纵联差动保护原理

一、发电机相间短路的纵联差动保护
将发电机两侧变比和型号相同的电流互感器二次侧图示极性端纵向连接起来，差动继电器KD 接于其差回路中，当正常运行或外部故障时，I 1 与 I 2 反向流入，KD 的电流为
11TA I
n - 22
TA I n =1I '
- 2I '≈0 ，故KD 不会动作。

当在保护 区内K2点故障时， I1与 I2 同向流入，KD 的电流为：
11TA I n + 22TA I n =1I '
+ 2I '=2k TA
I n
当
2
k TA
I n 大于KD 的整定值时，即 1I ' - (3)max
max /unb st unp i k TA I K K f I n =≠
0 ,KD 动作。

这里需要指出的是：上面的讨论是在理想情况下进行的，实际上两侧的电流互感器的特性（励磁特性、饱和特性）不可能完全一致，误差也不一样，即nTA1≠nTA2，正常运行及外部故障时，
2
k TA
I n ≥I set ，总有一定量值的电流流入KD, 此电流称为不平衡电流，用Iunb 表示。

通常，在发电机正常运行时，此电流很小，当外部故障时，由于短路电流的作用，TA 的误差增大，再加上短路电流中非周期分量的影响，Iunb 增大，一般外部短路电流越大，Iunb 就可能越大，其最大值可达：
.min
.min .min
()brk brk op ork brk op I I I K I I I >≥≤+
式中：Kst ——同型系数，取；
Kunp ——非周期性分量影响系数，取为1～； fi ——TA 的最大数值误差，取。

为使KD 在发电机正常运行及外部故障时不发生误动作， KD 的动作值必须大于最大平衡电流，即Iop=
(Krel 为可靠系数，取）。

越大，动作值Iop 就越大，这样就会使保护在发电机内部故障的灵敏度降低。

此时，若出现较轻微的内部故障，或内部经比较大的过渡电阻Rg 短路时，保护不能动作。

对于大、中型发电机，即使轻微故障也会造成严重后果。

为了提高保护的灵敏系数，有必要将差动保护的动作电流减小，要求最小动作电流=（IN 为发电机额定电流），而在任何外部故障时不误动作。

显然，图所示的差动保护整定的动作电流已大于额定电流，无法满足这种要求。

具有比率制动特性的差动保护
保护的动作电流Iop 随着外部故障的短路电流而产生的Iunb 的增大而按比例的线性增大，且比Iunb 增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作。

这是把外部故障的短路电流作为制动电流Ibrk,而把流入差动回路的电流作为动作电流Iop 。

比较这两个量的大小，只要IOP ≥Ibrk ，保护动作；反之，保护不动作。

其比率制动特性折线如图 所示。

动作条件：分两段
.min op op I I > .min ork brk I I ≤
.min .min ()op ork brk op I K I I I ≥≤+ .min brk brk I I >
式中， K 为制动特性曲线的斜率（也称为制动系数）。

在图(a ）中，选取W1=W2=,DKB1、DKB2二次绕组匝数相同a 。

制动电流：
121()2brk I I I ''=
+
差动回路电流：12
op I I I ''=-
当外部短路时，12K TA
I I I n ''
==
，制动电流为
121()
2brk
I I I ''=+K TA I n 动作电流
为 12
D I I I ''
=- ， ，保护不动作。

当正常运行时，则
12N
TA
I I I n ''
==
121()
2brk
I I I ''=+.min N brk TA I I
n ==
当Ibrk ≤，可以认为无制动作用，在此范围内有最小动作电流为，而此时
120
op I I I ''
=-≈ ，保护不动作。

当内部故障时，2I
'
反向且
1
2I I
''≠
，则
121()2brk I I I ''=
+ 为
两侧短路电流之差，数值小，而 1211op k TA
I I I I n ''
=-=
大，保护能动作。

特别是当 12
I I ''
= 时，Ibrk=0，此时，只需取～）保护就能动作，保护灵敏度大
大提高了。

当 21110,,2brk op I I I I I '
'
'==
=， ，保护也能动作。

二、发电机定子绕组的横联差动电流保护
当发生任何一种定子绕组的匝间短路时，有一短路电流流进两中性点连线00′上，这是由于A 、B 、C 三相对中性点之间的电势平衡被破坏，则两中性点的电位不等之缘故。

利用流入两中性点连线的零序电流，构成单继电器式横联差动保护。

即在两分支绕组的中性点的连线上装一只电流互感器，保护就装在此电流互感器的二次侧。

当正常运行时，每个并联分支的电势是相等的，三相电势是平衡的，则两中性点无电压差，
连线上无电流流过（或只有数值较小的不平衡电流），保护不会动作。

当发生任何一种类型的匝间短路时，两中性点的连线有零序电流通过，保护反应于这一电流而动作。

这就是发电机横联差动保护的原理。

由于发电机电流波形即使是在正常运行时也不是纯粹的正弦波，尤其是当外部故障时，波形畸变较严重，从而在中性点的连线上出现以三次谐波为主的高次谐波分量，给保护的正常工作造成影响，为此，保护装设了三次谐波滤过器，消除其影响，从而提高保护的灵敏度。

横联差动保护原理图
转子回路发生两点接地故障时，转子回路的磁势平衡被破坏，则在定子绕组并联分支中所感应的电势不同，三相电势平衡被破坏，从而使并联分支中性点连线上通过较大的电流，造成横差动保护误动作。

若此两点接地故障是永久性的，则这种动作是允许的（最好是由转子两点接地保护切除故障，这有利于查找故障），但若两点接地故障是瞬时性的，则这种动作瞬时切除发电机是不允许的。

因此，需增设～1s 的延时，以躲过瞬时两点接地故障。

也就是当出现转子一点接地时，即将切换至延时回路，为转子永久性两点接地故障做好动作准备。

根据运行经验，保护的动作电流为：
(0.2
op
I 0.3)/
N TA
I n
式中：IN——发电机的额定电流。

这种保护的灵敏度是较高的。

在切除故障时有一定的死区，即：①单相分支匝间短路的α较小时，即短接的匝数较少时；②同相两分支间匝间短路，且α1= α2，或α l 与α2差别较小时。

对于单“Y ”接线的发电机，宜采用下列保护。

发电机定子绕组的单相接地保护
发生定子绕组单相接地故障的主要原因是，高速旋转的发电机，特别是大型发电机（轴向增长）的振动，造成机械损伤而接地；对于水内冷的发电机（大型机组均是采用这种冷却方式），由于漏水致使定子绕组接地。

发电机电压系统定子绕组单相接地时接线如图(a ）所示，设发电机每相定子绕组对地电容为CM ，外接每相对地电容为Ct ，当A 相绕组距中性点外单相接地时：
AK A A BK B A
CK C A U E E U E E U E E ααα=-=-=-
03
3AK BK CK A U E E E E α=++=-
00A U E U E ϕ
αα=-
=
发电机内部单相接地故障示意图
c
由于电压互感器二次开口三角形绕组的输出电压Umn在正常运行时近似为零，而在发电机出口端（机端）单相接地时为Umn＝l00V。

因此，当故障发生在0＜α＜1 的位置时，Umn= α·100V，上式所表示的关系，在图中为一直线，零序电压保护继电器的动作电压应躲开正常运行时的不平衡电压（主要是三次谐波电压），其值为15～30V，考虑采用滤过比高的性能良好的三次谐波滤过器后，其动作值可降至5～10V，则保护的死区为α=～。

若定子绕组是经过渡电阻Rg单相接地时，则死区更大，这对于大、中型发电机是不能允许的，因此，在大、中型发电机上应装设能反映100％定子绕组单相接地保护。

三次谐波零序电压保护
机端及中性点侧的三次谐波电压和：
l）正常运行时的三次谐波电压
正常运行时相电势中会有三次谐波电势，其等效图如图所示。

机端：
2
M
S S
M t
C
U E
C C
=
+
中性点端：
2
N S
M t U E
C C
=
+
所以，
1
2
S M
N M t
U C
U C C
=<
+
当发电机中性点经高阻抗接地时，上式仍然成
立
2）当定子绕组单相接地时的三次谐波电压
当定子绕组单相接地时也会有三次谐波电压，其等效图如图(a ）所示。

33(1)1S N S
N
U E U E U U ααα
α
=-=-=
当α >50% 时 ，
S
N U U ≥ 当α≤50% 时，
S
N
U U <
其关系如图(b ）所示。

如果以此作为动作条件，则这种原理的保护的“死区”为a>50%，但若将这种保护与基波零序电压保护共同组合起来，就可以构成保护区为100％的定子绕组单相接地保护。

发电机励磁回路一点接地保护
切换测量原理保护方案
将一个电阻和电容网络接在转子绕组两端，通过顺序切换的方法改变网络的结构，并对三个有关的支路电流进行采样、记忆进行比较，达到测量励磁回路对地电阻的目的。

如图所示，电容的作用是消除转子电压中谐波分量及干扰电压对继电器的影响。

图 转子一点接地保护测量网络
假设接地故障发生在转子绕组中部任一点，将转子电压分为Uf1和Uf2，故障点电阻为RX 。

开关S1单独闭合时，稳态电流 1
112f X U I R R R =
++ 经采样保持和整理后在装
置内得到与I 1成正比的电压U 1:
同理，开关S1与S2分别单独闭合时，相应的有：
22221332
33334f
S
f X
K U U K I R R R K U U K I R R R ==++==
++取R1=R3=Ra ，R2=R4=Rb(Ra 、Rb
皆为选定的参数）,Kl=K2=K ，则上述三式可改写为：
1
11
222
33
2f a b X
f a S
f a b X
KU U KI R R R K U U R R KU U KI R R R =+++=+=
=++
可选择保护的动作判据为：
123U U U +≥对于给定的Ra 、Rb 、RX 、K2及K ，当上式等号成立时，RX 便为检测
到的最大接地电阻，若K2取固定值，则改变K 可以调整灵敏性。

K2值可根据灵敏性要求,由式（）取等号求出，即
装置动作时对应的RX 为
2
(2)()
X a S a b K
R R R R R K ≤+-+
对于给定的Ra 、Rb 、RX 、K2及K ，当上式等号成立时，RX 便为检测到的最大接地电阻，若K2取固定值，则改变K 可以调整灵敏性。

K2值可根据灵敏性要求,由式（）取等号求出，即
2.max
(2)
a S a
b X K R R K R R R +=
++
发电机励磁回路两点接地保护
当转子绕组发生两点接地故障，由于故障点流过相当大的短路电流，因而会烧伤转子； 由于部分绕组被短接，励磁绕组电流增加，转子可能因过热而损伤； 气隙磁通失去平衡，会引起机组剧烈振动，可能因此而造成灾难性破坏。

汽轮发电机转子绕组两点接地故障，还可能使轴系和汽机磁化。

因此，两点接地故障的后果是严重的，必须装设有效的励磁回路两点接地保护，立即跳闸。

励磁回路两点接地继电器可由电桥原理构成，其原理接线及装置方框图如图 所示。

由电桥平衡原理构成的励磁回路两点接地保护有两个缺点：
① 由于两点接地保护只能在转子绕组一点接地后投人，所以，对于发生两点同时接地，
或者第一点接地后紧接着发生第二点接地的故障，保护装置均不能反映。

②若第一个接地点发生在转子绕组的正极或负极端，则因电桥失去作用，不论第二点接地发生在何处，保护装置将拒动。

电桥原理转子两点接地继电器电路原理接线及方框图。