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摘要：发电机继电保护原理是指通过分析发电机故障或异常运行状态前后的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。本文针对福建三钢集团STRT汽轮发电机，对汽轮发电机的继电保护整定计算进行简单描述。
关键词：汽轮发电机、继电保护、整定计算
近年随着节能减排力度逐渐加大，余热发电等自发电项目占钢厂用电比重越来越大。发电机作为电力系统中最重要的设备，其结构复杂，单机容量大，对系统影响大，损坏后的修复工作复杂且工期长，所以对发电机继电保护提出更高的要求。
1 汽轮发电机故障和不正常工作状态及相应的保护
根据《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T 14285-2006的规定，三钢集团STRT发电机按其容量和机组特点的要求应配置相应的保护功能。
1.1 汽轮发电机可能发生的故障及相对应的保护
（1）发电机定子绕组相间短路。
定子绕组相间短路会产生很大的短路电流，严重损坏发电机。因此应装设纵联差动保护，动作于发电机停机。
（2）发电机定子绕组匝间短路。
定子绕组匝间短路会产生很大的环流，引起故障处温度升高，使绝缘老化，甚至击穿绝缘，发展成单相接地或相间短路，扩大发电机事故。因此应装设横联差动保护，动作与发电机停机。
（3）发电机定子绕组单相接地。
发电机单相接地后，其电容电流流过故障点铁芯，当电容电流较大或持续时间较长时，会使铁芯熔化损坏。因此应装设定子绕组接地保护，动作于发信号报警。
（4）转子一点接地，转子两点接地。
转子一点接地由于没有构成通路，对发电机没有直接危害，因此应装设转子一点接地保护，保护动作于信号报警。如转子再发生另一点接地，就会造成转子两点接地，则转子绕组一部分被短接，这样不但会烧毁转子绕组，而且由于部分绕组短接后破坏磁路对称性，造成磁势不平衡而引起机组剧烈振动。因此应装设转子两点接地保护。当转子一点接地稳定后投入转子两点接地保护压板，转子两点接地保护动作于停机。
（5）发电机失磁。
发电机由于转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误动等原因，将造成转子失磁，失磁故障不仅对发电机造成危害，而且吸收电力系统大量无功，严重影响系统安全，因此应装设失磁保护，动作于跳闸。
1.2汽轮发电机的不正常工作状态及相应的保护
（1）由于外部短路、非周期合闸以及系统振荡等原因引起发电机过电流，应装设复合电压闭锁过电流保护、负序过电流保护，作为外部短路和内部短路的后背保护，动作于停机。
（2）由于负荷超过发电机额定值引起发电机对称过负荷，应装设过负荷保护，动作于发信号报警。对于负序电流超过发电机长期允许值所造成的不对称过负荷，应装设负序过负荷保护，动作于发信号报警。
（3）在突然甩负荷时，因其发电机励磁调节过程比较缓慢，转速急剧上升而引起过电压。因此应装设过电压保护，动作于停机。
（4）当汽轮发电机主汽门突然关闭而发电机断路器未断开时，发电机从系统吸收无功而过渡到同步电动机运行状态，对汽轮机叶片尤其是尾叶造成过热损伤等。因此应装设逆功率保护，动作于停机。
2 发电机保护的整定计算
2.1发电机纵差保护原理
发电机纵联差动保护的基本原理是比较发电机两侧的电流的大小和相位，反映发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。在微机保护装置中广泛采用比率差动保护。比率差动保护的作用原理是它的动作电流随着外部故障的短路电流的增大而自动增大，而且动作电流的增大比不平衡电流增大的更快，使其在任何情况下的外部故障时保护不会误动作。将外部故障的短路电流作为制动电流，把流入差动回路的电流作为动作电流，如，则保护动作；反之保护不动作。其比率制动特性如图所示。
该保护的动作条件为
程序中按相判别，当满足以上任何一个条件时，比率差动动作。
式中：——差动电流；
——制动电流；
——差动保护动作门槛值；
——比率制动拐点；
——比率制动系数；
——发电机机端电流；
——发电机中性点电流。
2.1.1 差动保护动作门槛定值整定：按躲过正常发电机额定负载时的最大不平衡电流整定。即：
式中：为可靠系数；为额定二次电流；为非周期分量系数；为电流互感器同型系数；为电流互感器误差。。
运行中的设备可由实测决定，但不能小于继电器的固有动作电流，规程要求具有比率制动的发电机差动保护，一般取。
2.1.2 比率制动系数的整定：按比率差动定义可知
假定外部短路时的最大短路电流，则此时流过差回路的电流，即继电器的差动电流为
而此时的制动电流为
通过换算得出
式中：为比率制动系数；为可靠系数；为非周期分量系数；为电流互感器同型系数；为电流互感器误差。
工程中，为保证可靠起见，制动系数不宜过小，一般建议取。
2.1.3比率制动拐点定值
式中：为比率制动拐点定值；为差动保护动作门槛值；为比率制动系数。
2.1.4 差动速断：按躲过外部短路故障最大不平衡电流整定。
在工程中，大机组一般建议取倍额定电流。
2.2 发电机匝间保护
发电机横联差动保护反应匝间短路、分支开焊及发电机内部相间短路。当发电机定子绕组每相有引出的并联支路时，宜采用横差保护。其整定原则按躲过外部短路时流过保护装置的最大不平衡电流整定。由于不平衡电流数值难以确定，一般取：
在发电机励磁回路一点接地动作后，为防止励磁回路发生两点接地时横差保护误动，应将横差保护时限切换为S。
2.3 发电机相间短路保护
发电机相间短路保护通常反应出过电流，为了区别正常过负荷还是内部故障事故过电流，过电流保护通常需要加装低压元件来作为判别用，即复合电压闭锁过电流保护。
2.3.1 电流继电器的整定：按躲过发电机额定电流整定，即：
式中：为可靠系数；为返回系数；为发电机额定电流
2.3.2 低电压元件的整定：按躲过发电机自启动或发电机失磁而出现非同步运行方式时的最低电压整定。通常取：
式中：为发电机额定线电压。
2.3.3 负序电压继电器的整定：按躲过正常运行时出现的最大不平衡电压整定，一般取：
2.3.4 时间元件整定：按大于相邻元件保护最大时限整定，一般取：
式中：为相邻元件保护最大时限；为时间级差。
2.4 定子绕组接地保护
2.4.1 基波零序电压保护和3次谐波电压比率接地保护
2.4.1.1 基波零序電压保护
基波零序电压保护发电机85～95％的定子绕组单相接地，但在中性点附近仍有5～15％的死区。
基波零序电压保护反应发电机零序电压大小。其保护动作电压应躲过正常运行时的不平衡电压。即：
式中：为可靠系数；为正常运行时最大不平衡基波零序电压
2.4.1.2 三次谐波电压比率接地保护
通过比较发电机机端3次谐波与中性点3次谐波的大小，分析发电机接地状态。当正常运行情况下，机端3次谐波电压总是小于中性点3次谐波电压；当定子绕组单相接地时，在靠近中性点处（由故障点到中性点绕组占全相绕组匝数50%以下时），机端3次谐波电压大于中性点3次谐波电压。因此通过基波零序电压保护和3次谐波电压比率接地保护构成定子单相100%接地保护。
2.4.2 零序电流定子接地保护
零序电流保护适用于保护接于汇流母线的发电机定子的接地保护，其整定原则按躲过不平衡电流和外部单相接地时发电机稳态电容电流整定。一般可取：
式中：为可靠系数；为接地故障点允许持续通过的电流。
2.5转子接地
根据汽轮发电机通用技术条件规定：对于空冷及氢冷的汽轮发电机，励磁绕组的冷态绝缘电阻不小于10MΩ。直接水冷却的励磁绕组，其冷态绝缘电阻不小于2kΩ。水冷发电机通用技术条件规定：绕组的绝缘电阻在任何情况下不低于0.5MΩ。
（1）转子一点接地保护灵敏段一般整定：20-80 kΩ，动作与信号。
（2）转子一点接地定值：对于水轮发电机、空冷及氢冷汽轮发电机，一般整定20 kΩ，对于直接水冷的励磁绕组，整定2.5kΩ。
转子一点接地延时动作与信号或停机。
（3）转子两点接地位移定值整定为3%。转子两点接地建议手动投入方式，在一点接地稳定后手动经压板投入。
2.6 发电机对称过负荷保护：按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定。即：
式中：为可靠系數；为返回系数；为发电机额定电流
保护时限按躲过后备保护的最大延时整定，动作于信号。
2.7 负序过负荷保护
发电机由于负荷不平衡或外部不对称短路而产生的负序电流，将在转子上产生附加损失和额外温升。如不及时处理，就可能严重损坏发电机。因此应装设负序过电流保护，其整定原则：按发电机长期允许的负序电流下能可靠返回的条件整定。
式中：为可靠系数；为返回系数；为发电机长期允许负序电流。
2.8 发电机失磁保护
发电机励磁系统故障使励磁降低或全部失磁，从而导致发电机与系统间失步，对机组及电力系统的安全造成重大危害。
发电机的失磁故障可采用无功功率改变方向、机端测量阻抗超越静稳边界圆的边界、机端测量阻抗进入异步静稳边界圆为主要判据来检测失磁故障。但是仅用此作为判据是不全面的。例如发电机有时欠励磁运行或励磁调节器调差特性配合不妥，无功功率分配不合理，可能出现无功反向；系统振荡或某些短路故障时，机端测量阻抗也可能进入临界失步圆。因此为了保证保护动作的选择性，还需要用非正常运行状态下的某些特征作为失磁保护的辅助判据。如励磁电压的下降，系统电压的降低均可作失磁保护辅助判据。
因为三钢发电机组与系统联系紧密，所以本保护以测量机端阻抗是否达到异步极限边界作为发电机失磁的主要判据，本判据和系统低电压判据配合构成一套完整的失磁保护。
其失磁主判据为：
式中：为发电机暂态电抗；为发电机同步电抗；为可靠系数。
低电压判据主要用于防止由发电机失磁故障引起的无功储备不足使系统电压崩溃，其三相同时低电压作为动作判据：
式中：为可靠系数；为系统最低正常运行电压。
时间元件整定：按区外故障保护切除时间整定。
2.9 发电机频率保护
根据说明书规定频率与额定值的偏差不超过±2%时，保证输出额定频率。
2.10 发电机逆功率保护
当汽轮机主汽门误关闭或机炉保护动作关闭主汽门而出口断路器未跳闸时，发电机变为电动机运行，要从电网吸收有功功率，这样就会造成汽机事故。因此应装设逆功率保护。整定原则按发电机组允许长期逆功率运行的最小损耗整定。即
式中：为可靠系数；为汽轮机在逆功率运行时的最小损耗，一般取额定功率的2%～4%；为发电机在逆功率运行时的最小损耗，一般,为发电机额定功率，发电机效率。
一般按1%～2%的额定有功整定，建议逆功率保护整定2%，程序逆功率整定1%。
2.11 发电机定子过电压保护
定子过电压保护的整定值，应根据电机制造厂提供的允许过电压能力或定子绕组的绝缘情况整定。对于汽轮发电机按发电机额定电压的1.3倍整定，延时动作于解列灭磁。
3 结束语
随着现代钢厂能源多元化，特别是余热发电等大中型自发电项目投产，发电机已经成为其内部电网的重要组成部分。本文通过分析发电机可能发生的故障和不正常工作状态，提出相应继电保护方案及整定计算原则。其汽轮发电机整定计算原则对类似厂矿内部发电机保护具有一定指导和借鉴作用。
参考文献：
【1】崔家佩等.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京:水利电力出版社,1993
【2】许建安等.继电保护技术. 北京:水利电力出版社,2004
【3】GB/T 14285—2006 继电保护和安全自动装置技术规程
关键词：汽轮发电机、继电保护、整定计算
近年随着节能减排力度逐渐加大，余热发电等自发电项目占钢厂用电比重越来越大。发电机作为电力系统中最重要的设备，其结构复杂，单机容量大，对系统影响大，损坏后的修复工作复杂且工期长，所以对发电机继电保护提出更高的要求。
1 汽轮发电机故障和不正常工作状态及相应的保护
根据《继电保护和安全自动装置技术规程》GB/T 14285-2006的规定，三钢集团STRT发电机按其容量和机组特点的要求应配置相应的保护功能。
1.1 汽轮发电机可能发生的故障及相对应的保护
（1）发电机定子绕组相间短路。
定子绕组相间短路会产生很大的短路电流，严重损坏发电机。因此应装设纵联差动保护，动作于发电机停机。
（2）发电机定子绕组匝间短路。
定子绕组匝间短路会产生很大的环流，引起故障处温度升高，使绝缘老化，甚至击穿绝缘，发展成单相接地或相间短路，扩大发电机事故。因此应装设横联差动保护，动作与发电机停机。
（3）发电机定子绕组单相接地。
发电机单相接地后，其电容电流流过故障点铁芯，当电容电流较大或持续时间较长时，会使铁芯熔化损坏。因此应装设定子绕组接地保护，动作于发信号报警。
（4）转子一点接地，转子两点接地。
转子一点接地由于没有构成通路，对发电机没有直接危害，因此应装设转子一点接地保护，保护动作于信号报警。如转子再发生另一点接地，就会造成转子两点接地，则转子绕组一部分被短接，这样不但会烧毁转子绕组，而且由于部分绕组短接后破坏磁路对称性，造成磁势不平衡而引起机组剧烈振动。因此应装设转子两点接地保护。当转子一点接地稳定后投入转子两点接地保护压板，转子两点接地保护动作于停机。
（5）发电机失磁。
发电机由于转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误动等原因，将造成转子失磁，失磁故障不仅对发电机造成危害，而且吸收电力系统大量无功，严重影响系统安全，因此应装设失磁保护，动作于跳闸。
1.2汽轮发电机的不正常工作状态及相应的保护
（1）由于外部短路、非周期合闸以及系统振荡等原因引起发电机过电流，应装设复合电压闭锁过电流保护、负序过电流保护，作为外部短路和内部短路的后背保护，动作于停机。
（2）由于负荷超过发电机额定值引起发电机对称过负荷，应装设过负荷保护，动作于发信号报警。对于负序电流超过发电机长期允许值所造成的不对称过负荷，应装设负序过负荷保护，动作于发信号报警。
（3）在突然甩负荷时，因其发电机励磁调节过程比较缓慢，转速急剧上升而引起过电压。因此应装设过电压保护，动作于停机。
（4）当汽轮发电机主汽门突然关闭而发电机断路器未断开时，发电机从系统吸收无功而过渡到同步电动机运行状态，对汽轮机叶片尤其是尾叶造成过热损伤等。因此应装设逆功率保护，动作于停机。
2 发电机保护的整定计算
2.1发电机纵差保护原理
发电机纵联差动保护的基本原理是比较发电机两侧的电流的大小和相位，反映发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。在微机保护装置中广泛采用比率差动保护。比率差动保护的作用原理是它的动作电流随着外部故障的短路电流的增大而自动增大，而且动作电流的增大比不平衡电流增大的更快，使其在任何情况下的外部故障时保护不会误动作。将外部故障的短路电流作为制动电流，把流入差动回路的电流作为动作电流，如，则保护动作；反之保护不动作。其比率制动特性如图所示。
该保护的动作条件为
程序中按相判别，当满足以上任何一个条件时，比率差动动作。
式中：——差动电流；
——制动电流；
——差动保护动作门槛值；
——比率制动拐点；
——比率制动系数；
——发电机机端电流；
——发电机中性点电流。
2.1.1 差动保护动作门槛定值整定：按躲过正常发电机额定负载时的最大不平衡电流整定。即：
式中：为可靠系数；为额定二次电流；为非周期分量系数；为电流互感器同型系数；为电流互感器误差。。
运行中的设备可由实测决定，但不能小于继电器的固有动作电流，规程要求具有比率制动的发电机差动保护，一般取。
2.1.2 比率制动系数的整定：按比率差动定义可知
假定外部短路时的最大短路电流，则此时流过差回路的电流，即继电器的差动电流为
而此时的制动电流为
通过换算得出
式中：为比率制动系数；为可靠系数；为非周期分量系数；为电流互感器同型系数；为电流互感器误差。
工程中，为保证可靠起见，制动系数不宜过小，一般建议取。
2.1.3比率制动拐点定值
式中：为比率制动拐点定值；为差动保护动作门槛值；为比率制动系数。
2.1.4 差动速断：按躲过外部短路故障最大不平衡电流整定。
在工程中，大机组一般建议取倍额定电流。
2.2 发电机匝间保护
发电机横联差动保护反应匝间短路、分支开焊及发电机内部相间短路。当发电机定子绕组每相有引出的并联支路时，宜采用横差保护。其整定原则按躲过外部短路时流过保护装置的最大不平衡电流整定。由于不平衡电流数值难以确定，一般取：
在发电机励磁回路一点接地动作后，为防止励磁回路发生两点接地时横差保护误动，应将横差保护时限切换为S。
2.3 发电机相间短路保护
发电机相间短路保护通常反应出过电流，为了区别正常过负荷还是内部故障事故过电流，过电流保护通常需要加装低压元件来作为判别用，即复合电压闭锁过电流保护。
2.3.1 电流继电器的整定：按躲过发电机额定电流整定，即：
式中：为可靠系数；为返回系数；为发电机额定电流
2.3.2 低电压元件的整定：按躲过发电机自启动或发电机失磁而出现非同步运行方式时的最低电压整定。通常取：
式中：为发电机额定线电压。
2.3.3 负序电压继电器的整定：按躲过正常运行时出现的最大不平衡电压整定，一般取：
2.3.4 时间元件整定：按大于相邻元件保护最大时限整定，一般取：
式中：为相邻元件保护最大时限；为时间级差。
2.4 定子绕组接地保护
2.4.1 基波零序电压保护和3次谐波电压比率接地保护
2.4.1.1 基波零序電压保护
基波零序电压保护发电机85～95％的定子绕组单相接地，但在中性点附近仍有5～15％的死区。
基波零序电压保护反应发电机零序电压大小。其保护动作电压应躲过正常运行时的不平衡电压。即：
式中：为可靠系数；为正常运行时最大不平衡基波零序电压
2.4.1.2 三次谐波电压比率接地保护
通过比较发电机机端3次谐波与中性点3次谐波的大小，分析发电机接地状态。当正常运行情况下，机端3次谐波电压总是小于中性点3次谐波电压；当定子绕组单相接地时，在靠近中性点处（由故障点到中性点绕组占全相绕组匝数50%以下时），机端3次谐波电压大于中性点3次谐波电压。因此通过基波零序电压保护和3次谐波电压比率接地保护构成定子单相100%接地保护。
2.4.2 零序电流定子接地保护
零序电流保护适用于保护接于汇流母线的发电机定子的接地保护，其整定原则按躲过不平衡电流和外部单相接地时发电机稳态电容电流整定。一般可取：
式中：为可靠系数；为接地故障点允许持续通过的电流。
2.5转子接地
根据汽轮发电机通用技术条件规定：对于空冷及氢冷的汽轮发电机，励磁绕组的冷态绝缘电阻不小于10MΩ。直接水冷却的励磁绕组，其冷态绝缘电阻不小于2kΩ。水冷发电机通用技术条件规定：绕组的绝缘电阻在任何情况下不低于0.5MΩ。
（1）转子一点接地保护灵敏段一般整定：20-80 kΩ，动作与信号。
（2）转子一点接地定值：对于水轮发电机、空冷及氢冷汽轮发电机，一般整定20 kΩ，对于直接水冷的励磁绕组，整定2.5kΩ。
转子一点接地延时动作与信号或停机。
（3）转子两点接地位移定值整定为3%。转子两点接地建议手动投入方式，在一点接地稳定后手动经压板投入。
2.6 发电机对称过负荷保护：按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定。即：
式中：为可靠系數；为返回系数；为发电机额定电流
保护时限按躲过后备保护的最大延时整定，动作于信号。
2.7 负序过负荷保护
发电机由于负荷不平衡或外部不对称短路而产生的负序电流，将在转子上产生附加损失和额外温升。如不及时处理，就可能严重损坏发电机。因此应装设负序过电流保护，其整定原则：按发电机长期允许的负序电流下能可靠返回的条件整定。
式中：为可靠系数；为返回系数；为发电机长期允许负序电流。
2.8 发电机失磁保护
发电机励磁系统故障使励磁降低或全部失磁，从而导致发电机与系统间失步，对机组及电力系统的安全造成重大危害。
发电机的失磁故障可采用无功功率改变方向、机端测量阻抗超越静稳边界圆的边界、机端测量阻抗进入异步静稳边界圆为主要判据来检测失磁故障。但是仅用此作为判据是不全面的。例如发电机有时欠励磁运行或励磁调节器调差特性配合不妥，无功功率分配不合理，可能出现无功反向；系统振荡或某些短路故障时，机端测量阻抗也可能进入临界失步圆。因此为了保证保护动作的选择性，还需要用非正常运行状态下的某些特征作为失磁保护的辅助判据。如励磁电压的下降，系统电压的降低均可作失磁保护辅助判据。
因为三钢发电机组与系统联系紧密，所以本保护以测量机端阻抗是否达到异步极限边界作为发电机失磁的主要判据，本判据和系统低电压判据配合构成一套完整的失磁保护。
其失磁主判据为：
式中：为发电机暂态电抗；为发电机同步电抗；为可靠系数。
低电压判据主要用于防止由发电机失磁故障引起的无功储备不足使系统电压崩溃，其三相同时低电压作为动作判据：
式中：为可靠系数；为系统最低正常运行电压。
时间元件整定：按区外故障保护切除时间整定。
2.9 发电机频率保护
根据说明书规定频率与额定值的偏差不超过±2%时，保证输出额定频率。
2.10 发电机逆功率保护
当汽轮机主汽门误关闭或机炉保护动作关闭主汽门而出口断路器未跳闸时，发电机变为电动机运行，要从电网吸收有功功率，这样就会造成汽机事故。因此应装设逆功率保护。整定原则按发电机组允许长期逆功率运行的最小损耗整定。即
式中：为可靠系数；为汽轮机在逆功率运行时的最小损耗，一般取额定功率的2%～4%；为发电机在逆功率运行时的最小损耗，一般,为发电机额定功率，发电机效率。
一般按1%～2%的额定有功整定，建议逆功率保护整定2%，程序逆功率整定1%。
2.11 发电机定子过电压保护
定子过电压保护的整定值，应根据电机制造厂提供的允许过电压能力或定子绕组的绝缘情况整定。对于汽轮发电机按发电机额定电压的1.3倍整定，延时动作于解列灭磁。
3 结束语
随着现代钢厂能源多元化，特别是余热发电等大中型自发电项目投产，发电机已经成为其内部电网的重要组成部分。本文通过分析发电机可能发生的故障和不正常工作状态，提出相应继电保护方案及整定计算原则。其汽轮发电机整定计算原则对类似厂矿内部发电机保护具有一定指导和借鉴作用。
参考文献：
【1】崔家佩等.电力系统继电保护与安全自动装置整定计算.北京:水利电力出版社,1993
【2】许建安等.继电保护技术. 北京:水利电力出版社,2004
【3】GB/T 14285—2006 继电保护和安全自动装置技术规程