发电机变压器保护机制原理探究

摘要：结合发电机变压器保护的教学实际，着重从理论角度对各种保护原理进行分析，让学生能够灵活掌握理论基础，为今后工作打下坚实基础。首先分析了发电机纵差保护和定子匝间短路保护的作用原理，其次对变压器保护装置中的转子一点接地保护，阻抗保护，反时限定子绕组过负荷保护，励磁绕组过负荷保护，失磁保护等作用原理进行详细的分析和阐述，结合实际工作中遇到的具体案例，提出发电机—变压器保护装置在实际工程应用中的建议。

关键词：教育教学；主保护；纵差保护；异常保护

作者简介：马永军（1967-），男，河北衡水人，华能北方联合电力包头第二热电厂，工程师。

中图分类号：TM401 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）14-0235-02

一、发电机主保护原理探究

发电机—变压器保护装置是发变组实现稳定有效运行的基本保障，实际的电气操作和电气工程实施时，对发变组保护装置的设计和要求是十分严格的。随着现代电气技术的发展，越来越多的专家和学者开始专注于发变组保护的研究。

1.发电机纵差保护

发电机中的相间短路保护是发电机常见的保护方式之一，这里首先来探究发电机保护中的纵差保护。纵差保护的原理很简单，它是基于相间短路时，针对发电机定子绕组问题的一种重要的保护手段，属于主保护中的一种。发电机纵差保护原理与变压器中的作用机理比较一致，因此研究发电机中的具体原理对研究变压器有很大意义，通过对比发电机机端侧与中性点侧两侧电路中电流高低值与相位之间的关系，来研究纵差保护。根据发电机自身组成结构的特点，具体的保护方式分为两个：一个是完全纵差保护，另一个是不完全纵差保护，具体的区分方式是依据发电机内部电路的连接方式不同而确定。

2.发电机定子匝间短路保护原理

根据发电机结构组成，可以看出发电机匝间保护主要是根据纵向零序过电压过载或者分量负序出现问题产生的一种保护措施。

这种保护措施成为发电机的保护系统中内部匝间短路的主保护，是目前发电机保护系统中最常用的。发电机定子间短路保护一般情况下依靠发电机结构内部相间短路和定子绕组进行故障的检测和保护；故障分量负序方向保护装置一般会安装在发电机内部，这样一来不但可以使之成为发电机内部匝间短路的主保护，而且可成为发电机内部相间短路或者定子绕组形成的维护设备。除此之外，高灵敏零序电流型横差保护可以综合上述三种保护措施的优点，实现更加有效的保护，其保护功能是：发电机内部匝间，相间短路，定子绕组开焊的主保护。需要指出的是，发电机保护措施中的横差保护，其功能主要是实现了发电机定子绕组匝间短路，故障分量开焊的主保护，同时也能实现保护定子绕组相间短路。此外，发电机定子匝间短路保护中的单元件横差保护，也是十分重要一种保护措施，主要是基于定子绕组的相位不一，分路支路较多、较分散的特点，这要求发电机内部线路结构要有多个中性点才能够有效实现这种保护。

发电机中的多个中性点的连线上流通的是TA电流，这也是发电机保护装置内部单元件横差保护时需要的输入电流，电流模式为二次电流。本文案例中的发电机是基于定子绕组方式的，发电机内部电路一般是多相和多分支电路，在实际的发电机保护环境下，发电机电路中流通的是不对称模式电流，理想发电机在一般情况下中性点各个连线上不会有电流流通。

原因一般来说是转自偏心，在不同的定子绕组中产生不同电动势，存在三次谐波。因此单原件纵差保护动作电流必须克服这些不平衡。

二、变压器保护原理探究

1.不完全纵差保护

不完全纵差保护是变压器或发电机内部故障的主保护，既能反映发电机内部各种相间短路，也能反映匝间短路和分支绕组的开焊故障。不完全纵差保护可作为变压器纵差保护，当用于发变组不完全纵差保护时，应增设防涌流误动的二次谐波闭锁判据。

当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动TA 断线判别程序，满足下列条件认为TA 断线：本侧三相电流中至少一相电流为零；本侧三相电流中至少一相电流不变；最大相电流小于 1.2 倍的额定电流。

2.变压器纵差保护与发电机纵差保护的差异

变压器纵差保护与发电机纵差保护一样，变压器纵差保护的最大制动系数比发电机大，灵敏度相对较低。变压器各侧额定电压和额定电流各不相等，变压器纵差保护的最大侧制动系数比发电机大，灵敏度相对较低；变压器高压绕组常有调压分接头，变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应加大；对于定子绕组的匝间短路，无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，它们的完全纵差保护均不能动作，但变压器可依靠瓦斯保护或压力保护。

3.转子一点接地保护

发电机正常运行时，转子回路对地之间有一定的绝缘电容和分布电阻。转子一点接地保护过程是一旦发现转子回路出现一点接地问题或者错误即动作，因为这时没有形成电流回路，这一过程中没有涉及到发电机工作的稳定性。如果出现了发电机发生转子两点接地，直接导致励磁绕组形成短路，导致转子磁场发生很大的变化，从而使发电机整体产生巨大的震动，直接导致发电机共振，内部结构出现紊乱，发电机不能正常工作。因此，有关规程要求发电机必须装有转子回路一点接地保护，动作于信号；装设转子回路两点接地保护，动作于跳闸。

4.转子两点接地保护

转子两点接地保护过程中，发电机发生励磁绕组两点接地时，故障电流过的短路电流会突然变强，烧坏转子；当部分转子被短接，励磁绕组电流增加，转子有可能因过热而损坏。这时一旦出现部分绕组被短接时气隙磁通失去平衡，会引起发电机组产生巨大的震荡，造成的后果十分严重。转子两点接地短路时还会使轴系和汽机磁化。因此对于发电机很有必要装设转子两点接地保护。

转子两点接地保护共享转子一点接地时测得接地位置的数据。因此，当一点接地出现问题后，转子保护装置会马上检测和统计数据，这里统计的数据主要是接地电阻所处的位置，假如出现转子一点接地错误，则这个检测和统计数据就会自动发生变化。当这个变化使数值超过设定值时，转子保护装置启动保护程序，控制系统会控制发电机组停机。

三、发—变组单元异常运行保护机制探究

1.反时限定子绕组过负荷保护

反时限定子绕组过负荷保护过程中一般是针对非直吹冷却方式的中小型发电机定子绕组的过负荷保护，这种保护方式是基于单相式定时限电流保护的一种方式，保护的电流按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回条件整定，发电机额定电流可靠系数取1.5，返回系数取0.85。定时限部分，经延时动作于信号，有条件时可动作于自动减负荷；反时限部分按反时限特性动作于跳闸。

2.转子绕组的过负荷保护

转子绕组过负荷保护的配置与整定原则和定子绕组过负荷保护相似。对于30MW及以上的发电机，转子绕组过负荷保护由定时限电流保护和反时限电流保护两部分组成，定时限部分经延时动作于信号，反时限部分动作于解列灭磁。

定时限过负荷保护的动作电流，按发电机正常运行最大励磁电流下能可靠返回的条件整定，计算公式与定子绕组过负荷保护计算公式相同。反时限过负荷保护按常用方法进行整定。

3.转子表层的过负荷保护

大型发电机组转子表层负序过负荷保护，一般由定时限负序电流保护和反时限负序电流保护两部分组成。定时限负序电流保护动作于信号，反时限负序电流保护动作于跳闸。定时限负序电流保护的动作电流，按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定。反时限负序电流保护的动作电流应与发电机承受负序电流的能力相配合。同时，该保护还可以兼作系统不对称故障的后备保护。

4.励磁绕组过负荷保护

励磁绕组过负荷保护与定子绕组过负荷保护类似，也由定时限电流保护和反时限电流保护两部分组成。定时限部分的动作电流按在正常励磁电流下能够可靠返回的条件整定。反时限部分的动作特性按常用方法进行整定，动作于解列灭磁。

发电机的励磁系统，有的由交流励磁电源经可控或不可控整流装置组成。对于这种励磁系统，发电机励磁绕组过负荷保护可以配置在直流侧，也可以配置在交流侧。当有备用励磁机时，保护装置配置在直流侧，使用备有励磁机时励磁绕组不失去保护，但此时需要装设比较昂贵的直流变换设备。为了使励磁绕组过负荷保护能兼作励磁机、整流装置及其引出线的短路保护，常装设在中性点侧，当中性点没有引出端子时，则配置在励磁机的机端。此时，保护装置的动作电流要计及整流系数换算到交流侧。

5.失磁保护

发电机失磁通常是指发电机励磁异常下降或励磁完全消失的故障。励磁异常下降指发电机励磁电流的降低超过了静态稳定极限所允许的程度，使发电机稳定运行遭到破坏。造成励磁异常下降的原因通常是由于主励磁机故障；误操作的过量调整等。完全励磁消失就是发电机失去励磁电源，通常由于自动灭磁开关误跳闸、励磁调节器整流装置中自动开关误跳闸、励磁绕组断线或端口短路等引起。

对于不允许失磁后继续运行的发电机，失磁保护应动作于跳闸。当发电机允许失磁运行时保护可动作于信号，并要求失磁保护与切换励磁、自动减负荷等自动控制相结合，以取得发电机失磁后的最好处理效果。发电机—变压器保护系统的研究对于发变组正常运行是十分重要的。实际的电气操作和电气工程实施时，由于对发变组保护系统的设计具有灵活性的特点，这就容易出现一些问题。

四、结论

本文主要从理论层面，结合笔者实际工作经验详细阐述了各种保护的原理，提出发变组保护装置设计对发变组正常运作的重要影响，进一步明确在今后的实际工作中要注意的事项，对发变组保护实施方案的提出具有重大意义。

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