发电机保护功能及其原理
一、基本概念
发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该征各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。
故障类型及不正常运行状态
故障类型包括定子绕组相间短路、定子绕组一相的闸间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失
不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷；由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功等。
二、发电机可能发生的故障和相应的保护装置
定子绕组相间短路  定子绕组相间短路会引起巨大的短路电流，严重烧坏发电机，需装设瞬时动作的纵联差动保护。
定子绕组的匝间短路    定子绕组的匝间短路分为：同相同分支的匝间短路和同相异分支的匝间短路，同样会产生世大的短路电流而烧坏发电机，需要装设瞬时动作的专用的匝间短路保护。
定子绕组的单相接地   定子绕组的单相接地是发电机易发生的一种故障。通常是因绝缘破坏使其绕组对铁芯短接，虽然此种故障瞬时电流不大，但接地电流会引起电弧灼伤铁芯，同时破坏绕组的绝缘，有可能发展为匝间短路或相间短路。因此，应装设灵敏的反映全部绕组任一点接地故障的100%定子绕组接地保护。
发电机转子绕组一点接地和两点接地  转子绕组一点接地后虽对发电机运行无影响，但若再发生另一点接地，则转子绕组一部分被短接造成磁势不平衡而引起机组组剧烈振动，产生严重后果。因此，需同时装设转子绕组一点接地保护和两点接地保护。
发电机失磁  发电机失磁分为：完全失磁和部分失磁，是发电机的常见故障之一，失磁故障不仅对发电机造成危害，而且对系统安全也会造成严重影响，因此需装设失磁保护。
发电机的异常运行状态的危害不如发电机故障严重，但危及发电机的正常运行，特别是随着时间的增长，可能会发展成故障。因此为防患于未然也要装设相应的保护。
定子绕组负荷不对称运行，会出现负序电流可能引发电机转子表层过热，XU装设定子绕组不对称负荷保护（转子表层过热保护）。
定子绕组对称过负荷，装设对称过负荷保护（一般采用反时限特性）。
转子绕组过负荷，装设转子绕组过负荷保护。
并列运行的发电机可能因机炉的保护动作等原因将主气阀关闭，从而导致逆功率运行，使汽轮机叶片与残留尾气剧烈磨擦过热而损坏汽轮机，因此要装设逆功率保护。
为防止过激磁引起发热而烧坏铁蕊，应装设过激磁保护。
因系统振荡而引起发电机失步异常运行，危及发电机和系统运行安全，要装设失步保护。
其他保护：定子绕组过电压、低频运行、非全相运行及与发电机运行直接有关的热工方面的保护，对水内冷发电机还应装设断水保护等。
另外，还应装设发电机的后备保护，如电流、电压保护、阻抗保护等。
三、发电机保护原理
1、发电机相间短路的纵联差动保护
发电机纵联差动保护的基本原理是比较发电机两侧电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间短路故障。
2、发电机差动保护
2.1 保护原理
发电机差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护，它反应发电机中性点和机端侧差动电流的大小，采用比率制动特性，动作判据如下：
                （1）
式中： 、 分别为动作电流和制动电流，且有 ， ； 、 分别为差动最小动作电流和制动特性的拐点电流值，拐点电流 固定为 ， 为发电机二次额定电流； 为比率制动系数。
其中： 、 分别为发电机机端和中性点的电流相量，其正方向均为指向系统为正，也即两侧电流互感器（TA，以下同）为零度接线。

图5  带比率制动特性的发电机差动保护动作特性

装置设置有差动TA断线判断功能，判据为有且只有一相的一侧（机端或中性点）电流为零，判为TA断线。当检测出差动TA断线时，由控制字选择是否闭锁单相差动保护。为了提高可靠性，当判为单相差动动作时，若有负序电压或电流较大时，开放差动保护。
为了在轻负荷下提前发现差动回路的异常，装置还具有差流越限功能，差流越限的定值固定为差动最小动作电流的80%，当判出差流越限且经过10s发差流越限告警信号。
2.2 启动
为了保证差动保护的可靠性，一方面采用启动插件闭锁（C型和D型），另一方面结合后备电流有突变或后备电流越限以及差动电流辅助起动作为差动的综合启动方式。
2.3 说明
机端和中性点电流互感器必须同型号、同变比，而且为零度接线。
2.4 发电机差动保护逻辑框图
图6 发电机差动保护原理框图
3、发电机变压器组差动保护
3.1 保护原理
发电机变压器组差动保护（简称大差）是发电机内部相间短路和变压器内部故障的主保护，它反应发电机中性点电流和主变高压侧电流，适用于发电机出口不带断路器的场合。
发变组差动保护包括差动速断、比率制动差动、差流越限、TA断线判别、涌流判别等模块。比率制动特性动作判据如式（2）所示，比率制动特性如图（4）所示。
                （2）
式中： 、 分别为动作电流和制动电流，且有 ， ； 、 分别为差动电流最小动作电流和制动特性的拐点电流值，拐点电流 固定为 ， 为主变高压侧二次额定电流； 为比率制动系数。
其中： 为经过平衡后的主变高压侧电流相量， 为发电机中性点的电流相量，其正方向均为指向发变组为正，也即两侧电流互感器（TA，以下同）为180度接线。
发变组差动保护包括差动速断、比率制动差动、差流越限、TA断线判别、涌流判别等模块。比率制动特性动作判据如式（2）所示，比率制动特性如图（5）所示。
励磁涌流判据采用二次谐波制动特性，当有一相差流的二次谐波制动比（差流的二次谐波与基波的比值）大于定值，一般为8%~20%，即闭锁差动保护。
TA断线后发出告警信号，TA断线后是否闭锁差动保护由控制字选择。
发变组中的主变一般为Y0/接线型式，需要对主变高压侧的电流进行相位差和平衡补偿。对Y/－11接线，校正方法如下：
                       （3）
对Y/－1接线，校正方法如下：
                       （4）
式中： 、 、 分别为主变高压侧TA二次电流， 、 、 为校正后的各相电流。
装置中对常见的几种接线方式进行了相位校正，由用户自行选择（见定值KMD）。
发电机侧电流互感器二次电流平衡补偿由软件完成，发电机中性点侧平衡补偿均以主变高压侧二次电流不变为基准，平衡系数计算如下：
                          （5）
式中： 为平衡系数定值， 、 分别为主变高压侧和发电机中性点侧二次额定电流。补偿时分别将发电机中性点侧的各相电流与相应的平衡系数相乘。
差动电流 与制动电流 的有关运算均是在电流相位校正和平衡补偿后的基础上进行的。
3.2 启动
为了保证差动保护的可靠性，采用后备电流无流，后备电流突变，后备电流越限与差动电流辅助起动相结合作为差动启动方式。
3.3 发变组差动保护逻辑框图