摘要： 发电机的安全运行依赖完善的保护系统。本文系统阐述发电机过励磁保护（反应U/f增大，采用反时限特性，利用五次谐波闭锁差动保护）、逆功率保护（分逆功率与程序跳闸两种实现方式，用于保护柴油机）、低频保护（保护柴油机免受低频共振影响）、误上电保护（防止盘车状态下断路器误合闸）及断路器闪络保护（消除断口闪络事故），并说明启停机保护在低频工况下替代常规保护的功能，为发电机保护系统的配置与整定提供技术参考。
一、发电机过励磁保护
发电机的工作磁密与电压成正比、与频率成反比。对于发电机，当 （标幺值）大于1时，会引起发电机过励磁。过励磁主要表现为发电机铁芯饱和之后谐波磁密增加，使附加损耗增加，引起过热。另外由于定子铁芯背部漏磁场增强，处于这一漏磁场中的定子定位筋，也要感应出电动势，并且与相邻定位筋中的感应电动势存在相位差，并通过定子铁芯形成闭路。在定位筋附近的部位电流密度很大，将引起局部过热，造成发电机组局部烧伤。
1. 过励磁的物理机理
当发电机的U/f有较小的变化时，就有可能引起过励磁。过励磁使铁芯饱和时，漏磁场增大，使附近金属构件及油箱产生涡流损失，绕组导线也会产生涡流损失。这些损失造成发热，使绝缘受损及金属构件机械变形。此外，铁芯饱和时，励磁电流急剧增大，且含有大量高次谐波分量。而铁芯和其他金属部件的涡流损耗与频率平方成正比，所以将会导致发电机严重过热。如果过励磁倍数较大，且持续运行时间过长，将使发电机绝缘老化，缩短发电机的寿命，甚至遭到损坏。因此，对于造价高、检修困难、停电损失较大的大型发电机应装设专用的过励磁保护。
2. 五次谐波作为过励磁特征量
当发电机发生过电压时，发电机的励磁电流也将急剧增大，而这一励磁电流中的三次谐波和五次谐波成分十分显著。在其他工况下三次谐波也会经常出现，特别是内部短路电流很大时将有很显著的三次谐波成分。因此三次谐波不能作为判断过励磁的特征量，而五次谐波则可作为判断特征量，发电机差动保护一般选择五次谐波与基波的比不小于35％作为过励磁闭锁差动保护的判据。
3. 过励磁保护的整定原则与动作特性
一般来说，发电机承受过励磁能力比发电机要弱一些，当发电机和发电机之间不设断路器时，过励磁保护可按发电机过励磁特性来整定。过励磁保护可采用定时限和反时限两种，对于大型发电机组一般采用反时限特性。过励磁保护反应过励磁倍数 的增加而动作，n的反时限允许特性曲线见图1。
过励磁保护动作逻辑框图如图2所示。保护通过对U/f的实时监测，在过励磁倍数超过允许值时按反时限特性动作，跳开主断路器或启动程序跳闸，防止发电机因过励磁过热而损坏。
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图1 发电机过励磁保护反时限允许特性曲线图 |
图2 发电机过励磁保护动作逻辑框图 |
二、发电机逆功率保护
逆功率保护是柴油发电机组并机或并网运行时一道至关重要的安全防线。它不仅是保护昂贵的发电机本身（发电机外观如图3所示），更是为了保障整个电力系统的稳定运行。对于技术人员来说，理解其工作原理，并根据具体机组和项目要求，正确整定动作功率和延时参数，是确保系统安全可靠运行的必要前提。
1. 什么是逆功率？为什么会发生？
在柴油发电机组并联运行或与市电并网的工况下，正常情况下功率是从发电机组流向负载或电网。若因某种原因（如柴油机燃油供应中断、调速器故障、原动机突然熄火等），发电机组失去动力，而此时出口断路器未跳开，它就会反过来从系统吸收有功功率。此时，发电机变成了电动机在运行，这种现象就是“逆功率”。
在逆功率运行状态下，机组吸收的有功功率虽然可能不大（约为额定值的4%~5%），但其危害却非常严重：
（1）损坏原动机：发电机变成电动机后，会反过来拖动已经停机的柴油机旋转。这会使得柴油机内部的运动部件产生反向力矩和异常磨损，严重时甚至可能因未燃尽的燃油爆炸、高温而着火。
（2）威胁系统安全：逆功率会导致并网运行的其他机组过载，严重时可能引发大面积跳闸，造成供电中断。
2. 逆功率保护装置的原理与整定
逆功率保护（又称功率方向保护）的核心任务，就是在检测到逆功率并持续一定时间后，迅速发出报警信号或驱动跳闸，将故障机组与系统解列。其特性曲线如图4所示。
（1）检测原理
装置通过检测发电机的电压与电流信号及其相位关系，来判断有功功率的方向和大小。逆功率保护通常配置为反时限特性：逆功率越严重，动作时间越短。部分大型机组还配置两套独立的逆功率保护（如程序跳闸逆功率和电气逆功率保护）。
（2）关键参数整定
在实际应用中，逆功率保护的两个核心整定参数是动作功率和动作延时。
对于动作功率，中小型柴发机组（300至3200kW）则常在10%至20%之间选取，也可按插孔档位如8%、12%、16%额定功率进行整定。
对于动作延时，多数机组在3至10秒之间整定。
3. 计算示例
根据《继电保护及二次回路速查速算手册》：对于一台额定功率750kW、额定电压400V、功率因数0.8的柴油发电机组，其额定电流约为1353A。若选用1500/5A的电流互感器，将逆功率继电器插销置于12%档位时，实际动作功率约为额定功率的13.3%，可满足要求，动作延时取5s。
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图3 发电机后侧视角图 |
图4 柴油发电机组逆功率保护动作特性曲线 |
三、发电机低频保护
发电机低频保护主要用于保护柴油机不受低频共振的影响。柴油机各节叶片都有一共振频率，当系统频率接近或等于共振频率时，将引起叶片的共振而损坏柴油机。低频运行对于柴油机而言是个疲劳过程，一般柴油机低频运行累计达一定时间，柴油机将达到疲劳寿命。因此，低频运行的时间是个积累的过程，而且不同的低频有不同的积累速度。
1. 低频保护的物理背景
（1）叶片共振机理。柴油机的各级叶片具有不同的固有频率（高阶叶片固有频率较高，低阶叶片固有频率较低），当系统频率（通常为50Hz或60Hz）下降至接近某一级叶片的固有频率或其倍频时，叶片将发生共振，导致叶片疲劳裂纹甚至断裂。
（2）低频运行的累计损伤特性。低频运行对柴油机叶片而言是一个疲劳损伤积累过程。累计低频运行时间越长，叶片损伤越严重，当累计时间达到设计允许值时，叶片将达到疲劳寿命极限，可能发生断裂事故。
（3）不同低频段的损伤速度差异。低频越低，与叶片共振频率越接近，损伤速度越快。因此，低频保护通常采用分段累计的方式，对不同的频率区间设置不同的累计速度系数。
2. 低频保护的实现方式
（1）频率监测与累计。低频保护反应系统频率的降低，当频率低于整定值（通常为49.5Hz或59.5Hz）时开始计时，按频率偏离程度以不同速度累计“低频运行时间”。频率越低，累计速度越快，保护动作时间越短。
（2）累计值的非易失性存储。保护装置停运不影响“低频运行的时间”累计值。即使发电机组停机或保护装置退出运行，累计值仍保存在非易失性存储器中，待下次运行时继续累加。
（3）分段定时限动作特性。低频保护通常采用分段定时限特性，例如：频率低于48Hz时，允许运行时间300秒；频率低于47.5Hz时，允许运行时间60秒；频率低于47Hz时，允许运行时间10秒。保护动作后跳开主断路器并发出报警信号。
3. 低频保护的投入与退出
低频保护受出口断路器辅助触点闭锁，即发电机退出运行时低频保护也自动退出运行。在发电机并网运行期间，低频保护始终投入；在发电机解列或停机状态下，低频保护退出运行，防止在检修或停机期间误发动作信号。发电机低频保护动作逻辑框图如图5所示。
图5 发电机低频保护动作逻辑框图
四、发电机误上电保护及断路器闪络保护
1. 发电机误上电保护
发电机在盘车状态下（低速旋转），主断路器误合闸，系统三相电压突然加在机端，使同步发电机处于异步启动工况，此时，由系统向发电机定子绕组倒送大电流。定子气隙同步旋转磁场和转子有较大滑差，在转子本体中感应差频电流，会引起转子过热而损伤，是一种破坏性很大的故障。目前，大型发变组广泛采用500kV电压等级，3/2断路器的接线方式增加了误上电的几率。为了大型发电机组的安全，通常要求装设误上电（误合闸）保护。
误上电保护原理有多种，其中一种将启停机过程分为两个阶段，以开机为例。第一阶段：开机→合磁场开关。在此期间，由于无励磁，发电机不可能进行并网操作，因此只要发电机断路器合闸和定子有电流，则必然为误上电，瞬时跳闸。第二阶段：合磁场开关→并网。在此期间，用阻抗元件来区分并网和误上电，并且误上电情况越严重，跳闸也越快。误上电保护逻辑框图见图6，保护动作的几种情况及判别如下：
（1）发电机盘车时，未加励磁，断路器误合，造成发电机异步启动。采用两组TV均低电压延时t1投入，电压恢复，延时t2（与低频闭锁判据配合）退出。
（2）发电机启停过程中，已加励磁，但频率低于定值，断路器误合。采用低频判据延时t3投入，频率判据延时t4返回，其时间应保证跳闸过程的完成。
（3）发电机启停过程中，已加励磁，但频率高于定值，断路器误合或非同期。采用断路器位置接点，经控制字可以投退。判据延时t3投入（考虑断路器分闸时间），延时t4退出，其时间应保证跳闸过程的完成。
当发电机非同期合闸时，如果发电机断路器两侧电动势相差180°附近，非同期合闸电流太大，跳闸易造成断路器损坏，此时闭锁跳出口断路器，先跳灭磁开关，当断路器电流小于定值时再动作于跳出口断路器。高压厂用发电机低压侧断路器误合，也会导致发电机异步启动，高压厂用发电机侧断路器误合只经过低频判据闭锁。误上电保护动作，跳开主断路器，若主断路器拒动，应启动失灵保护。误上电保护在发电机并网后自动退出运行，解列后自动投入运行。
2. 断路器闪络保护
大型发变组在与系统进行并列过程中，断路器主触点两断口之间可能承受两侧电动势绝对值之和（δ＝180°）的高电压，有时会造成断口闪络事故。在高压侧断路器刚跳开不久的一段时间内，两断口之间也可能短时承受高电压而引起闪络。为尽快消除断口闪络故障而装设断路器闪络保护。
如果断路器未合闸而发电机定子有电流，则认为断路器发生闪络。断口闪络只考虑一相或两相，不会三相同时闪络。判断条件为：
（1）断路器三相位置接点均为断开状态；
（2）负序电流大于整定值；
（3）发电机已加励磁，机端电压大于一固定值。
保护动作首先使发电机灭磁，以降低断口电压，使之停止闪络，无效时再启动失灵保护。
图5 发电机误上电保护逻辑框图
五、启停机保护
发电机未与系统并网的启动或停机过程中，频率大幅度偏离额定值，谐波制动的发电机差动保护、三次谐波定子接地保护、负序电流保护等均不能正常工作。因此，要求配置在低频下能工作的反应相间故障和定子接地故障的保护。
1. 启停机保护的配置内容
（1）差回路过流保护。对于发电机、厂用变、励磁变的故障，各配置一组差回路过流保护。该保护采用不受频率影响的算法，在低频工况下仍能可靠检测相间短路故障。
（2）零序过电压保护。对于发电机定子接地故障，配置一套零序过电压保护，用于检测启停机过程中的定子接地故障。
2. 启停机保护的频率适应性
由于发电机启动或停机过程中，定子电压频率很低，因此保护采用不受频率影响的算法（如基于瞬时值采样积分或傅里叶算法的改进形式），以实现启停机过程中对发电机的保护。
3. 启停机保护的投入与退出方式
上述启停机保护的投入可经低频元件闭锁，也可经断路器位置辅助接点闭锁。当发电机频率低于某一整定值（通常为45Hz）时，启停机保护自动投入；当频率恢复至正常范围后，保护自动退出。
4. 其他过负荷保护
发电机还配置有定子绕组对称过电流/过负荷保护、励磁绕组过电流/过负荷保护等。这些保护通常均采用反时限特性。励磁绕组过负荷保护反应励磁绕组的平均发热状况，保护动作量既可以取励磁变（励磁机）电流，也可以直接反应发电机转子电流。
总结： 发电机过励磁保护通过监测U/f比值，利用反时限特性在过励磁倍数超限时动作，以五次谐波作为特征量闭锁差动保护。逆功率保护通过检测发电机从系统吸收的有功功率，分逆功率（整定值1%～3%额定功率，延时1～5s）和程序跳闸（整定值0.5%～1%额定功率）两种方式实现，保护柴油机尾部叶片。低频保护累计低频运行时间，防止柴油机叶片共振损坏。误上电保护在盘车及启停过程中防止断路器误合闸，闪络保护检测断路器断口闪络并优先灭磁。启停机保护在低频工况下（频率低于45Hz自动投入）替代常规差动和接地保护，确保启停过程中的机组安全。上述保护协同工作，构成了大型发电机组完整的异常运行保护体系。
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