摘要：同步交流发电机的安全运行对保证柴油发电机组的正常工作与电能质量起着决定性作用。发电机本身是价值昂贵的电气设备，保障其在柴油发电机组中的安全运行至关重要。因此，应根据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。本文系统阐述了发电机正常运行中发生的五类主要故障——定子绕组相间短路（必须配置两套及以上快速保护）、定子一相绕组匝间短路（应快速切除）、定子绕组单相接地（需灵敏反应以防发展为相间短路）、转子励磁回路失磁（影响系统和发电机安全运行）及转子绕组一点/两点接地（引起振动或烧伤）；详细分析了九类不正常运行状态——定子绕组负序过电流（承受能力极弱，可能烧损铁芯）、定子对称过电流、过负荷、过电压（甩负荷引起）、过励磁（电压升高频率降低时）、频率异常（可能引起共振）、发电机与系统失步、误上电（并网前误合断路器）及启停机故障（并网前绝缘故障检测）；针对各类故障和不正常运行状态，给出了相应保护配置要求与动作策略。本文可为柴油发电机组继电保护系统的设计与配置提供技术参考。
一、发电机的故障类型
发电机正常运行时可能发生的故障类型主要有以下五种，每种故障的机理、危害及保护配置要求各不相同。
1. 定子绕组的相间短路
（1）故障性质：定子绕组相间短路是最严重的短路故障之一，短路电流极大（可达额定电流的数倍至十余倍），若不及时切除，将产生巨大的电动力和热量，烧毁整个发电机组，引起极为严重的设备损坏和长时间停机后果。
（2）保护配置：必须配置两套或两套以上的快速保护（主保护与后备保护）反应此类故障，确保在任何情况下都能可靠快速动作。通常采用纵联差动保护作为主保护，反应定子绕组及其引出线的相间短路。
2. 定子一相绕组内的匝间短路
（1）故障性质：发电机定子绕组发生匝间短路时，短路环内会产生很大电流（因短路环中仅有几匝线圈，阻抗极小），虽然短路电流可能不流经外部线路，但会导致局部过热和绝缘进一步损坏。
（2）保护要求：发生定子绕组匝间短路时应快速将发电机切除，防止故障扩大。匝间短路通常采用匝间短路保护（横差保护或负序功率方向保护）来反应。
（3）发展趋势：随着发电机设计技术的改进，同相同槽的绕组越来越少（现代大型发电机多采用双层短距绕组，同一槽内上下层属于不同相位），发生匝间短路的可能性已大大减少。
3. 定子绕组单相接地
（1）故障性质：定子单相接地不属于短路性故障（不形成短路电流通路），但由于以下原因，对单相接地故障仍需灵敏而可靠地反应：
① 大型发电机组中性点一般都经高阻抗接地（限制接地电流），接地时仍有电容电流流经接地点（通常为几安培至几十安培）。
② 接地的电容电流在流过铁芯时会在接地点形成电弧，灼伤故障点的硅钢片铁芯，造成铁芯局部熔化（铁芯损伤后修复极为困难）。
③ 绝大部分相间短路都是首先由单相接地未及时处理、电弧扩展而发展成的——单相接地是相间短路的前兆。
④ 接地故障时非故障相电压升高至线电压（正常时为相电压的√3倍），对绕组绝缘构成额外压力，加速绝缘老化。
（2）保护要求：应配置100%定子接地保护（基波零序电压+三次谐波电压组合），覆盖整个定子绕组，及时发现接地故障。
4. 转子励磁回路励磁电流消失（失磁）
（1）故障性质：由于励磁设备故障（励磁机故障、整流元件损坏）、励磁绕组短路或开路、AVR故障等原因会引发失磁（全失磁或部分失磁），使发电机进入异步运行状态。
（2）危害：失磁后发电机从系统吸收大量无功功率（建立磁场的能量由系统提供），定子电流增大，转子产生差频电流引起发热，对系统和发电机的安全运行都有很大影响，严重时可能导致发电机振荡或失步。
（3）保护要求：发电机组应配置失磁保护，要求及时准确地检测出失磁故障，并根据失磁程度决定发信或跳闸。
5. 转子绕组一点接地或两点接地故障
（1）一点接地：转子一点接地对汽轮发电机组的影响不大（不形成电流回路），一般允许继续运行一段时间。但柴油发电机（特别是高速柴油机）发生一点接地后会引起机组振动增大（因转子励磁绕组对地电位变化，使转子磁路不对称），一般要求切除发电机组进行检查。
（2）两点接地：当转子绕组发生两点接地时，部分转子绕组被短路，气隙磁场严重不对称，产生强大的不平衡磁拉力，引起转子剧烈振动和局部过热烧伤，是严重故障，要求两点接地保护尽快将发电机切除。
（3）保护配置：配置转子接地保护（一点接地发信号，两点接地投跳闸），通常采用注入式转子接地保护原理。
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图1 发电机二等角轴测图 |
图2 发电机上视图 |
二、发电机不正常运行状态
发电机是旋转设备，设计制造时考虑的过载能力较弱，一些不正常运行状态会严重威胁安全运行，必须及时、准确地处理。主要不正常运行状态有以下九类：
1. 定子绕组负序过电流
（1）成因：由外部不对称短路（如两相短路、单相接地）或不对称负荷（如单相负荷分配严重不均、非全相运行）引起发电机定子绕组中出现负序电流。
（2）危害：发电机承受负序过电流的能力非常弱——很小的负序电流（仅为正序电流的5%～10%）流经定子绕组，就会在转子表面感应出2倍频（100 Hz）涡流，可能引起转子铁芯的严重过热，甚至烧损发电机的铁芯、槽楔和护环（转子端部护环因感应涡流过热而松动或损坏）。
（3）保护配置：大型机组一般都配置两套反应负序过电流的保护（负序过流保护），按反时限特性动作（负序电流越大动作越快），保护转子免受热损伤。
2. 定子对称过电流
（1）成因：当外部发生对称三相短路时，发电机会向短路点输出巨大的短路电流（可达额定电流的3～5倍），引起定子绕组严重过热。
（2）保护要求：应有反应对称过电流的保护（定子过流保护），通常作为差动保护的后备，动作于跳闸或减负荷。
3. 过负荷
（1）成因：当负荷超过发电机额定容量（如多台机组中某台故障退出后，其余机组承担全部负荷）时，引起三相对称过负荷。
（2）保护要求：当发电机发生过负荷时，应及时发出告警信号（过负荷保护通常只发信号不跳闸），提醒运行人员减负荷，防止长期过载损坏绝缘。
4. 过电压
（1）成因：当发电机突然甩掉全部负荷时，由于调速器和AVR的惯性（调节滞后），转速和电压会瞬时升高，引起定子绕组过电压。
（2）危害：过电压会增加绕组绝缘的电场应力，长期或多次过电压冲击会加速绝缘老化，缩短发电机寿命（绝缘寿命与电压的指数次方成反比）。
（3）保护要求：应配置反应过电压的保护（过电压保护），动作于跳闸。
5. 过励磁
（1）成因：当发电机电压升高（如甩负荷后AVR未及时回调）或频率降低（如并网后系统频率下降）时，根据 比值增大，可引起发电机和主变压器的铁芯磁通密度增大，进入过励磁状态。
（2）危害：过励磁使铁芯磁通饱和，磁滞和涡流损耗急剧增加，使发电机铁芯及结构件过热而损坏。
（3）保护要求：应装设反应过励磁的保护（过励磁保护，反应 比值），动作于信号或跳闸。
6. 频率异常
（1）成因：发电机在非额定频率下运行（如孤网运行时频率偏移较大），可能引起机组轴系扭转共振（当扰动频率与轴系固有频率重合时）。
（2）危害：扭转共振会产生巨大的交变应力，使发电机轴系（联轴器、叶片等）产生疲劳损伤，累积后可能导致断轴事故。
（3）保护要求：应配置频率异常保护，监测频率偏离额定值的程度和时间，在超过允许限值时动作于信号或跳闸。
7. 发电机与系统之间失步
（1）成因：当发电机与系统之间的功率角（功角）超过静态稳定极限或受到大的扰动时，发电机与系统失去同步（功角持续增大，不能恢复稳定）。
（2）危害：失步时发电机与系统之间产生巨大的交换功率（有功功率在正负之间大幅摆动），巨大的交变电磁转矩使发电机无法承受而损坏。
（3）保护要求：应配置检测失步的保护装置（失步保护或失步预测保护），动作于跳闸，将发电机与系统解列。
8. 误上电
（1）成因：大型发电机-变压器组出线一般为3/2断路器接线，在发电机并网前（尚未满足同期条件时），若误合发电机出口断路器，可能导致发电机非同期并车或从系统倒送电。
（2）危害：非同期并车会产生巨大的冲击电流和电磁转矩，可能扭断转轴或损坏绕组端部。
（3）保护要求：应配置误上电保护（断路器误合保护），在发电机未达到并网条件时检测到断路器合闸而动作跳闸。
9. 启停机故障
（1）成因：发电机组在启动过程中尚未给励磁前，有可能发生了绝缘破坏的故障（如定子绕组受潮、铁芯接地等）。若能在并网前及时检测，就可以避免带故障投入运行造成的重大事故。
（2）保护要求：对于大型发电机组，配置启停机故障检测功能（启停机保护，在低转速时投入），在并网前检测定子接地、匝间短路等故障，对发电机组的安全十分有利。该保护在发电机并网后自动退出。
总结
同步交流发电机的继电保护配置应全面覆盖各类故障和不正常运行状态。定子绕组相间短路是最严重的故障，须配置纵联差动保护快速切除；匝间短路应配置横差保护或负序功率方向保护；定子单相接地须配置100%定子接地保护以防发展为相间短路；转子失磁须配置失磁保护以检测异步运行；转子一点/两点接地须分别配置发信和跳闸保护。在正常运行状态方面，负序过电流是发电机最敏感的不正常运行工况（很小的负序电流即可烧损转子），须配置反时限负序过流保护；对称过电流和过负荷分别对应跳闸和发信策略；过电压和过励磁均涉及绝缘安全，须分别配置过电压保护和 过励磁保护；频率异常、失步、误上电及启停机故障均须配置对应的专项保护装置。全面、合理的保护配置是保障发电机安全运行、延长使用寿命的关键技术手段。
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