小议同步发电机的继电保护

0 引言

发电机是电力系统中最重要的设备之一，它的安全运行对电力系统的连续工作和对用户不间断供电起着决定性的作用。为此，在发电机上应装设比较完善的保护装置是十分必要的。

1 发电机的故障和不正常工作状态

1.1 发电机的故障（主要指电气方面的故障）

定子故障有：

1）定子绕组的相间短路（即三相或两相短路），会产生很大的短路电流，故障点的电弧会使绕组绝缘烧坏，甚至可能引起火灾；

2）定子绕组同一相的匝间短路，这种故障的机会虽不多，但由于短路点电流很大，使故障处温度升高，而导致绝缘破坏，可能发展成单相接地或相间短路；

3）定子绕组单相接地，通常是指一相绕组碰壳，这时发电机电压系统的电容电流流过定子铁芯，当该电流较大时，可能使铁芯局部熔化，对修理工作造成很大困难，还可能扩大为相间短路。

转子绕组的故障有：

1）转子绕组的一点接地，当发生一点接地时，由于没有构成接地电流通路，故对发电机没有直接危险，但若再发生另一点接地，就造成两点接地短路。

2）转子绕组的两点接地短路，将使转子部分绕组被短接，破坏了磁路的对称性，可能引起发电机的强烈振动，甚至会把转子绕组烧毁，尤其对凸极式转子的水轮发电机和同步调相机，危险就更大。

3）转子失去激磁电流，由于转子绕组断线或自动灭磁开关误动作等原因造成的失磁故障，使同步发电机变为异步运行，从系统吸取大量无功功率，以至发电机端电压降低及定子电流增大，引起电机过热，威胁安全运行。

1.2 发电机的不正常运行情况

发电机的不正常运行情况主要有：

1）由于外部短路、非同期重合闸以及系统振荡等引起的过电流；

2）由于负荷超过发电机的额定值，或负荷不对称而引起的过负荷（包括对称和不对称过负荷两种）；

以上两种情况，都将引起发电机定子电流增大和温度升高，从而加速绝缘老化，缩短电机寿命，同时，长期过热也可能引起发电机内部故障。

3）由于突然甩掉负荷引起的过电压，这种情况主要是发生在水轮发电机和大型汽轮发电机中，因为水轮发电机调速系统惯性大，中间再热式的大型汽轮发电机功频调节器的调节过程比较迟缓，在突然甩负荷时，转速急剧上升，以致引起过电压。

2 发电机的保护方式

根据《继电保护及自动装置设计技术规程》的规定，发电机应依机组容量的大小、类型，重要程度及特点，考虑装设下列有关保护，用于反应发电机的各种故障及不正常工作状态。

1）纵差动保护，用于反应发电机线圈及其引出线的相间短路。

2）匝间短路保护，用于反应定子绕组同一相匝间或分支短路。

3）单相接地保护，反应定子绕组单相接地故障。在不装设单相接地保护时，应利用绝缘监视装置发出接地故障信号。

4）过电流保护，用于切除发电机外部短路引起的过电流，并作为发电机内部故障的后备保护。

5）不对称过负荷保护，反应不对称负荷引起的过电流，一般在五万千瓦及以上的发电机应装设此保护，动作于信号。

6）对称过负荷保护，反应对称过负荷引起的过电流，一般应装设于一相的过负荷信号保护。

7）过电压保护，用于反应水轮发电机和大型汽轮发电机突然甩掉负荷时引起的定子绕组的过电压。

8）励磁回路的接地保护，在水轮发电机上一般应装设一点接地保护，小容量机组可采用定期检测装置，对于大容量和转子水冷的汽轮发电机组应装设一点接地保护，对两点接地应装设两点接地保护，在发生一点接地后投入。

9）失磁保护，反应发电机励磁消失，可采用失磁保护，或利用自动灭磁开关的辅助接点联锁跳开发电机断路器。

为了快速消除发电机故障，在保护动作于发电机断路器跳闸的同时，应动作于自动灭磁开关，将发电机励磁回路断开，以使定子回路不再感应电势供给故障点的短路电流。

3 发电机纵差保护的构成

发电机定子绕组相间短路是发电机内部最严重的故障，因此，要求装设快速动作的保护装置，当发电机中性点侧每相有引出线时，可装设纵联差动（简称“纵差”）保护作为发电机定子绕组相间短路的主保护。

为了实现此种保护，在发电机中性点侧与靠近出口端断路器处应装设同一型号和变化的两组电流互感器1LH和2LH，两组电流互感器之间，即为纵差保护的保护区。电流互感器二次侧按循环电流法接线，设两端电流互感器的同极性端子朝向同一方向，则两个互感器的二次侧异极性相连，并在两连线之间并联接入电流继电器，在继电器线圈中流过的电流是两侧电流互感器二次电流之差，故称它为差动回路，该继电器是反应两侧（同一相）电流互感器二次电流之差而动作的，故称它为差动继电器。

由于纵差保护不反应负荷电流与外部短路电流，只反应两侧电流互感器之间故障时的电流，故保护不必与其它保护作时限上的配合，可瞬时动作。

从理论上讲，正常及外部短路时，差动回路中的电流为零。事实上，由于1LH和2LH装设处到保护盘（即差动继电器安装处）的距离不同，以及两侧电流互感器的特性不可能完全一致等原因，在正常和外部短路时，差动回路中存在有差电流（即不平衡电流），尤其在外部短路初瞬间其值更大，为了防止在外部短路时所引起的最大不平衡电流，不致使保护误动作，并保证保护装置有足够的灵敏度，应采取必要的措施，来消除或减小不平衡电流的影响。

4 减小不平衡电流提高保护灵敏度的措施

1）为了减小稳态情况下的不平衡电流，保护应采用型号、性能完全相同的D级铁芯电流互感器，当外部短路故障的最大短路电流通过时，电流互感器应能满足10%误差曲线的要求。

2）采用中间速饱和变流器。为了减小暂态过程中最大不平衡电流（非周期分量）的影响，差动继电器应经中间速饱和变流器接入差动回路。速饱和变流器（SHB）的作用是，外部短路初始瞬间出现的最大不平衡电流，含有很大的非周期分量，使铁芯很快单方向饱和，致使该不平衡电流难于传变到继电器回路中去，当非周期分量衰减后（不平衡电流的最大值出现在短路后的几个周波，但衰减很快）。因此，速饱和变流器能成功地躲过不平衡电流中非周期分量的影响，从而可使保护装置动作电流的整定只要计及周期分量，即减小了保护的动作电流，提高了其灵敏度。具体实施时有下述两种方法：

1）采用FB―1型中间速饱和变流器和DC―11型差动继电器成套使用的接线，由于它躲过不平衡电流的性能不够理想，故制造厂家早已停产，但在部分电厂和变电所中尚有仍在使用的。

2）采用BCH―2型差动继电器的接线，该继电器是由带短路线圈的中间速饱和变流器和DC―110.2型电流继电器组合而成的，此保护能较好地躲过不平衡电流的影响，目前在发电机差动保护中获得广泛应用。