发电机保护原理

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、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，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100MW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：（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，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，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。