发电机差动保护原理

发电机差动保护原理5.1 发电机比率制动式差动保护比率制动式差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护。

5.1.1保护原理5.1.1.1比率差动原理。

差动动作方程如下：I op ≥ I op.0 ( I res ≤ I res.0 时)I op ≥ I op.0 + S(I res – I res.0) ( I res > I res.0 时)式中：I op 为差动电流，I op.0为差动最小动作电流整定值，I res 为制动电流，I res.0为最小制动电流整定值，S 为比率制动特性的斜率。

各侧电流的方向都以指向发电机为正方向，见图5.1.1。

差动电流： N T op I I I ⋅⋅+=制动电流： 2N T res I I I ⋅⋅-= 式中：I T ，I N 分别为机端、中性点电流互感器(TA)二次侧的电流，TA 的极性见图5.1.1。

图5.1.1 电流极性接线示意图（根据工程需要，也可将TA 极性端均定义为靠近发电机侧）5.1.1.2 TA 断线判别当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动TA 断线判别程序，满足下列条件认为TA 断线：a. 本侧三相电流中至少一相电流为零；b. 本侧三相电流中至少一相电流不变；c. 最大相电流小于1.2倍的额定电流。

5.2发电机匝间保护发电机匝间保护作为发电机内部匝间短路的主保护。

根据电厂一次设备情况，可选择以下方案中的一种：5.2.1故障分量负序方向(ΔP 2) 匝间保护该方案不需引入发电机纵向零序电压。

故障分量负序方向(ΔP 2)保护应装在发电机端，不仅可作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组开焊的保护。

5.2.1.1保护原理当发电机三相定子绕组发生相间短路、匝间短路及分支开焊等不对称故障时，在故障点出现负序源。

故障分量负序方向元件的2.U ∆和2.I ∆分别取自机端TV 、TA ，其TA 极性图见图5.2.1.1，则故障分量负序功率∆P 2为：⎥⎦⎤⎢⎣⎡⨯∆⨯∆=∆-Λ•2.2223sen j e e I U R P ϕ 式中2Λ∆I 为2•∆I 的共轭相量，ϕsen 。

2为故障分量负序方向继电器的最大灵敏角。

一般取60︒~80︒(2.I ∆滞后2.U ∆的角度)。

故障分量负序方向保护的动作判据可表示为：P e I U R ε>⎥⎦⎤⎢⎣⎡∆⨯∆Λ•22' 2.22'sen j e I I ϕ-ΛΛ∆=∆实际应用动作判据综合为：u U ε>∆•2i I ε>∆•2∆ P 2 = ∆ U 2r ⋅ ∆ I ’2r + ∆ U 2i ⋅ ∆ I ’2i > εP(εu 、εi 、εP 为动作门槛)保护逻辑框图见图5.2.1.2。

图5.2.1.1 故障分量负序方向保护极性图图5.2.1.2 故障分量负序方向保护逻辑框图5.2.2发电机纵向零序过电压及故障分量负序方向型匝间保护本保护不仅作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组开焊的保护。

5.2.2.1保护原理发电机定子绕组发生内部短路，三相机端对中性点的电压不再平衡，因为机端电压互感器中性点与发电机中性点直接相连且不接地，所以互感器开口三角绕组输出纵向3U0，保护判据为：| 3U0 | > U set式中，U set为保护的整定值。

发电机正常运行时，机端不平衡基波零序电压很小，但可能有较大的三次谐波电压，为降低保护定值和提高灵敏度，保护装置中增设三次谐波阻波功能。

为保证匝间保护的动作灵敏度，纵向零序电压的动作值一般整定较小，为防止外部短路时纵向零序不平衡电压增大造成保护误动，须增设故障分量负序方向元件为选择元件，用于判别是发电机内部短路还是外部短路。

故障分量负序方向元件采用图 5.2.1.2所示的逻辑，方案二的综合框图见图5.2.2。

发电机并网后运行时，纵向零序电压元件及故障分量负序方向元件组成“与”门实现匝间保护；在并网前，因ΔI2=0，则故障分量负序方向元件失效，仅由纵向零序电压元件经短延时t1实现匝间保护。

并网后不允许纵向零序电压元件单独出口，为此以过电流I>I set闭锁该判据，固定I set=0.06I n。

&&&&图5.2.2 匝间保护方案二逻辑框图5.2.3高灵敏零序电流型横差保护高灵敏零序电流型横差保护，作为发电机内部匝间、相间短路及定子绕组开焊的主保护。

5.2.3.1保护原理本保护检测发电机定子多分支绕组的不同中性点连线电流(即零序电流)3I 0中的基波成分，保护判据为：判据1（无制动特性）：I op ≥ I set ， I set 为动作电流的整定值，见后判据2（有制动特性）：I op ≥ I op.0 ( I res ≤ I res.0 时)0.0.0.0.)(op res res res op op I I I I S I I ⨯-+≥ ( I res > I res.0 时) 式中：I op 为横差电流，I op.0为横差最小动作电流整定值，I res 为制动电流（取机端三相电流最大值），I res.0为最小制动电流整定值，S 为比率制动特性的斜率。

判据1、2均可单独构成横差保护，用户可通过控制字进行选择。

发电机正常运行时，接于两中性点之间的横差保护，不平衡电流主要是基波，在外部短路时，不平衡电流主要是三次谐波成分，为降低保护定值和提高灵敏度，保护中还增加有三次谐波阻波功能。

横差保护瞬时动作于出口，当转子发生一点接地时，横差保护经延时t 动作于出口，t 一般整定为0.5s 。

该方案的综合逻辑框图如图5.2.3。

&&&t5.3 变压器（发-变组、高厂变、励磁变）差动保护比率制动式差动保护是变压器（发-变组、高厂变、励磁变）的主保护，能反映变压器内部相间短路故障、高压侧单相接地短路及匝间层间短路故障；保护能正确区分励磁涌流、过励磁故障。

保护采取自适应提高定值的方式，防止外部故障时由于TA 饱和引起差动误动，当差流中的三次谐波与基波的比值大于某一定值时，自动提高比率制动差动的动作值、改变比率制动系数和最小制动电流，进一步提高保护的可靠性。

发-变组保护装置最多可实现6侧差动，动作特性图如下： 2 n n制动电流( res)动作电流( o p )res.0图5.3.1 比率差动动作特性图图中阴影部分要经过励磁涌流判别、TA 断线判别和TA 饱和判别后才出口，双阴影部分只要经过励磁涌流判别就出口。

5.3.1比率差动原理差动动作方程如下I op > I op.0 ( I res ≤ I res.0)I op ≥ I op.0 + S(I res – I res.0) ( I res > I res.0 ) (5-3-1)I res >1.2 I nI op ≥ 1.2I n + 0.8(I res –1.2 I n ) ( I res >1.2 I n ) (5-3-2)I op 为差动电流，I op.0为差动最小动作电流整定值，I res 为制动电流，I res.0为最小制动电流整定值，S 为比率制动特性斜率，I n 为基准侧电流互感器的额定二次电流，各侧电流的方向都以指向变压器为正方向。

对于两侧差动：I op = | •I 1 + •I 2 | (5-3-3)I res = |•I 1 - •I 2| / 2 (5-3-4)对于三侧及以上差动：I op = | •I 1 +•I 2 +…+ •I n | (5-3-5)I res = max{ |•I 1|，|•I 2|，…，|•I n | } (5-3-6)式中：3≤n ≤6，•I 1，•I 2，。

•I n 分别为变压器各侧电流互感器二次侧的电流。

判据(5-3-1)为低定值的比率制动差动，判据(5-3-2)为高定值比率制动差动。

5.3.2 励磁涌流判别装置提供两种励磁涌流识别判据，用户可根据需要由控制字进行选用，该控制字设为“1”时，励磁涌流判据为波形畸变判据；该控制字设为“0”时，励磁涌流判据为二次谐波判据。

5.3.2.1二次谐波判据保护利用三相差动电流中的二次谐波分量作为励磁涌流闭锁判据。

判别方程如下：1.22.op op I K I ⋅> (5-3-7) 式中：I op.2为A ，B ，C 三相差动电流中最大二次谐波电流，K 2为二次谐波制动系数，I op.1为三相差动电流中最大基波电流。

该判据闭锁方式为“或”闭锁，即涌流满足(5-3-7)式，同时闭锁三相保护。

5.3.2.2波形畸变判据保护利用每相差流波形的畸变作为励磁涌流闭锁判据。

判别方程如下：S sum+ > K * S sum — (5-3-8)式中：S sum +为差动电流采样点的不对称度值， S sum -为对应差动电流的对称度值，K 为某一固定系数。

该判据闭锁方式为“或”闭锁，即任一相涌流满足(5-3-8)式，同时闭锁三相保护。

5.3.3 TA 饱和判别保护利用每相差流中的三次谐波分量作为TA 饱和闭锁判据。

判别方程如下：I 3 > K 3 * I 1 (5-3-9)式中：I 3为每相差流中三次谐波电流，K 3为三次谐波比例系数（装置内部固定，不需整定），I 1为对应基波电流。

任一相差流满足(5-3-9)式，比率制动差动自动改变该相的最小动作电流和比率制动斜率，保证差动保护正确、可靠动作。

5.3.4 TA 断线判据当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动TA 断线判别程序，满足下列条件认为TA 断线:● 本侧三相电流中至少一相电流不变；● 最大相电流小于1.2倍的额定电流；本侧三相电流中至少有一相电流为零。

5.3.5 差流速断保护当任一相差动电流大于差流速断整定值时瞬时动作于跳各侧断路器。

5.3.6 差流越限当差动电流超过一定值时，发告警信号。

差流越限定值可整定。

5.4 励磁机比率制动式差动保护比率制动式差动保护是励磁机内部相间短路故障的主保护，保护原理同发电机比率制动式差动保护。

5.5定子接地保护作为发电机定子回路单相接地故障保护，当发电机定子绕组任一点发生单相接地时，该保护按要求的时限动作于跳闸或信号。

5.5.1 保护原理基波零序电压保护发电机从机端算起的85%~95%的定子绕组单相接地；三次谐波电压保护发电机中性点附近定子绕组的单相接地。

5.6 转子一点接地保护该保护主要反映转子回路一点接地故障。

5.6.1 保护原理采用乒乓式开关切换原理，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻值和接地位置。

5.7转子一点接地加两点接地保护发电机励磁回路一点接地故障，对发电机并未造成危害，但若再相继发生第二点接地故障，则将严重威胁发电机的安全。