发电机、变压器与母线保护

发电机、变压器与母线保护

编写玉海

发电机保护

第一节基本概念

一发电机

发电机的作用是将汽轮机或水轮机输出的机械能变换成电能。

1 主要构成

发电机主要由定子和转子两部分构成。在定子与转子间留有适当的间隙，通常将该间隙称作为气隙。

极对数为1的三相交流同步发电机的结构示意图如图1所示。

在定子铁芯上设置有槽，每个定子槽分上槽和下槽，上槽及下槽中设置有定子绕组。每台发电机的定子绕组为三相对称式绕组，如图1中的a-x、b-y、c-z所示。所谓三相对称绕组是指三个绕组（即a-x、b-y、c-z）的匝数相等，其空间分布相对位置相距1200。在定子铁芯的上槽与下槽之间设置有屏蔽层。

在转子铁芯上也有槽，槽设置有转子绕组（如图1中的W－j所示）。

图1 三相同步交流发电机结构示意图

为提高发电机的单机容量及降低铁芯及绕组的温度，各种发电机均设置有冷却系统。小型发电机一般采用空气冷却方式，也有采用氢冷式；对于大型汽轮发电机，通常采用水冷及氢冷方式。

2 作用原理

在转子绕组中（图1中的W－j）通入直流，产生一恒定磁场（其两极极性分别为N－S）。发电机转子由汽轮机或水轮机拖着旋转，恒定磁场变成旋转磁场（通常称之气隙磁场）。转子旋转磁场切割定子绕组，必将在定子绕组产生感应电势。

由于转子磁场在气隙中按正弦分布，而转子以恒定速度旋转，从而使定子绕组中的感应电势按正弦波规律变化。

发电机并网运行时，定子绕组中出现感应电流，向系统输出电能。

3 发电机的额定转速

转子磁场旋转时，每转过一对磁极，定子绕组中的电势便历经一个周期。因此，定子绕组中电势的频率可由每秒钟转过磁极的极对数来表示。设发电机的极对数（即一个N 、一个S ）为P ，每分钟的转速为n ，

则频率 60Pn

f =

转速 P

f n 60= …………………………………………………（1） 汽轮发电机的极对数P ＝1，当电网的频率f ＝50赫时，n ＝3000转/分。对于水轮发电机，其极对数较多，故允许其转速转低，当P ＝4时，水轮机的转速n=750转/分，当极对数P ＝24时，其转速为125转/分。

4 两种旋转磁场

（1）直流激磁旋转磁场

直流激磁旋转磁场，又叫机械旋转磁场。在同步发电机转子上装设有转子绕组，通入直流后产生直流激磁的磁极，当转子旋转时，在气隙形成旋转磁场。该旋转磁场与转子无相对运动。气隙旋转磁场的转速与转子的转速相同。发电机正常运行时，转速为同步速。

（2）交流激磁的旋转磁场

发电机定子三相对称电流流过三相对称绕组时，将在气隙中产生旋转磁场。该旋转磁场由三相交流产生，故称交流激磁的旋转磁场。

发电机正常运行时，两种旋转磁场的转速均等于同步速，它们之间无相对运动。又因为转子的转速也等于同步速，因此，定子旋转磁场与转子之间无相对运动，而转子磁场紧拉着定子旋转磁场转动。

5 发电机的冷却方式

根据冷却介质流通的路途，同步发电机的冷却方式，可分为外冷式及冷式两种。 外冷式又称之表面冷却方式，其冷却介质有空气及氢气两种；冷式称之直接冷却方式，其冷却介质有氢气及水两种。

当采用水冷却方式时，绕组为空心铜制绕组，冷却水直接由绕组流通。

目前，大型汽轮发电机定子绕组的冷却方式，多采用水冷方式。有些发电机的转子绕组也采用水冷方式。将转子绕组及定子绕组均由水冷冷却的发电机，称之双水冷发电机。

6 并网运行汽轮发电机电势与端电压的关系

发电机并网运行时，向系统送出有功及无功。此时，机端电压与发电机电势的关系是

d

X I j U E +=0 …………………………………………………（1） 式中：0E －发电机电势；

U －机端电压；

I －发电机定子电流；

d X －发电机的同步电抗。

若以机端电压为参考向量，0

E 及U 的向量关系如图2所示。

图2 机端电压与电势的向量关系

在图中：Φ－功率因数角；

δ－发电机电势与机端电压之间的夹角，又称之功角。

由图2可以看出，当发电机送出有功及无功时，发电机电势E 0大于机端电压U 。当发电机从系统吸收无功时，发电机电势将小于机端电压。

7 发电机的阻抗

若不及电阻分量，发电机的阻抗有同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗、负序电抗和零序电抗。

（1）同步电抗

发电机的同步电抗也叫正序电抗。正常运行时发电机的电抗，称之同步电抗；

（2）负序电抗

发电机不对称运行时，负序电流产生负序旋转磁场，负序旋转磁场以2倍同步转速切割转子绕组。负序电抗等于机端负序电压与定子绕组中负序电流的基波分量之比。

（3）零序电抗

零序电抗具有漏抗的性质，其大小决定于零序电流产生的漏磁通。

（4）暂态电抗d

X ' 当定子电流突然变化时，在转子绕组中产生感就电势（像变压器一样），在转子回路中产生感应电流。该电流的作用使定子电抗减小，将减小后的电抗称之为暂态电

抗d

X '。 （5）次暂态电抗

当转子上有阻尼绕组时，若定子电流突然变化，由于阻尼绕组回路的阻抗不能突

变，致使磁路的磁阻很大，相应的电抗d

X ''更小。

二 电压互感器及电流互感器（TV 及TA ）

1 电压互感器

将电力主设备一次高电压降低至与一次电压成比例的较小电压，然后送至测量仪表或保护装置的设备，称之为电压互感器（TV ）。它相当一个二卷或三卷降压变压器。

（1）特点

A 、一次绕组匝数很多，二次或三次绕组匝数很少，其阻很小，相当一定压源。

B 、变比，设一次设备的额定电压为N U 。在小电流系统中，保护用TV 变比为

31.031.03N U KV ；在大电流系统中，保护用变比为1.031.03N

U KV ；发电机中性点TV 的变比应为1.03N

U KV 。 C 、保护用三相TV 的接线方式，通常采用Y N ，yn ，。

D 、运行中TV 二次不能短路。

（2）类型

按一次绕组两端对地绝缘的状态分类，TV可分为两类，即全绝缘TV及半绝缘TV。所谓全绝缘TV是指一次端部绕组及中性点处绕组的对地绝缘完全相同；而半绝缘TV则是TV一次端部绕组的对地绝缘远高于中性点处绕组的对地绝缘。

2 电流互感器TA

将电力系统一次大电流降低到与一次电流成比例的小电流，然后送到测量仪表、自动装置及保护装置的设备，称之为电流互感器TA。

其特点是：

A、一次匝数少（最少为一匝），二次匝数很多，其阻很大，对外相当于一定流源；

B、运行中TA二次不得开路。

3 电压互感器及电流互感器的接地

为防止运行中由于互感器一次与二次之间绝缘击穿使一次高电压串到二次回路中，而危及人身及二次设备的安全，TA及TV二次必须有一个可靠的接地点，通常称之“保安接地”。对于TA采用TA二次中性点接地；而对于TV可采用二次中性点接地（即N接地），也可采用B相接地。

第二节发电机保护的配置

一发电机的故障及不正常运行方式

1 发电机的故障

（1）定子绕组的故障

定子绕组的故障主要有：相间短路（二相短路、三相短路）

接地故障：单相接地、两相接地短路故障

匝间短路（同分支绕组匝间短路，同相不同分支绕组之

间的短路）。

（2）转子绕组的故障主要有：转子绕组一点接地及二点接地，部分转子绕组匝间短路。

2 发电机异常运行方式

发电机不正常运行方式主要有：定子绕组过负荷，转子绕组过负荷，发电机过电压；发电机过激磁，发电机误上电、逆功率、频率异常、失磁、发电机断水及非全相运行等。

二发电机保护的配置

发电机定子绕组或输出端部发生相间短路故障或相间接地短路故障，将产生很大的短路电流，大电流产生的热、电动力或电弧可能烧坏发电机线圈、定子铁芯及破坏发电机结构。

转子绕组两点接地或匝间短路，将破坏气隙磁场的均匀性，引起发电机剧烈振动而损坏发电机；另外，还可能烧伤转子及损坏其他励磁装置。

发电机异常运行也很危险。发电机过电压、过电流及过激磁运行可能损坏定子绕组；大型发电机失磁运行除对发电机不利之外，还可能破坏电力系统的稳定性。其他异常工况下，长期运行也会危及发电机的安全。

为确保发电机安全经常运行，必需配置完善的保护系统。

1 短路故障的主保护

发电机部短路故障的主保护有：纵差保护，横差保护（单元件横差及三元件横差保护），发电机定子绕组匝间保护（主要有单元件横差保护、纵向零序电压匝间保护及负序功率方向保护），转子两点接地保护，励磁机纵差保护。

2 短路故障的后备保护

发电机短路故障的后备保护主要有：复压闭锁过流保护，对称过流及过负荷保护，不对称过流及过负荷保护、负序过电流保护，转子过流及过负荷保护、转子两点接地保护、带记忆的低压过流保护。

3 其他故障保护

发电机单相接地保护，发电机失磁保护。

4 发电机异常运行保护

发电机异常运行保护有：发电机过电压保护，发电机过激磁保护、逆功率保护，转子一点接地保护，定子过负荷保护、非全相运行保护、大型发电机失步保护、频率异常保护等。

5 开关量保护

发电机断水保护等。

6 临时性保护

所谓临时性保护是指：发电机正常运行时应退出的保护。其中有发电机误上电保护及发电机启、停机保护等。

第三节发电机纵差保护

发电机纵差保护，是发电机相间故障的主保护。

一纵差保护的分类

1 按输入电流的不同分类

发电机差动保护由三个分相差动元件构成。若按由差动元件两侧输入电流的不同进行分类，可以分成完全纵差保护和不完全保护两类。其交流接入回路分别如图3（a）和图3（b）所示。

A B C

A B C

(a) (b)

图3 发电机纵差保护的交流接入回路

在图3中：Ja、Jb、Jc－分别为发电机A、B、C三相的差动元件；

A、B、C－发电机三相输入端子。

由图3可以看出，发电机完全纵差保护与不完全纵差保护的区别是：对于完全纵差保护，在发电机中性点侧，输入到差动元件的电流为每相的全电流，而不完全差动保护，由中性点输入到差动元件的电流为每相定子绕组某一分支的电流。

2 按制动方式分类

为确保区外故障时纵差保护可靠不动作，在差动元件中设置有制动量。按制动方式分类，差动保护可分为比率制动式和标积制动方式。

3 按出口方式分类

目前，发电机纵差保护均采用由三个差动元件构成的分相差动保护。由于发电机电压系统系小电流接地系统，故保护的出口既可以采用单相出口方式，也可以采用循环闭锁出口方式。

所谓循环闭锁出口方式，是指：在三个相差动元件中，只有二个或三个元件动作后，保护才作用于出口。另外，为防止发电机两相接地（一个接地点在差动保护区，另一个接地点在差动保护区外）短路时差动保护拒绝出口，一般采用由负序电压元件去解除循环闭锁措施。此时，当负序电压元件动作之后，只要有一相差动元件动作，保护就作用于出口。

二 动作方程

目前，国生产及广泛应用的发电机差动保护装置，为提高区故障时的动作灵敏度及确保区外故障时可靠不动作，一般采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为

????+-≥≤≥zo z dz z z z d z z dz d I I I I I K I I I I I 0000)( (1)

式中：d I －差动电流，完全纵差：N S d I I I +=，不完全纵差：N S d I K I I +=；

z I －制动电流，完全纵差：N

S z I I I -=，不完全纵差：N

S z I K I I -=，标积制动式完全纵差时：)180cos(0Φ-=S N z I I I ，标积制动式不完全纵差

时：)180cos(0Φ-=S N z KI I I ；

z K －比率制动系数；

0z I －拐点电流，开始起制动作时的最小制动电流；

0dz I －初始动作电流；

N I 、S I －分别为中性点及机端差动TA 的二次电流；

K －由中性点流入差动TA 的电流与中性点全电流的比值；

Φ－N I 与S I 之间的相位差。

三 动作特性

具有两段折线式发电机纵差保护的动作特性如图4所示。

由图4可以看出：纵差保护的动作特性由二部分组成：即无制动部分和有制动部分。这种动作特性的优点是：在区故障电流小时，它具有很高的动作灵敏度；在区外故障时，它具有较强的躲过暂态不平衡电流的能力。

在图4中：dzo I －最小启动电流；

zo I －拐点电流；

d I －动作电流（差电流）；

z I －制动电流；

z K －制动系数，αtg K z =。

图4 发电机纵差保护动作特性

某些厂家生产的发电机差动保护的动作特性，采用所变谓斜率（变制制系数）的动作特性，实际上是多段折线式的动作特性。数十年的运行实践表明，只要对各参数（dzo I 、zo I 及z K ）进行合理的整定，图4所示的动作特性，完全可以满足发电机对差动保护动作可靠性及动作灵敏度的要求。

四 逻辑框图

发电机纵差保护的出口方式：有单相出口方式及循环闭锁出口方式两种，其逻辑框图分别如图5（a ）及图5（b ）所示。

（a ）单相出口方式的发电机纵差保护逻辑框图

（b ）循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图

图5 发电机纵差保护逻辑框图

由图5（a ）可以看出：当采用单相出口方式时，只要有一相差动元件动作，保护即作用于出口。由图5（b ）可以看出：当采用循环闭锁出口方式时，只有二相差动元件动作后，才作用于出口；但是，当出现负序电压时，只要有一相差动元件动作，保护即作用于出口。

五 整定原则及取值建议

由纵差保护的动作特性可以看出，对其定值的整定，主要是确定其构成三要素：即比率制动系数z K ，最小动作电流dzo I 和拐点电流0z I 。

1 最小动作电流dzo I

最小动作电流也叫启动电流或初始动作电流。对于动作特性为两段或多段折线式纵差保护，最小动作电流实质是无制动时的动作电流。

对dzo I 的整定原则是：按躲过正常工况下的最大不平衡电流来整定。可按下式进行整定

e H dzo I K K K I )(21+= (2)

式中：H K －可靠系数，通常取1.5~2；

1K －TA 变比误差，10P 级互感器误差为0.03，故1K 可取0.06（考虑两侧

TA 正、负误差）；

2K －保护装置通道传输变换及调整误差，可取0.1；

e I －发电机额定电流，TA 二次值。

代入式（2）可得dzo I ＝（0.24~0.32）e I ，一般取0.3e I 。

对于不完全纵差保护，尚应考虑每相分支电流的不平衡，故还应适当提高定值。

2 拐点电流0z I

理论上分析，外部故障时短路电流总比发电机的额定电流大，因此，其纵差保护的拐点电流应大于或等于其额定电流。但是，由于差动保护的初始动作电流是按照发电机正常工况的不平衡电流来整定的，未考虑暂态过程的影响，故在外部故障切除后的暂态过程中，若无制动作用，则差动保护有可能不正确动作。

在外部故障切除后的暂态过程中，由于差动两侧TA 二次的暂态特性不能完全相同，致使差动两侧电流之间的相位发变化，从而使不平衡电流增大。此外，若拐点电流0z I 过大，由于无制作用可能致使差动保护误动。因此，0z I 应取（0.5~0.8）e I 。

3 比率制动系数z K

比率制动系数的取值原则，应按使差动元件躲过发电机外部三相短路时产生的最大不平衡电流来整定。

区外三相短路时，差动元件可能产生的最在不平衡电流为

max 321max )(K h I K K K I ++=δ (3)

式中：max δh I －最大不平衡电流；

max K I －最大短路电流；

1K －TA 的10%误差；

2K －通道的变换及传输误差，取0.1；

3K －两侧TA 暂态特性不一产生的误差，取0.05。

代入式（3）得

max δh I ＝0.25max K I ，

25.0max max =K h I I δ

当不计拐点电流时，差动元件的比率制动系数应为

325.0~3.025.0)3.1~2.1(25.0=?=?=H z K K ，可取0.3~0.4。

对于不完全纵差保护，当两侧差动TA 型号不同时，可取5.0=z K 。

4 解除循环闭锁的负序电压元件定值

一般按高压母线出线末端故障产生的负序电压来整定。通常

V U )12~9(2=

六 对各类发电机纵差保护的评价

各种类型的发电机纵差保护均有自己的特点。

1 完全纵差保护

发电机完全纵差保护，是发电机相间故障的主保护。由于差动元件两侧TA 的型号、变比完全相同，受其暂态特性的影响较小。其动作灵敏度也较高，但不能反应定子绕组的匝间短路及线棒开焊。

2 不完全纵差保护

不完全纵差保护除保护定子绕组的相间短路之外，尚能反应定子线棒开焊及某些匝间短路。但是，由于在中性点侧只引入其一分支的电流，故在整定计算时，尚应考虑各分支电流不相等产生的差流。另外，当差动元件两侧TA型号不同及变比不同时，受系统暂态过程的影响较大。

3 比率制动式与标积制动式

两者均能有效躲过区外故障，其动作特性也完全相同。当区外故障时，标积制动方式纵差保护与比率制动式纵差保护工况完全相同。不同的是标积制动式纵差保护的制动电源反映两侧电流之间的相位敏感，故部故障时其灵敏度更高（因制动量为负值）。

第四节发电机横差保护

发电机横差保护适用于定子绕组为多分支的发电机，当某相中某一分支发生匝间短路或某相两分支之间在不同匝数处发生短路时，横差保护应立即动作切除发电机。

一横差保护的分类

根据交流回路引入电流及保护中含差动元件的数量不同，发电机横差保护可分为单元件横差和三元件横差。三元件横差又称裂相横差。

二单元件横差保护

单元件横差保护，适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。

1 交流接入回路及动作方程

单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上的TA二次电流。以定子绕组为每相两分支的发电机为例，其交流接入回路如图6所示。

图6 单元件横差保护的交流接入回路

其动作方程为

opo op I I (4)

式中：op I －中性点TA 二次电流；

opo I －横差保护动作电流整定值。

2 逻辑框图

横差保护是发电机部短路的主保护，应无延时动作。但考虑到转子两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使保护误动，故在转子一点接地保护动作后，使横差保护带一个小延时动作。

保护动作逻辑框图如图7所示。

信号

出口

图7 单元件横差保护逻辑框图

3 定值的整定

对单元件横差保护的整定，主要是确定动作电流及动作延时。

（1）动作电流op I

目前，在单元件横差保护中，设置有三次谐波滤过器。因此，其动作电流应按躲过系统发生不对称短路或发电机失磁失步运行时转子偏心产生的最大不平衡电流。

e H op I K K K K I )(321++= (5)

式中：H K －可靠系数，取1.5；

1K －额定工况下，同相不同分支绕组由于参数的差异产生的不平衡电流，

最大可取06.0%23=?；

2K －正常工况下气隙不均匀产生的不平衡电流，取0.05e I ；

3K －异常工况下转子偏心产生的不平衡电流，取0.1e I 。

将各参数代入式（5）得

op I ＝（0.3~0.35）e I ，可取0.35e I 。

（2）动作延时

动作延时1t 可取0.5~1秒。

三 裂相横差保护

1 交流输入回路

裂相横差保护由三个横差元件构成，每个元件两侧的输入电流分别接在某相定子绕组两分支（或两分支组）上的TA 二次。以A 相横差元件为例，其交流接入回路如图8所示。

图8 A 相横差保护交流接入回路

由图可以看出：由于两组TA 二次呈反极性连接，且在正常工况下一次电流

2

1I I =，故流入差动元件的电流为零。当定子绕组的某一分支匝间短路或两分支不同匝间短路时，图中的一次电流21I I ≠，故在差回路中产生差流，保护动作。

2 逻辑框图

在转子两点接地之后，为避免横差保护抢先动作，对于裂相横差保护应具有短动作延时。

裂相横差保护的逻辑框图如图9所示。

图9 裂相横差保护逻辑框图

3 动作方程及动作特性

图9中的横差元件，可以采用具有比率制动特性的差动元件，也可以采用像单元件横差元件那样的过电流元件。

采用过电流元件时，其动作方程为

op d I I ≥ (6)

式中：d I －差回路中的差流；

op I －差动元件动作电流整定值。

采用具有比率制动特性的差动元件时，其动作方程为

????+≥≤≥)()(zo z Z

dzo d zo z dzo

d I I KI I I I I I I 式中：d I －差流，21I I I d +=；

z I －制动电流，2

2

1I I I z -=； dzo I －初始动作电流；

z K －比率制动系数；

zo I －拐点电流；

1I 、2I （TA 二次值）－分别为某相定子绕组分支（或分组）电流。

根据式（6）可以划出如图10所示的动作特性。

图10 裂相横差保护的动作特性

在图10中：各种符号的物理意义同式（6）。

4 整定计算

（1）采用过电流元件时

动作电流应按躲过区外不对称短路时产生的最大不平衡差流来整定。

)2(max 321)(2

1K H op I K K K K I ++= …………………………………………………（7） 式中：H K －可靠系数，取1.15~1.2；

1K －两侧TA 的10%误差，取0.1；

2K －通道传输及调整误差，取0.1；

3K －不对称短路时，由于转子偏心造成的误差取0.1。

将以上各数据代入式（7），可得

)2(max )36.0~345.0(2

1K op I I = 可取)2(max 2.0K I

（2）采用具有比率制动特性的差动元件时

对其定值的整定，主要是确定最小动作电流dzo I ，拐点电流zo I 及比率制动系数。

A 、最小动作电流dzo I

按躲过正常工况下产生的最大不平衡电流来整定。

e H dzo I K K K K I )(2

1321++= (8)

式中：

K－可靠系数，取1.5~2；

H

K－两侧TA变比误差，取0.06；

1

K－气隙磁场不均匀产生的误差，取0.05；

2

K－保护装置通道传输及调整误差，取0.1。

3

代入式（8）可得

I＝（0.25~0.27）e I，可取0.2e I。

dzo

B、拐点电流

I

zo

在额定工况下，保护的制动电流约为0.5

I，因此，拐点电流可取（0.3~0.4）

e

I。

e

C、比率制动系数

K

z

比率制动系数

K可取0.4。

z

第五节纵向零序电压式发电机定子匝间保护发电机定子绕组发生匝间短路时，将出现纵向零序电压。纵向零序电压式匝间保护是以纵向零序电压为判据构成的发电机匝间短路保护。

一交流接入回路

纵向零序电压式匝间保护的接入电压，取自机端专用TV的开口三角形电压。对发电机专用TV的要：全绝缘式TV，其一次中性点不能接地，而应通过高压电缆与发电机中性点连接起来。保护装置的交流接入回路如图10所示。

图10 纵向零序电压式匝间保护交流接入回路

在图10中：对保护接入专用TV 二次电压的目的是用于TV 断线闭锁。

二 逻辑框图

为防止专用TV 一次断线时匝间保护误动，引入TV 断线闭锁；另外，为防止区外故障或其他原因（例如专用TV 回路出现问题）产生的纵向零序电压使保护误动，通常采用负序功率方向闭锁元件（也有采用负序功率增量方向元件闭锁的）。对于微机型保护装置，负序功率方向判据应采用允许式闭锁。

该保护的逻辑框图如图11所示。

图11 发电机纵向零序电压式匝间保护逻辑框图

在图中：03U －纵向零序电压元件；

2P －负序功率方向元件；

t －时间元件。