第八章发电机保护

电力系统继电保护原理

主讲教师:焦彦军华北电力大学电自教研室2/6/2023第八章发电机保护8-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置8-2发电机纵联差动保护8-3发电机匝间短路保护8-4发电机定子绕组单相接地保护8-5发电机转子接地保护8-6发电的失磁保护8-7发电机负序过电流保护8-8发电机失步保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置一、发电机定子绕组故障及保护配置ABC——定子绕组及引出线上的相间短路发电机纵差动保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置一、发电机定子绕组故障及保护配置ABC——定子绕组匝间短路发电机纵向基波零序电压保护发电机不完全纵差保护发电机裂相横差保护发电机单元件横差保护ABC2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置一、发电机定子绕组故障及保护配置ABC——定子绕组单相接地短路发电机定子绕组单相接地保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置+-二、发电机转子故障及保护配置——转子绕组一点接地——转子绕组两点接地转子绕组一点接地保护转子绕组两点接地保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置+-二、发电机转子故障及保护配置——低励和失磁发电机低励和失磁保护~励磁机励磁变2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——区外短路引起的过电流

负序过电流及低电压过电流保护；复合电压启动的过电流保护；过电流保护；带电流记忆的低压过流保护。定子过热2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——区外不对称短路引起的负序过电流

负序过电流保护；转子过热2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——过负荷（对称负荷引起定子绕组过电流）

过负荷保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——过励磁（频率下降或电压升高引起）

过励磁保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——转子绕组过负荷

转子绕组过负荷保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——失步

失步保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——低频、过频

频率异常保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——过电压

过电压保护误强励、甩负荷2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——逆功率

逆功率保护误关主汽门2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——误上电

2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——误上电

误上电保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置三、发电机不正常运行状态及保护配置QFQF1QF2+-ZBACR——其它

起停机保护、断路器断口闪络保护非电量保护2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置四、发电机保护的动作方式QFQF1QF2+-ZBACR（1）停机——停汽机、停锅炉、断开高压则断路器、灭磁、断开高压厂用变低压侧断路器、使机炉及其辅机停止工作。2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置四、发电机保护的动作方式QFQF1QF2+-ZBACR（2）解列灭磁——断开高压则断路器、灭磁、断开高压厂用变低压侧断路器、汽轮机甩负荷。2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置四、发电机保护的动作方式QFQF1QF2+-ZBACR（3）解列——断开高压则断路器、汽轮机甩负荷。2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置四、发电机保护的动作方式QFQF1QF2+-ZBACR（4）程序跳闸——保护先动作于跳主汽门，然后经过逆功率继电器的延时接点和主汽门跳闸后的常闭接点串联,动作于跳发电机-变压器组的出口断路器,实现发电机组与系统解列并灭磁。2/6/20238-1发电机的故障、不正常运行状态及其保护配置四、发电机保护的动作方式QFQF1QF2+-ZBACR（5）减出力——减少原动机的输出功率。（6）减励磁——减小励磁电流。（7）母线解列——对双母线系统，断开母联开关，缩小故障波及范围。（8）信号——发出警示信号。2/6/20238-2发电机纵联差动保护一、发电机纵联差动保护基本原理+发电机正常运行时发电机定子绕组发生相间短路时2/6/20238-2发电机纵联差动保护一、发电机纵联差动保护基本原理+保护动作判据其中2/6/20238-2发电机纵联差动保护二、比率制动特性和标积制动特性的纵联差动保护动作判据00制动系数斜率2/6/20238-2发电机纵联差动保护二、比率制动特性和标积制动特性的纵联差动保护制动电流——比率制动特性的制动电流——标积制动特性的制动电流2/6/20238-2发电机纵联差动保护二、比率制动特性和标积制动特性的纵联差动保护A相比率制动元件负序电压判别元件定子一点单相接地开入TA断线判别元件差流越限判别元件跳闸差流越限告警TA断线B相比率制动元件C相比率制动元件0++&&0+&&&&2/6/20238-2发电机纵联差动保护三、发电机不完全纵联差动保护+2/6/20238-3发电机匝间短路保护ABC++一、发电机横差保护构成原理裂相横差保护构成原理图2/6/20238-3发电机匝间短路保护一、发电机横差保护构成原理单元件横差保护构成原理图ABC+2/6/20238-3发电机匝间短路保护一、发电机横差保护构成原理转子一点接地保护开入交流回路异常监测元件跳闸告警单元件横差元件00&&单元件横差元件的三次谐波的滤过比应不小于80。当发生发电机转子偏心、励磁回路两点接地时，横差保护有可能动作。当发生励磁回路一点接地故障后，为防止可能出现的瞬时两点接地时横差保护误动作，经延时出口跳闸。2/6/2023二、发电机纵向基波零序电压保护8-3发电机匝间短路保护2/6/2023二、发电机纵向基波零序电压保护8-3发电机匝间短路保护负序功率方向元件纵向基波零序电压元件TA断线判别元件跳闸TA断线TV断线判别元件负序电压元件负序电流元件TV断线机端三相无电流&&&00判断发电机是否并网防止外部不对称短路时保护误动三次谐波滤过比大于802/6/2023三、发电机负序功率方向保护8-3发电机匝间短路保护2/6/2023三、发电机负序功率方向保护8-3发电机匝间短路保护2/6/2023跳闸机端三相无电流30ms&&&0100ms三、发电机负序功率方向保护8-3发电机匝间短路保护2/6/20238-4发电机定子绕组单相接地保护一、发电机定子绕组单相接地时基波零序分量的特点1.发电机定子绕组距中性点处单相接地短路2/6/20232/6/20232/6/20232/6/20232/6/20232/6/20238-4发电机定子绕组单相接地保护一、发电机定子绕组单相接地时基波零序分量的特点1.发电机定子绕组距中性点处单相接地短路（1）忽略各相电流在发电机绕组上的压降，机端的零序电压和故障处的零序电压相等。2/6/20238-4发电机定子绕组单相接地保护一、发电机定子绕组单相接地时基波零序分量的特点1.发电机定子绕组距中性点处单相接地短路（2）当发电机定子绕组发生接地短路时，测量的零序电流为发电机外部等值电容的零序电流；当发电机外部发生接地短路时，测量的零序电流为发电机对地电容的零序电流。2/6/20238-4发电机定子绕组单相接地保护一、发电机定子绕组单相接地时基波零序分量的特点1.发电机定子绕组距中性点处单相接地短路（3）零序电压及零序电流，其大小和故障点位置有关，故障点距离发电机中性点越近，数值越小，反之越大。2/6/2023例：发电价的额定电压规程规定允许的接地短路电流为：2/6/2023【发电机中性点接地方式】欠补偿方式20000/230例2/6/20238-4发电机定子绕组单相接地保护二、发电机定子绕组三次谐波电势及其特点2/6/20238-4发电机定子绕组单相接地保护二、发电机定子绕组三次谐波电势及其特点2/6/20238-4发电机定子绕组单相接地保护三、发电机定子绕组单相接地保护构成原理1.基波零序电压保护的死区

接地电流小于安全电流，可动作于信号或延时跳闸。2/6/20238-4发电机定子绕组单相接地保护三、发电机定子绕组单相接地保护构成原理2.三次谐波电压比定子接地保护保护的动作判据——正常运行时，可实际测量2/6/20238-5发电机转子接地保护一、发电机转子绕组故障形式及其危害-+绕组匝间短路对于气体冷却的转子，这种匝间短路不会直接引起严重后果。对于水内冷的转子，由于匝数少、电流密度大，不容许带着匝间短路长期运行。2/6/20238-5发电机转子接地保护-+一、发电机转子绕组故障形式及其危害转子绕组一点接地——对发电机不会造成实质性危害转子绕组两点接地——烧伤转子本体；励磁绕组因过热而烧伤；引起振动；轴系和汽机磁化。2/6/20238-5发电机转子接地保护-+一、发电机转子绕组故障形式及其危害

水轮发电机，都装设一点接地保护，动作于信号，不装设两点接地保护。中小型汽轮发电机，不装设一点接地保护。用绝缘检查电压表检出一点接地故障后，投两点接地保护装置。两点接地保护动作后，经延时停机。大型汽轮发电机装设一点接地保护已属定论。但在一点接地保护动作于信号还是动作于跳闸的问题上，存在着不同的看法。2/6/20238-5发电机转子接地保护二、切换采样式转子一点接地保护（乒乓式）-+测量：计算：2/6/2023-+2/6/2023-+2/6/2023-+2/6/2023-+2/6/20232/6/20238-5发电机转子接地保护二、切换采样式转子一点接地保护（乒乓式）-+保护的动作判据:

转子接地保护可设置两段，依据汽轮发电机和水轮发电机所采用的冷却方式不同进行设置。灵敏段动作于信号，不灵敏段可延时动作于跳闸。2/6/20238-5发电机转子接地保护三、注入方波信号的转子一点接地保护大轴+-+-2/6/20238-5发电机转子接地保护三、注入方波信号的转子一点接地保护大轴+-+-2/6/2023注入方波信号的转子一点接地保护具有以下特点：1)转子接地电阻的计算与接地位置无关，保护没有死区；2)转子接地电阻的计算与转子电压的大小无关；3)不受转子绕组对地电容的影响；4)在未加转子电压的情况下，也能监视转子的绝缘情况。8-5发电机转子接地保护三、注入方波信号的转子一点接地保护2/6/20238-6发电的失磁保护一、发电机失磁后的基本物理过程QF1QF2QF3——发电机空载电势2/6/20238-6发电的失磁保护一、发电机失磁后的基本物理过程QF1QF2QF3发电机稳态运行时的电压、电流向量关系为：2/6/2023对于隐极发电机2/6/2023对于凸极发电机2/6/20238-6发电的失磁保护一、发电机失磁后的基本物理过程QF1QF2QF3发电机稳态运行时的攻角关系：隐极发电机2/6/20238-6发电的失磁保护一、发电机失磁后的基本物理过程QF1QF2QF3发电机稳态运行时的功角关系：凸极发电机2/6/2023隐极机功角特性凸极机功角特性发电机转子运动方程2/6/2023发电机失磁后的电气量变化（以隐极机为例）：2/6/2023QF1QF2QF32/6/2023转子出现转差定子电流增大定子电压下降有功功率下降无功功率反向并且增大机端测量阻抗变化在转子回路出现差频电流电力系统的电压下降某些电源支路过电流发电机失磁后的电气量变化的特征：2/6/2023（1）造成系统中大量无功缺少。当系统中无功储备不足，将引起电压下降，严重时引起电压崩溃，系统瓦解。（2）造成系统中其他发电机增加无功输出。使某些发电机、变压器、输电线路过电流，后备保护可能因过流动作，扩大故障范围。（3）造成有功功率摆动及系统电压降低。可能导致相邻正常运行的发电机与系统之间失去同步，引起系统振荡。发电机失磁后的危害：——对电力系统的影响2/6/2023（1）转子绕组出现差频电流，引起绕组发热。（2）异步运行后，发电机的等效电抗降低，从系统中吸收的无功增加，使定子绕组过热。（3）对大型直接冷却式汽轮发电机，其转矩和有功将发生剧烈摆动。这种影响对水轮发电机更为严重，直接威胁机组安全。（4）定子端部漏磁增强，使端部的部件和端部铁芯过热。发电机失磁后的危害：——对发电机的影响2/6/20238-6发电的失磁保护二、发电机失磁后的机端测量阻抗QF1QF2QF32/6/20231.失步前（）时的机端测量阻抗002/6/20232.临界失步点（）时的机端测量阻抗O2/6/20233.发电机失步后的机端测量阻抗

当发电机失磁后，励磁电流按指数规律衰减到零，发电机进入异步运行状态。2/6/20233.发电机失步后的机端测量阻抗O2/6/2023

发电机失磁后的机端测量阻抗Oabcde等有功圆静稳边界阻抗圆异步边界阻抗圆2/6/20234.发电机在其它运行方式下的机端测量阻抗QF1QF2QF3发电机正常运行发电机外部短路O系统振荡发电机自并列发电机对长线充电2/6/20238-6发电的失磁保护三、发电机失磁保护的构成

1.基于机端测量阻抗的发电机失磁保护

核心元件是阻抗继电器，阻抗继电器的动作特性可以采用静稳极限阻抗圆、异步阻抗圆，或者诸如透镜、苹果和椭圆形的特性，具体采用何种特性，应根据发电机结构、运行工况及其在电网中所处位置而定。

2.基于高压侧低电压的发电机失磁保护

由于发电机低励失磁故障，无功储备不足，引起系统侧高压母线三相相间电压同时下降到低于最低电压允许值。

3.失磁保护的辅助判据

（1）等励磁电压失磁保护

（2）转子绕组变励磁低电压失磁保护2/6/20232/6/20238-7发电机负序电流保护一、发电机承受负序电流的能力（转子表层过负荷保护）汽轮发电机：无阻尼绕组的水轮发电机：有阻尼绕组的水轮发电机：【定义】发电机的短时负序转子发热常数AA的数值与发电机的结构及