同步发电机的运行保护措施探究

吴涛

摘要：电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。下面介绍同步发电机运行期间的一些保护措施，以供参考。

关键词：发电机、保护、措施

一、同步发电机的工作原理

同步发电机是利用电磁感应原理将机械能转换成电能的设备。同步发电机有定子和转子两大部分，而定子部分主要由定子铁心和绕组组成，分为A、B、C三相，各相绕组均匀分布在定子槽中，转子部分由黑心子铁心和励磁绕组组成，绕组通过直流电，建立发电机的磁场，当转子由原动机（如汽轮机）带动旋转时，产生磁场，定子绕组（导线）切割转子磁场的磁力线，就在定子绕组上感应出电动势，当定子绕组接通用电设备时，定子绕组中即产生三相电流，发出电能。本文由教育大论文下载中心WwW.JiaoYuDa.CoM整理

如果同步发电机作电动机运行，必须在定子绕组加以三相交流电源，电机内部便产生一个旋转磁场 ，这时转子绕组加直流励磁，则转子将在定子旋转磁场的带动下，沿定子磁场的方向以相同的转速旋转转子的转速，也就是说，电枢磁动势为一同步旋转的旋转磁动势，它与转子同速同方向旋转，定子和转子磁动势之间保持相对静止并产生恒定的电磁转柜。同步发电机在恒定频率下的转速为同步速度，是同步电机和感应电机的基本区别之一。

在我国电力系统规定以50HZ作为标准频率，如发电机有1对磁极时，其额定转速为3000r/min，以此类推，习惯上称此转速为同步转速。

二、同步发电机的类型

同步发电机有很多的类型，大致可分为以下几种：

1、按原动机的类别可分为汽轮发电机、水轮发电机，燃气发电机及柴油发电机等。

2、按冷却介质分为空气冷却、氢气冷却和水冷却等。

3、按主轴安装方式分为卧式安装和立式安装等。

4、按本体结构分为旋转电枢和旋转磁极式等。

以上主要介绍了同步发电机的原理及类型 ，但主要技术数据是同步发电机安全可靠运行的依据主要包括十大方面：1、额定容量，2、额定定子电压，3、额定定子电流，4、额定功率因数，5、额定转速，6、额定频率，7、额定励磁电压，8、额定励磁电流，9、额定温度，10、效率。

三、同步发电机的励磁系统

同步发电机是电力系统的主要设备，它是将旋转形式的机械功率转换成电功率的设备，为了完成这一转换，它本身需要一个直流磁场，产生这个磁场的直流电流称为同步发电机的励磁电流，专门为同步发电机提供励磁电流的有关设备，即励磁电压的建立，调查和使其电压消失的有关设备称励磁系统。

励磁系统是同步发电机的重要组成部分，同步发电机励磁系统的运行状况不仅影响发电机本身，而且会直接影响与其相联的电力系统的运行性能。它由两部分组成：

1、励磁功率单元。它向同步发电机的励磁绕组提供直接励磁电流。

2、励磁调节器。它根据发电机的运行状态，自动调节励磁功率单元输出的励磁电流的大小以满足发电机运行的要求。

在同步发电机正常运行事故情况下，其励磁系统起着十分重要的作用，性能优良的励磁系统不仅能保证发电机的安全运行，提供合格的电能，而且还能有效地提高发电机及其相联的电力系统的技术经济指标。其有以下的作用：

（1）发电机机端电压控制。

（2）控制无功功率的分配。

（3）提高电力系统运行的稳定性。

（4）改善电力系统的运行条件。同步发电机的主要励磁方式根据励磁电源分为：直流励磁机励磁方式、交流励磁机励磁方式、静止励磁方式三大类和直流励磁机励磁方式、交流励磁机静止硅整流器励磁方式、交流励磁机旋转硅整流器励磁方式、静止励磁方式四种励磁方式。

四、同步发电机的内部故障

同步发电机的快速灭磁是限制发电机内部故障扩大的唯一方法，当发电机内部故障以及发电机??—变压器组中变压器短路时，继电保护虽能将发电机向系统断开，但如不消灭发电机磁场故障电流将仍然存在。

一般说，发电机的故障和不正常情况常见有以下几种：1、定子绕组的多相相间短路。2、定子绕组的匝间短路。3、定子绕组的单相接地故障。4、发电机励磁电流急剧下降或消失。5、发电机励磁回路一点或两点接地。6、调速系统惯性较大发电机的过电压。7、过负荷。8、定子过电流。

五、同步发电机在运行中的保护措施。

1、相间短路纵差保护。用来对付发电机定子绕组和引出线的相同短路故障，是发电机的主保护之一，应瞬时动作于跳闸。

2、定子绕组匝间短路保护。利用一些特点可实现多重保护，如双分支绕组的发电机，利用电流分布的特点，可以构成横差保护；利用出现零序电压的特点构成零序电压匝间短路保护，利用必然出现负序电流和电压的特点构成负序电压匝间短路保护，利用负序功率方向的特点，构成二次谐波电流式转子五次谐波电流匝间短路保护等。本文由教育大论文下载中心WwW.JiaoYuDa.CoM整理

3、发电机定子绕组单相接地保护。对于定子绕组中性点不接地的发电机，具有一般不接地系统单相短路的特点。

4、利用基波零序分量的发电机定子单相接地保护。还可以利用基波零序电流保护，零序电压保护。

5、发电机100%定子绕组单相接地保护。它包括附加直流电压的保护方式、附加低频电源方式、利用发电机固有三次谐波电动势构成的接地保护。

6、发电机失磁保护。发电机失磁后，它的各种电气量和机械量都会发生变化，且将危及发电机和系统的安全。同步发电机失磁的原因很多有三种主要原因：

（1）励磁回路开路，励磁绕组断线，灭磁开关误动作，励磁调节装置的自动开关误动，可控硅励磁装置中部分元件损坏。

（2）励磁绕组由于长期发热，绝缘老化式损坏引起短路。

（3）运行人员误操作等。

对电力系统发电机发生低励和失磁后所产生的危害极其严重，主要表现在以下几个方面：

（1）从电力系统中吸取无功功率，引起电力系统的电压下降，如果电力系统中无功功率储备不足，将使电力系统中邻近的某些点的电压低于允许值，破坏了负荷与各电源间的稳定运行，使电力系统因电压崩溃而瓦解。

（2）由于电压下降，电力系统中的其他发电机在自动调整励磁装置的作用下，将增加其无功输出，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电流而动作，使故障的波及范围扩大。

（3） 一台发电机低励磁或失磁后，有功功率的摆动，电压下降，电力系统各部分之间发生失步，使系统产生振荡，甩掉大量负荷。在发电机的单机容量与电力系统总容量之比越大时，对电力系统的不利影响就越严重。

失磁保护，有时也称低励保护，在大型同步发电机的失磁保护都是利用定子回路参数变化来检测失磁故障也可以作为失磁保护的判据有以下三种： 无功功率改变方向、机端测量阻抗超越静稳边界阻抗圆的边界、机端测量阻抗进入异步边界阻抗圆。

7、复合电压起动的过电流及过负荷保护。发电机的后备保护在下列情况下应动作发出信号，并经延时切除发电机。

（1）发电机内部故障而纵差保护或其他主要保护没有动作。

（2）发电机电压母线故障，而该母线没有专门的母线保护或有保护而拒动的。

（3）当连接在母线上的电气元件如变压器、线路故障，而相应的保护装置或断路器拒动时。

目前，发电机的后备保护方式主要有负序电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护、发电机的后备保护、过负荷保护。

8、反时限负序电流保护。

9、同步发电机的转子接地保护。

10、发电机的转子接地保护。

以上是同步发电机在运行中易出现故障的一些比较重大的保护措施，只要运行人员对设备的熟悉达到心中有数，检修人员的精心维护，才能保证整个机组的安全运行。

总之，我国电力系统继电保护技术随着电力系统的高速发展，继电保护技术面临着进一步发展的趋势，这对我们电力工作者提出了艰巨的任务，也开辟了活动的广阔天地。