小議同步發電機的繼電保護

0 引言

發電機是電力系統中最重要的設備之一，它的安全運行對電力系統的連續工作和對用戶不間斷供電起著決定性的作用。為此，在發電機上應裝設比較完善的保護裝置是十分必要的。

1 發電機的故障和不正常工作狀態

1.1 發電機的故障（主要指電氣方面的故障）

定子故障有：

1）定子繞組的相間短路（即三相或兩相短路），會產生很大的短路電流，故障點的電弧會使繞組絕緣燒壞，甚至可能引起火災；

2）定子繞組同一相的匝間短路，這種故障的機會雖不多，但由于短路點電流很大，使故障處溫度升高，而導致絕緣破壞，可能發展成單相接地或相間短路；

3）定子繞組單相接地，通常是指一相繞組碰殼，這時發電機電壓系統的電容電流流過定子鐵芯，當該電流較大時，可能使鐵芯局部熔化，對修理工作造成很大困難，還可能擴大為相間短路。

轉子繞組的故障有：

1）轉子繞組的一點接地，當發生一點接地時，由于沒有構成接地電流通路，故對發電機沒有直接危險，但若再發生另一點接地，就造成兩點接地短路。

2）轉子繞組的兩點接地短路，將使轉子部分繞組被短接，破壞了磁路的對稱性，可能引起發電機的強烈振動，甚至會把轉子繞組燒毀，尤其對凸極式轉子的水輪發電機和同步調相機，危險就更大。

3）轉子失去激磁電流，由于轉子繞組斷線或自動滅磁開關誤動作等原因造成的失磁故障，使同步發電機變為異步運行，從系統吸取大量無功功率，以至發電機端電壓降低及定子電流增大，引起電機過熱，威脅安全運行。

1.2 發電機的不正常運行情況

發電機的不正常運行情況主要有：

1）由于外部短路、非同期重合閘以及系統振蕩等引起的過電流；

2）由于負荷超過發電機的額定值，或負荷不對稱而引起的過負荷（包括對稱和不對稱過負荷兩種）；

以上兩種情況，都將引起發電機定子電流增大和溫度升高，從而加速絕緣老化，縮短電機壽命，同時，長期過熱也可能引起發電機內部故障。

3）由于突然甩掉負荷引起的過電壓，這種情況主要是發生在水輪發電機和大型汽輪發電機中，因為水輪發電機調速系統慣性大，中間再熱式的大型汽輪發電機功頻調節器的調節過程比較遲緩，在突然甩負荷時，轉速急劇上升，以致引起過電壓。

2 發電機的保護方式

根據《繼電保護及自動裝置設計技術規程》的規定，發電機應依機組容量的大小、類型，重要程度及特點，考慮裝設下列有關保護，用于反應發電機的各種故障及不正常工作狀態。

1）縱差動保護，用于反應發電機線圈及其引出線的相間短路。

2）匝間短路保護，用于反應定子繞組同一相匝間或分支短路。

3）單相接地保護，反應定子繞組單相接地故障。在不裝設單相接地保護時，應利用絕緣監視裝置發出接地故障信號。

4）過電流保護，用于切除發電機外部短路引起的過電流，并作為發電機內部故障的后備保護。

5）不對稱過負荷保護，反應不對稱負荷引起的過電流，一般在五萬千瓦及以上的發電機應裝設此保護，動作于信號。

6）對稱過負荷保護，反應對稱過負荷引起的過電流，一般應裝設于一相的過負荷信號保護。

7）過電壓保護，用于反應水輪發電機和大型汽輪發電機突然甩掉負荷時引起的定子繞組的過電壓。

8）勵磁回路的接地保護，在水輪發電機上一般應裝設一點接地保護，小容量機組可采用定期檢測裝置，對于大容量和轉子水冷的汽輪發電機組應裝設一點接地保護，對兩點接地應裝設兩點接地保護，在發生一點接地后投入。

9）失磁保護，反應發電機勵磁消失，可采用失磁保護，或利用自動滅磁開關的輔助接點聯鎖跳開發電機斷路器。

為了快速消除發電機故障，在保護動作于發電機斷路器跳閘的同時，應動作于自動滅磁開關，將發電機勵磁回路斷開，以使定子回路不再感應電勢供給故障點的短路電流。

3 發電機縱差保護的構成

發電機定子繞組相間短路是發電機內部最嚴重的故障，因此，要求裝設快速動作的保護裝置，當發電機中性點側每相有引出線時，可裝設縱聯差動（簡稱“縱差”）保護作為發電機定子繞組相間短路的主保護。

為了實現此種保護，在發電機中性點側與靠近出口端斷路器處應裝設同一型號和變化的兩組電流互感器1LH和2LH，兩組電流互感器之間，即為縱差保護的保護區。電流互感器二次側按循環電流法接線，設兩端電流互感器的同極性端子朝向同一方向，則兩個互感器的二次側異極性相連，并在兩連線之間并聯接入電流繼電器，在繼電器線圈中流過的電流是兩側電流互感器二次電流之差，故稱它為差動回路，該繼電器是反應兩側（同一相）電流互感器二次電流之差而動作的，故稱它為差動繼電器。

由于縱差保護不反應負荷電流與外部短路電流，只反應兩側電流互感器之間故障時的電流，故保護不必與其它保護作時限上的配合，可瞬時動作。

從理論上講，正常及外部短路時，差動回路中的電流為零。事實上，由于1LH和2LH裝設處到保護盤（即差動繼電器安裝處）的距離不同，以及兩側電流互感器的特性不可能完全一致等原因，在正常和外部短路時，差動回路中存在有差電流（即不平衡電流），尤其在外部短路初瞬間其值更大，為了防止在外部短路時所引起的最大不平衡電流，不致使保護誤動作，并保證保護裝置有足夠的靈敏度，應采取必要的措施，來消除或減小不平衡電流的影響。

4 減小不平衡電流提高保護靈敏度的措施

1）為了減小穩態情況下的不平衡電流，保護應采用型號、性能完全相同的D級鐵芯電流互感器，當外部短路故障的最大短路電流通過時，電流互感器應能滿足10%誤差曲線的要求。

2）采用中間速飽和變流器。為了減小暫態過程中最大不平衡電流（非周期分量）的影響，差動繼電器應經中間速飽和變流器接入差動回路。速飽和變流器（SHB）的作用是，外部短路初始瞬間出現的最大不平衡電流，含有很大的非周期分量，使鐵芯很快單方向飽和，致使該不平衡電流難于傳變到繼電器回路中去，當非周期分量衰減后（不平衡電流的最大值出現在短路后的幾個周波，但衰減很快）。因此，速飽和變流器能成功地躲過不平衡電流中非周期分量的影響，從而可使保護裝置動作電流的整定只要計及周期分量，即減小了保護的動作電流，提高了其靈敏度。具體實施時有下述兩種方法：

1）采用FB—1型中間速飽和變流器和DC—11型差動繼電器成套使用的接線，由于它躲過不平衡電流的性能不夠理想，故制造廠家早已停產，但在部分電廠和變電所中尚有仍在使用的。

2）采用BCH—2型差動繼電器的接線，該繼電器是由帶短路線圈的中間速飽和變流器和DC—11∕0.2型電流繼電器組合而成的，此保護能較好地躲過不平衡電流的影響，目前在發電機差動保護中獲得廣泛應用。

[責任編輯：陳雙芹]