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新疆西部明珠工程建设有限公司答辩论文

论同步发电机继电保护

指导教师： 毛远疆
答 辩 人： 王建明
所在单位： 电气队实验室
时 间： 2010年4月6日

摘要
发电机是电力系统中最重要的设备，它的安全工作对于电力系统的稳定运行和对用户不间断供电起着决定性的作用。因此在发电机上必须装设比较完善的继电保护装置。
关键词：发电机、继电保护、故障状态。

第一章 继电保护的基本知识
第一节 继电保护与自动装置的任务
在现代电力系统中,继电保护和自动装置是保证电力系统安全运行和提高电能质量的重要工具.而电力系统运行中可能出现的故障主要是短路、接地短路和断线、过负荷等。但是消除或减少这些故障对于继电保护装置的任务有以下几点：
一、当被保护的输电线路或电器元件发生故障时，保护装置就迅速动作,把故障的输电线路或电器元件从电力系统中切除,以消除后减小故障引起的严重后果;
二、当输电线路或电器元件出现不正常运行状态或发生不太严重的故障时（如非直接接地电网中发生单相接地)；保护装置动发出警告信号。
第二节 对 继电保护与自动装置的要求
为了使继电保护装置能及时、正确的完成它所承担的任务，对保护装置有以下四个基本要求：
(1）选择性:当电力系统发生故障时，保护装置应能使离故障点最近的断路器首先断开，切除故障部分，从而是故障范围尽量缩小.
（2）灵敏性：是保护装置对被保护电器设备可能发生的故障和不正常运行情况的反应能力，一般是用被保护电气设备的故障时，通过保护装置的故障参数(如短路电流）与保护装置的动作参数（动作电流）的比较来判断，而灵敏系数的高低是由灵敏系数Klm来反映的.反应故障时参量增量而动作的保护装置，其灵敏系数为Klm＝保护区末端金属性短路时故障参量的最小计算值/保护装置的动作值。反应故障时参量降低而动作的保护装置，其灵敏系数为Klm ＝保护装置的动作值/保护区末端金属短路时故障参量的最大计算值
（3)迅速性：快速切除故障可以减小短路电流队电气设备所引起的损害，可以加速系统电压的恢复,提高发电机并运行的稳定性。
（4）可靠性:投入运行的保护装置，应经常处于准备动作状态,当被保护设备发生故障和不正常工作状态时，保护装置应正确动作,不应拒动，其它设备的保护装置不应误动.如不满足可靠性的要求，则保护本身便成为扩大事故或直接造成事故的根源。
第二章 同步发电机的继电保护
第一节 同步发电机的故障和不正常状态
一、为了在各种故障和不正常工作状态下可靠的对发电机进行保护，根据＜继电保护和自动装置规程＞的规定，对于一般小容量的发电机应装设以下保护：
1、过电流保护；2、过负荷保护;3、过电压保护；4、纵差动保护；5、横差动保护；6、单相接地保护；7、励磁回路保护;8、失磁保护。
第二节 同步发电机的保护
一、复合电压起动的过电流保护
为了提高过流保护反应故障的灵敏度，常采用复合电压起动的过流保护,其接线如图1：复合电压原件是由在保护装置中集成化的低电压继电器负序电压继电器两部分组成。

二、过负荷保护
因低电压启动的过电流保护不能反映 过负荷保护，因此发电机还需要装设一套过负荷保护，见图2所示，保护由电流继电器1和时间继电器2组成。由于短时间的过负荷不致于时使发电机遭到破坏,一般不需要将发电机断开而是发出报警信号,考虑到过负荷的对称性，过负荷保护只在一相中装设，为了防止发电机外部元件短路时，发电机过负荷保护发出错误的信号，过负荷保护的时间应大于发电机过流保护的时间。

三、发电机的纵差动保护
发电机相间短路是发电机内部最严重的故障，因此要 定子绕组装设快速动作的保护装置,当发电机的中性点侧又分相引出线时,可装设纵差保护作为发电机相间短路的主保护.总差动保护是根据比较被保护元件始端及末端电流数值和相位的原理而构成,见图3，为了实现次保护在发电机中性点侧和靠近发电机出口断路器处装设同一变比的电流互感器1LH和2LH，两侧的电流互感器按环流法连接，即两侧电流互感器二次侧极相连，并在其差回路中接入电流继电器。

(1）、正常运行时，在发电机的中性点侧与出口侧的电 流数值和相位均相同，即I1=I2，由图4（1）可见， 流进电流继电器的电流为两侧二次电流差， Ij=I1—I2 ,若两边电流互感器的特性完全相同，则Ij=0，继电器不会动。
(2)、 在保护范围外短路时，如图4（2）所示的D1 点发生 短路，情况和正常运行时相似，即Ij=I1—I2 ，当电流互感器的特性完全相同时,Ij=0。但实际上电流互感器的特性不完全相同，因此, Ij=I1-I2 ≠0 ，有电流流过继电器，这个电流叫做不平衡电流,用Ibp 表示,当继电器的动作电流Id＞Ibp 时,保护不会误动作。
（3）、保护范围内短路时,如图4（3）中的D2 点短路时,则电流进电流互感器的电流为两侧电流互感器的二次电流之
和，即Ij=I1 +I2 ,这时Ij＞ Id ，保护动作。
四、发电机的横差动保护
1、砸间短路的特点:
在同步发电机中，定子绕组有的每相只有一个绕组，而容量较大的机组，每相都做成两个或两个以上的并联分支，因此发电机定子绕组砸间短路故障主要属于同一分支的位于不同槽的上下层导体间发生短路,或同一相但不同分支的位于同槽的上下层之间发生短路,当然还有绕组端部匝间短路以及两点接地引起的匝间短路。由于匝间短路发生在同一相绕组，从该相绕组中性点侧与极端测的电流互感器测的电流相同，因此总差动保护不反映匝间短路。
2、由于匝间短路发生在同一相绕组,从该相绕组中性点侧与极端测的电流互感器测的电流相同，因此总差动保护不反映匝间短路，目前发电厂中采用广泛的横差动保护和纵向零序电压保护。
1）、发电机横差动保护的原理和判据
发电机的横差动保护主要用来预防定子绕组匝间短路，定子绕组匝间开焊故障，也可兼顾定子绕组相间短路的故障。一般汽轮发电机大多为每相两并联分支绕组,当三相第一分支的中性点和三相第二分支的中性点可分别引出机外时,可用单元件横差动保护，原理接线如图6所示.在01和02连线上接入横差电流互感器TAO。横 差保护反映具有零序性质的中性点连线上的基频电流，因此可以称为零序横差保护。当发电机正常运行时，流过TAO的电流很小(仅为不平衡电流），而当定

子绕组发生短路和匝间短路时，TAO上会流过较大的基频零序短路流过电流大于动作门槛电压时，横差保护出口， 即Id ＞ Id.set(Id 为横差电流的基波分量， Id.set为横差保护电流定值）。电流 ，
2)、发电机定子绕组零序电压原理的匝间短路保护
(1)、对于中性点侧没有六个引出端子的发电机，定子匝间短路的另一方案是利用零序电压互感器，3U0 取自辅助二次绕组(开口三角形)，如图七所示，TV0 一次侧中性点必须与发电机中性点相连，而不能自直接接地，正因为TV0 一次侧中性点不接地,因此其一次绕组必须采用全绝缘，且不能被用来测量相电压，即图中的TV0是零序 电压匝间短路保护专用电压互感器。

（2）、当发电机正常运行和外部相间短路时,TV0的辅助二次绕组没有输出电压。
（3）、当发电机内部或外部发生单项接地故障时，虽然一次系统出现了零序电压，但由于TV0 一次侧中性点不接地，所以即使中性点的点位升高，单三相电压仍然对称，故辅助二次绕组电压为0V。
（4）、只有当发电机内部发生匝间短路或发生对中性点不对称的各种相间短路，TV0 一次对中性点的电压不再平衡，辅助二次绕组才有电压输出，从而是零序匝间短路保护正确动作。
五、发电机定子绕组单相接地保护
如果定子绕组与铁心间的绝缘在某一点上遭到破坏,就会发生定子绕组单相接地故障。实践证明,定子绕组单相接地故障时发电机是最常见的故障之一，由于汽轮发电机中性点多时高阻接地方式，定子绕组单相接地故障不会引起很大的故障电流,而主要是绕组对铁心的分布电容引起的电容电流。
1、接地故障电流的危害主要表现在以下两个方面:
（1）、持续的接地电流会产生电弧烧损铁心，使定子铁心叠片烧结在一起，造成检修困难。
（2）、接地电流将破坏绕组绝缘，扩大事故,如果一点接地而未及时发现并采取措施，有可能发生第二点接地造成匝间或相间短路故障，严重损坏发电机。
2、根据故障电流的大小,发生接地故障后可能有不同的处理方式:
（1）、当发电机装有消弧线圈时，一般情况下,虽然定子绕组单相接地的残余电流能在允许值以内，但在某些运行方式下,接地电流有可能超过允许值，故单相接地保护都应动作与跳闸。通常采用装与机端的零序电流互感器TAO和其它一些继电器组成,通常采用零序电流保护，如图8。

（2）、当发电机与变压器组成单元接线,这时发电机与系统中其它元件无电的联系,固定子单相接地时，不会从系统其它元件流过来电容电流，仅有发电机本身的电容、连接发电机与变压器导线的电容、变压器一次绕组与二次绕组之间的耦合电容引起的电容电流，次电流不会很大，一般小于安全电流,保护可只发信号，经转移负荷后平稳停机,以避免突然停机对发电机组与系统的冲击。通常采用零序电压保护，如图9。

六、发电机励磁回路一点接地保护
1、当发电机的励磁绕组及引线的绝缘严重下降或损坏时，会引起励磁回路的接地故障。最常见的励磁回路一点接地故障，发生一点接地故障，由于没有形成电流回路,对发电机的运行没有直接的影响，但一点接地以后励磁回路对地电压升高，在某些条件下会诱发第二点接地,而两点接地故障将严重损坏发电机。因此发电机必须装有灵敏的励磁回路一点接地故障保护(又称为转子一点接地保护），保护作用于信号，以便值班人员 采取措施.
2、发电机励磁回路一点接地的保护原理
1）切换式励磁回路一点接地保护：
常见的切换式励磁回路一点接地保护原理如图10所示，由于励磁绕组流过直流故对其电感不予考虑，且绕组的电阻很小也不予考虑，而直流回路的电动势为Ef 。先假设K点为故障点，它离正极性端距离的百分比为a,这样把直流电动势分为aEf和（1-a)Ef两部分.由四个等值电阻和两路电子开关组成，工作中电子开关在微机控制下按给定的周期不停地交替进行开合切换操作周期测量,在开关的两种中状态下分别测量转子电压Ef和测量电阻 Rm的电压 Em，（它反应的实际上就是流过Rm的接地的电流I=I1—I2).
当转子绕组没有接地故障时，测量电阻Rm的电压为零,表示转子回路绝缘良好，当转子绕组在K点有接地故障时，按上述获得两次关于Ef和I得测量值，在微机中进行计算故障点的接地电阻RK和位置a。即RK小于RK.SET作为动作判据，（RK。SET为动作门槛电压）。

七、发电机励磁回路两点接地保护
1、当转子励磁绕组发生两点接地故障时，（1）故障点流过相当大的短路电流，会烧伤转子;（2）部分绕组被短路，励磁绕组电流增加，转子因过热而损伤;（3）部分绕组被短路，气隙磁通失去平衡，会引起机组的剧烈振动,可能引起造成灾难性破坏；（4)汽轮发电机转子绕组两点接地故障,还可能使轴系和汽轮机磁化，因此两点接地故障的后果很严重，必须采取有效措施，主要有两种做法:一是当励磁回路一点接地故障时延时作用于跳闸， 以避免发生两点接地,这样可不必装设励磁回路两点接地保护，二是装设有效的励磁回路两点接地保护，立即作用于跳闸.
2、励磁回路两点接地保护原理
1）微机型切换式励磁回路两点接地保护原理
这种两点接地保护时基于前面介绍的切换式励磁回路一点接地保护之上构成的，所不同的只是动作判据,如果在励磁绕组K1处（即离正极a处）发生一点接地故障后,相继在K2处（距离K1点β处）发生第二点接地,并设接地电阻为RK1和RK2，说明电路如图11。对于；励磁绕组的第二点接地的动作判据为RK2﹤RK.SET,由于发生两点接地故障，距离α也发生了变化，因此当变化值Δα超过设定值αSET时,则判定发生了两点接地故障发电机立即动作与停机，即Δα﹥ αSET，逻辑框图如图13。

由于我的水平有限，在这片论文当中可能存在很多漏洞和缺陷,望各位领导和师傅能够指正，我会在以后的工作当中更进一步的学习和了解。

谢谢大家！

2010年4月14日