第九章 發(fā)電機(jī)保護(hù)-丁書文

第九章發(fā)電機(jī)保護(hù)

一、發(fā)電機(jī)的故障和異常運(yùn)行狀態(tài)

發(fā)電機(jī)的故障類型主要有：1）定子繞組相間短路；2）定子繞組一相的匝間短路；3）定子繞組單相接地；4）轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地或兩點(diǎn)接地等。5）發(fā)電機(jī)失磁

發(fā)電機(jī)的不正常運(yùn)行狀態(tài)主要有：1）由外部短路引起的定子繞組過(guò)電流；2）由負(fù)荷超過(guò)發(fā)電機(jī)額定容量而引起的定子繞組三相對(duì)稱過(guò)負(fù)荷；3）由于突然甩負(fù)荷而引起的定子繞組過(guò)電壓；4）由外部不對(duì)稱短路或不對(duì)稱負(fù)荷(如單相負(fù)荷、非全相運(yùn)行等)引起的轉(zhuǎn)子表層過(guò)負(fù)荷等。

二、發(fā)電機(jī)保護(hù)的配置1．發(fā)電機(jī)的主保護(hù)（1）縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)（2）匝間短路保護(hù)

（3）定子繞組單相接地保護(hù)（4）轉(zhuǎn)子繞組接地保護(hù)（5）發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)

2．發(fā)電機(jī)的后備保護(hù)（1）外部短路引起的定子繞組過(guò)電流保護(hù)（2）定子繞組過(guò)負(fù)荷保護(hù)（3）轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子表層過(guò)負(fù)荷保護(hù)（4）定子繞組過(guò)電壓保護(hù)（5）逆功率保護(hù)（6）失步保護(hù)（7）過(guò)激磁保護(hù)（8）低頻率保護(hù)發(fā)電機(jī)相間短路的縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)

用于反映發(fā)電機(jī)定子繞組及其引出線相間短路故障的主保護(hù)。

一、發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的接線方式有完全縱差動(dòng)保護(hù)和不完全縱差動(dòng)保護(hù)兩種接線方式。1.發(fā)電機(jī)完全縱差動(dòng)保護(hù)

圖9—1發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)原理接線示意圖G●●●●2．發(fā)電機(jī)不完全縱差動(dòng)保護(hù)中性點(diǎn)側(cè)有6個(gè)引出端子展示：

中性點(diǎn)側(cè)有4個(gè)引出端展示：圖9－5單元件式橫差保護(hù)原理接線示意圖（a）中性點(diǎn)側(cè)有6個(gè)引出端子;（b）中性點(diǎn)側(cè)有4個(gè)引出端（a）

UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA機(jī)殼（b）·UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA·機(jī)殼發(fā)電機(jī)不完全縱差動(dòng)保護(hù)構(gòu)成原理發(fā)電機(jī)不完全縱差動(dòng)保護(hù)是一種能同時(shí)反應(yīng)發(fā)電機(jī)相間短路、匝間短路和分支繞組開(kāi)焊故障的新型發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)。它是通過(guò)比較發(fā)電機(jī)機(jī)端每相定子的全相電流和中性點(diǎn)側(cè)每相定子的部分相電流大小和相位而構(gòu)成的。

圖9－2不完全縱差動(dòng)保護(hù)原理接線圖（a）中性點(diǎn)側(cè)引出6個(gè)端子（b）中性點(diǎn)側(cè)引出4個(gè)端子TA1TA1TA2TA2·分析可見(jiàn)發(fā)電機(jī)完全縱差保護(hù)和不完全縱差保護(hù)均是比較發(fā)電機(jī)兩側(cè)同相電流的大小和相位而構(gòu)成；不同之處是：完全縱差保護(hù)是比較每相定子首末兩端的全相電流，而不完全縱差動(dòng)保護(hù)是比較機(jī)端每相定子全相電流和中性點(diǎn)側(cè)每相定子的部分相電流而構(gòu)成。

二、發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的原理1．比率制動(dòng)式發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)原理

圖9—1發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)原理接線示意圖G●●●●（1）動(dòng)作電流和制動(dòng)電流

動(dòng)作電流：制動(dòng)電流：

為機(jī)端側(cè)定子相電流；為中性點(diǎn)側(cè)定子全相電流或分支繞組相電流；平衡系數(shù)當(dāng)時(shí)為完全縱差保護(hù)接線方式；時(shí)為不全縱差保護(hù)接線方式。

（2）縱差保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)及動(dòng)作特性當(dāng)以下兩個(gè)方程同時(shí)滿足時(shí)，差動(dòng)元件動(dòng)作。

比率制動(dòng)式發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的動(dòng)作特性：

圖9－3比率制動(dòng)式發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的動(dòng)作特性Iop.min.Ires.min.IresK動(dòng)作區(qū)制動(dòng)區(qū)IK2.標(biāo)積制動(dòng)式發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)原理

動(dòng)作電流：制動(dòng)電流：動(dòng)作判據(jù)：

圖9—1發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)原理接線示意圖G●●●●式中，為之間的相位差；S為標(biāo)積制動(dòng)系數(shù)，通常取1.0。

1）當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行或保護(hù)區(qū)外短路時(shí)：

制動(dòng)量最大，動(dòng)作量最小，保護(hù)可靠不動(dòng)。2）當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)短路時(shí)：制動(dòng)量為負(fù)值，呈現(xiàn)動(dòng)作作用，動(dòng)作量最大，保護(hù)動(dòng)作，且靈敏。

三、發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)邏輯框圖

當(dāng)發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的二相或三相差動(dòng)元件同時(shí)動(dòng)作時(shí)，縱差保護(hù)才出口跳閘；為防止一點(diǎn)在區(qū)內(nèi)另一點(diǎn)在區(qū)外的兩點(diǎn)接地故障發(fā)生，當(dāng)有一相縱差元件動(dòng)作且同時(shí)有負(fù)序電壓時(shí)，縱差保護(hù)出口跳閘。若只有一相縱差元件動(dòng)作而無(wú)負(fù)序電壓時(shí)，判為TA斷線；若負(fù)序電壓長(zhǎng)時(shí)間存在而無(wú)差電流時(shí)，判為TV斷線。圖9－4發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)邏輯框圖t/oTV斷線U相差動(dòng)V相差動(dòng)W相差動(dòng)二相或三相差動(dòng)元件動(dòng)作U相差動(dòng)V相差動(dòng)W相差動(dòng)只一相差動(dòng)元件動(dòng)作&&U2>≥1TA斷線···發(fā)電機(jī)定子繞組的匝間短路保護(hù)

每個(gè)分支的匝間或分支之間的短路，就稱為發(fā)電機(jī)定子繞組的匝間短路故障。

一、單元件式橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行情況下，每相定子繞組的兩個(gè)分支上電勢(shì)相等，各供出一半的負(fù)荷電流；當(dāng)任一相繞組中發(fā)生匝間短路時(shí)，兩個(gè)繞組中的電勢(shì)不相等，因而在兩個(gè)分支繞組中產(chǎn)生環(huán)流。

1．保護(hù)的接線方式及其特點(diǎn)

（a）

UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA機(jī)殼（b）·UVW橫差TA縱差TA·····縱差TA縱差TA·機(jī)殼接線評(píng)價(jià)：保護(hù)接線較簡(jiǎn)單，靈敏度較高。通常又稱為高靈敏的單元件式橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)。保護(hù)只適合于：1）定子繞組中性點(diǎn)側(cè)引出6個(gè)或4個(gè)端子的發(fā)電機(jī)。2）中性點(diǎn)側(cè)引出端子較多的水輪發(fā)電機(jī)。

2．保護(hù)的原理分析1

1)保護(hù)裝置中裝設(shè)了三次諧波濾過(guò)器1，以消除三次諧波電流的影響，提高靈敏度。

2圖9－6單元件式橫聯(lián)差保護(hù)原理接線圖1-三次諧波濾過(guò)器；2－帶有延時(shí)的保護(hù)裝置2．保護(hù)的原理分析22）當(dāng)定子繞組的同分支匝間短路時(shí)：

3）定子繞組不同分支間發(fā)生短路時(shí)：

4）保護(hù)存在死區(qū)：當(dāng)時(shí)或者不同分支間的短路匝數(shù)相同（）及差別較小時(shí)，保護(hù)不能動(dòng)作。

3．保護(hù)的整定原則

單元件式橫聯(lián)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作電流為

時(shí)間整定：需增設(shè)0.5～1秒的延時(shí)，以躲過(guò)轉(zhuǎn)子回路的瞬時(shí)兩點(diǎn)接地故障。

2圖9－6單元件式橫聯(lián)差保護(hù)原理接線圖1-三次諧波濾過(guò)器；2－帶有延時(shí)的保護(hù)裝置二、故障分量負(fù)序功率方向匝間短路保護(hù)

適用于：中性點(diǎn)側(cè)沒(méi)有6個(gè)或4個(gè)引出端子的發(fā)電機(jī)定子匝間短路保護(hù)。裝設(shè)位置：該保護(hù)裝設(shè)在發(fā)電機(jī)的機(jī)端；基本原理：利用發(fā)電機(jī)外部故障與定子繞組匝間短路時(shí)產(chǎn)生的負(fù)序分量及其負(fù)序功率的方向不同而實(shí)現(xiàn)的。

1．故障時(shí)負(fù)序功率方向的分析

1）發(fā)電機(jī)外部橫向不對(duì)稱短路時(shí)（K1）：負(fù)序功率的方向由系統(tǒng)指向發(fā)電機(jī)。2）發(fā)電機(jī)內(nèi)部?jī)上喽搪窌r(shí)（K2）：負(fù)序功率的方向由發(fā)電機(jī)指向系統(tǒng)。3）發(fā)電機(jī)定子繞組一相匝間短路時(shí)（K3K4)：負(fù)序功率方向亦由發(fā)電機(jī)指向系統(tǒng)?？梢?jiàn)，負(fù)序功率的方向隨故障點(diǎn)的位置而變化，利用這一特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)定子繞組的匝間短路保護(hù)。

zgZs2．保護(hù)的構(gòu)成及其動(dòng)作判據(jù)

保護(hù)動(dòng)作的判據(jù)：當(dāng)以下三個(gè)式子同時(shí)成立時(shí)，保護(hù)跳閘。

zgZs3．保護(hù)定值的整定及注意事項(xiàng)：

1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，通常?。海蠹s在0.1％左右，可固定選取

2)故障分量負(fù)序功率方向()保護(hù)，若裝在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)(電流取中性點(diǎn)TA)，僅反映發(fā)電機(jī)內(nèi)部匝間短路故障。

三、縱向零序電壓原理的匝間短路保護(hù)適用于中性點(diǎn)側(cè)沒(méi)有6個(gè)或4個(gè)引出端子的發(fā)電機(jī)定子匝間短路保護(hù)的另一種方案。該保護(hù)利用發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生匝間短路時(shí)，機(jī)端三相對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)出現(xiàn)的零序電壓而構(gòu)成。

1.保護(hù)的構(gòu)成原理如圖所示：在發(fā)電機(jī)機(jī)端側(cè)裝設(shè)專用的電壓互感器。圖9—9零序電壓匝間短路保護(hù)原理接線圖發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行1）發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行或相間短路時(shí)，無(wú)零序電壓。

單相接地故障2）當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部或外部發(fā)生單相接地故障時(shí)：故障相對(duì)地電壓等于零，中性點(diǎn)對(duì)地電壓上升為相電壓。因此三相定子繞組對(duì)中性點(diǎn)電壓仍然對(duì)稱，不出現(xiàn)零序電壓。

匝間短路3）當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生匝間短路或匝數(shù)不等的相間短路時(shí)：繞組匝間短路時(shí)，出現(xiàn)三相對(duì)中性點(diǎn)的零序電壓，其大小與被短路的繞組匝數(shù)a成正比。構(gòu)成零序電壓匝間短路保護(hù)在構(gòu)成零序電壓匝間短路保護(hù)時(shí)，需設(shè)置三次諧波濾過(guò)器，以提高保護(hù)的靈敏度。當(dāng)發(fā)電機(jī)外部短路電流較大時(shí)，采用負(fù)序功率方向閉鎖方式，使保護(hù)退出工作。還需裝設(shè)斷線閉鎖元件。圖9－10負(fù)序功率閉鎖的零序電壓匝間保護(hù)原理方框圖l－三次諧波濾過(guò)器；2－斷線閉鎖保護(hù)；3－跳閘出口2．保護(hù)的整定原則按躲過(guò)外部嚴(yán)重故障時(shí)的最大不平衡基波零序電壓和三次諧波零序電壓整定

圖9－10負(fù)序功率閉鎖的零序電壓匝間保護(hù)原理方框圖l－三次諧波濾過(guò)器；2－斷線閉鎖保護(hù)；3－跳閘出口第二節(jié)

發(fā)電機(jī)定子繞組的

單相接地保護(hù)1.定子繞組單相接地故障的零序電壓

正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電壓是對(duì)稱的當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端U相發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，U相對(duì)地電壓為零，其它兩相對(duì)地電壓升高倍。

顯然：發(fā)電機(jī)機(jī)端一相金屬性接地時(shí)，機(jī)端零序電壓的大小等于發(fā)電機(jī)故障前的相電壓。

中性點(diǎn)附近處如圖：接地發(fā)生在定子繞組距中性點(diǎn)附近處，則各相機(jī)端對(duì)地電壓：

圖9－12發(fā)電機(jī)內(nèi)部單相接地故障時(shí)示意圖及電壓相量圖（a）示意圖；（b）電壓相量圖UVW（b）WKUKVKUVWKU機(jī)端零序電壓將隨著故障點(diǎn)的位置不同而改變。當(dāng)接地點(diǎn)發(fā)生在距中性點(diǎn)處時(shí)，發(fā)電機(jī)零序電壓的大小等于故障前相電壓的倍。

2．正常運(yùn)行和定子單相接地時(shí)三次諧波電壓分布

正常運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端的三次諧波電壓總是小于中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓

當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地時(shí)：

（2）距中性點(diǎn)處發(fā)生單相接地時(shí)三次諧波電壓的分布發(fā)電機(jī)三次諧波的總結(jié)論：發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地時(shí)：發(fā)電機(jī)機(jī)端接地時(shí)：當(dāng)時(shí)：

二、反應(yīng)基波零序電壓的定子接地保護(hù)

過(guò)電壓元件檢測(cè)發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓互感器二次側(cè)開(kāi)口三角形的輸出電壓當(dāng)檢測(cè)的電壓大于保護(hù)的動(dòng)作整定值時(shí)，過(guò)電壓元件動(dòng)作發(fā)出信號(hào)。

保護(hù)裝置的整定值應(yīng)避開(kāi)正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電壓(包括三次諧波電壓)，以及變壓器高壓側(cè)接地時(shí)在發(fā)電機(jī)端所產(chǎn)生的零序電壓。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，保護(hù)的起動(dòng)電壓一般整定為15～30V左右?？紤]采用性能良好的三次諧波濾過(guò)器后，其動(dòng)作值可降至5～10V。保護(hù)在中性點(diǎn)附近有5％～10％的死區(qū)。

三、基波零序電壓和三次諧波電壓構(gòu)成的100％定子接地保護(hù)

1．保護(hù)的工作原理100％定子接地保護(hù)由兩部分組成：一部分是基波零序電壓保護(hù)另一部分是三次諧波電壓保護(hù)。由基波零序電壓保護(hù)來(lái)反應(yīng)發(fā)電機(jī)85％～95％的定子繞組單相接地；三次諧波電壓保護(hù)來(lái)反應(yīng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近定子繞組的單相接地。

因?yàn)椋赫＿\(yùn)行時(shí)機(jī)端三次諧波電壓總是小于中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓，即而在距中性點(diǎn)50%范圍內(nèi)接地時(shí)零序電壓保護(hù)三次諧波保護(hù)圖9－18100％定子接地保護(hù)的保護(hù)范圍示意圖所以：利用為動(dòng)作量，為制動(dòng)量，以為保護(hù)的動(dòng)作條件，可以反應(yīng)中性點(diǎn)側(cè)定子繞組50％范圍以內(nèi)的接地故障。100％定子接地保護(hù)

該保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為：

2.保護(hù)的整定計(jì)算（1）三次諧波電壓保護(hù)（2）基波零序電壓保護(hù)當(dāng)時(shí)，應(yīng)校驗(yàn)高壓系統(tǒng)接地短路時(shí)傳遞到機(jī)端的基波零序電壓，以免保護(hù)誤動(dòng)。

第五節(jié)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路接地保護(hù)

當(dāng)轉(zhuǎn)子回路發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，動(dòng)作于信號(hào)；當(dāng)轉(zhuǎn)子回路兩點(diǎn)接地時(shí)，動(dòng)作于跳閘。

一、轉(zhuǎn)子回路一點(diǎn)接地保護(hù)保護(hù)原理（切換采樣式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)）：

（1－a）EaES1S2RRRRR1RfaU1,U2I1I2圖9－20切換采樣式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)原理接線圖中：S1、S2是微機(jī)控制的電子開(kāi)關(guān)；為接地電阻；為接地點(diǎn)的位置；E為轉(zhuǎn)子電壓；R為4個(gè)降壓電阻；R1為測(cè)量電阻。

接地點(diǎn)位置為：接地電阻為：正常運(yùn)行時(shí):四4個(gè)電阻R對(duì)稱，U1＝U2，ΔU＝0，；轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地時(shí)：U1≠U2,當(dāng)接地電阻小于或等于接地電阻整定值時(shí)，經(jīng)延時(shí)發(fā)出信號(hào)。

2.整定計(jì)算當(dāng)接地電阻的高定值整定為10KΩ時(shí)，延時(shí)(4～10秒)動(dòng)作于發(fā)信號(hào)；當(dāng)接地電阻低定值整定為10KΩ時(shí)，