发电机保护浅谈

一、发电机设备简介

某电厂发电机为上海发电机有限公司制造的QFSN-600-2Y型三相交流隐极式同步发电机，定子绕组为2Y接线，功率因数0.9。发电机采用水、氢、氢冷却方式，定子、转子绕组均采用F级绝缘。发电机出线端子数目为6个，中性点经变压器二次电阻接地。发电机经主变升压后接入500KV系统，发变组系统为单元接线方式。发电机励磁系统为自并励静止可控硅整流励磁系统。励磁系统由励磁变、可控硅整流桥、自动励磁调节器及软启励装置、转子过电压保护、灭磁装置等组成。励磁变取自机端，降压后向整流器提供交流电源。二、发电机保护种类及特点

（1）发电机差动保护：保护能在区外故障时可靠地躲过两侧CT特性不一致所产生的不平衡电流，区内故障保护灵敏动作。保护采用三相式接线, 由两侧差动继电器构成，瞬时动作于全停。

技术特点：1、有效防止区外故障误动的制动特性。2、CT断线判别功能。3、具有良好防外部CT饱和的能力。

（2）发电机定子接地保护：保护由发电机机端零序电压和中性点侧三次谐波电压共同构成100%保护区的定子接地保护，基波跳闸，三次谐波发信号。设PT断线闭锁，区外故障时不误动。

技术特点：1、由基波零序电压判据和三次谐波电压判据组成。2、保护发电机100%定子绕组单相接地。3、具有三次谐波电压滤除功能。4、具有PT断线闭锁功能。

（3）发电机过电压保护：过电压保护动作电压取1.3倍额定电压，延时0.5秒动作于全停。

技术特点：取三相线电压，任一相大于整定值时动作。

（4）低频保护：低频保护反应系统频率的降低，保护由灵敏的频率继电器和计数器组成，并受出口断路器辅助接点闭锁。即发电机退出运行时低频保护自动退出运行，保护动作于发信号或全停。

技术特点：具有按频率分段时间积累功能，时间积累在装置掉电时能保持。

（5）失步保护：保护由三阻抗元件或测量振荡中心电压及变化率等原理构成,在短路故障、系统稳定振荡、电压回路断线等情况下,保护不误动作。能检测加速失步和减速失步。保护通常动作于信号,当振荡中心在发电机或变压器内部,失步动作时间超过整定值或电流振荡次数超过规定值时,保护动作于全停。装设电流闭锁装置,以保证断路器断开时的电流不超过断路器额定失步开断电流。

技术特点：采用三阻抗元件，通过阻抗的轨迹变化来检测滑极次数并确定振荡中心的位置。

（6）失磁保护：保护因发电机突然失去励磁或部分失去励磁，引起系统电压降低，发电机的稳定运行受到威胁的保护装置。

技术特点：可由静稳励磁低电压、系统低电压、静稳边界阻抗、机端电压、异步边界阻抗等判据构成。

（7）发电机逆功率保护：防止由于汽机主汽门关闭，汽机尾部叶片与残留蒸汽摩擦而形成鼓风损耗 ，造成叶片过热而损坏。保护动作分两段时限t1发信号，t2动作于全停，具备PT断线闭锁功能。技术特点：为发电机有功功率倒送，发电机变为电动运行异常工况保护。

（8）程控跳闸逆功率保护：保护为程控跳闸专用,用于确认汽机主汽门完全关闭后才解列发电机，防止机组发生超速事故。保护动作分两段时限t1发信号,t2动作于全停。

（9）发电机过激磁保护：过激磁是以V/HZ的比值为动作原理，设有两段定值。定时限动作于信号和降低励磁电流，反时限部分动作全停或程控跳闸。

技术特点： 1、定时限固有延时不大于50ms。2、反时限过激磁保护分预告信号、反时限两部分，反时限特性采用点对点式整定，在任意两点之间用对数曲线连接。

（10）发电机对称过负荷保护：保护由定时限和反时限组成，定时限动作于信号和自动减负荷。反时限反应电流变化时发电机定子绕组的热积累过程。动作特性按发电机定子绕组的过负荷能力确定，动作于全停或程序跳闸。

技术特点：保护由定时限过负荷和反时限过流两部分组成。

（11）发电机不对称过负荷保护：保护由定时限和反时限组成,定时限动作于信号,动作电流按躲过发电机长期允许的负序电流值和按躲过最大负荷下负序电流滤过器的不平衡电流值整定。反时限保护反应发电机转子热积累过程。动作特性按发电机承受负序电流的能力确定,动作于全停或程序跳闸。

技术特点：作为发电机不对称故障保护。

（12）发电机突加电压保护：保护由电流元件及电压元件构成，动作于发变组出口断路器。发变组出口断路器合闸后,该保护退出，解列后自动投入运行。

技术特点：作为发电机盘车状态下，主断路器误合闸时的保护。（13）发电机定子匝间保护：保护瞬时动作于全停。

技术特点：不仅保护匝间短路，还可保护内部相间及定子绕组开焊。

（14）PT断线闭锁：保护由电压元件构成，动作于信号。

（15）励磁绕组过负荷保护：保护由定时限和反时限两部分组成。定时限部分动作电流按正常励磁电流能可靠返回的条件整定，动作于信号，并动作降低励磁电流。反时限部分动作按发电机励磁绕组的过负荷能力确定，并动作于解列灭磁。保护能反应电流变化时励磁绕组的热积累过程。

技术特点：三相电流中最大值大于整定值时动作。

（16）转子一点及两点接地保护：一点接地保护定时限动作于信号，两点接地保护带时限动作于停机。

（17）起停机保护：保护发电机在启、停机过程中发生相间和接地故障时，防止某些保护装置受频率变化影响而拒动的保护装置。（18）励磁变过流保护/速断：保护瞬时动作于全停。

（19）发电机断水保护：瞬时发信号，延时动作于程序跳闸，并可切换到全停。

三、发电机主要故障原因危害（1） 定子绕组的相间短路

发电机定子绕组发生相间短路若不及时切除，将烧毁整个发电机组，引起极为严重的后果，必须有两套或两套以上的快速保护反应此类故障，装设纵联差动保护装置，瞬时动作于全停。（2） 定子绕组匝间短路

发电机定子绕组发生匝间短路会在短路环内产生很大电流，造成定子铁芯及线棒烧毁。定子匝间短路的保护有：单元件横差保护、负序功率方向保护、纵向零序电压保护和转子二次谐波电流保护。负序功率方向保护的灵敏度受系统和发电机负序电抗变化影响较大；纵向零序电压保护需要单独装设全绝缘的电压互感器，容易受电压互感器断线等的影响，误动率高；转子二次谐波电流保护必须增设负序功率方向闭锁，整定计算复杂。这几类匝间保护运行误动情况严重，因而其应用都受到了。

（3）定子单相接地

定子绕组单相接地是最常见的一种故障，定子故障接地电流超过一定值就可能造成发电机定子铁芯烧坏，而且发电机单相接地故障往往是相间或匝间短路的先兆。

发电机中性点接地方式与定子接地保护构成密切相关，大型发电机中性点接地方式和定子接地保护应满足三个基本要求：

1、故障点电流不应超过安全电流，否则保护应动作于跳闸。

2、保护动作区覆盖整个定子绕组，有100%保护区，保护区内任一点接地故障应有足够高的灵敏度。

3、暂态过电压数值较小，不威胁发电机的安全运行。

发电机中性点经配电变压器高阻接地是大型发电机最广泛应用的一种接地方式，主要是为了降低发电机定子绕组的过电压（不超2.6倍的额定相电压），极大地减少发生谐振的可能性，保护发电机的绝缘不受损。（4）失磁

发电机低励或失磁后，将过渡到异步发电机运行状态，转子出现转差，定子电流增大，定子电压下降，有功功率下降，无功功率反向并且增大；在转子回路中出现差频电流；电力系统的电压下降及某些电源支路过电流。所有这些电气量的变化，都伴有一定程度的摆动。1、对电力系统来说，发电机发生低励或失磁后产生危险

①低励或失磁的发电机，由发出无功转为从电力系统中吸收无功，从而使系统出现巨大的无功差额，发电机的容量越大，在低励和失磁时的无功缺额越大。如果系统中无功功率储备不足，将使电力系统中邻近的某些点电压低于允许值，甚至使电力系统因电压低而崩溃。

②当发电机发生低励或失磁后，由于电压下降，电力系统的其它发电机在自动励磁调节器的作用下自动增大无功输出，从而使某些发电机、变压器或线路过电流，其后备保护可能因过流而跳闸，使故障范围扩大。③发电机低励或失磁后，由于该发电机有功功率的摆动，以及系统电压的下降，可能导致相邻的正常运行发电机与系统之间失步，使系统产生振荡，甩掉大量负荷。

2、对发电机本身来说，低励或失磁产生的不利影响

①由于出现转差，在发电机转子回路中出现差频电流，转子容易过热。流过转子表层的差频电流，还可能使转子本体与槽楔、护环的接触面上发生局部过热甚至灼伤。

②低励或失磁的发电机进入异步运行之后，发电机的等效电抗降低，从电力系统中吸收的无功功率增加。低励或失磁前带的有功功率越大，转差就越大，等效电抗就越小，所吸收的无功功率就越大。在重负荷下失磁后，由于过电流，将使定子过热。

③在重负荷下失磁后，发电机的转矩、有功功率将发生剧烈的周期性摆动，将有很大的电磁转矩周期性地作用到发电机的轴系上，并通过定子传递到机座上。转差也作周期性变化，其最大值可能达到4%～5%，发电机发生周期性的严重超速。

④低励或失磁运行时，定子端部漏磁增强，将使端部部件和端部铁芯过热。

（5）转子接地故障

转子绕组绝缘破坏常见的故障形式有两种：转子绕组匝间短路和励磁回路一点接地。

由于转子内部受潮、铁芯生锈，造成转子绕组主绝缘或匝间绝缘损坏；转子加工过程中的铁屑或其它金属物落入转子，也可能引起转子主绝缘或匝间绝缘的损坏；氢内冷转子绕组的铜线匝上，带有进氢和出氢孔，在启动或停机时，由于转子绕组的活动，部分匝间绝缘垫片发生位移，引起氢气通风孔局部堵塞，使转子绕组局部过热和绝缘损坏；运行中转子滑环上的电流引线的导电螺钉未拧紧，造成螺钉绝缘损坏；电刷粉末沉积在滑环下面的绝缘突出部分，使励磁回路绝缘电阻严重下降等。转子一点接地对发电机组影响不大，但发生一点接地后，转子各部分对地电位发生变化，比较容易诱发两点接地。汽轮发电机一旦发生两点接地，其后果相当严重，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，可能因过热而烧伤；由于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡，从而引起振动。励磁回路两点接地，还可使轴系和汽机磁化。（6）定子对称过负荷

发电机对称过负荷通常是由于系统中切除电源；生产过程出现短时冲击性负荷；大型电动机自起动；发电机强行励磁；失磁运行；同期操作及振荡等原因引起的。

600MW发电机定子绕组过负荷能力时间（秒）103060120电枢电流（%）2261130116大型发电机定子过负荷保护，跟据发电机过负荷能力，一般由定时限和反时限两部分组成。（7）定子不对称过负荷

电力系统中发生不对称短路或三相负荷不对称时，将有负序电流流过发电机的定子绕组，并在发电机中产生对转子以两倍同步转速的磁场，从而在转子中产生倍频电流。

倍频电流还将使转子的平均温度升高，使转子槽楔、阻尼环与阻尼条等分流较大的部位，形成局部高温，从而导致转子表层金属材料的强度下降，危及机组的安全。转子本体与护环的温差超过允许限度，将导致护环松脱，造成严重的破坏。保护由定时限和反时限两部分组成，发电机转子长期承受负序电流的能力和短时承受负序电流发热的能力，是整定负序电流保护的依据。（8）励磁回路过流

大型发电机励磁绕组的热容量和热时间常数相对较小，在额定工况稳定温度下，允许的励磁电压与持续时间：600MW发电机励磁绕组过负荷能力

时间（秒）103060120励磁电压（%）208146125112现代自动调整励磁装置，都设有比较完善的励磁环节，为防止励磁绕组过电流，设有过励器，与励磁绕组过负荷保护有类似的功能，其可靠性由励磁调节器的性能来保证。（9）过电压

大型汽轮发电机出现危及绝缘安全的过电压是比较常见的现象。当满负荷下突然甩去全部负荷，电枢反应突然消失，由于调速系统和自动调整励磁装置都是由惯性环节组成，转速仍将上涨，励磁电流不能突变，使得发电机电压在短时间内也要上升。

发电机主绝缘的工频耐压水平，一般为1.3倍额定电压持续60S，而实际过电压的数值和持续时间可能超过试验电压和允许时间，因此，对发电机主绝缘构成了直接威胁。由于上述原因，装设过电压保护，保持动作电压为1.3Un，经0.5S延时作用于解列灭磁。（10）过励磁

发电机过励磁的危害，主要表现在发电机定子铁芯背部漏磁场增强，在定子铁芯的定位筋中感应电势，并通过定子铁芯构成闭路，流过电流，不仅造成严重过热，还可能在定位筋和定子铁芯接触面造成火花放电，这对氢冷发电机组十分不利。发电机运行中，造成过激磁原因：1、发电机与系统并列之前，由于操作错误，误加大励磁电流引起激磁，如发电机PT断线造成误判断。

2、发电机启动过程中，发电机随同汽轮机转子低速暖机，若误将电压升至额定值，则因发电机低频运行而导致过励磁。

3、在切除机组的过程中，主汽门关闭，出口开关断开，而灭磁开关拒动。此时汽轮机惰走转速下降，自动励磁调节器力求保持机端电压等于额定值，使发电机遭受过励磁。

4、发电机出口开关跳闸后，若自动励磁调节装置手动运行或自动失灵，则电压与频率均会升高，但因频率升高较慢引起发电机过激磁。（11）频率异常

频率降低对发电机有以下影响：

1、频率降低引起转子的转速降低，使两端风扇鼓进的风量降低，其后果是使发电机的冷却条件变坏，各部分的温度升高。

2、发电机的电势和频率磁通成正比，若频率降低，必须增大磁通才能保持电势不变。这就要增加励磁电流，致使发电机转子线圈的温度增加。

3、频率降低时，为了使机端电压保持不变，就得增加磁通，这就容易使定子铁芯饱和，磁通逸出，使机座的某些结构部件产生局部高温。4、低频工况严重威胁厂电机械的安全，低频导致厂用电动机的转速降

低，这可能造成一系列的恶性循环。

5、由于低频的同时存在系统无功缺额，发电机转速下降，同等励磁条件下机端电压下降，所以低频伴随着低电压，严重的低频降可能导致系统频率崩溃或电压崩溃。

频率异常保护主要用于保护汽轮机，防止汽轮机叶片及其拉金落入自振频率造成断裂事故。

（12）发电机与系统之间失步

发电机长时失步运行，将造成电厂整个生产流程扰乱和破坏。失步振荡电流的幅值与三相短路电流可比拟，但振荡电流在较长时间内反复出现，使大型发电机组遭受冲击力和热的损伤，在短路伴随振荡的情况下，定子绕组端部先遭受短路电流产生的应力，相继又承受振荡电流产生的应力，使定子绕组端部出现机械损伤的可能性增加。振荡过程中出现的扭转转矩，周期性作用于机组轴系，使大轴扭伤，缩短运行寿命。对于电力系统来说，大机组与系统之间失步，如不能及时和妥善处理，可能扩大到整个电力系统，导致电力系统的崩溃。（13）误上电（盘车状态下误合闸）

发电机在盘车过程中，由于出口开关误合闸，突然加上三相电压，而使发电机异步启动的情况，它能在几秒钟内给机组造成损伤。突然加速，还可能因润滑油压低而使轴瓦遭受损坏。

对于这种工况，逆功率保护、失磁保护、机端全阻抗保护也能反应，但由于需要设置无延时元件。盘车状态，电压互感器和电流互感器都已退出，了其兼作突加电压保护的使用。一般来说，设置专用的误合闸保护比较好，不易出现差错，维护方便。（14）逆功率

汽轮机在其主汽门关闭后，发电机变为同步电动机运行，从电机可逆的观点来看，逆功率运行对发电机毫无影响。但对于汽轮机，其转子将被发电机拖动保持3000r/min高速旋转，叶片将和滞留在汽缸内的蒸汽产生鼓风磨擦，所产生的热量不能为蒸汽所带走，从而使汽轮机的叶片（低压缸和中压缸末级叶片）和排汽端缸温急剧升高，使其过热而损坏，一般规定逆功率运行不得超过3min。因此大型机组都要求装设逆功率保护，当发生逆功率时，以一定的延时将机组从电网解列。

大型机组一般设置两套逆功率保护，一套是常规的逆率保护，另一套是程控跳闸专用的逆率保护。后者用于防止汽轮机主汽门关闭不严而造成飞车危险，当主汽门关闭时用逆功率元件来将机组从电网安全解列。（15）电流互感器二次断线

电流互感器二次侧开路后，全部一次电流都用于铁芯的磁化，铁芯深度饱和，二次侧要产生要很高的电压，对于大容量发电机组，由于电流

大，磁势大，所以开路电压很高。

在实际运行中，电流互感器二次开路事故不能完全杜绝，特别是发电机回路的电流互感器，安装在受振动的坏境中，更不能完全消除开路故障，从安全来看应装设断线保护。发生断线故障时，电流互感器断线保护应当能把二次电压在允许范围内，以防止设备遭受破坏，同时发出信号。

大型发电机单机容量大、造价昂贵，出现事故维修困难，保护的拒动或误动将造成十分严重的后果，所以大型机组继电保护的技术指标要求很高。发电机是电厂重要设备，其各种保护原理计算十分复杂，根据实际应用不做深究，在此多方收集资料仅做运行参考。