第六章 发电机的保护

（一）发电机的故障 ①定子绕组相间短路

第六章 发电机的保护

6.1发电机的故障和不正常运行状态及保护方式

很大的短路电流会使绕组过热，故障点的电弧将破坏绝缘、烧坏铁芯和绕组，甚至导致发电机着火。

②定子绕组匝间短路

被短路的部分绕组内将产生大的环流，引起故障处温度升高，绝缘破坏，并可能转变成单相和相间短路。

③定子绕组单相接地

电网中的电容电流将流过故障点，电流较大时，会使铁芯局部熔化。 ④励磁回路一点或两点接地

励磁回路一点接地未构成通路，对发电机无直接危害。如果另一点再接地，可能烧坏励磁绕组和铁芯。此外，由于转子磁通的对称性破坏，还会引起机组的强烈振动。

（二）发电机的不正常运行状态 ①励磁电流下降或消失

发电机转入异步运行状态，从系统吸收无功，造成系统无功不足，电压下降，甚至使系统电压崩溃。同时，引起定子电流增加和转子过热。

②外部短路引起的定子绕组过电流。 ③过负荷。

④不对称运行时，负序电流引起转子表层过热。 ⑤定子绕组过电压。

此外，还有发电机失步、逆功率、非全相运行及励磁回路故障。

（三）发电机的主要保护

①反应发电机绕组和引出线相间短路的纵联差动保护。 ②反应定子绕组接地的100%定子接地保护。

③反应定子绕组匝间短路的横差保护、定子零序电压保护和转子二次谐波电流保护。 ④反应外部相间短路的过电流保护或复合电压启动的过电流保护。 ⑤定子绕组过负荷保护。 ⑥定子绕组过电压保护。

⑦转子表层过热的定时限和反时限负序电流保护。 ⑧励磁回路一点及两点接地保护。 ⑨失磁保护。 ⑩逆功率保护。

此外，还有失步保护、低频保护、断水保护、非全相运行保护。

6.2发电机纵差保护

（一）发电机纵差保护接线原理

如图6.2-1所示，比较发电机中性点侧和机端引出线侧的电流。

．．~?1?IP．．?2?I

图6.2-1 发电机纵差保护接线原理在正常和区外故障时，发电机两侧电流幅值和相位相同，为使差动电流为零，所以两侧的电流互感器的特性、变比和接线应该完全相同。 （二）不平衡电流

因为电流互感器之间的差异是客观存在的，在正常和区外故障时差动继电器中会有不平衡电流，

Iunb.max?KerKstKnpIk.max （6.2-1） KTA式中，Ik.max是区外最大短路电流；Ker是电流互感器误差，取0.1；Kst是各侧电流互感器的同型系数，取0.5；Knp是非周期分量影响系数，取1~1.5。 （三）具有比率制动特性的差动保护

为了使差动保护在区内故障时有足够的灵敏度，同时在区外故障时又不会误动，采用具有比率制动特性的差动保护。根据图6.2-1规定的电流互感器极性和二次侧电流方向，定义的差动量为：

???I?? （6.2-2） Iop?I12定义的制动量是：

Ires?1??? （6.2-3） I1??I22差动保护动作与否由比率制动特性确定，如图6.2-2所示，特性曲线以上是保护动作区，特性曲线以下是保护不动作区。

IopIop.minKIresIres.min图6.2-2 折线型比率制动特性曲线

用最小动作电流Iop.min（取0.1~0.3IN）、最小制动电流Ires.min（取0.8~1.0IN）和斜率K（一般取0.5）三要素可以确定特性曲线。差动保护动作方程为

?Iop?Iop.min,Ires?Ires.min （6.2-4） ??Iop?K(Ires?Ires.min)?Iop.min

（四）不反应发电机匝间短路

变压器匝间短路会影响到变压器变比，从而改变其与各侧电流互感器变比的关系，在二次回路中产生差动电流；而发电机匝间短路只会在绕组内产生环流，因为两侧电流互感器相同，二次回路中不会产生差动电流。所以发电机差动保护不能够和变压器差动保护一样保护匝间短路。

6.3定子绕组匝间短路保护

（一）横联差动保护

发电机定子匝间短路情况如图6.3-1所示：

ABC?N?N图6.3-1 横联差动保护原理一种是同一绕组内发生匝间短路，?位点短路。

P延时

是短路匝数百分比；另一种是同相的分支绕组不同电

发生上述两种匝间短路时，两组星型绕组中的三相电流之和不再相同，差动继电器中产生电流。超过动作值时，保护使发电机断路器和励磁开关瞬时跳闸。横联差动保护的动作值为

Iop?(0.2~0.3)IN （6.3）

式（6.3）中，IN是发电机额定电流。

发电机同相的各分支绕组不是处于同一位置，当转子回路两点接地时，磁场对称性遭到破坏，各分支绕组感应电动势不相等，两个中性点连线上产生电流，使横联差动保护动作。如果是永久性的转子回路两点接地，横联差动保护动作也是被允许的，但应该防止瞬时转子回路两点接地使横联差动保护误动作。为此，当发现转子回路一点接地时，应该将横联差动保护切换到延时回路，保护经过0.5~1s后将发动机跳开。 三次谐波会在双星形接线的两个中性点上产生电压，使横联差动保护误动，所以应该加装三次谐波滤波器。 当同一绕组匝间短路的匝数很小，或同相两个分支绕组电位相近的两点发生匝间短路时，由于流入差动继电器的电流很小，保护可能不动作，因此横联差动保护存在死区。 （二）负序功率方向闭锁的转子回路二次谐波电流保护 发电机定子绕组匝间短路时三相电流不平衡，将产生负序电流，对应的负序旋转磁场对于转子以两倍同步速度旋转，在转子绕组感应产生二次谐波电流，基于此电流能够构成定子绕组匝间短路保护，如图6.3-2所示：

转子回路~负序功率方向继电器二次谐波电流继电器与图6.3-2 负序功率方向闭锁的反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护原理

但是，发电机外部不对称故障时也会在转子绕组感应产生二次谐波电流，为了防止此时保护误动，可以在发电机机端测量负序功率方向，利用外部不对称故障时和定子绕组匝间短路时负序功率方向相反的特点，确定是否闭锁保护。 在发电机内部两相短路时，保护会动作，这是被允许的，但会无法判别故障类型。 （三）负序功率方向闭锁的零序电压保护 发电机定子绕组匝间短路时，三相电压不对称，在机端会出现对于发电机中性点的零序电压，基于此电压能够构成定子绕组匝间短路保护，如图6.3-3所示：