路 器 并 灭 磁 。 减励 磁 ： 将 发 电 机 励 磁 电 流 减 至 给 定 值 ；（ 7） 励 磁 切 换 ： 将 励 磁 电 源 由 工 作 励 磁 电 源 系 统 切 换到 备 用 励 磁 电 源 系 统 ；（ 8） 厂 用 电 源 切 换 ： 由 厂 用 工 作 电 源 供 电 切 换 到 备 用电 源 供 电 ；（ 9） 分 出 口 ： 动 作 于 单 独 回 路 ；（ 10） 信 号 ： 发 出 声 光 信 号 。