第六章发电机继电保护

1、第六章 同步发电机的继电保护第一节 发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式同步发电机是电力系统中十分重要而价格昂贵的设备，它的安全运行对电力系统稳定可靠运行起着决定性的作用。但是在发电机运行过程中，可能出现各种故障和不正常工作状态，为了尽量减轻由此引起的不良后果，并保证系统其余部分的继续运行，要求在发电机上装设性能良好的继电保护装置。发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。发电机的不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由外部不

2、对称短路或不对称负荷 (如单相负荷，非全相运行等)而引起的发电机负序过电流；由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。针对以上故障类型及不正常运行状态，发电机应装设以下继电保护装置：(l)对lMW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差动保护。(2)对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当单相接地故障电流 (不考虑消弧线圈的补偿作用)大于表6-1规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护装置。表6-1 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）

3、接地电容电流允许值（A）6.350410.5汽轮发电机501003水轮发电机1010013.815.75汽轮发电机1252002*水轮发电机4022508203006001*对氢冷发电机为2.5对于发电机一变压器组，对容量在100MW以下的发电机，应装设保护区不小于定子绕组串联匝数90%的定子接地保护，对容量在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切机。(3)对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形接线、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护；200MW及以上的发电机有条件时可装设双重化横差保护。(4)对于发

4、电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：1)负序过电流及单元件低电压启动过电流保护，一般用于5OMW及以上的发电机；2)复合电压(包括负序电压及线电压)启动的过电流保护，一般用于lMW以上的发电机；3)过电流保护，用于lMW及以下的小型发电机；4)带电流记忆的低压过流保护，用于自并励发电机。(5)对于由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在5OMW及以上的发电机上装设负序过电流保护。(6)对于由对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过负荷保护。(7)对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护。(8)对于发电机励磁回路的一点接地故障，对1MW及以

5、下的小型发电机可装设定期检测装置；对lMW以上的发电机应装设专用的励磁回路一点接地保护。(9)对于发电机励磁消失故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；对采用半导体励磁以及1MW及以上采用电机励磁的发电机，应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护。(10)对于转子回路的过负荷，在100MW 及以上，并且采用半导体励磁系统的发电机上，应装设转子过负荷保护。(11)对于汽轮发电机主汽门突然关闭而出现的发电机变为电动机运行的异常运行方式，为防止损坏汽轮机，对200MW及以上的大容量汽轮发电机宜装设逆功率保护；对于燃气轮发电机，应装设逆功率保护。(12

6、)对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护。(13)其他保护：如当电力系统振荡影响机组安全运行时，在300MW机组上，宜装设失步保护；当汽轮机低频运行会造成机械振动，叶片损伤，对汽轮机危害极大时，可装设低频保护；当水冷发电机断水时，可装设断水保护等。为了快速消除发电机内部的故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，还必须动作于自动灭磁开关，断开发电机励磁回路，使定子绕组中不再感应出电动势，继续供给短路电流。第二节 发电机定子绕组相间短路故障的保护一、发电机定子绕组短路故障的特点 发电机定子绕组中性点一般不直接接地，而是通过高阻接地、消弧线圈接地或不接地，故发电机的定子绕组都设计为全绝缘。

7、尽管如此，发电机定子绕组仍可能由于绝缘老化、或者过电压冲击、或者机械振动等原因发生单相接地和短路故障。由于发电机定子单相接地并不会引起大的短路电流，不属于严重的短路性故障。发电机内部短路故障主要是指定子的各种相间和匝间短路故障，短路故障时在发电机被短接的绕组中将会出现很大的短路电流，严重损伤发电机本体，甚至使发电机报废，危害十分严重，发电机修复的费用也非常高。因此发电机定子绕组的短路故障保护历来是发电机保护的研究重点之一。图6-1 发电机纵差保护原理图发电机定子的短路故障形成比较复杂，大体归纳起来主要有五种情况:发生单相接地，然后由于电弧引发故障点处相间短路；直接发生线棒间绝缘击穿形成相间短路

8、；发生单相接地，然后由于电位的变化引发其他地点发生另一点的接地，从而构成两点接地短路；发电机端部放电构成相间短路；定子绕组同一相的匝间短路故障。近年来短路故障的统计数据表明，发电机及其机端引出线的故障中相间短路是最多的，是发电机保护考虑的重点；虽然定子绕组匝间短路发生的概率相对较少，但也有发生的可能性，也需要配置保护。二、比率制动式纵差动保护发电机纵差动保护基本原理与前面章节介绍的差动保护相同，已作过详细介绍。此处为了便于说明发电机纵差动保护的特点，对其原理 (如图6-1所示)再作一简单描述。图中以一相为例，规定一次电流以流人发电机为正方向。当正常运行以及发生保护区外故障时，流人差动继电器的差

9、动电流为零，继电器将不动作。当发生发电机内部故障时，流人差动继电器的差动电流将会出现较大的数值，当差动电流超过整定值时，继电器判为发生了发电机内部故障而作用于跳闸。按照传统的纵差动保护整定方法，为防止纵差动保护在外部短路时误动，继电器动作电流Id应躲过最大不平衡电流Iunb，这样一来，纵差动保护动作电流Iset将比较大，降低了保护的灵敏度，甚至有可能在发电机内部相间短路时拒动。为了解决这个问题，考虑到不平衡电流随着流过TA电流的增加而增加的因素，提出了比率制动式纵差动保护，使动作值随着外部短路电流的增大而自动增大。设，比率制动式差动保护的动作方程为 （6-1）图6-2 比率制动曲线式中 差动电

10、流或称动作电流； 制动电流； 拐点电流； 起动电流；制动线斜率（即图6-2下图中斜线BC的斜率）。式 (6-1)对应的比率制动特性如图6-2所示。由式 (6-1)可以看出，它在动作方程中引入了起动电流和拐点电流，制动线BC一般已不再经过原点，从而能够更好地拟合TA的误差特性，进一步提高差动保护的灵敏度。注意，以往传统保护中常使用过原点的OC连线的斜率表示制动系数，记为Kres，后面说明)，而在这里比率制动线BC的斜率是K(K=tg)。 根据比率制动特性曲线 (见图6-2)分析。图 6-3 发电机差动保护（循环闭锁式）逻辑框图当发电机正常运行，或区外较远的地方发生短路时，差动电流接近为零，差动保

11、护不会误动。而在发电机内部发生短路故障时，差动电流明显增大，和相位接近相同，减小了制动量，从而可灵敏动作。当发生发电机内部轻微故障时，虽然有负荷电流制动，但制动量比较小，保护一般也能可靠动作。发电机比率制动式差动保护的出口逻辑电路如图6-3所示。工作原理如下：1） 当U、V、W中两相或两相以上差保护同时作，判为内部故障，动作于跳闸。2）当只有一相差动保护动作，同时有负序电压存在，认为发生了一点在区内，一点在区外的短路故障。3）仅一相差动保护动作，认为是TA断线，这样就不需另设TA断线闭锁环节。比率制动式差动保护的特点：它的优点是：灵敏度高；在区外发生短路或切除短路故障时躲过不平衡电流的能力强；

12、可靠性高。其缺点是：不能反映发电机内部匝间短路。三、标积制动式纵差动保护 1原理 标积制动是比率制动原理的另一种表达形式，其关系将在第9章说明。这里介绍一种实用的标积制动式纵差动保护判据。仍以电流流入发电机为正方向，令 （6-2） （6-3）标积制动式纵差动保护的动作判据为 （6-4）式中 标积制动系数； 和的夹角。标积制动式差动保护动作量和比率制动式的相同，其差别就在于制动量。在区内故障时，由于一般近似为0，此时制动量表现为为零，从而使得标积制动式差动保护在区内故障时有更高的灵敏度；在区外故障时有着和比率制动式差动保护有同等的可靠性。图6-4 标积式差动保护逻辑框图差电流越限告警：正常情况下

13、监视各相差流，如果任一相越限启动门槛（一般设为最小动作电流的1/2），发灯光信号。TA断线判别方法是当任一相差动电流大于0.1In启动TA断线判别程序，满足下列条件，即可判定是TA断线。a)本侧U、V、W三相电流中一相无电流。b)其他两相与启动前电流相同。2标积式差动保护逻辑框图标积式差动保护逻辑框图如图6-4所示。如图所示当任一相标积差动元件动作，即通过或门，动作于差动出口跳闸。三、整定计算1启动电流Id.min启动电的流Id.min的整定原则是躲过发动机额定工况下差动回路中的最大不平衡电流。不平衡电流主要考虑差动保护两侧的TA变比误差、二次回路参数及通道误差（简称二次误差）引起，因此启动电

14、流为 （6-5）式中 可靠系数，取1.52； 保护两侧的TA变比误差产生的差流，取0.06IGn； 保护两侧的二次误差产生的差流，取0.1IGn。代入上式（6-5）得Id.min=（0.240.32 ）IGn,通常取0.3IGn。2拐点电流Ires.min拐点电流的大小决定保护开始产生制动作用的电流大小。由制动曲线可以看出，在Id.min及动作曲线斜率K保持不变的情况下，越小Ires.min越小，差动保护的动作区越小，制动区越大；反之亦然。因此，拐点电流直接影响了保护的动作灵敏度。通常拐点电流的整定计算式为Ires.min=（0.50.6）IGn3比率制动特性的制动系数Kb和制动线斜率K为躲过

15、外部短路时，差动回路的最大不平衡电流，Id.max应取 （6-6）式中 可靠系数，取1.31.5；暂态特性系数，当两侧TA变比、型号完全相同且二次回路参数相同时，=0；当两侧TA变比、型号不相同时，=0.050.1；最大动作电流。代入式（6-6）中，得=（0.260.45），令=即可求得（0.260.45）。一般0.3。第三节 定子绕组匝间短路保护容量较大的发电机每相都有两个或两个以上的并联支路。同一支路匝间短路或同相不同分支的绕组匝间短路，都称为定子绕组的匝间短路，故对于发电机定子绕组的匝间短路，必须装设专用的匝间短路保护。图6-5某一绕组内部匝间短路横差动保护一、发电机横差保护1发电机裂相

16、横差动保护在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相都是由两个或两个以上并联分支绕组组成，在正常运行时，各分支的电动势相等，流入相等的负荷电流。当绕组的非等电位点发生匝间短路时，各绕组中的电动势不再相等，因而会出现因电动势差而在各绕组间产生环流。利用这个环流，可以实现对发电机定子绕组匝间短路保护，构成裂相横差动保护。原理如图6-5所示。（1）由图6-5所示一个分支绕组发生内部匝间短路时，两个分支绕组的电动势将不等，出现环流Id，这时在差动回路中将会有（为TA变比），当此电流大于启动电流时，保护动作。但是当短路匝数较小时，环流也较小，有可能小于启动电流，保护不动作，出现死区。（2）由图6-6所示

17、同相的两个并联分支绕组匝间短路时，只要两个分支绕组短路点有电势差，（也就是说12），分别产生两个环流、，此时差动电流为。2单元件横差电流保护单元件横差保护适用于具有多个分支的定子绕组且具有中性点引出端子的发电机，能反应定子图6-6同相不同绕组匝间短路横差保护 图6-7 单元件横差保护接线原理图绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内绕组相间短路，其原理图如图6-7所示。图6-8 三相电势相量图理想发电机的中性点连接线上不会有电流产生，实际上发电机不同中性点之间存在不平衡电流，可能原因有:图 6-9 零序电压的取得方法（1）定子同相而不同分支的绕组参数不完全相同，致使两端的电动势及支路电流有差异；（2）

18、发电机定子气隙磁场不均匀，在不同定子绕组中产生的感应电动势不同；（3）转子偏心，在不同的定子绕组中产生不同的电动势；（4）存在三次谐波电流。因此单元件横差电流保护动作电流必须克服这些不平衡量，整定式为 （6-7）式中 Iunb1额定工况下，定子同相而不同分支的绕组参数差异产生的不平衡电流，由于是三相之和，一般取32%IGn； Iunb2定子气隙磁场不均匀产生的不平衡电流，一般取5%IGn； Iunb3转子偏心产生的不平衡电流，一般取10%IGn； Krel可靠系数，取1.21.5。因此，一般选取（0.20.3）IGn。必要时，按实测值进行整定。二、反应零序电压的匝间短路保护发电机正常运行时，无

19、零序电压。定子绕组单相接地时，由于三相定子绕组对中性点仍然对称，也不出现零序电压。若定子绕组匝间短路时，则机端对中性点电压不对称，因而出现了零序电压，如图6-8所示。根据这一特点可以构成零序电压保护，来反应发电机定子绕组匝间短路。反应发电机纵向零序电压的基波分量，取自机端专用电压互感器的开口三角形绕组，此互感器必须是三相五柱式或三个单相式，其中性点与发电机中性点通过高压电缆相联，如图6-9所示。为准确灵敏反应内部匝间故障同时防止外部短路时保护误动，本方案以纵向零序电压中三次谐波特征量的变化来区分内部和外部故障。本保护能在一定负荷下反应双Y接线的定子绕组分支开焊故障。图6-10 定子匝间短路保护

20、反应零序电压的发电机定子绕组匝间短路保护动作逻辑如图6-10所示。保护分两段：用来反应纵向零序电压大小并与动作值进行比较，瞬间动作于跳闸，构成次灵敏段；灵敏段则以纵向零序电压作为动作量，以零序电压中的三次谐波不平衡量作为制动量进行比较，决定保护是否动作，延时动作于跳闸。特别指出的是由于灵敏段动作值较低，为防止磁感应干扰专用互感器零序电压，应该用单独屏蔽导线接入。段为次灵敏段动作值必须躲过任何外部故障时可能出现的基波不平衡量，运行经验V，保护瞬时出口跳闸。段为灵敏段动作值应可靠躲过正常运行时出现的最大基波不平衡量，即 （6-8）式中 灵敏段保护的动作值。额定负荷下固有的零序电压基波不平衡量，由实

21、测得到。可靠系数，一般取22.5。额定负荷下零序电压三次谐波不平衡量整定值，可由实测值来整定。逻辑图6-10中为灵敏段三次谐波制动系数，由经验决定一般取0.30.5；t保护动作时限一般取0.10.2S。第四节 发电机定子单相接地保护如果定子绕组与铁芯间的绝缘在某一点上遭到破坏，就会发生定子绕组单相接地故障,实践经验表明，定子绕组单相接地故障是发电机最常见的故障之一。尤其当发电机定子绕组采用水冷方式时，由于偶然的漏水致使定子绕组接地(或某点对地绝缘下降至危险值)就更易发生。由于大型汽轮发电机中性点多是高阻接地方式，定子单相接地故障不会引起很大的故障电流，而主要是由绕组对铁芯的分布电容引起的电容电

22、流。接地故障电流的危害主要表现在如下两个方面:(1)持续的接地电流会产生电弧烧损铁芯，使定子铁芯叠片烧结在一起，造成检修困难。国内烧伤试验表明，对于额定电压大于1OkV的发电机，不产生电弧的最大接地电流仅为1A,称为安全电流，而当接地电流为0.75A持续20min就可能破坏硅钢片的绝缘。实际上中性点采用高阻接地方式时，接地故障电流将大于上述电流值。(2)接地电流将破坏绕组绝缘，扩大事故。如果一点接地而未及时发现并采取措施，很有可能再发生第二点接地而造成匝间或相间短路故障，严重损坏发电机。发电机的定子接地保护要求满足两个基本条件：(1)有100绕组保护区。(2)保护区内发生带过渡电阻接地故障时保

23、护应有足够高的灵敏系数。根据故障接地电流的大小，发生接地故障后可能有不同的处理方式：(1)当接地电流小于安全电流时，保护可只发信号，经转移负荷后平稳停机，以避免突然停机对发电机组与系统的冲击。(2)当接地电流较大时，为保障发电机的安全，应当立即跳闸停机。大型发电机单相接地保护设计时规定接地保护应能动作于跳闸，并可根据运行要求打开跳闸压板，使接地保护仅动作于信号。采用基波零序电压保护和三次谐波定子接地保护，可构成1OO%定子接地保护。 一、反映基波零序电压3U0定子绕组接地保护定子绕组单相接地等值电路如图6-11所示。设故障点位于定子绕组U相距中性点处，则机端的零序电压为图6-11 发电机定子绕

24、组单相接地1原理发电机3U0定子接地保护是根据发电机定子绕组发生单相接地时，有零序电压产生这一特征来构成的。零序电压的大小与接地点距中性点的距离有关，在发电机出口处发生单相接地时，3U0电压电为100V；在中性点发生单相接地时，3U0电压为0V，因此，3U0间接反应了接地故障点的位置。动作判据为 （6-9）式中 3U0机端零序电压；U0.set基波零序电压动作值。若3U0保护整定为5V，则可以保护从机端开始的95%定子绕组。图6-12发电机零序保护（a）3U0取自配电变压器二次侧；（b）3U0取自机端TV开口三角由于三次谐波分量也能在零序网络中反应出来，因此要将正常时的三次谐波分量滤除，以提高

25、保护灵敏度。对于大型发电机，由于对地电容电流一般都比较大，此时应出口跳闸。2零序电压来源零序电压3U0取自发电机机端TV开口三角处如图6-12（a）所示，也可以取自发电机中性点处配电变压器二侧3U0电压，如图-12（b）所示。3U0电压来自机端时应考虑TV断线闭锁环节。该保护可靠性高，能切除绝大部分定子绕组发生的单相接地故障。但它无法检测发电机中性点附近发生的单相接地故障。二、三次谐波式定子接地保护三次谐波式定子接地保护的主要任务是检测发电机中性点附近的单相接地故障。经理论分析，在不同地点发生单相接地时，可以得到机端三次谐波电压U3T和中性点三次谐波电压U3N与之间的变化曲线，如图6-13所示

26、。由发电机机端TV开口三角处引入机端三次谐波电压UT3，从发电机中性点TV或消弧线圈引入发电机中性点侧三次谐波电压UN3。图6-13 中性点电压UN3和机端电压UT3随故障点的变化曲线三次谐波式定子接地保护原理是反应机端和中性点三次谐波大小和相位变化而构成。动作判据为 （6-10） 式中 U3T发电机机端TV输出的三次谐波电压分量；U3N发电机中性点三次谐波电压分量；K调整系数，可以根据保护的灵敏度要求，来调整其大小。三次谐波保护出口可发信或跳闸。三、100%定子绕组单相接地保护逻辑框图100%定子绕组单相接地保护基波零序电压保护和三次谐波电压保护两部分共同构成。基波零序电压保护和三次谐波电压

27、保护组成图6-14 定子接地保护逻辑框图各有独立出口回路，以满足不同配置要求（跳闸、信号），逻辑框图如图6-14所示。第五节 发电机低励失磁保护发电机低励和失磁是常见的故障形式。造成低励、失磁的原因是大机组励磁系统的环节比较多，励磁回路的环节和部件较多，增加了低励、失磁的机会。发电机失磁的危害主要表现在以下几个方面：(1)低励或失磁的发电机，从电力系统吸收无功功率，引起电力系统电压下降。如果电压下降幅度太大，将可能会导致电力系统电压崩溃而瓦解。(2)对于大型发电机组，在失磁后系统将要向其输送大量的无功电流，这将可能会引起电力系统的振荡。图6-15等有功圆(3)失磁后，由于出现转差，在发电机转子

28、回路中出现差频电流。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。特别是直接冷却高利用率的大型机组，其热容量的裕度相对较低，转子更易过热。而流过转子表层的差频电流，还可能在转子本体与槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热。(4)低励或失磁的发电机进入异步运行之后，由机端观测，发电机等效电抗降低，从电力系统中吸收的无功功率增加。低励或失磁前带的有功功率越大，转差就越大，等效电抗就越小，所吸收的无功功率就越大。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。图6-16 等无功圆(5)对于直接冷却、高利用率的大型汽轮发电机，其平均异步转矩的最大值较小、惯

29、性常数也相对较低、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。在这种情况下，将有很大的超过额定值的电磁转矩周期性地作用在发电机轴系上，并通过定子传到机座上，此时，转差也做周期性变化，其最大值可能达到45,发电机周期性地严重超速。这些情况，都直接威胁着机组的安全。(6)低励或失磁运行时，定子端部漏磁增强，将使端部和边段铁芯过热，实际上，这一情况通常是限制发电机失磁异步运行能力的主要条件。因此装设低励失磁保护主要是为了保证发电机的安全和电力系统的安全。一、失磁时静稳边界圆图6-17 发电机失磁保护动作逻辑图现规定发电机向外送

30、出感性无功功率时，Q为正。当发电机失磁时，发电机机端感受到测量阻抗z的变化是个圆。由于假定失磁时有功功率P不变，该圆也称等有功圆，曲线如图6-15所示。图中Xs为系统等值电抗，Us为系统电压。当发电机失磁时，测量阻抗从负荷点沿等有功圆向第四象限变化。与系统并列运行的发电机在失磁过程中，当励磁电流(从而感应电动势)降到一定数值时，发电机功率角达到静稳极限角，发电机临界失步。在不同有功功率P下，临界失步时机端测量阻抗(导纳)的轨迹曲线，称为静稳边界或称临界失步曲线。隐极机与凸极机的静稳边界不同。隐极发电机静稳边界曲线是个圆，称等无功圆，如图6-16所示。图中Xs为系统等值电抗，Xd为发电机纵轴电抗

31、。当测量阻抗变化到等无功圆边界时相应的功角=90，也即到了静稳边界，以后将进入异步运行。二、失磁保护出口逻辑图6-18 发电机失磁保护阻抗边界特性大型发电机失磁保护需引入主变压器高压侧电压、发电机中性点(或机端)电流、发电机机端电压以及非无刷励磁系统的励磁电压。失磁保护由发电机机端测量阻抗判据Z、转子低电压判据Ue、变压器高压侧低电压判据Uh、定子过电流判据Ib构成。发电机失磁保护逻辑图如图6-17所示，一般情况下，阻抗整定边界为静稳定边界圆，也可以为其他形状。当发电机需进相运行时。如按静稳边界整定圆整定不能满足要求时，一般可采用以下方式来躲开进相运行区。(1)下移阻抗圆，按失步边界整定，如图

32、6-18所示。(2)采用过原点的两根直线，将进相区躲开。此时，进相深度可整定。转子低电压动作方程是一条和发电机有功功率有关的制动曲线，如图6-19所示。下面以静稳边界判据为例说明失磁保护原理构成。转子低电压判据满足时，发失磁信号，并输出切换励磁命令。此判据可以预测发电机是否因失磁而失去稳定，从而在发电机尚未失去稳定之前及早地采取措施(切换励磁等)，防止事故的扩大。图6-19失磁保护转子低电压动作特性对于无功储备不足的系统，当发电机失磁后，有可能在发电机失去稳之前，高压侧电压就达到了系统崩溃值。所以，转子低电压判据满足并且高压侧低电压判据满足时，说明发电机失磁已造成了对电力系统安全运行的威胁，经

33、“&2”电路经延时发出跳闸命令，迅速切除发电机。转子低电压判据满足并且静稳边界判据满足，经“&3”电路发出失稳信号。此信号表明发电机由失磁导致失去了静态稳定。当转子低电压判据在失磁中拒动(如转子电压检测点到转子绕组之间发生开路时)失稳信号由静稳边界判据产生。汽轮机在失磁时允许异步运行一段时间，此间过流判据监测汽轮机的有功功率。若定子电流大于1.05倍的额定电流，表明平均异步功率超过0.5倍的额定功率，发出压低出力命令，压低发电机的出力，使汽轮机继续作稳定异步运行。稳定异步运行一般允许215分钟，所以经过t1之后再发跳闸命令。在t1期间运行人员可有足够的时间去排除故障，重新恢复励磁这样就避免了跳

34、闸。这对经济运行具有很大意义。如果出力在t2内不能压下来而过电流判据又一直满足，则发跳闸命令以保证发电机本身的安全。保护方案体现了这样一个原则：发电机失磁后，电力系统或发电机本身的安全运行遭到威胁时，将故障的发电机切除，以防止故障的扩大。在发电机失磁而对电力系统或发电机的安全不构成威胁时(短期内)，则尽可能推迟切机，运行人员可及时排除故障，避免切机。阻抗元件电压取自发电机机端TV，电流取自发电机机端或中性点TA。高压侧电压取自主变高压侧TV，励磁电压取自发电机转子。三、整定计算（1)高压侧低电压按照系统长期允许运行的低电压整定。（2)阻抗圆心以静稳圆整定也可按异步圆整定。（3)阻抗圆半径以静稳

35、圆整定也可按异步圆整定。（4)励磁低电压转子低电压可按发电机空载励磁电压的(0.20.5)倍整定。（5)转子低电压判据系数转子低电压系数用于整定转子电压动作曲线斜率。单位(无) （6-11）式中 Xd=Xd+Xs，Xs为升压变压器及系统等值电抗之和(标么) ，Xd为发电机电抗(标么)；Krel可靠系数，一般取1.1；（6)反应功率Pt 考虑凸极效应单位(W) （6-12）式中 Xd=Xd+Xs,Xq=Xq+Xs，Xd及Xq分别为发电机d轴和q轴电抗(标么)；图6-20 叠加直流的励磁回路一点接地保护SN二次基准功率。（7)定子过流Ib.set可按发电机过载异步功率整定单位(A)，一般Ib.se

36、t=1.05In。第六节 励磁回路一点、两点接地保护对于静止励磁的发电机正常运行时，励磁回路对地之间有一定的绝缘电阻和分布电容。当励磁绕组绝缘严重下降或损坏时，会引起励磁回路的接地故障。最常见的是一点接地故障。发生一点接地故障时，由于没有形成电流回路，对发电机没有直接影响，但一点接地以后，励磁回路对地电压升高，在某些情况下，会诱发第二点接地。当发生第二点接地故障时，故障点流过很大的短路电流，会烧伤转子，由于部分绕组被短接，气隙磁通将失去平衡，会引起机组剧烈振动。此外，还可能使轴系和汽轮机汽缸磁化。由此发电机需装设一点、两点接地保护，一点接地保护发出信号后，及时投入两点接地保护，并立即跳闸。一、

37、发电机励磁回路一点接地保护（1）原理如图6-20所示。采用新型的叠加直流方法，转子负端点到故障点的绕组电压，为过渡电阻，为叠加源电压为50V，内阻大于50k，、为负载电阻。图6-20中，在转子的负极经、两电阻叠加一直流电压，为了能测量转子的接地电阻，在电阻上并联电子开关S，电子开关S以某一固定频率开合改变电路参数，保护检测在电子开关闭合和打开的过程中的电流。定义S闭合时的电流，S打开的电流，则 （6-13）可以求得 （6-14）利用微机智能化测量克服了传统保护中绕组正负极灵敏度不均匀的缺点，能准确计算出转子对地的绝缘电阻值Rtr，范围可达200千欧。（2）保护接线。保护引入转子负极与大轴接地线

38、。图6-21 发电机转子一点接地保护出口逻辑图（3）保护动作逻辑框图，如图6-21所示。 当Rtr下降动作定置时，保护经延时t动作于发信。其特点是转子分布电容对测量无影响；电机起动过程中转子无电压时，保护并不失去作用。二、发电机转子两点接地保护（一）反应发电机定子电压二次谐波分量的两点接地保护1原理图6-22 发电机转子两点接地保护出口逻辑图当发电机转子绕组两点接地或匝间短路时，气隙磁通分布的对称性遭到破坏，出现偶次谐波，发电机定子绕组每相感应电动势也出现了偶次谐波分量。因此，利用定子电压的二次谐波分量，即可以实现转子两点及匝间短路保护。反应定子电压中二次谐波的正序分量U2wp，此分量是由转子

39、绕组不对称匝间短路时，产生的二次谐波磁场以同步转速正向旋转，而在定子绕组中形成的。保护受一点接地保护闭锁发生一点接地时保护自动投入。2保护动作逻辑框图保护逻辑图如图6-22所示。保护引入机端三相电压，当U2wp超过动作值时，并且满足一点接地判据Rtr时，满足与门动作条件，延时t动作于跳闸。（二）原理二1原理该原理是反应电机内参数变化。其标么值动作方程为 （6-15）图6-23 发电机转子两点接地保护出口逻辑图式中 Xc发电机定子漏抗；Xad发电机直轴反应电抗；Krel可靠系数。保护受一点接地保护闭锁，发生一点接地时保护自动投入。保护引入发电机三相电流三相电压及分流器毫伏级输出信号。2保护动作逻

40、辑框图发电机转子两点接地保护出口逻辑图如图6-23所示。当发电机内参数满足动作方程（式6-15）时，并且满足一点接地判据Rf时，满足与门动作条件，延时t动作于跳闸。3整定计算：（1)发电机定子漏抗由电机制造厂家提供。（2) 发电机直轴反应电抗应该由空载特性曲线自动产生，这样就考虑了饱和特性、空载特性曲线的输入量为E0-IG,，保护提供不超过10组定值的整定区,软件通过二次插值法得到实时值并自动转换成,也可由电机厂提供典型值。（3) 为可靠系数，一般取0.850.95。（4) 为动作时限，应按可靠躲开外部故障切除时间来整定。一般可取(0.51)秒， 第七节 发电机负序电流保护当发电机在外部或内部

41、发生不对称短路或当发电机供给的负荷不对称时，定子绕组就会流过负序电流。负序电流所建立的发电机气隙旋转磁场的转动方向与转子的运动方向相反，因此该磁场以两倍的同步速度切割转子。在转子本体、阻尼条及励磁绕组中感生出倍频电流。该电流在转子中引起额外的损耗和发热，会使发电机转子严重烧伤。另一方面，负序电流的旋转磁场，产生两倍频率的交变电磁转矩，也会使机组产生lOOHz的振动，引起金属疲劳和机械损伤。一、发电机短时承受负序电流能力发电机承受负序电流能力较弱。当负序电流出现后，它除了与正序电流叠加使绕组相电流可能超过额定值，而使该相绕组发热超过容许值之外，还会引起转子的附加发热，造成机械振动，并使轴系产生扭

42、振。对发电机的危害程度与发电机类型和结构有关。由于汽轮发电机的转子是隐极式的，磁极与轴是一个整体，绕组置于槽内，散热条件差，所以负序电流产生的附加发热就成为限制不对称运行的主要条件。二、负序电流保护原理负序电流保护有定、反时限两种，大机组用反时限特性。发电机负序过电流保护反应发电机定子绕组中负序电流的大小。防止发电机转子表面过热。保护由两部分组成：负序定时限过负荷和负序反时限过电流保护。反时限特性曲线一般由三部分组成：（1)上限定时限；(2)反时限；(3)下限定时限。如图6-24所示。负序反时限特性能真实地模拟转子的热积累过程，并能模拟散热，即发电机发热后若负序电流消失，热积累并不立即消失，而

43、是慢慢地散热消失，如此时负序电流再次增大，则上一次的热积累将成为该次的初值。负序电流保护反时限动作方程为 （6-16）式中 I2*负序电流标么值；图6-24 发电机反时限过负荷保护动作特性K22发电机发热时的散热效应；A发电机的A值(发电机的发热常数，由制造厂提供)。三、原理框图图6-25 发电机负序反时限过电流原理框图一般构成发电机负序电流保护的电流来自发电机中性点侧三相电流，这样可以兼作发电机并网前的内部故障短路的后备保护，发电机负序反时限过电流出口动作于跳闸。发电机负序电流保护原理框图如图6-25所示。图中I2ms为负序过负荷整定值，当负序电流大于I2ms时，则以ts发出信号， I2ms

44、应按照躲过发电机长期允许的负序电流值和最大负荷下的最大不平衡电流来确定，汽轮发电机的长期允许负序电流为6%8%的额定电流，所以一般I2ms=0.1In，动作时间ts一般取510s。参见图6-24中发电机反时限过负荷保护动作特性，当发电机负序电流I2达到上限定值I2up时，保护以tup定时限动作于跳闸；如果负序电流超过下限整定值I2ms，但不足以使反时限部分动作时，则按预定时限t1动作于跳闸；负序电流在此之间则按反时限特性规律动作； 第八节 逆功率保护发电机逆功率保护主要用于保护汽轮机。当主汽门误关闭或机炉保护动作于主汽门关闭而发电机并未从系统解列时，发电机就变成了同步电动机运行，从电力系统吸收有功功率。这种工况，对发电机并无危险。但由于汽轮机的鼓风损失，其尾部叶片有可能过热，造成汽轮机事故。因此发电机组不允许在这种状况下长期运行。一、逆功率保护原理图6-26 逆功率保护的逻辑图逆功率保护有两种实现方法。其一是反应逆功率大小的逆功率保护，当发现发电机处于逆功率运行时，该保护动作。另外一种是习惯上称为程序跳闸的逆功率保护。程序跳闸的