同步发电机的故障、不正常运行状态及保护方式
同步发电机是电力系统中十分重要而且贵重的电力设备，它的安全运行对保证电力系统的正常工作和用户不间断供电起着决定性的作用。因此，在发电机上应针对各种故障和不正常运行状态设置性能良好的继电保护装置。
（2）定子绕组匝间短路。定子绕组匝间短路时，将产生很大的环流，被短路电流的各匝将有短路电流流过，引起故障处的温度升高，破坏绕组的绝缘，并可能发展成为单相接地或相间短路故障。
（3）定子绕组单相接地。发电机定子绕组单相接地故障一般是由于绝缘破坏引起的绕组一相碰壳。发电机中性点一般为不接地运行，单相接地后，发电机电压系统电容电流的总和流经定子铁心，造成铁心烧伤。当次电流较大时，如超过5A，将使绕组接地处铁心局部熔化，给发电机的检修带来很大的困难，还有可能扩大成为相间短路或匝间短路。
（4）励磁回路一点或两点接地短路。发电机励磁回路一点接地时，由于没有形成通路，对发电机并无直接的危害。但如果再发生另一点接地，就会造成励磁回路两点接地短路，可能烧坏励磁绕组和铁心，还会因转子磁通的对称性被破坏，使机组产生剧烈振动，对于凸极转子的水轮发电机和同步调相机，振动将更为严重。
（2）定子绕组过电流。发电机外部三相短路、失磁、系统振荡等都会引起定子绕组过电流，过电流会导致发电机温度升高，加速绝缘老化，缩短机组寿命。长期过热可能引发发电机的内部故障。
（3）负荷超过发电机额定容量或负荷不对称引起的过负荷，同样会导致发电机定子、转子温度升高，绝缘老化，寿命降低。
（4）定子绕组过电压。调速系统惯性较大的发电机（如水轮发电机）因突然甩负荷，电枢反映消失，转速急剧上升，发电机电压迅速升高，造成定子绕组过电压，使绝缘击穿。
（5）转子表层过热。电力系统发生不对称短路或发电机三相负荷不对称时，将有负序电流流过定子绕组，从而在转子中感应出倍频电流，造成转子局部灼伤，严重时使保护环热松脱。
（6）发电机逆功率和频率降低。当汽轮发电机主汽门突然关闭而出口断路器未断开时，汽轮机的尾部叶片将在汽缸内与剩余气体摩擦而过热，频率降低，可能导致叶片共振，使叶片断裂。另外，频率降低后用电设备的出力降低。
（7）发电机失步。发电机失步运行时，发电机与系统之间产生振荡，当振荡中心落在发电机-变压器组内时，由于母线电压大幅度波动，将间接影响厂用电的安全。此外，振荡时还使定子绕组过电流。
针对上述故障类型及不正常运行状态，发电机应装设以下继电保护装置：
（1）纵联差动保护。反映1MW以上发电机定子绕组及其引出线相间短路，应装设纵联差动保护，作为匝间短路保护。
（2）定子绕组匝间短路保护。定子绕组为双星形联结且中性点引出六端子的发电机，通常装设单元件式横差保护，作为匝间短路保护。对于中性点只有三个引出端子的大功率发电机的匝间短路保护，一般采用零序电压式或转子二次谐波电流式保护装置。
（3）定子绕组的接地保护。对于直接接于母线的发电机定子绕组的单相接地故障，当发电机电压系统的接地电容（未经肖弧线圈补偿）大于或等于5A时，应装设零序电流保护，保护应动作与跳闸；当接地电容电流小于5A时，应装设接地保护，保护应动作于信号。对于100MW及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护；对于100MW以下的发电机，应装设保护区不小于90%的定子接地保护。
（4）相间短路的后备保护。为了反映发电机外部短路引起的定子绕组过电流，并作为发电机内部故障的后备保护，一般应装设欠电压起动的过电流保护或复合电压起动的过电流保护。对于1MW及以下的小型发电机，采用过电流保护；对于1MW以上的发电机，采用复合电压起动的过电流保护；对于500MW及以上的发电机，采用负序过电流保护及单相式欠电压起动的过电流保护。负序过电流保护同时作为外部不对称短路或不对称负荷引起的负序过电流的保护。当上述保护不能满足要求时，可采用低阻抗保护。
（5）过电压保护。对于水轮发电机及某些大容量汽轮发电机，为了反映突然甩负荷时发电机定子绕组出现的过电压，应装设过电压保护。水轮发电机的动作电压为1.5倍额定电压，动作时限可取为0.5s。对于200MW及以上的汽轮发电机，一般情况下动作电压可取为1.3倍额定电压，动作时限可取为0.5s。
（6）定子绕组过负荷保护。为了反映发电机因过负荷引起三相对称电流增大，应装设接于一相电流的过负荷保护，保护通常作用于信号。对于定子绕组非直接冷却的发电机，应装设时限过负荷保护，保护通常作用于信号。对于定子绕组非直接冷却的发电机，应装设定时限过负荷保护。对于大型发电机的定子绕组的过负荷保护，一般由定时限和反时限两部分组成。
（7）励磁回路过负荷保护。当发电机励磁回路过负荷时，对容量为100MW及以上的并采用半导体励磁的发电机，可装设励磁回路过负荷保护。
（8）励磁回路一点及两点接地保护。水轮发电机一般只装设励磁回路一点接地保护，小容量机组可采用定期检测装置。100MW以下的汽轮发电机，对于一点接地故障，可以采用定期检测装置；对于两点接地故障，应装设两点接地保护装置。对于转子水内冷发电机和1000MW及以上的汽轮发电机，应装设励磁回路一点接地和两点接地保护装置。
（9）失磁保护。对于发电机的励磁消失，当发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时，利用其辅助触点连跳发电机断路器。对于采用半导体励磁以及100MW及以上的发电机，应装设专用的失磁保护。
（10）逆功率保护。当汽轮发电机主汽门突然关闭时，为防止汽轮机遭到破坏，对于大容量的发电机组可考虑装设逆功率保护。
（11）其他保护。如当电力系统振荡影响机组安全运行时，当300MW机组上，宜装设失步保护；当汽轮机低频运行会造成机械振动，叶片损伤，对汽轮机危害极其大时，可装设低频保护；当水冷发电机断水时，可装设断水保护等。一般而言，发电机的容量越大，配置的保护种类越多。与变压器保护相比，发电机保护的配置要复杂得多。
值得注意的是，发电机保护在作用于跳开发电机出口断路器的同时，还必须作用于自动灭磁开关。仅仅断开发电机出口断路器，并不能消除定子绕组的故障，因为由发电机本身供给的那部分短路电流并未消失，必须同时采取灭磁措施，使转子磁通消失，消除发电机电动势，短路电流才能消失，故障才能消除。
（-END-）
选自《电力系统继电保护原理及应用》杨正理等编著
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