电力系统继电保护及自动装置课件-第7章 电力主设备保护7-2发电机保护

2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护1相间短路匝间短路单相接地短路定子绕组纵差动保护匝间短路保护定子接地保护转子一点接地保护转子两点接地保护一点接地两点接地转子绕组故障类型及保护配置2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护2失磁失磁保护异常工作情况及保护配置定子绕组过电流及过负荷相间短路后备保护、过负荷保护定子绕组过电压定子绕组过电压保护发电机逆功率、频率降低、失步逆功率保护低频保护失步保护转子过负荷转子过负荷保护2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护3定子正序旋转磁场定子负序旋转磁场转子二次谐波

定子负序

转子二次谐波电流

转子表层过热

100Hz的振动

定子负序过负荷、过电流保护

定子负序电流危害2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护47.2.2 同步发电机的纵差保护完全差动保护不完全差动保护相间短路相间短路匝间短路差动保护接线2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护5完全差动保护接线无故障时相间故障时2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护6假设每相有n个分支无故障时相间故障或匝间短路时不完全差动保护接线2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护7要点：基本原理同线路差动保护和变压器差动保护接线简单、不平衡电流较小中性点附近有死区关键问题是如何降低动作电流、提高灵敏度、减小死区2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护8完全差动保护动作值整定（1）保护起动电流整定1）躲过外部故障产生的最大不平衡电流TA10%误差可靠系数1.3非周期分量系数1~1.3；如采取了措施去掉非周期分量影响时取1。同型系数0.5外部短路时的最大短路电流2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护9若汽轮发电机发电机额定电流则发电机正常运行时若TA二次回路断线会误动。2）防止TA二次回路断线导致误动a.设TA二次回路断线监视装置b.若水轮发电机则2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护10（2）发电机差动保护灵敏度校验发电机内部故障时流过保护装置的最小短路电流。实际上应考虑下面两种情况：①发电机与系统并列运行以前,在其出线端发生两相短路,此时,差动回路串只有由发电机供给的短路电流。②发电机采用自同期并列时(此时发电机先不加励磁,因此,发电机的电势E≈0),在系统最小运行方下,发电机出线端发生两相短路,此时,差动回路中只有由系统供给的短路电流。为提高灵敏度，一般采用具有制动特性的差动继电器。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护11

发电机比率制动式差动保护原理同变压器差动保护，不平衡电流较小。动作方程速断动作区动作区制动区不完全差动接线时K为分支系数动作特性2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护12保护动作逻辑框图两种出口方式：单相出口方式及循环闭锁出口方式特点：需设置专门的TA断线闭锁，当差电流较大时解除TA断线闭锁，适于不完全纵差接线。单相出口方式2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护13特点：三取二，适于完全纵差接线。循环闭锁出口方式内外部不同相同时接地故障2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护14*比率制动式发电机纵差保护定值整定1.比率制动系数Kbrk：躲过出口三相短路时最大不平衡电流完全差动：0.3～0.5不完全差动：0.52.启动电流Iact0：躲过正常工况最大不平衡电流，0.3～0.4IN.G3.拐点电流Ibrk0：建议按躲过外部故障切除后的暂态过程中产生的最大不平衡电流整定；不完全纵差取值要大一点。0.5~0.8IN.G其余参数请参照具体的保护说明书。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护15比率制动式发电机纵差保护定值整定校验灵敏度：机端两相短路2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护16

变数据窗式标积制动纵差保护原理完全差动制动量~外部故障制动量最大内部故障制动量转为动作量，灵敏度高不完全差动变数据窗：故障初期适当提高S，即增加制动量；故障数据充分时再降低S，从而提高灵敏度。动作方程2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护17与循环闭锁的比率制动式差动保护逻辑一样。动作框图2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护187.2.3同步发电机定子绕组匝间短路保护横差保护纵向零序电压式匝间保护反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护完全纵差动保护不能反应匝间短路2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护19匝间短路分析2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护20设A相短路匝数占总匝数的比例为

两中性点间电流I0Z为电流流经回路的绕组阻抗纵向零序电压——相对于中性点的零序电压三相电势不相等定子负序电流转子二次谐波电气量特点：（1）纵向零序电压（机端对中性点），零序电流（2）纵向负序电压，负序电流，转子倍频电流2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护21横联差动保护单元件横差保护裂相横差保护——适于每相两分支两中性点引出线——适于每相两分支，且每分支都有线引出2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护22单元件横差保护保护测量两个中性点之间连线上的电流保护反应匝间短路及定子绕组开焊故障，保护在较小时有死区。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护23保护动作电流应大于正常或外部故障时不平衡电流一般Iact=(0.3~0.4)IN.G（1）滤除三次谐波以提高保护的灵敏性。（2）为防止转子两点接地时磁场空间不对称造成保护误动，在转子一点接地后横差保护带0.5~1S延时动作。注：2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护24裂相横差保护——分相横差保护保护测量每相两个分支之间的电流差为提高保护的灵敏性，可采用具有制动特性的差动原理，如比率制动、标积制动等。正常运行差电流为0，匝间短路有差电流。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护25反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护动作条件：I2ω>&P2>0I2ω

匝间短路产生定子绕组纵向负序电压、电流，在转子上感应出的二次谐波电流。P2>0匝间短路及外部不对称故障均产生定子绕组负序电压,方向元件只在匝间短路时开放匝间短路保护。保护的动作值只需按躲过与发电机正常负荷时允许的最大不对称度(一般取5%左右)相对应的的二次谐波电流整定。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护26转子二次谐波定子负序方向元件，防止发电机外部不对称故障保护误动2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护27负序功率方向元件分析机端电压中性点或机端电流_+结论ZS2（1）匝间短路2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护28_+_+ZS2ZS2（2）外部故障结论（2）内部不对称相间故障结论a.中性点结论b.机端※P2>0不反应发电机外部故障。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护29纵向零序电压式匝间保护关键：纵向零序电压，TV一次侧中性点与发电机中性点相连2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护30※要滤除三次谐波以提高灵敏度；必要时可采用具有制动特性的动作方程。※单相接地时相对地电压有零序分量，相对中性点电压无零序分量。即纵向零序电压不反应单相接地。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护31不灵敏段高定值低定值灵敏段三次谐波制动动作条件：3U0>&P2>0应设TV断线闭锁2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护327.1.4发电机的单相接地保护当接地电容电流等于或大于5A时，应装设动作于跳闸的接地保护；当接地电流小于5A时，一般装设作用于信号的接地保护。——中性点不接地或经过消弧线圈接地2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护331发电机定子绕组单相接地的特点单相接地时的零序电压机端零序电压012026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护34单相接地时的零序电流——电容电流内部单相接地时外部单相接地时_+TANT_+TANT2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护352利用零序电流构成的定子接地保护动作电流需大于发电机单相接地电流允许值发电机额定电压(kV)发电机额定容量(MW)接地电流允许值(A)6.3<50410.550-100313.10-15.75125-2002①110-203001①对于氢冷发电机,允许值为2.5A有死区2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护36用于发电机直接并列与母线的情况~~~~C0gC0sC0s>C0gI0s>I0g内部单相接地外部单相接地I0s>Iact>I0g延时1~2S保护动作于信号，必要时也可动作于停机。发电机未并列时采用机端零序电压监视绝缘2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护373利用零序电压构成的定子接地保护可用于发变组，中性点附近有死区取自机端TV开口三角形或发电机中性点侧TV。整定值躲过不平衡电压不平衡电压形成原因：1）发电机三次谐波电压，2）变压器高压侧接地时经电容耦合过来的零序电压。为提高灵敏度，需滤除三次谐波2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护38减小不平衡电压影响措施：1）装设三次谐波滤过器，2）延时躲过外部接地影响。采取以上措施后，整定值为5~10V，死区为（5~10）%。α01100103U0（V）10%动作电压NT死区5~10%保护区2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护394利用基波零序电压和三次谐波电压构成的100％定子接地保护保护分两部分：1）反应基波零序电压

2）反应三次谐波电压NT反应三次谐波电压反应基波零序电压保护区示意图2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护401.发电机正常运行时的三次谐波电压和发电机电势中有固有的三次谐波电势E3-+LNT-+-+LNT正常运行时补偿系数内部单相接地时2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护41正常运行时可以将作为定子绕组单相接地故障的判据，这样保护区为0<α<0.5∵0<α<0.5时有(1-α)>α即NT反应三次谐波电压反应基波零序电压基波零序电压保护三次谐波电压保护或2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护42为了提高反应三次谐波电势定子绕组单相接地保护的灵敏度,可以采用以下带制动特性判据:中小型机组大型机组P<1使PUN0≈UT01.32026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护437.2.5发电机相间短路后备保护与负序电流保护1.外部相间故障远后备及发电机主保护近后备~近后备线路主保护采用主保护双重化方案，则可简化近后备保护远后备保护可采用（原理与整定见变压器相间后备保护）：过电流保护、低电压起动的过电流保护复合电压起动的过电流保护负序电流保护和低阻抗保护等2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护44IA>IB>IC>UCA<≥1≥10/t内t1/0U2>&t2/0（当有记忆时）发电机复合电压过电流保护出口逻辑框图发信或跳闸如出口全停2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护45

ZAB<

≥1

&

ZBC<

ZCA<

I>

TA断线闭锁t1/0t2/0跳闸或发信低阻抗保护动作逻辑框图2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护462.同步发电机的负序电流保护和过负荷保护定子绕组负序电流转子绕组倍频电流附加涡流损耗，转子表层发热、机械振动发电机承受I2能力:长期（6~8）%IN.G或12%IN.G短时标幺值允许过热时间常数跟发电机类型与冷却方式有关——相间短路后备保护兼转子表层过负荷保护2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护47负序电流保护（两部分）：定时限过负荷；反时限过流反时限过流保护特性曲线（三个部分）：上限定时限；反时限；下限定时限2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护48a-b发热越限I段动作值b－c未充分利用散热Ⅱ段动作值d－e未提供保护如采用定时限负序电流保护I段Ⅱ段2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护49※发热曲线不能与定时限电流曲线很好配合；且对热积累的过程不能反应。措施：采用反时限负序电流保护。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护50负序反时限过流保护修正系数热容量曲线反时限负序电流曲线12曲线2保守，一般不选用曲线1利用发电机散热，一般采用此特性2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护51发电机负序保护逻辑I>IupI>Idowtupt1&t5≥1跳闸或发信发信I>Iact高定值低定值过负荷定值反时限2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护527.2.6励磁回路接地保护一点接地保护——一般动作于信号两点接地保护——动作于跳闸2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护53励磁回路一点接地无直接危害，可能发展成为两点接地。励磁回路两点接地短路电流可能烧坏转子绕组和铁芯，转子磁场畸变引起机组振动。保护配置：水轮发电机设一点接地保护动作于信号或停机。汽轮发电机设一点接地保护动作于信号，设两点接地保护动作于停机。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护54直流电桥叠加直流电压叠加交流电压切换采样直流电桥利用定子二次谐波电压一点接地保护原理两点接地保护原理2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护55励磁回路一点接地检查装置两表法单表法有死区2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护56叠加直流电压式一点接地保护K接通K不接通2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护57外加交流电压式一点接地保护——延时动作于信号2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护58切换采样式一点接地保护联立四个方程，可得Rf=ER1/3△U-R1-2R/32026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护59励磁回路两点接地保护——电桥平衡正常时保护不投入。励磁回路一点接地后，投入保护，调电桥使之平衡。两点接地后平衡被打破，保护动作于停机。+-K1mvmnUmnK2滤波限幅2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护60存在问题：1）K1、K2相距较近时保护有死区

2）K1、K2相继发生，发生时间相隔较短时来不及投入保护。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护61

励磁回路两点接地保护——定子二次谐波发电机转子绕组两点接地时，其气隙磁场将发生畸变，在定子绕组中将产生二次谐波负序分量电势。转子两点接地保护即反应定子电压中二次谐波“负序”分量。动作条件为负序二次谐波大于整定值。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护62逻辑框图高定值低定值转子一点接地2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护637.2.7同步发电机失磁保护发电机失磁：励磁电流消失或下降失磁原因：励磁绕组故障、励磁回路开路、励磁系统故障、灭磁开关误跳、自动调节励磁系统故障、误操作等。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护64失磁后发电机运行的物理过程及其影响（1）失磁后发电机运行的物理过程δ

~~XdXs2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护65不稳定异步运行稳定异步运行临界失步PδPTPTabcd1321）失磁后到失步前（δ<90°)PT基本不变,Q减小至负2)临界失步δ=90°c点3）失步δ>90°2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护66失磁的影响对系统的影响:无功缺额导致电压下降、有功功率摆动危及系统稳定性。对失磁机组的影响：定子绕组过流、发热，转子上感应差频电流、发热，异步转矩导致机组振动。保护行为：动作于信号或跳闸，也可以减出力运行。由系统、机组情况决定失磁后机组可否继续运行。2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护6710.8.2发电机失磁过程的机端测量阻抗——机端测量阻抗为发电机失磁的主要判据2026/2/11第7章电力主设备保护7-2发电机保护68圆心半径P1

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