发电机保护原理

发电机保护主要内容对于发电机可能发生的故障和不正常工作状态，应根据发电机的容量有选择地装设以下保护。1、纵联差动保护：为定子绕组及其引出线的相间短路保护。2、横联差动保护：为定子绕组一相匝间短路保护。只有当一相定子绕组有两个及以上并联分支而构成两个或三个中性点引出端时，才装设该种保护。3、单相接地保护：为发电机定子绕组的单相接地保护。4、励磁回路接地保护：为励磁回路的接地故障保护。5、低励、失磁保护：为防止大型发电机低励(励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流)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，100MW及以上容量的发电机都装设这种保护。6、过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护。中小型发电机只装设定子过负荷保护；大型发电机应分别装设定子过负荷和励磁绕组过负荷保护。7、定子绕组过电流保护：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，这种保护作为外部短路的后备，也兼作纵差保护的后备保护。8、定子绕组过电压保护：用于防止突然甩去全部负荷后引起定子绕组过电压，水轮发电机和大型汽轮发电机都装设过电压保护，中小型汽轮发电机通常不装设过电压保护。9、负序电流保护：电力系统发生不对称短路或者三相负荷不对称(如电气机车、电弧炉等单相负荷的比重太大)时，会使转子端部、护环内表面等电流密度很大的部位过热，造成转子的局部灼伤，因此应装设负序电流保护。10、失步保护：反应大型发电机与系统振荡过程的失步保护。11、逆功率保护：当汽轮机主汽门误关闭，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，从电力系统吸收有功功率而造成汽轮机事故，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。比例制动式差动保护保护构成原理，按比较发电机中性点TA与极端TA二次同名相电流的大小及相位构成。以一相差动为例，并设两侧电流的正方向指向发电机内部。比率制动方程这种动作特性的优点是：在区内故障电流较小时，它具有较高的动作灵敏度；而区外故障时，它具有较强的躲过暂态不平衡差流的能力。保护采用比率制动原理，出口设置为循环闭锁方式，保护逻辑见图一。因为发电机中性点一般不直接接地，当发电机差动区内发生相间短路故障时，有两相或三相差动同时动作出口跳闸；而当发电机収生一相在区内接地另一相在区外同时接地故障，只有一相差动动作，但同时有负序电压，保护也出口跳闸。如果只有一相差动动作无负序电压，判断为TA断线。这是应为发电机中性点不直接接地，内部相间短路时一般都会二相差动或三相差动同时动作。二、发电机低压过流（记忆）保护保护反应发电机电压和电流大小，电流最好取自中性点侧，主要作为发电机相间短路的后备保护。当发电机为自并励方式时，过流元件应有电流记忆功能。记忆过流指在当发电机采用自并励系统时，由于励磁变接在发电机出口，当外部故障而主保护拒动时，正常后备保护应动作，可由于发电机出口电压降低，会造成转子电流减少，进而使定子电流减少使保护返回。为此设计了记忆过流保护，记忆故障初的电流而忽略以后的电流。记忆过流保护应为微机保护作为发电机内部短路故障和区外短路故障的后备保护.&t1t2信号出口信号出口++labUUlbcUUlcaUUgaIIgbIIgcII0t0＜＜＜＞＞＞三、发电机过电压保护用于防止突然甩去全部负荷后引起定子绕组过电压,水轮发电机和大型汽轮发电机都装设过电压保护。当运行中的发电机突然甩掉负荷或者带时限切除距发电机较近的外部故障时，由于转子旋转速度的增加以及强行励磁装置动作等原因，发电机的机端电压将升高。对于水轮发电机，由于调速系统惯性较大，使制动过程缓慢，因此在突然失去负荷时，转速将超过额定值，这时发电机输出端电压有可能高达额定值得1.8-2倍，为了防止发电机的绝缘受到损坏，在水轮发电机上一般应装设过电压保护。四、发电机3U0定子接地保护保护采用基波零序电压式，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，也可与三次谐波保护合用，组成大中型发电机的100％定子接地保护。发电机定子绕组的单相接地是发电机最常见的一种故障，并且是相间或匝间短路的先兆。因此定子接地保护是大型机组保护中重要的保护，它对预防定子绕组严重短路故障具有重要意义。基波零序电压的发电机单相接地保护的特点（1）简单、可靠。（2）设有三次谐波滤过器以降低不平衡电压。（3）由于与发电机有电联系的元件少，接地电流不大，适用于发电机－变压器组。其不足之处是不能作为100定子接地保护，有死区，但一般不小于15%。发电机中性点附近是否可能首先发生接地故障，过去曾有两种观点发电机能实现100％定子接地保护，采用了基波零序电压式定子接地保护和三次谐波电压构成的定子接地保护。，前者可反应发电机的机端向机内不少于85％定子绕组单相接地故障（85％～95％），后者反应发电机中性点向机端20％左右定子绕组单相接地故障（0～50％）。通过这两种保护的相互配合，达到了大容量机组100％定子接地保护的要求。保护接入的3Uo电压，取自发电机机端电压互感器开口三角绕组两端和发电机中性点电压互感器的二次侧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。&t信号机端TV开口三角03U03U中性点零序电压&01TV断线信号第二部分是利用发电机三次谐波电动势构成的定子接地保护由于发电机气隙磁通密度的非正旋分布和受铁芯饱和的影响，其定子中的感应电动势除基波外，还含有三、五、七次等高次谐波。因为三次谐波具有零序分量的性质，在线电动势中它们虽然不存在，但在相电动势中亦然存在。正常运行时，发电机中性点的三次谐波电压总是大于发电机机端的三次谐波电压。而当发电机靠中性点侧0～50％范围内有接地故障时，发电机机端的三次谐波电压大于发电机中性点的三次谐波电压。根据发电机定子绕组中性点附近接地故障的三次谐波分布特性，保护装置取发电机中性点及机端三次谐波电压，并对其进行大小和相位的矢量比较。五、发电机阻抗原理失磁保护失磁保护是及时发现和切除由于励磁系统故障引起的发电机异常运行和故障正常运行时，若用阻抗复平面表示机端测量阻抗，则阻抗的轨迹在第一象限（滞相运行）或第四象限（进相运行）内稳定运行。发电机失磁后，机端测量阻抗的轨迹将沿着等有功阻抗园进入异步边界园内。所以，阻抗原理发电机失磁保护将机端测量阻抗是否进入预先整定的阻抗圆作为发电机是否低或失磁的主要判据。失磁对电力系统的危害失磁对发电机的危害发电机失磁保护阻抗圆原理逻辑图UhUgZgTVg断线Vfd&&t3信号出口&&5.1+t2t1t4出口信号信号信号出口出口我厂失磁判据阻抗型失磁保护，由阻抗判据（Zg＜）、转子低电压判据（Vfd＜）、机端低电压判据（Ug＜）及过功率判据（P＞）构成。发电机失磁保护阻抗圆原理逻辑图TV断线闭锁判据逻辑框图IlIIhI20.1IN＆UabUPTlU2U2g＋UbcUPTlUcaUPTl＋＆tDZ/tFHt1/0闭锁保护PT断线六、发电机对称过负荷（一）发电机过负荷判据及特性（二）定子绕组的过负荷保护八、发电机不对称过负荷发电机承受负序电流能力定时限负序电流保护保护反应发电机定子的负序电流大小，是发电机的转子过热保护，也叫转子表层过热保护。保护最好取自发电机中性点侧。t11tuptS+信号出口信号负序电流I2计算122gIIupII22sII22I2sI2I2up九、发电机转子一点接地保护保护采用注入直流电源原理，直流电源由装置自产。因此，在发电机运行及不运行时，均可监视发电机励磁回路的对地绝缘。该保护动作灵敏、无死区。考虑到双套化配置方案中，转子接地保护由于保护原理的要求不能双套化，否则会相互影响导致测量失误。如采用一套运行一套备用方式，需要时应可靠安全地带电切换。转子一点接地原理发电机励磁回路一点接地，由于构不成电流通路，并不影响发电机的正常运行，也不会对发电机构成危害。对于一点接地故障的危害，主要担心再发生第二点接地故障，因为在一点接地故障后，励磁回路对地电压有所升高，就有可能发生第二个接地故障点。其危害有：（1）破坏发电机气隙磁场的对称性，使气隙磁场不均匀发生畸变，气隙磁通失去平衡，引起发电机的剧烈振动而损坏发电机、无功出力降低。汽轮发电机励磁回路两点接地还可能引起轴系和汽机磁化，后果严重。若装有横差保护，还会引起它的误动作，所以转子一点接地保护动作后要将横差保护加上一个短的延时防止误动。（2）两点接地造成没被短路绕组的电流增大，如果流过转子本体的短路电流大（通常以1500A为界限），热效应烧损转子的同时还会使转子发生缓慢变形而形成偏心，进一步加剧振动。还可能损坏其他励磁装置且导致失磁故障，危及发电机和系统的安全。对于水轮发电机，在发现转子一点接地后，应立即安排停机（这是水轮发电机的结构决定的），因此水轮发电机一般不设置转子两点接地保护。转子一点接地保护逻辑框图检测漏电流大轴（600）负极（602）1ggRR＜1t信号对单元件横差加延时及投入转子两点接地保护计算Rg十、励磁绕组过负荷保护励磁回路反时限过负荷（过流）保护逻辑图+出口信号IIgIIsIIupIsIIuptuptst1信号十一、励磁变过流、速断保护保护反映变压器低压侧电流的大小。当电流超过额定电流值（过负荷）或很大时（故障引起过电流），经延时动作于信号（过负荷）或作用于跳开分支开关。变压器过电流保护逻辑框图+IgIgIgIaIcIbt1出口信号十二、发电机轴电流保护机组在正常运行时一旦出现轴承绝缘性能下降，此时在较高的轴电压作用下将会产生较大的轴电流。当通过瓦面的轴电流密度超过0．2A／cm2，就可能对轴瓦产生电腐蚀，油膜遭到破坏，危及机组安全运行。为此，合理配置及装设可靠的轴电流保护装置，在大型水轮发电机组的保护中显得尤为重要。轴电压、轴电流的产生发电机在转动过程中，只要有不平衡的磁通交链在转轴上，则在发电机转轴的两端就会产生感应电势。这个感应电势称为轴电压。轴电压主要可分为2部分：①转轴在旋转时切割不平衡磁通而在轴两端产生的轴电压；②由于存在轴向漏磁通而在转轴两端产生的轴电压。造成发电机磁场不平衡，进而产生轴电压的原因有3个方面：①由于制造及安装工艺等原因造成的磁路不均衡及气隙不对称，这是无法避免的因素口。②发电机内部或外部发生不对称短路时产生轴电压。这是因为定子绕组的短路部分有感应电流，它阻止合成磁通通过这部分绕组所在的定子区域；而此时，定子绕组的未短路部分却没有此现象，这种作用与定子磁路不对称等价，产生轴向以基频为主的交变磁通。如果定子绕组引出线位于发电机长度方向的两侧，则不对称的外部短路也可能产生轴电压。③励磁回路接地或转子绕组匝间短路也会产生很强的轴向不平衡磁通口。当轴电压达到一定值时，通过轴承及其底座等形成闭合回路产生电流，这个电流称为轴电流。轴电流对发电机的影响正常情况下，转轴与轴承间有润滑油膜的存在，起到绝缘的作用。对于较低的轴电压，这层润滑油膜仍能保护其绝缘性能，不会产生轴电流。但当轴承底座绝缘垫因油污、损坏或老化等原因失去绝缘性能，且当轴电压达到一定数值时，则轴电压足以击穿轴与轴承间的油膜而发生放电；轴电流将从转轴、油膜、轴承座及基础等外部回路通过，由于该闭合回路阻抗极小，故电流密度很大，特别当轴与轴瓦形成金属性接触的瞬间，轴电流可达上千安，将严重灼伤轴瓦；当润滑油中掺人熔化的金属微粒后，油膜阻值降低，加速电火花进一步侵蚀扩展。同时，轴电流的电解作用使润滑油炭化，熔化的金属微粒掺人润滑系统使润滑剂受到污染，二者均会造成油的润滑性能变差，使轴承温度升高。＞zgZIIt信号出口十三、发电机过频保护汽轮机叶片有自己的自振频率。并网运行的发电机，当系统频率异常时，汽轮机叶片可能产生共振，从而使叶片发生疲劳，长久下去可能损坏汽轮机的叶片。发电机频率异常保护，是保