页数：62页文件大小：551.6 KB来源： 电力系统继电保护原理ppt课件
本课件讲解发电机保护，先列出发电机的内部故障与不正常运行状态及保护装设原则，随后展开定子绕组短路故障的比率制动式纵差保护、不完全纵差保护与横差保护，接着讲解定子绕组单相接地时基波零序电压与三次谐波电压保护构成的 100% 接地保护，再说明负序电流对转子的危害与反时限负序过电流保护，最后系统分析发电机失磁后的机端测量阻抗轨迹与失磁保护判据、失步保护。
第7章 发电机保护
第1节 发电机的故障、不正常运行状态及保护方式：发电机是电力系统中重要的设备，保证发电机的安全和防止其本身遭受损害，对电力系统的稳定运行、对负荷的不间断供电起着决定性作用。
发电机在运行过程中要承受短路电流和过电压的冲击，同时本身又是旋转的机械设备，还要承受原动机械力矩的作用和轴承摩擦力的作用，因此在运行过程中出现故障及不正常运行情况就不可避免。
内部故障主要由定子绕组及转子绕组绝缘损坏引起，常见的故障有：
不正常运行状态主要有：
发电机保护装设的原则——一般发电机应装设以下继电保护装置：
（4）对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式：
第2节 发电机定子绕组短路故障的保护
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。
比率制动式纵差动保护：利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成，因此在两侧装设特性和变比完全相同的电流互感器来实现纵差动保护，两组电流互感器之间为保护范围。
为防止纵差动保护在外部短路时误动，继电器动作电流应躲过最大不平衡电流。考虑到不平衡电流随流过 TA 电流的增大而增加，提出比率制动式纵差动保护，使动作值随外部短路电流的增大而自动增大。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材动作方程给出文字表述。
比率制动差动保护在动作方程中引入了启动电流和拐点电流，制动线一般不经过原点，从而能更好地拟合 TA 的误差特性，进一步提高差动保护的灵敏度。
发电机纵差保护的动作逻辑：由于发电机中性点非直接接地，当内部相间短路时会有两相或三相的差动继电器同时动作。
发电机不完全纵差动保护接线：常规纵差动保护引入发电机定子机端和中性点的全部相电流，在定子绕组发生同相匝间短路时两电流仍然相等，保护将不能动作。
通常大型发电机每相定子绕组均为两个或多个并联分支，若仅引入发电机中性点侧部分分支电流来构成纵差动保护，选择适当的 TA 变比，也可以保证正常运行及区外故障时没有差流，而在发生发电机相间与匝间短路时均会形成差流，超过定值时可切除故障，这种纵差动保护被称为不完全纵差动保护。
由于发电机不完全纵差保护仅引入中性点的部分分支电流，应用时要注意以下问题：
灵敏度系数的定义与校验：根据规程规定，发电机纵差动保护的灵敏度是在发电机机端发生两相金属性短路情况下差动电流和动作电流的比值，要求不小于 1.5。
纵差动保护的整定：
发电机横差动保护：大容量发电机中每相都由两个或两个以上并联分支绕组组成，正常运行时各绕组电动势相等、流过相等的负荷电流；当同相内非等电位点发生匝间短路时，各绕组中电动势就不再相等，因而各绕组间产生环流，利用环流可以构成发电机定子绕组短路保护，即裂相横差动保护。
短路匝数较小时环流较小，可能小于起动电流，所以保护有死区。
单元件横差动保护基本原理：动作电流为中性点连线上的电流，适用于具有多分支的定子绕组且有两个以上中性点引出端子的发电机，能反应定子绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内绕组相间短路。
实际上发电机不同中性点间存在不平衡电流，原因有：
第3节 发电机定子绕组单相接地保护——单相接地时电气量特征：现代发电机的中性点都是不接地或经消弧线圈接地的，因此当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络（与发电机有直接电联系的各元件）对地电容电流之和。
不同之处在于故障点的零序电压将随发电机内部接地点的位置而改变。
假设 A 相接地发生在定子绕组距中心点 α 处，α 表示由中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数，近似估计时机端各相的对地电动势与故障点零序电压均可用含 α 的表达式表示。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
故障点的零序电压随故障点位置不同而改变，由此可作出发电机内部单相接地的零序等效网络：C0G 为发电机每相对地电容，C0l 为发电机以外电压网络每相对地的等效电容，由此即可算出发电机的零序电容电流和网络的零序电容电流，故障点总的接地电流即为两者之和。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流可由容性电流与消弧线圈电感电流之差表示，经消弧线圈可以补偿故障接地的容性电流。在大型发电机—变压器组单元接线的情况下一般采用欠补偿方式，即补偿的感性电流小于接地容性电流，这样有利于减小电力变压器耦合电容传递的过电压。
当发电机电压网络的接地电容电流大于允许值时，不论该网络是否装有消弧线圈，接地保护动作于跳闸；当接地电流小于允许值时，接地保护动作于信号，由值班人员处理。
利用零序电压构成发电机定子绕组单相接地保护：零序电压随故障点改变，当 α = 1 时机端接地，故障点零序电压最大，等于额定电压。越靠近机端，故障点零序电压越高，可以利用基波零序电压构成定子单相接地保护。
目前 100% 定子接地保护一般由两部分组成：一部分是零序电压保护，保护定子绕组的 85% 以上；另一部分需由其他原理的保护构成。
利用三次谐波电压构成发电机定子绕组单相接地保护：由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电动势除基波分量外还含有高次谐波分量。
其中三次谐波电动势虽然在线电动势中可以消除，但在相电动势中依然存在，因此每台发电机总有约百分之几的三次谐波电动势。把发电机对地电容等效看作集中在中性点 N 和机端 S，并将机端引出线、升压变压器、厂用变压器及电压互感器等设备的对地电容也等效放在机端，可得到正常运行时的等效网络。
由等效网络可算出中性点及机端的三次谐波电压，机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压之比由两侧等效电容决定。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
可见在正常运行时，发电机中性点侧的三次谐波电压总是大于发电机端的三次谐波电压；极限情况是发电机出线端开路（C0S = 0）时，US3 = UN3。
当发电机中性点经消弧线圈接地时，设基波电容电流得到全部补偿，则可得到相应的等效电路关系。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
整理可得发电机中性点侧对三次谐波的等值电抗与发电机端对三次谐波的等值电抗，进而得到机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压之比。上式表明，接入消弧线圈以后，中性点的三次谐波电压在正常运行时比机端三次谐波电压更大。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
在发电机出线端开路时 C0S = 0。在正常运行情况下，尽管发电机的三次谐波电动势 E3 随发电机结构及运行状况而改变，但其机端三次谐波电压与中性点三次谐波电压的比值总是符合以上关系的。
当发电机定子绕组发生金属性单相短路时，设接地发生在距中性点 α 处，可得其等值电路。
此时不论发电机中性点是否接有消弧线圈，恒有确定关系；当 α < 50% 时，恒有 US3 > UN3。据此可得 US3、UN3 随 α 变化的关系图。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
如果利用机端三次谐波电压作为动作量、中性点侧三次谐波电压作为制动量构成接地保护，且当 US3 ≥ UN3 时为保护的动作条件，则在正常运行时保护不可能动作，而当中性点附近发生接地时则具有很高的灵敏性。
利用这种原理构成的接地保护，可以反应定子绕组中性点侧约 50% 范围以内的接地故障。
因此，利用三次谐波电压比值和基波零序电压的组合，构成了 100% 的定子绕组接地保护。
第4节 发电机负序电流保护——负序电流保护的作用：电力系统发生不对称短路或在正常情况下三相负荷不平衡时，在发电机定子绕组中将出现负序电流。
负序电流在转子中所引起的发热量正比于负序电流的平方与所持续时间的乘积。在最严重的情况下，假设发电机转子为绝热体，则不使转子过热所允许的负序电流和时间的关系可用常数 A 表示。
随着发电机组容量不断增大，所允许的承受负序过负荷能力也随之下降，这对负序电流保护提出了更高的要求。发电机负序过电流保护实际上是对定子绕组电流不平衡而引起的转子过热的一种保护，应作为发电机的主保护之一。
对过负荷的信号部分，其整定值应按躲开发电机长期允许的负序电流值和最大负荷下负序过滤器的不平衡电流确定；长期允许负序电流汽轮发电机为额定电流的 6%～8%，水轮机为 12%。
对动作于跳闸的保护部分，其整定值应按照短时间允许的负序电流确定。在选择动作电流时，应当给出一个计算时间，在这个时间内值班人员有可能采取措施消除产生负序电流的运行方式，一般计算时间为 120 s，此时动作电流整定值应满足相应的关系。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材整定原则给出文字表述。
600 MW 机组上 A = 4，整定值采用 0.5I2、4 s 动作于跳闸和 0.1I2、10 s 动作于信号。其保护动作时限特性与发电机允许负序电流曲线配合如下：
两段式定时限负序过电流保护的动作特性与发电机允许的负序电流曲线不能很好地配合，也不能反映负序电流变化时发电机转子的热积累过程。
为防止发电机转子遭受负序电流的损坏，在 100 MW 及以上、A < 10 的发电机上应装设能够模拟发电机允许负序电流曲线的反时限负序过电流保护。
第5节 发电机的失磁保护：发电机失磁是指发电机的励磁突然全部或部分消失，引起失磁的主要原因有转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。
当发电机完全失去励磁时，励磁电流逐渐衰减至零，感应电动势 Ed 随之减小，电磁转矩小于原动机转矩而引起转子加速，使功角 δ 增大；当 δ 超过静态稳定极限角时发电机与系统失步。失磁后发电机将从系统吸收感性无功功率，超过同步转速后转子回路中将感应出差频电流并产生异步制动转矩，当异步转矩与原动机转矩达到新的平衡时即进入稳定的异步运行。
当发电机进入异步运行时的影响：
由于汽轮发电机异步功率比较大、调速也比较灵敏，超速运行后调速器立即关小汽门，使汽轮机输出功率与发电机异步功率很快达到平衡，在转差率小于 0.5% 的情况下即可稳定运行，因此汽轮发电机在很小转差下异步运行一段时间原则上是完全允许的。
此时是否需要并允许异步运行主要取决于电力系统具体情况：若系统有功功率供给比较紧张，一台发电机失磁后系统能够供给它所需无功功率并能保证电压水平，则失磁后应继续运行；反之若系统没有能力供给失磁后发电机所需无功功率且系统有功功率有足够储备，则失磁后不应继续运行。
对水轮发电机而言：其异步功率较小，必须在较大转差（一般达到 1%～2%）下运行才能发出较大功率；水轮机调速器不够灵敏、时滞较大，甚至可能在功率尚未达到平衡以前就大大超速，从而使发电机与系统解列；其同步电抗小，异步运行时需要从系统吸收大量无功功率；其纵轴和横轴很不对称，异步运行时机组振动较大。因此水轮发电机一般不允许在失磁后继续运行。
在发电机上，尤其是在大型发电机上应装设失磁保护，以便及时发现失磁故障并采取必要措施，如发出信号、自动减负荷、动作于跳闸等，保证发电机和系统的安全。
发电机失磁后的机端测量阻抗：发电机与无限大系统并列运行的等值电路和相量图中，XΣ = XS + Xd，φ 为受端功率因数角，δ 为 Ed 与 US 之间的夹角即功角。根据电机学，发电机送到受端的功率 S = P − jQ（规定发电机送出感性无功功率时表示为 P − jQ）。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
1. 失磁到失步前：在此阶段中转子电流渐渐减小，发电机电磁功率 P 开始减小，由于原动机所供给的机械功率还来不及减小，转子逐渐加速，使 Ed 与 US 之间的功角 δ 随之增大，P 又要回升。在这一阶段中 sinδ 的增大与 Ed 的减小相互补偿，基本上保持了电磁功率 P 不变。
与此同时无功功率 Q 将随 Ed 减小和 δ 增大而迅速减小，Q 值将由正变为负，即发电机变为吸收感性的无功功率。
在这一阶段中，机端测量阻抗由 US、P、XS 等决定，其中 US、P、XS 均为常数，Q 和 φ 是变化的，机端测量阻抗在阻抗复平面上的轨迹是一个圆。
说明：原页含圆心坐标与半径公式，文字版按教材结论给出表述。
由于这个圆是在某一定有功功率不变的条件下做出的，因此称为等有功阻抗圆。机端测量阻抗的轨迹与有功功率 P 有密切关系，对应不同的 P 值有不同的阻抗圆，且 P 愈大圆的直径越小。
发电机失磁以前向系统送出无功功率，φ 角为正，测量阻抗位于第一象限；随着无功功率变化，φ 由正值变为负值，测量阻抗也沿着圆周由第一象限过渡到第四象限。
2. 临界失步点：对汽轮发电机组，当 δ = 90° 时发电机处于失去静态稳定的临界状态，故称为临界失步点。此时输送到受端的无功功率为负值，表示临界失步时发电机自系统吸收无功功率且为一常数，故临界失步点也称为等无功点。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材结论给出文字表述。
由上面的分析可知，发电机在输出不同的有功功率 P 而临界失步时，其无功功率 Q 恒为常数，φ 为变数，机端测量阻抗在阻抗复平面上的轨迹是一个圆。
这个圆称为临界失步圆，也称静稳阻抗圆或等无功阻抗圆；其圆周为发电机以不同的有功功率 P 临界失步时机端测量阻抗的轨迹，圆内为静稳破坏区。
说明：原页含圆心坐标与半径公式，文字版按教材结论给出表述。
3. 失步后的异步运行阶段：失步后处于异步运行的发电机有相应的等效电路和机端测量阻抗。当发电机空载运行失磁时，转差 s ≈ 0，R2/s ≈ ∞，此时机端的测量阻抗为最大。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式给出文字表述。
当发电机在其他运行方式下失磁时，Zg 将随转差率的增大而减小，并位于第四象限；极限情况是当 fg → ∞ 时，s → −∞，R2/s 趋近于零，Zg 的数值最小。
综上所述，当发电机失磁前在过激状态下运行时其机端测量阻抗位于复平面第一象限；失磁以后，测量阻抗沿等有功阻抗圆向第四象限移动，当它与静稳阻抗圆相交时表示机组处于静稳定极限，其后转入异步运行。
图示发电机失磁前后机端测量阻抗的变化：失磁前位于第一象限 a 或 a′ 点，失磁后沿等有功阻抗圆向第四象限移动，与静稳阻抗圆相交于 b 或 b′ 点表示处于静稳定极限，越过该点后转入异步运行，最后稳定运行于 c 或 c′ 点，此时平均异步功率与调节后的原动机输入功率相平衡。
其他情况下的机端测量阻抗：
发电机失磁保护的判据：据此可构成以机端测量阻抗变化轨迹为判据的发电机失磁保护，其依据为正常时或其他情况下测量阻抗位于第一象限，而发生失磁故障后机端测量阻抗将位于第四象限。常用的辅助判据和闭锁措施如下：
失磁保护的构成方式：完整的失磁保护通常由发电机机端测量阻抗、转子低电压判据、变压器高压侧低电压判据、定子过电流判据构成，通常取机端阻抗判据作为主判据。
第6节 发电机的失步保护：当电力系统发生诸如负荷突变、短路等破坏能量平衡的事故时，往往会引起不稳定振荡，使一台或多台发电机失去同步，进而使电网中两个或更多的部分不再运行于同步状态，这种情况称失步。
基于失步对大型汽轮发电机造成的危害，国标规定对 300 MW 及以上的机组宜装设失步保护，保护可以采用由双阻抗元件或测量振荡中心电压及变化率等原理实现。
在短路故障、系统稳定振荡、电压回路断线等情况下保护不应该动作；保护通常动作于信号，当振荡中心位于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，保护应动作于解列。发电机的失步保护仅反映发电机的失步情况，目前主要基于反映发电机机端测量阻抗变化轨迹的原理。
思考题：
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