(電氣工程設計)電氣主設備保護

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（建筑電氣工程）電氣主設

備保護

20XX年XX月

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電氣主設備繼電保護

華北電力大學

張舉

目錄

緒論大機組的特點及其保護配置

第一章發(fā)電機的繼電保護

第一節(jié)發(fā)電機的故障和不正常運行狀態(tài)及配置的保護方式

第二節(jié)發(fā)電機的縱聯(lián)差動保護

第三節(jié)發(fā)電機的匝間短路保護

第四節(jié)發(fā)電機的定子繞組單相接地保護

第五節(jié)發(fā)電機的失磁保護

第六節(jié)發(fā)電機的后備保護

第二章電力變壓器的繼電保護

第一節(jié)電力變壓器的故障、不正常運行狀態(tài)及配置的保護方式

第二節(jié)變壓器的差動保護

第三節(jié)變壓器的勵磁涌流分析

第四節(jié)變壓器的接地保護

第三章母線的繼電保護

第一節(jié)概述

第二節(jié)母線的電流差動保護

第三節(jié)電流比相式母線保護和母聯(lián)相位差動保護

第四節(jié)微機型母線保護

第五節(jié)斷路器失靈保護

緒論大機組的特點及其保護配置

一發(fā)電機單機容量增大，主變?nèi)萘吭黾?/p>

發(fā)電機單機容量：100MW.200MW,300MW,600MW,800MW,1300MW

變壓器容量：120MVA,240MVA,360MVA,720MVA

(一)設計方參數(shù)方面

1材料利用率高

的絕對值增加，但與容量的比值減小，產(chǎn)生以下影響。

(1)慣性時間常數(shù)咸小。

H為機組從加速到時所需的時間。

(2)發(fā)電機結(jié)構(gòu)緊湊，熱容量減小。

減小。一瓦.秒/；一損耗。

定子繞組：時，中小機組可運行2分鐘。而600MW機組僅可運行30秒。

轉(zhuǎn)子繞組：時，中小機組可運行30秒。而600MW機組僅可運行10秒。

(3)發(fā)電機承受負序電流的能力降低。

值減小。

中小機組：水輪機組；40汽輪機組30

大機組：汽輪機組4

2發(fā)電機參數(shù)方面

(1)增大，中小機組：1.7;600MW機組：2.5~2.7。

穩(wěn)態(tài)短路電流值減小。影響發(fā)電機后備保護的靈敏度。

⑵增大，功率極限下降，穩(wěn)定儲備降低。

(3)增大，發(fā)電機的平均異步轉(zhuǎn)矩下降，發(fā)電機異步運行的滑差增大，從系統(tǒng)吸收的無功

增加。

(4)增大，維持發(fā)電機額定電壓所需的勵磁電流增大。由于突然甩負荷引起的過電壓、

過勵磁嚴重。

(5)增大，中小機組：0.125~0.15;600MW機組：0.3~0.4。短路電流的周期分量

減小。主保護靈敏度降低。

(6)大機組的增大，減小，定子繞組時間常數(shù)增大，短路電流中的非周期分量衰減慢。

(二)結(jié)構(gòu)工藝方面

1大機組的冷卻方式復雜，大多數(shù)采用水一氫一氫方式。通風槽結(jié)構(gòu)復雜，發(fā)生故障后修復

困難。

2大機組軸向長度與直徑的比明顯增大，運行時的振動加劇。匝間的絕緣磨損快，容易發(fā)生

匝間短路。

3大機組的并聯(lián)分支多，尤其是水輪發(fā)電機。中性點引出方式復雜。水輪發(fā)電機多采用分布

中性點，汽輪發(fā)電機的中性點難于引出六個抽頭，給匝間保護的實現(xiàn)帶來困難。

(三)運行方面

1大機組的勵磁系統(tǒng)復雜，可靠性較低。發(fā)生過電壓，失磁故障的幾率增加。

2采用自并勵系統(tǒng)的發(fā)電機，應考慮故障后短路電流快速衰減的問題。

3發(fā)生異常運行的工況多，例如逆功率，低頻、非全相、誤上電等。

4采用發(fā)電機變壓器組的接線方式，發(fā)電機變壓器之間無斷路器，機端故障和發(fā)電機失磁后

使廠用電電壓嚴重下降。

各型機組額定電流

200600

667889

0.90.9

19.2421.38

二大機組保護的配置

加強主保護，適當簡化后備保護。最大限度保證機組的安全可靠運行。

保護的類型可分為：主保汨、后備保護、異常運行保護、非電量保護。

保護方案：小機組：采用單主、單后備方式。

中等機組：雙主、單后備方式。

大機組：雙主、雙后備方式。

保護的動作對象：

高壓側(cè)斷路器、母聯(lián)斷路器、滅磁開關、廠用變壓器低壓側(cè)斷路器。

保護還需提供的出口：

關主汽門(水輪發(fā)電機關導水翼)、減勵磁、切換廠用電、起動失靈。

保護的跳閘方式：

(1)全停：跳高壓側(cè)斷路器、滅磁、跳廠變低壓側(cè)斷路器、關主汽門、切換

廠用電。

⑵解列滅磁：跳高壓側(cè)斷路器、滅磁、汽機甩負荷。

⑶解列；跳高壓側(cè)斷路器、汽機甩負荷。

(4)程序跳閘：對汽輪發(fā)電機首先關主汽門，待逆功率后，逆功率保護動作，再

跳開發(fā)電機斷路器并滅磁，對水輪發(fā)電機先將導水翼關到空載位置，再跳開發(fā)電機斷路器并

滅磁。

⑸減勵磁：將發(fā)電機的勵磁電流減小到給定值。

(6)切換廠用電：廠用電由工作電源切換到備用電源。

三60OMW機組的保護配置方案

(一)發(fā)電機保護

1主保護

(1)發(fā)電機縱聯(lián)差動保護(比率制動、標積制動、突變量差動)

(2)發(fā)電機的定子繞組匝間短路保護

高靈敏度橫差保護、裂相橫差保護、縱向零序電壓匝間保護、工頻變化量方向匝間保護。

(3)100%定子繞組一點接地保護；

基波零序電壓保護、三次諧波電壓保護；

(4)轉(zhuǎn)子繞組兩點接地保護；

2后備保護

(1)定子繞組定、反時限過流過負荷保護

(2)轉(zhuǎn)子繞組定、反時限負序過流過負荷保護

(3)復合電壓閉鎖的過電流保護(電流可帶記憶)

(4)阻抗保護

3異常運行保護

(1)轉(zhuǎn)子繞組一點接地保護

(2)失磁保護

(3)失步保護

(4)定、反時限過勵磁保護

(5)過電壓保護

(6)低頻保護

(7)過頻保護

(8)逆功率保護

(9)程序跳閘逆功率保護

(10)誤上電保護

(11)斷口閃絡保護

(12)起、停機保護

(13)軸電流、軸電壓保護

(二)變壓器保護

1主保護

(1)發(fā)電機變壓器組差動保護

(2)變壓器差動保護

2后備保護

(1)主變高壓側(cè)復合電壓過流保護

(2)主變高壓側(cè)零序電壓、電流保護

零序電流保護、零序電壓保護、間隙零序電流保護、間隙零序電壓保護

(3)主變高壓側(cè)阻抗保護

(4)主變中壓側(cè)號合申.壓過流保護

(5)主變中壓側(cè)零序電流保護

零序電流保護、零序電壓保護、間隙零序電流保護、間隙零序電壓保護

(6)主變低壓側(cè)零序電壓、電流保護

(7)主變低壓側(cè)后備保護

(8)主變壓器低壓側(cè)接地零序報警

(9)主變壓器過負荷啟動風冷

3非電量保護

(1)主變壓器重瓦斯保護

(2)主變壓器調(diào)壓重瓦斯保護

(3)主變壓器輕瓦斯保護

(4)主變壓器調(diào)壓輕瓦斯保護

(5)主變壓器油溫高保護

(6)主變壓器冷卻器故障

(7)主變壓器壓力釋放保護

(8)變壓器繞組溫度高保護

第一章發(fā)電機的繼電保護

第一節(jié)發(fā)電機的故障和不正常運行方式

發(fā)電機是電力系統(tǒng)中最為重要的電氣設備。發(fā)電機的故障必將嚴重影響系統(tǒng)的安全運

行和對用戶的可靠供電。因此應根據(jù)發(fā)電機可能發(fā)生的故障、不正常運行狀態(tài)和發(fā)電機容量

大小配置相應的保護裝置，發(fā)電機的故障類型主要有：

定子繞組：發(fā)電機定子繞組及引出線上的相間短路

發(fā)電機定子緣絹的而間短路

發(fā)電機定子繞組的單相接地

轉(zhuǎn)子繞組：發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的兩點接地

發(fā)電機的不正常運行狀態(tài)：

外部對稱短路引起的定子繞組過電流;

外部不對稱短路引起的負序過電流;

發(fā)電機失磁、失步、低頻,過頻、逆功率、過勵磁、過電壓等

發(fā)電機的誤上電、斷口閃絡

轉(zhuǎn)子繞組的一點接地

發(fā)電機應配置的保護：

按機組的容量大小應配置主保護、后備保護、異常運行保護。

1容量在1MW以上的發(fā)電機應配置縱聯(lián)差動保護作為發(fā)電機的主保護。

2對直接接于母線的發(fā)電機定子繞組發(fā)生的單相接地故障，當接地時產(chǎn)生的電容電流大于或

等于5A時，應裝設動作于跳閘的零序電流保護。當接地電容電流小于5A時，應裝設動作

于信號的接地保護。

對發(fā)電機變壓器組，一般在發(fā)電機側(cè)裝設反映零序電壓的接地保護，保護可作用于信號或跳

閘。當該系統(tǒng)的接地電容電流大于5A時，應裝設消弧線圈進行補償。發(fā)電機容量在100MW

及以上時，應裝設保護范圍為100席的定子接地保護。

3對于發(fā)電機定子繞組的匝間短路故障，根據(jù)發(fā)電機中性點的引出線情況，可分別裝設單元

件式橫差保護；負序功率方向閉鎖的縱向零序電壓型匝間短路保護，水輪發(fā)電機具有多分支

時可采用裂相橫差保護。

4對發(fā)電機外部短路引起的過電流應配置后備保護。后備保護的方式有：

(1)對于容量小于1MW的發(fā)電機可采用簡單的過電流保護。

容量大于仆仰的發(fā)電機可采用：

(2)復合電壓起動的過電流保護。

(3)反映對稱短路的兩段式定時限過電流和反時限過電流保護。

⑷反映不對稱短路的兩段式定時限負序過電流和反時限負序過電流保護。

5對于水輪發(fā)電機或大容量的汽輪發(fā)電機，由于突然甩負荷引起過電壓應裝設過電壓保護。

6對于發(fā)電機勵磁消失的現(xiàn)象，應裝設失磁保護。對于容量較小的水輪發(fā)電機可采用滅磁開

關聯(lián)鎖斷開發(fā)電機斷路器的方法實現(xiàn)失磁保護。對于容量較大的水輪發(fā)電機應裝設專門的失

磁保護。容量在50MW及以上的汽輪發(fā)電機應裝設專門的失磁保護。

7容量在300MW及以上的發(fā)電機應裝設失步保護。

8對于轉(zhuǎn)子繞組的一點接地應裝設轉(zhuǎn)子一點接地保護。保護動作于發(fā)信號。對轉(zhuǎn)子繞組的兩

點接地應裝設轉(zhuǎn)子兩點接地保護。保護動作于跳閘。

9對于大容量的汽輪發(fā)電機應裝設逆功率和程序跳閘逆功率保護。

10大容量發(fā)電機還應考慮配置低頻保護、過頻保護、起停機保護、誤上電保護、斷口閃絡

佛悟。、

11發(fā)電機的非電量保護，如采用水冷卻的發(fā)電機應配置斷水保護。

第二節(jié)發(fā)電機的縱聯(lián)差動保護

一縱聯(lián)差動保護的基本原理

圖17發(fā)電機縱聯(lián)差動保護的單相原理接線圖

正常運行、區(qū)外故障時，機端與中性點的電流是同相位的，且兩者大小相等。所以流入繼電

器的電流為零，保護不動作。

區(qū)內(nèi)故障時，若發(fā)電機與系統(tǒng)并列運行，忽略各種誤差，兩側(cè)電流反相位，繼電器的電流為

兩側(cè)短路電流之和°若發(fā)電機單獨運行，內(nèi)部故障時繼電器的電流為發(fā)電機本身提供的短路

電流。根據(jù)流入繼電器的電流大小可判斷正常、區(qū)外、內(nèi)部故障。

二縱聯(lián)差動保護的不平衡電流及減小不平衡電流的方法

實際上，由于電流互感器存在勵磁電流，在正常運行和外部故障時，繼電器中的電流不為零，

這個電流稱為不平衡電流，由互感器的等值電路可知:

圖1-2電流互感器的等值電路及不平衡電流

所以：不平衡電流是由于兩側(cè)的電流互感器的勵磁電流產(chǎn)生的。

當發(fā)生區(qū)外短路時，由于短路電流比正常運行電流大的多，故電流互感器會飽和，勵磁電流

增大，不平衡電流也增大。

另外，當短路的暫態(tài)過程中，短路電流中含有衰減的非周期分量，電流互感器飽和更嚴重

所以不平衡電流更大。

考慮到兩側(cè)的電流互感器為同一變比，同樣型號，而每個電流互感器的最大幅值誤差為

10$,所以，不平衡電流的計算公式為：

式中：

一非周期分量影響系數(shù)。若差動保護采用具有速飽和特性的繼電器時可選擇為1一1.3。

一電流互感器的同型系數(shù)。取0.5。

一電流互感器的變比誤差。取10%。

一區(qū)外短路的最大短路電流。

一電流互感器的變比。

減小不平衡電流方法

1對電磁型保護，采用具有速飽和特性的差動繼電器，利用其速飽和特性可抑制短路電流中

的非周期分量，從而減小不平衡電流；

2采用差動保護專用電流互感器，減小互感器的變比誤差；

3減小電流互感器的二次負載阻抗；

4增大電流互感器的變比，例如選擇二次電流為1A的CT;

三縱差動保護的整定計算

（一）利用BCH-2差動繼電器構(gòu)成的普通縱差動保護

1按躲過外部短路的最大不平衡電流

式中：

一可靠系數(shù)。區(qū)1.3。

2按躲過電流互感器二次斷線產(chǎn)生的不平衡電流

式中：

一發(fā)電機的額定電流。

（二）利用BCH-2差動繼電器構(gòu)成的高靈敏度縱差動保護

1按躲過外部短路的最大不平衡電流

2按電流互感器二次斷線不誤動

斷線相不誤動條件：

非斷線相不誤動條件：

所以：

?。?/p>

所以：

四發(fā)電機內(nèi)部故障縱差動保護的靈敏度分析及發(fā)電機差動保護特點

（一）發(fā)電機差動保護內(nèi)部故除靈敏度分析

內(nèi)部經(jīng)過渡電阻發(fā)生三相短路，短路點距發(fā)電機中性點的位置用表示。即短路匝數(shù)為發(fā)

電機一相繞組匝數(shù)的比例。

圖1-3發(fā)電機定子繞組肉部經(jīng)過渡電阻短路

01

圖1-4短路電流與口解點位置而關系一次一

可見，在靠近發(fā)電4/申性點處發(fā)生經(jīng)過渡電阻的故障時，縱差動保護可能拒動，拒動范

圍禰為夕匕區(qū)。死區(qū)大小與差動保護動作電流有關。

(二)發(fā)電機縱差動保中的特點：

(1)發(fā)電機縱差動保護不能反應定子繞組單相接地故障；

(2)發(fā)電機縱差動保護不能反應定子繞組匝間故障

(3)發(fā)電機縱差動保護在內(nèi)部經(jīng)過渡電阻故障時，靠近中性點附近故障時有死區(qū)；

(4)當發(fā)生異地兩點接地故障時，一點在縱差保護范圍內(nèi)，另一點在差動保護范圍

外部，此時僅有一相差動保護動作。

五比率制動原理的發(fā)電機縱差動保護

(一)比率制動特性差動保護的特性和基本原理

圖1-5比率制動特性的發(fā)電機差動保護

由上圖可見，當時，流入差動線圈的電流為：

流入制動線圈的電流為：

正常運行或發(fā)生外部故障，，

內(nèi)部故障時，一當發(fā)電機獨立運行時，

內(nèi)部故障時，，

保護的動作特性如圖所示，橫坐標為制動電流，縱坐標為差動電流，當制動電流小于

拐點電流時，繼電器的動作電流為，當制動電流大于拐點電流時，繼電器的動作電流為。

比率制動差動保護的動作判據(jù)為：

0

0

式中：

一為差動電流；

一為制動電流；

一為差動保護最小動作電流；

一為比率制動特性的拐點電流

一為比率制動特性的斜率；

(二)比率制動特性及差動保護的整定計算

根據(jù)以上分析，在正常運行時，由電流互感器存在幅值誤差產(chǎn)生的不平衡電流為：

在外部短路時，由電流互感器存在幅值誤差產(chǎn)生的不平衡電流為：

顯然，外部短路產(chǎn)生的不平衡電流遠大于正常運行產(chǎn)生的不平衡電流。當外部短路電流

為最大時，產(chǎn)生的不平衡電流也最大。其值為：

對于普通的差動保護，為防止外部短路時，由于不平衡電流造成保護誤動，所以保護的

動作值必須大于外部短路產(chǎn)生的最大不平衡電流。

而對于比率制動特性的差動保護，保護的動作電流可按躲過正常運行產(chǎn)生的不平衡電

流整定，而當外部短路時，可依靠制動特性保證保護可靠不誤動。

比率制動差動保護的整定計算主要是確定最小動作電流、制動特性的拐點電流、最大制

動系數(shù)三個參數(shù)。

(1)最小動作電流:

按躲過發(fā)電機在最大負荷電流下產(chǎn)生的不平衡整定。

當?。?/p>

時

即為發(fā)電機額定電流的10%。

(2)制動特性拐點電流；

為保證遠處外部短路(此時短路電流接近發(fā)電機的額定電流)時差動保護不誤動，拐點

電流應不大于發(fā)電機額定電流?？扇。?/p>

(3)最大制動系數(shù)：

在機端(區(qū)外)發(fā)生三相短路時，流過差回路的不平衡電流最大，為保證此時保護不誤

動應有：

式中：

—差動保護的最大動作電流；

一為機端三相短路的電流。

注意到，在外部短路時，制動電流即為：

所以有：

?。骸?/p>

則：，即最大制動系數(shù)為0.15,即可保證外部短路保護不誤動。必須指出，當制動特性

不通過坐標原點時，制動系數(shù)不是一個常數(shù)，而是變化的"而制動特性的斜率是常數(shù)°兩者

是不一樣的。不可把制動特性的斜率與制動系數(shù)兩者相混淆。

(4)制動特性的斜率

按以上的分析:

對大型發(fā)電機，一般有：，因此，機端三相短路電流為發(fā)電機額定電流的5~6倍。所以,

比率制動特性的斜率可推算如下：

按考慮，則：

即制動特性曲線的斜率取0.1625,剛好滿足上述要求。一般地，對發(fā)電機差動保護，取

制動特性曲線的斜率為0.2可滿足要求。

六標積制動式縱差動保護

標積制動式差動保護與比率制動式差動保護具有完全類似的動作特性。不同之處在于制

動量。按上圖中的正方向規(guī)定，標積制動式差動保護的動作條件為：

式中：

、一分別為發(fā)電機中性點側(cè)和機端側(cè)的二次電流；

一為兩側(cè)電流的相位差；

當發(fā)生區(qū)外故障時，兩側(cè)電流的相位差為：

制動量為最大，等于。而上式的左側(cè)為不平衡電流，動作量很小，保護可靠不誤動。

從該式可看出，在外部故障時，標積制動式差動保護與比率制動式差動保護相比較，具有更

高的可靠性。

在內(nèi)部故障時，若不考慮發(fā)電機與系統(tǒng)電勢的相位差，故障點對發(fā)電機和對系統(tǒng)的阻抗

角的差別，兩側(cè)電流反相位，.，這說明在內(nèi)部故障時標積制動式差動保護的制動量變?yōu)閯?/p>

作量，因此，內(nèi)部故障的靈敏度更高。

當發(fā)電機單獨運行時發(fā)生內(nèi)部故障，此時有。標積制動式差動保護的制動量為零，更有

利于保護靈敏動作。而對于比率制動式差動保護，在發(fā)電機單獨運行發(fā)生內(nèi)部故障時，制動

量不為零。

比率制動特性與標積制動特性的比較:

比率制動特性的發(fā)電機差動保護的動作判據(jù)可表示為：

式中：一般在D.5范圍內(nèi)取值。

將上式展開為：

整理后得：

在上式兩邊都加上：一項，整理得：

所以，上式可變?yōu)椋?/p>

即：

式中：

由該式可得出標積制動式保護得制動系數(shù)與比率制動式保護制動系數(shù)的關系。

所以，標積制動式差動保護與比率制動式差動保護在本質(zhì)上是一樣的。

七微機發(fā)電機差動保護的邏輯框圖

差動速斷跳閘

比率制動

差動跳閘

循環(huán)閉鎖

比率制動

差動跳閘

告警

告警

圖1-6微機型發(fā)電機差動保護邏輯框圖

由圖7—3的邏輯框圖看出，微機發(fā)電機差動保護的功能包括三部分。

1差動速斷部分；2比率制動部分；3電流互感器二次斷線及差流越限識別部分。

差動速斷部分主要是為了快速切除嚴重內(nèi)部故障，其動作值一般取發(fā)電機額定電流的

3~12倍。差動速斷部分不受CT二次斷線的控制。

比率制動部分又分為兩部分。一部分是單相差動動作后的跳閘部分，另一部分是任意兩

相差動動作后的跳閘部分（即循環(huán)閉鎖部分）。因為，發(fā)電機差動保護從原理上是不能反映

單相接地與匝間短路故障的，而只反映相間故障，故內(nèi)部短路時，至少有兩相差動滿足條件。

但是，有一種情況只有一相差動元件動作，即當異地兩點接地故障，其中一點在發(fā)電機

差動保護范圍內(nèi)部，另一點在發(fā)電機差動保護范圍外部，此時要求發(fā)電機差動保護應可靠跳

閘。為此，設有單相差動動作的開放回路。開放的條件可選擇為發(fā)電機定子一點接地保護的

瞬動接點作為開關量輸入，當一相差動動作，同時收到定子一點接地動作的開入信號，即可

瞬時跳閘。如發(fā)電機差動保護引入機端三相電壓，也可選擇用負序電壓開放一相差動動作的

跳閘回路。比率制動的跳閘部分是否受CT二次斷線的控制，可由保護定值單中的控制字的

某位置1或清零來選擇。

差流越限告警可檢查差動保護的接線是否錯誤，當差電流越限制時發(fā)出告警信號。

此外，為了用戶使用方便，保護屏上設有控制發(fā)電機差動保護投退的硬壓板。以開入量

方式輸入到微機保護中。對邏輯框圖中的每一功能，在控制字中設有相應的位，可通過置1

或清零選擇該項功能。

包括：CT二次斷線判別功能投入/退出；

CT二次斷線閉鎖比率制動差動保護投入/退出

差流越限報警功能投入/退出；

差動速斷功能投入/退出；

比率制動差動保護投入/退出。

第三節(jié)發(fā)電機的定子繞組匝間短路保護

一定子繞組匝間短路的形式

發(fā)電機定子繞組匝間短路形式有兩種。即同相一分支的匝間短路；同相不同分支之間的匝間

X

圖1-7定子繞組匝間短路的故障類型

二匝間短路的特點0

匝間短路是一個縱向不對稱故障，因此必然產(chǎn)生正、負、零序分量。

<

亦絹的機端電壓N

1發(fā)電機定子繞組常相后兩人并聯(lián)分支時，發(fā)生匝間短路時，在每一分支形成的中性點連線

上產(chǎn)生零序電流。

2發(fā)生匝間短路時，在機端專用電壓互感器的開口三角繞組兩端產(chǎn)生零序電壓。

3發(fā)生匝間短路時，產(chǎn)生負序功率，其負序功率的方向為由發(fā)電機內(nèi)部指向外部。當采用機

端電流計算負序電流，判斷功率方向時，發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生不對稱短路時，負序功率的方

向同樣是由發(fā)電機內(nèi)部指向外部。而發(fā)電機外部發(fā)生不對稱故障時，負序功率為由外部指向

發(fā)電機內(nèi)部。分析如下：

(1)發(fā)電機定子繞絹內(nèi)部發(fā)生麻間短路

(2)發(fā)電機定子繞組內(nèi)部發(fā)生橫向不對稱短路

⑶發(fā)電機定子綠外部法生橫對稱短路

(4)發(fā)電機定子繞外部發(fā)生縱向不對稱短路

圖1-9各種不對稱故障時負序電壓和負序電流向量圖

由以上分析可見，當發(fā)生發(fā)電機內(nèi)部的匝間短路和不對稱故障/，負序電流落后負序電壓的

角度為；而在發(fā)電機外部發(fā)生各種不對稱故障，包括橫向、縱向不對稱故障，負序電流超前

負序電壓的角度為。顯然兩種情況的負序功率方向不同。因此，可利用負序功率方向元件作

為匝間保護的閉鎖元件。

三匝間短路保護的方案

(一)對定子繞組為雙接線方式的汽輪發(fā)電機，可采用單元件式橫差動保護。保護反應兩中

性點連線上的環(huán)流。

對水輪發(fā)電機定子繞組每相的并聯(lián)分支多于兩個時，可采用將每相的分支分為兩組，構(gòu)成單

元件橫差保護。也可分成多組，采用多套橫差保護。

也可采用裂相橫差動保護。具體保護方案如下：

(1)汽輪發(fā)電機定子繞組為兩并聯(lián)分支，中性點有六個引出端或四個引出端的情況。

出口

圖170定子繞組為雙Y接線的單元件橫差保護邏輯圖

圖中，三次諧波濾過器濾除發(fā)電機的三次諧波，要求對基波的濾過比不小于10C。以

降低橫差保護的定值自另外，當轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生兩點接地時，轉(zhuǎn)子部分繞組被短路造成發(fā)電機

氣隙磁場畸變，使發(fā)電機定子繞組同相的兩個分支的感應電勢不等，橫差保護會動作。為防

止轉(zhuǎn)子繞組瞬間兩點接地造成橫差保護動作，故在轉(zhuǎn)子繞組一點接地保護動作后，橫差保護

經(jīng)延時回路出口。

⑵水輪發(fā)電機定子繞組為兩個分支以上的橫差保護方案

對于圖中的（一分支匝間短路）、（同相不同分支匝間短路）（不

同相兩分支相間短路）、（一分支繞組開焊）等各種故障軍能反映。因此，它是發(fā)電機

內(nèi)部短路故障的主保護。

（二）對定子繞組為單接線方式的汽輪發(fā)電機，或定子繞組為雙接線方式的發(fā)電機，但發(fā)

電機中性點只能引出三個端子，可采用反應縱向零序電壓的匝間短路保護。

保護方案如下：

出口

圖172負序功率方向閉鎖的縱向零序電壓匝間短路保護邏輯圖

第四節(jié)發(fā)電機的定子繞組單相接地保護

一機定子繞組單相接地的特點

定子繞組單相接地是發(fā)電機較常見的故障之一。發(fā)電機在運行中由于機械振動造成定子

線棒的絕緣磨損，從而發(fā)生定子繞組與定子鐵芯接觸，形成單相接地故障。

單相接地的電路如下圖：

外部設備的電容電流:

流過接地點的電容電流為：

可見，在發(fā)電機定子繞組內(nèi)部發(fā)生金屬性單相接地故障時，有以下特點：

1在發(fā)生單相接地故障時，在全系統(tǒng)將出現(xiàn)零序電壓，其值與接地點的位置有關。接地

后產(chǎn)生的零序電壓為。在機端電壓互感器的升口三角繞組得到的零序電壓為：

2單相接地故障時，流過故障點的是零序電容電流。其大小也與接地點位置有關。當機

端接地時，流過接地點的電容電流最大，為。其中，為發(fā)電機所在電壓系統(tǒng)所有設備的每

相對地分布電容，為發(fā)電機的相電勢。

3當發(fā)生發(fā)電機定子繞組內(nèi)部單相接地時，流過機端零序電流互感器的電容電流為所有

外接設備的電容電流，其方向為由發(fā)電機流向母線；當發(fā)生外部單相接地時，流過機端零序

電流互感器的電容電流為發(fā)電機本身的電容電流，其方向為由外部流向發(fā)電機；

二基波零序電壓原理的發(fā)電機定子繞組單相接地保護

保護反應發(fā)生單相接地故障的零序電壓分量。對微機保護來說，主要是采取措施擴大它

的保護范圍。為此，采取的措施是用高壓側(cè)零序電壓閉鎖和加強三次諧波的濾波效果。保護

的構(gòu)成方案如圖7—4所示。

跳閘或

發(fā)信

圖174發(fā)電機定子繞組單相接地保護原理圖

圖中，為發(fā)電機中性點電壓互感器的零序電壓；為機端電壓互感器的零序電壓；為主變

高壓側(cè)電壓互感器零序電壓。在軟件中，每一個零序電壓分量是否投入使用，均由控制字選

擇。當系統(tǒng)中有中性點PT時，可將與構(gòu)成與門關系。這樣可防止機端電壓互感器一次側(cè)發(fā)

生斷線時造成的保護誤動,在不具備中性點PT時，可退出此功能，機端零序電壓和中性點

零序電壓均可單獨出口。為提高保護的靈敏度，采用高壓側(cè)零序電壓閉鎖。同時，對機端零

序電壓和中性點零序電壓量均經(jīng)過零點濾波后采用全周傅立葉算法，使濾波效果大大提高。

在采樣頻率為600Hz的情況下，零點濾波器的差分方程如下：

該濾波器在處的濾波效果都十分明顯。仿真結(jié)果表明，濾過比大于5000倍。經(jīng)該濾波

器后再用全周傅立葉算法求出基波分量。零點濾波器和全周傅立葉算法級聯(lián)后的頻率響應特

性如圖7—5所示。

0123456

圖1一15零點濾波與全周傅氏算法的基波算法頻率響應特性

二反映三次諧波的發(fā)電機定子繞組單相接地保護

1反應機端與中性點三次諧波電壓比的保護

保護的動作判據(jù)為：

理論分析表明，發(fā)電機正常與系統(tǒng)并列運行時，無論發(fā)電機中性點是否接有消弧線圈，

總有機端三次諧波電壓小于中性點的三次諧波電壓，而當發(fā)電機定子繞組靠近中性點的

50*范圍內(nèi)發(fā)生金屬性接地故障時，機端三次諧波電壓大于于中性點的三次諧波電壓，判

據(jù)滿足。但在實際上，由于多種因素的影響，例如機端電壓互感器飽和的影響、發(fā)電機所帶

負荷的影響、升壓變壓器高壓繞組三次諧波電勢的影響等，造成正常運行時就是的關系。參

考文獻5提供的發(fā)電機正常運行機端和中性點三次諧波電壓的比值最大達到1.95倍。因此,

采用這種方案構(gòu)成保護時，必須提高定值門檻。這就勢比影響保護的靈敏度和保護范圍。

2自調(diào)整式三次諧波電壓保護

保護的動作判據(jù)為：

式中：一為自調(diào)整系數(shù)，它是一個復數(shù)。

一為三次諧波制動系數(shù)。

分析反映機端三次諧波與中性點三次諧波電壓幅值比保護靈敏度不高的原因是由于制動

量太大所致。但這是因為受正常運行時三次諧波電壓的限制。因為正常運行時三次諧波動作

量較大，為使保護不誤動，必須提高制動量。因此，為提高保護的靈敏度，必須降低制動量，

當然也必須降低正常運行時的動作量。以保證正常運行時保護不誤動。

自調(diào)整式三次諧波保護的判據(jù)中就是通過調(diào)整使：

，正常運行時動作量非常小。因而可將制動量減小。一般情況下，可取。

由于和的大小和相位隨負荷的變化而變化,為始終保持正常運行時動作量近似為零，

在微機保護中采用實時跟琮和，因而，復系數(shù)也是自動跟蹤的。在微機保護中的算法為：

式中：一為當前時刻；

一為跟蹤計算的時間間隔，一般可取2~3個工頻周期。

采用自調(diào)整式三次諧波保護的判據(jù)，當機端發(fā)生單相接地時，近似為零，而很大，動

作量增大，而制動量為，由于很小，故保護可靠動作。當中性點附近發(fā)生接地時，很大，而

近似為零，從而使動作量很大，而制動量卻很小，保護仍可靈敏地動作?？梢娺@種保護方案

單獨用三次諧波分量即可實現(xiàn)發(fā)電機定子繞組的100席接地保護。

為進一步提高保護的靈敏度，采用了零點濾波級聯(lián)傅氏算法的高性能數(shù)字濾波器。濾

除基波分量的零點濾波器的差分方程為：（采樣頻率為600HZ）。

零點濾波器與傅氏算法級聯(lián)后的頻率響應特性如圖7—6所示。

0123456

圖1一16零點濾波級聯(lián)傅氏算法的三次諧波濾波器頻率響應特性

3反應三次諧波突變量的定子接地保護

方案一是反應三次諧波幅值比的突變量均成的保護。判據(jù)為:

方案二是反應三次諧波向量比的突變量構(gòu)成的保護。判據(jù)為：

三次諧波幅值比突變量的定子接地保護理論上可保護距發(fā)電機中性點50*的范圍內(nèi)

的接地故障，三次諧波向量比突變量的定子接地保護理論上可保護100舟發(fā)電機定子繞組。

第五節(jié)發(fā)電機的失磁保護

一失磁對電力系統(tǒng)和對發(fā)電機造成的危害

發(fā)電機在正常運行時，除了發(fā)出有功外，還承擔著同系統(tǒng)發(fā)出感性無功的任務。例如

一臺視在功率為353MK的汽輪發(fā)電機，功率因數(shù)為0.85,當它滿載運行時，發(fā)出的有功

功率為300MW,發(fā)出的無功功率為186MVA。而無功功率是由發(fā)電機的勵磁系統(tǒng)支持的。

由于某種原因，一旦發(fā)電機失去勵磁，發(fā)電機將不能向系統(tǒng)提供無功。同時，如果失磁的發(fā)

電機還在系統(tǒng)中運行，它將進入異步發(fā)電機狀態(tài)。此時，它要從系統(tǒng)中吸收感性無功。所以,

當一臺大容量的發(fā)電機失滋后，首先是造成系統(tǒng)大量的無功缺少。

另外由于異步運行，發(fā)電機的轉(zhuǎn)子機械轉(zhuǎn)速大于同步轉(zhuǎn)速，由于出現(xiàn)轉(zhuǎn)差，定子繞組電

流增大，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應電流，引起定、轉(zhuǎn)子繞組的附加發(fā)熱。分析表明，發(fā)電機失磁后

對電力系統(tǒng)及發(fā)電機本身都會造成程度不同的危害，歸納起來有以下幾方面。

對電力系統(tǒng)的危害：

(1)發(fā)電機失磁造成系統(tǒng)中大量無功缺少，當系統(tǒng)中無功儲備不足，將引起電壓下降。

嚴重時引起電壓崩潰，系統(tǒng)瓦解。

(2)一臺發(fā)電機失磁造成電壓下降，系統(tǒng)中的其他發(fā)電機在自動調(diào)節(jié)勵磁裝置作用下，

將增加其無功輸出。從而使某些發(fā)電機、變壓器、輸電線路過電流，后備保護可能因過流動

作，擴大了故障范圍。

(3)發(fā)電機失磁后，由于有功功率擺動及系統(tǒng)電壓的降低，可能導致相鄰正常運行的

發(fā)電機與系統(tǒng)之間失去同步，引起系統(tǒng)振蕩。

對發(fā)電機本身的危害：

⑴發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)的差頻電流在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生額外損耗，引起轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱。

(2)異步運行后，發(fā)電機的等效電抗降低，由變?yōu)閏因而從系統(tǒng)中吸收的無功增加，

使定子繞組過熱。

(3)對大型直接冷卻式汽輪發(fā)電機，平均異步轉(zhuǎn)矩的最大值較小，慣性常數(shù)也相對降

低，轉(zhuǎn)子在縱橫軸方面明顯不對稱。由于這些原因，在重負荷下失磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩和有功將

發(fā)生劇烈擺動。這種影響對水輪發(fā)電機更為嚴重。

⑷發(fā)電機失磁后，定子端部漏磁增強，使端部的部件和端部鐵芯過熱。

二失磁的基本物理過程和失磁保護的判據(jù)

如圖1一17所示為一臺發(fā)電機通過升壓變壓器、聯(lián)絡線與無窮大系統(tǒng)相連。

圖1—17單機與無窮大系統(tǒng)連接系統(tǒng)圖

設發(fā)電機的電勢為，無窮大系統(tǒng)母線電壓為，發(fā)電機的同步電抗為，變壓器的阻抗為

輸電線路的阻抗為。從發(fā)電機電勢到無窮大母線之間的總阻抗為。

對汽輪發(fā)電機，輸送到系統(tǒng)的有功和無功功率分別為：

對水輪發(fā)電機，輸送到系統(tǒng)的有功和無功功率分別為：

發(fā)電機的轉(zhuǎn)子運動方程為：

式中：一為慣性時間常數(shù)。

(秒)

一為發(fā)電機電勢與無窮大母線電壓之間的功角；

一為原動機的輸入功率；

一為發(fā)電機的輸出電功率。

根據(jù)以上關系式，分析發(fā)電機失磁后的電參數(shù)和功角的變化規(guī)律，可得出如下結(jié)論:

(1)發(fā)電機失磁，勵磁電流衰減，下降，減小，功角不斷增加。發(fā)電機從穩(wěn)定運行逐

步過渡到異步運行。

(2)在之前，有功基本不變，后，有功略有下降并呈現(xiàn)擺動趨勢。

(3)由于勵磁電流衰寂，不斷減小。時，，說明發(fā)電機由發(fā)出感性無功變?yōu)閺南到y(tǒng)吸收

感性無功。

(4)由于大量的無功缺少，造成系統(tǒng)電壓降低。

(5)機端測量阻抗從第一象限逐步過渡到第四象限。

(6)勵磁電壓下降。

根據(jù)以上結(jié)論，目前構(gòu)成發(fā)電機失磁保護的判據(jù)可分為主判據(jù)和輔助判據(jù)。

失磁保護的主判據(jù)為：

1靜穩(wěn)邊界阻抗圓判據(jù)。當測量阻抗進入靜穩(wěn)邊界圓內(nèi)時，說明功角，發(fā)電機已失去穩(wěn)

定。

2異步阻抗圓判據(jù)。當測量阻抗進入異步圓內(nèi)時，說明功角，發(fā)電機已處于異步運行狀

態(tài)。

3無功方向判據(jù)。當無功由正(發(fā)出感性無功)變負(吸收感性無功)時，說明發(fā)電機

失磁。

4系統(tǒng)三相電壓降低。當高壓母線電壓低于80k85%額定電壓或發(fā)電機機端電壓低于

70曠75%額定電壓時，低壓元件動作。

5等勵磁電壓判據(jù)。等勵磁電壓判據(jù)按與發(fā)電機的空載勵磁電壓比較。

6變勵磁電壓判據(jù)。由于勵磁電壓的大小與發(fā)電機的有功有關，所以，勵磁電壓低的判

據(jù)也是隨有功變化而改變的。

失磁保護的輔助判據(jù)為:

需要輔助判據(jù)的理由是為了防止非失磁情況下失磁保護誤動。這些情況有：

(1)發(fā)電機出口或升壓變壓器高壓側(cè)發(fā)生短路故障。

(2)電力系統(tǒng)發(fā)生振蕩。

(3)水輪發(fā)電機自同期并列。

(4)電壓互感器二次斷線。

(5)發(fā)電機通過升壓變壓器對高壓長線路充電。

為防止在上述情況下失磁保護誤動，增加閉鎖判據(jù)。主要有以下幾種判據(jù)。

1用延時躲過振蕩的影響。

2用有無負序分量區(qū)別振蕩與失磁。

3加入電壓互感器二次斷線判別功能。

4用開入量識別特殊運行方式。例如自同期并列操作和長線充電。

三微機型發(fā)電機失磁保護的構(gòu)成方案

采用了五個主判據(jù)。分別是系統(tǒng)電壓低、機端電壓低判據(jù)；靜穩(wěn)邊界阻抗圓或異步阻抗

圓判據(jù)；等勵磁電壓判據(jù),變勵磁電壓判據(jù)。

1系統(tǒng)三相電壓降低。由于失磁造成的電壓降低是三相對稱的。所以可取其中的一個相

間電壓進行判斷。取機端電壓和高壓母線電壓。

2定子判據(jù)的阻抗特性圓。針對阻抗特性在軟件中設有三項定值。圓心位置和，半徑。

通過不同整定值，可實現(xiàn)三種動作特性。其特性分別如圖1一伯中的(a)(b)(c)所示.

當時，可實現(xiàn)圖1—18(a)和(c)的動作特性；當時，可實現(xiàn)圖1—18(b)的動作特性。

(a)靜穩(wěn)邊界圓(b)水輪發(fā)電機的靜穩(wěn)圓(c)異步阻抗圓

圖1-18失磁保護的阻抗特性圓

3等勵磁電壓判據(jù)

(1)與有功無關的等勵磁電壓判據(jù)。在失磁情況下勵磁電壓下降為零或負值。而系統(tǒng)

振蕩、發(fā)生短路時。勵磁電壓有較高的數(shù)值。因此，可判斷勵磁電壓低于某值時為失磁故障。

一般取額定空載勵磁電壓的20%~80%。

(2)根據(jù)給定有功的等勵磁電壓判據(jù)。對于隱極機可得：

對應靜穩(wěn)極限，，系統(tǒng)電壓標幺值為：。當取發(fā)電機空載額定電壓時的勵磁電壓為基準值

時，對標幺值則有。所以有：

式中：一發(fā)電機有功功率標幺值。

4變勵磁電壓判據(jù)。

(1)汽輪發(fā)電機的變勵磁電壓判據(jù)。用有名值表示，變?yōu)椋?/p>

式中：一發(fā)電機額定視在功率，單位：MVA;

一發(fā)電機有功功率的有名值，單位：MW。仍為標幺值。

將也改為有名值，則有：

式中：

系數(shù)為常數(shù)，在微機保護中可實時計算有功的值，由決定勵磁電壓低的動作值。隱極

機的變勵磁電壓元件的特性如圖1-19所示。圖中的斜線為靜穩(wěn)邊界，陰影線下方為動作

區(qū)。

(2)水輪發(fā)電機的變勵磁電壓判據(jù)。按標幺值有：，取。令,得：

式中：一為水輪發(fā)電機的臨界失步角。以上兩式表示一臺水輪發(fā)電機經(jīng)與系統(tǒng)聯(lián)系時,

處于靜穩(wěn)邊界的關系。

對凸極發(fā)電機，研究失磁故障所關心的臨界失步角的范圍為。因為當，代入上式得。

在此范圍內(nèi)，的關系近似為直線特性，如圖1-20所示。

動作區(qū)

動作區(qū)

0

圖1—19隱極極變勵磁電壓元件圖1—20凸極機的變勵磁電壓元件

的特性的特性

對應時的有功為最大凸極功率。

所以，凸極機的變網(wǎng)磁電壓判據(jù)為：

變勵磁電壓判據(jù)在系統(tǒng)振蕩時，如果振蕩前發(fā)電機進相運行，靜穩(wěn)儲備不高，則在振

蕩過程中有可能進入變勵磁電壓判據(jù)的動作區(qū)。為防止此時變勵磁電壓判據(jù)誤動，應增加一

四微機型發(fā)電機失磁保護邏輯框圖

機端電壓降低到定值，說明威到廠用電安全，對允許異步運行的發(fā)電機可異步運行一段時間

（2~15分鐘），此時可切換廠用電并減出力。為防止短時電壓降低，低壓部分設有延時元

件T1和T2,一般整定為250MS。

阻抗元件可根據(jù)要求整定為不同的動作特性。它受電壓互感器二次斷線和系統(tǒng)故障判斷

閉鎖控制。系統(tǒng)故障由負序電流元件判斷。針對三相故障用負序電流記憶和相電流元件判斷。

因為在主變壓器高壓側(cè)、發(fā)電機機端發(fā)生短路、PT二次斷線時，按靜穩(wěn)邊界整定的阻抗元

件會誤動，所以應采取閉鎖措施。阻抗元件還可經(jīng)勵磁電壓低元件控制。是否經(jīng)勵磁低電壓

元件控制可由軟件中的控制字決定。等勵磁電壓、變勵磁電壓經(jīng)或門3輸入與門5。延時

T3為躲振蕩延時，防止振蕩時靜穩(wěn)阻抗圓誤動而增設的時間元件。一般整定1.5秒。延時

T6是長延時元件。

等勵磁電壓元件受系統(tǒng)故障元件閉鎖。同時為防止勵磁電壓回路斷線造成的誤判，設有

勵磁電壓低于8V的閉鎖條件。為防止發(fā)電機在起動或停機過程中等勵磁低電壓元件誤動

設有的閉鎖條件。等勵磁判據(jù)經(jīng)延時「4,或門1與機端電壓低判據(jù)發(fā)出切換廠用電命令。

與系統(tǒng)電壓低判據(jù)發(fā)出跳閘命令。延時T4是防止干擾或異常工況造成的短時勵磁電壓降低

而設置的。一般取0.1~0.2秒。

變勵磁電壓元件也受系統(tǒng)故障元件閉鎖。同時為防止勵磁電壓回路斷線造成的誤判，設

有勵磁電壓低于8V的閉鎖條件。變勵磁電壓判據(jù)的定值是隨有功P變化的。所以不需要的

閉鎖條件。孌勵磁電壓判據(jù)經(jīng)延時T5,或門1與機端電壓低判據(jù)度出切換廠用申.命令。與

系統(tǒng)電壓低判據(jù)發(fā)出跳閘命令。延時T5是防止系統(tǒng)振蕩造成變勵磁電壓元件誤動而設置的。

一般取0.3~0.4秒。

勵磁電壓低的判據(jù)受機端電壓高判據(jù)的閉鎖。主要是防止強行減磁時由于勵磁調(diào)節(jié)器的

不可調(diào)負輸出引起的誤動。因為在外部短路或發(fā)電機突然甩負荷時，機端電壓升高，勵磁調(diào)

節(jié)器的正輸出逐漸減小到零，端電壓仍較高，于是調(diào)節(jié)器產(chǎn)生負輸出，此時勵磁電壓會降低

甚至變負。而低勵或失磁時，機端電壓不會過高。如果沒有這種負輸出，該判據(jù)可取消。

五微機失磁保護的整定計算

整定計算的系統(tǒng)接線圖如圖1—22所示。

發(fā)電機變壓器輸電線路系統(tǒng)

圖1—22發(fā)電機與系統(tǒng)的連接圖

1低電壓元件的定值

機端低電壓元件：

高壓側(cè)低電壓元件：

2阻抗元件的定值

首先將系統(tǒng)圖中各個元件以標幺值表示的阻抗變?yōu)榘l(fā)電機額定電壓值下的有名值，

式（7—47）~式（7—50）中：

一發(fā)電機直軸同步電抗標幺值；

一變壓器短路電壓的百分數(shù)；

一線路每公里正序電抗值（一次有名值）

一輸電線路的長度（公里）；

一系統(tǒng)電抗的標幺值；

一發(fā)電機額定電流有名值；

一發(fā)電機的額定電壓有名值；

一變壓器的額定容量；

一系統(tǒng)母線的電壓有名值;

一計算系統(tǒng)電抗標幺值的基準容量；

一為發(fā)電機直軸電抗有名值；

一為歸算到發(fā)電機電壓下的變壓器電抗有名值；

一為歸算到發(fā)電機電壓下的線路電抗有名值；

一為歸算到發(fā)電機電壓下的系統(tǒng)電抗有名值；

（1）隱極機靜穩(wěn)邊界阻抗圓整定

靜穩(wěn)邊界圓的圓心坐標為：

式中：

一電流互感器的變匕；

一電壓互感器的變比；

靜穩(wěn)圓的半徑為：

（2）隱極機異步阻抗圓整定

圓心坐標為：。

半徑為：

式（7—54）和式（7—55）中：

一為發(fā)電機暫態(tài)電抗的有名值；

（3）凸極機的靜穩(wěn)邊界阻抗圓整定

當取時，為標準圓特性。當取時為蘋果圓特性。

圓心為：

半徑為：

式（7—56）和式（7—57）中：

一為發(fā)電機縱軸電抗的有名值;

(4)凸極機的異步阻抗圓整定

圓心為：

半徑為：

3勵磁低電壓元件的整定

(1)等勵磁電壓判據(jù)的整定

式中：一為發(fā)電機空載勵磁電壓。

(2)變勵磁電壓元件

凸極功率的計算：

式中：

,為發(fā)電機至系統(tǒng)之間的綜合直軸電抗有名值；

,為發(fā)電機至系統(tǒng)之間的綜合交軸電抗有名值；

變勵磁電壓系數(shù)的計算：

式中：

一發(fā)電機的空載電勢；

一發(fā)電機的額定電壓；

根據(jù)對變勵磁電壓判據(jù)的分析，在系統(tǒng)振蕩、異步運行等工況下，有功功率波動(勵

磁電壓也隨之波動)有可能使變勵磁電壓判據(jù)()發(fā)生誤動。為此在微機保護中，計算有功

P時采用在一段時間求有功功率的平均值的方法。

式中：

一為計算有功的時間間隔；

一為工頻一周期的采樣點數(shù)；

一為工頻周期數(shù)。

例如，當取計算間隔秒時，則取10個工頻周期有功功率的平均值作為有功的值。

4負序電流和負序電壓元件的整定

(1)負序電流元件

按故障時有足夠靈敏度整定，同時應躲過發(fā)電機正常運行允許的負序電流值。

式中：

一為發(fā)電機長期運行允許的負序電流標幺值。

(2)負序電壓元件

按躲過正常運行的不平衡分量整定。

第二章電力變壓器的繼電保護

第一節(jié)電力變壓器的故障、不正常運行及配置的保護方式

電力變壓器是電力系統(tǒng)中應用十分廣泛的電氣元件。它的故障將對系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和供

電可靠性帶來嚴重影響。同時大容量的電力變壓器造價昂貴，一旦損壞將會造成巨大經(jīng)濟損

失。因此，必須根據(jù)變壓器的容量及其重要程度裝設相應的繼電保護裝置。

變壓器的故障可以分為油箱內(nèi)部和油箱外部的故障。油箱內(nèi)部的故障包括變壓器繞組的

相間短路、接地短路、匝間短路以及變壓器鐵芯的燒損。變壓器油箱內(nèi)部發(fā)生故障是十分危

險的，因為故障產(chǎn)生的電弧引起變壓器絕緣油劇烈氣化，從而可能引起變壓器爆炸，所以必

須快速切除這些故障。變壓器油箱外部的故障主要是套管和引出線上發(fā)生的相間及接地短

路。上述接地短路是指變玉器中性點接地一側(cè)的繞組。

變壓器的不正常運行狀態(tài)主要是：由于變壓器外部發(fā)生相間短路的過電流和接地側(cè)外部

發(fā)生接地故障產(chǎn)生的零序過電流和過電壓；由于電壓升高頻率降低使變壓器鐵芯中磁通密度

增加產(chǎn)生的過勵磁；由于負荷超過額定容量引起的過負荷；由于變壓器漏油造成的油面降低。

根據(jù)以上故障和不正常運行狀態(tài)及變壓器的容量大小、在系統(tǒng)中的重要程度，變壓器應

配置的繼電保護裝置有：

1瓦斯保護。

這是一種非電量保護。其基本原理是依據(jù)變壓器內(nèi)部故障產(chǎn)生電弧，使變壓器的絕緣油

分解氣化，瓦斯繼電器反映產(chǎn)生的氣體或油流的速度而動作的保護。分為重瓦斯和輕瓦斯保

護。重瓦斯保護反映內(nèi)部的嚴重故障，動作后跳開變壓器各側(cè)斷路器，重瓦斯保護是變壓器

油箱內(nèi)部故障的主保護。輕瓦斯保護反映內(nèi)部較輕微的故障，動作于發(fā)信號。

裝設瓦斯保護的變壓器的容量界限是：容量在800KVA及以上的油浸式變壓器。

2縱聯(lián)差動保護或電流速斷保護

并列運行的變壓器，容量在6300KVA及以上或單獨運行的變壓器容量在10000KVA及

以上時應裝設縱聯(lián)差動保護?？v聯(lián)差動保護對變壓器內(nèi)部、套管及引出線上的各種故障均能

起到保護作用。它是變壓器的主保護。在容量小于10000KVA的變壓器上可裝設電流速斷

保護。

3對于由外部短路引起的變壓器過電流，應配置后備保護。

后備保護的方式可采用：

(1)過電流保護，一般用于容量較小、電壓等級較低的降壓變壓器上。

(2)復合電壓起動的過電流保護。一般用于升壓變壓器或過電流保護靈敏度不滿足要

求的降壓變壓器上。

(3)負序電流保護及單相式低壓起動的過電流保護。一般用于大容量升壓變壓器或系

統(tǒng)中的聯(lián)絡變壓器。

(4)阻抗保護。對于升壓變壓器或系統(tǒng)中的聯(lián)絡變壓器，當采用(2)(3)的保護靈

敏度不滿足要求時，可采用阻抗保護。

4對變壓器的接地故障應根據(jù)中性點接地方式配置不同的保護。

中性點直接接地時應配置反映零序電流的接地保護;對中性點經(jīng)過放電間隙接地的變

壓器應配置間隙電流保護和零序電壓保護;對中性點可能接地也可能不接地運行的變壓器應

配置零序電流和零序電壓保護。

5過負荷保護。

對400KVA以上的變壓器，當多臺并列運行，或單獨運行并作為具他負荷的備用電源

時，應根據(jù)情況裝設過負荷保護。過負荷保護裝于一相上，動作后經(jīng)延時發(fā)信號。

6過勵磁保護。

高壓側(cè)為500KV及以上的變壓器，對頻率降低電壓升高引起的變壓器過勵磁應配置

過勵磁保護。

7變壓器的其他非電量保護。

除上述的瓦斯保護外，變壓器還配有其他非電量保護。包括：油溫高保護、冷卻器故

障保護、壓力釋放保護等。

第二節(jié)變壓器的縱聯(lián)差動保護

毫無疑問，差動保護是變壓器的主要保護之一。變壓器的差動保護在原理上與發(fā)電機的

差動保護完全一致。但是，由于變壓器本身的特點，在構(gòu)成差動保護時須考慮許多因素。主

要有以下幾方面。

1變壓器高、中、低三側(cè)（或高、低兩側(cè)）的電流不等，因此，選用的電流互感器的變

比不同，因而，它們必然是不同型號的互感器，由于互感器幅值誤差產(chǎn)生的不平衡電流比發(fā)

電機差動保護的不平衡電流增大。

2對于接線組的變壓器，兩側(cè)同名相的電流有的相位差。由此產(chǎn)生的不平衡電流必須考

慮。

3有載調(diào)壓的變壓器在運行中改變分接頭位置時產(chǎn)生的不平衡電流。

4變壓器在空載合閘或區(qū)外故障切除電壓重新恢復時會產(chǎn)生非常大的勵磁涌流。

5變壓器差動保護應能反映高、低壓繞組的匝間短路。而在發(fā)生匝間短路時，短路的匝

數(shù)越少，短路環(huán)中的電流越大，但流入差動保護的電流越小。因此，變壓器差動保護應具有

較高的靈敏度。

6變壓器差動保護應能反映中性點直接接地側(cè)的單相接地故障。當經(jīng)過渡電阻接地時

故障電流較小，變壓器差動保護的靈敏度下降。

7當變壓器發(fā)生匝間短路時，變壓器仍帶有負荷，說明變壓器發(fā)生內(nèi)部故障時有流出電

流，當然會影響保護的靈敏度。

8發(fā)電機差動保護僅為兩側(cè)差動，而變壓器差動保護除兩側(cè)或三側(cè)差動的情況外，有可

能出現(xiàn)多于三側(cè)的情況，甚至達到六側(cè)差動的情況。

關于勵磁涌流的問題將在下一節(jié)專門討論。關于多側(cè)差動的問題是在設計微機保護的硬

件和軟件時應考慮的問題c本節(jié)主要討論前面三個問題。同時，介紹變壓器的比率式差動保

護的構(gòu)成及原理、整定計算。

一微機變壓器差動保護的接線和不平衡電流的補償方法

對于常規(guī)變壓器差動保護，當變壓器的接線組為時，為消除由此在差動繼電器中產(chǎn)生的

不平衡電流，應在構(gòu)成差動保護的接線時，將變壓器一次繞組接為星形一側(cè)的三相CT的二

次連接為三角形,且應保證三角形之外引線上電流的相位超前于該相電流互感器二次電流相

位；而變壓器一次繞絹接為三角形一側(cè)的三相CT的二次連接為星形。由干彼種接線煩瑣號

雜，因此，在微機保護中普遍采用了軟件調(diào)整相位的方法。即無論變壓器采用什么連接組，

都可將變壓器各側(cè)的三相CT按星形接線，然后將二次電流引入相應的電流變換器。如圖7

—13所示。

LHA

相的電流變換器.為補償變巨器兩側(cè)電流的相任差,加W護隹軟件中采用的方法是，對

女壓哭芻細為在塊的一flill跳下才外碑?

式中：

、、分別為補償后的A、B、C三相電流的采樣值、、分別為A、B、C三相電流的采樣值。

對變壓器為連接的一側(cè)則直接用其采樣值計算。

在常規(guī)的變壓器差動保護中，我們知道，產(chǎn)生不平衡電流的原因還有兩側(cè)電流互感器按標準

變比選擇和平衡線圈計算匝數(shù)與整定匝數(shù)不等帶來的影響，而在微機保護中這種影響完全可

以通過軟件的方法進行補償，從而使不平衡電流減到最小。

設某降壓變壓器的參數(shù)如下：

容量：

電壓比：

接線方式：

(1)計算變壓器各側(cè)額定電流。

110KV側(cè)：

35KV側(cè)：

10KV側(cè)：

(2)選擇各側(cè)電流互感器的變比：

11OKV側(cè)：，選擇：300/5

35KV側(cè)：，選擇：1000/5

10KV側(cè)：，選擇：2000/5

(3)計算各側(cè)二次電流：

110KV側(cè)：

35KV側(cè)：

10KV側(cè):

(4)以高壓側(cè)為基準，求各側(cè)電流平衡系數(shù)

設中壓側(cè)電流平衡系數(shù)為，低壓側(cè)電流平衡系數(shù)為。在本例中可得：

在軟件計算時可根據(jù)各側(cè)電流平衡系數(shù)進行補償。假設在正常運行時該變壓器滿載運行，中

壓側(cè)的容量為20MVA,低壓側(cè)的容量為11.5MVA,則有高壓側(cè)電流為：165.3A,中壓側(cè)

電流為300A,低壓側(cè)電流為603.6A。高壓側(cè)二次電流為4.772A,中壓側(cè)二次電流為2.6A,

低壓側(cè)二次電流為1.51A。因此，差電流為：

由以上的例題可見，在微機變壓器保護裝置中，采用軟件補償?shù)姆椒?，可將正常運行時

的不平衡電流減少到非常小的值。

二比率制動特性的變壓器差動保護

比率制動特性既能在外部短路時具有可靠的制動作用，又能保證在變壓器內(nèi)部短路時具有較

高的靈敏度，因此，變壓器差動保護普遍采用比率制動特性。對于變壓器差動保護來說，由

于空載合閘或區(qū)外故障切除端電壓恢復時產(chǎn)生的勵磁涌流的影響,需采取防止涌流誤動的閉

鎖措施。另外，在變壓器過激磁時差動保護可能誤動，需采取防止過激磁時誤動的措施。由

于外部故障產(chǎn)生的不平衡電流比發(fā)電機差動保護的不平衡電流要大得多，為防止區(qū)外故障誤

動，變壓器差動保護的最小動作電流及制動特性部分的斜率與發(fā)電機差動保護相比要大。對

于變壓器內(nèi)部故障有流出電流的情況，為提高保護的靈敏度，可采用三折線制動特性。即動

作特性包含三段，當制動電流小于額定電流時，無制動作用。制動電流在之間時，制動特性

的斜率較低，當制動電流大于時，制動特性的斜率較高。如圖2—2所示。

0

圖2一2三折線比率制動特性

比率制動特性的變壓器差動保護的動作方程和制動電流的選擇。

兩折線特性的動作方程：

0

0

其中：

一為差動電流；

一為制動電流；

一為差動保護最小動作電流；

一為比率制動特性的拐點電流

一為比率制動特性的斜率；

三折線特性的動作方程：

0

()

其中：

一為差動電流；

一為制動電流；

一為差動保護最小動作電流；

一為比率制動特性的第一拐點電流；

一為比率制動特性第一折線段的斜率；

一為比率制動特性第二折線段的斜率；

一為比率制動特性的第二拐點電流；

對于變壓器差動保護，各惻電流的正方向均以指向變壓器為正，在這一規(guī)定下，差動電流與

制動電流分別為：

雙繞組變壓器：

差動電流為：

制動電流為：

三繞組變壓器：

差動電流為：

制動電流為：

三變壓器差動保護的整定計算

1最小動作電流

按躲過變壓器在正常運行條件下產(chǎn)生的不平衡電流整定。

式中：

一可靠系數(shù)，取1.5~2.0;

一同型系數(shù)，取1；

一電流互感器變比誤差，取0.1；

一有載調(diào)壓變壓器的調(diào)壓范圍，取全部調(diào)壓范圍的一半；例如，某變壓器的110KV側(cè)為有

載調(diào)壓側(cè)，調(diào)壓范圍為，在計算時取。

一變壓器高壓側(cè)的額定電流；

一高壓側(cè)電流互感器的變土；

注意到，上式中沒有考慮平衡線圈計算匝數(shù)與整定匝數(shù)不相等產(chǎn)生的不平衡電流。這是因為

在微機變壓器保護中，已由軟件補償了各側(cè)二次電流不等的影響，所以，可不予考慮。

按上式計算，當時。

2制動特性拐點電流；

3最大制動系數(shù)：

在區(qū)外發(fā)生三相短路時，流過差回路的不平衡電流最大，為保證此時保護不誤動應有：

式中：

一差動保護的最大動作電流；

一為變壓器差動保護范圍外部發(fā)生三相短路的最大短路電流；

按取最大側(cè)短路電流為制動電流的原則，在外部短路時，制動電流即為：

所以有：

?。?、、。

則：

4制動特性的斜率

按以上的分析：

設外部三相短路電流為變壓器額定電流的10倍。所以，比率制動特性的斜率可推算如

下：

則：

即制動特性曲線的斜率取0.46,剛好滿足上述要求。

在微機變壓器保護裝置的資料介紹中，一般建議的整定值為：

對于三折線的比率制動特性，在《電氣主設備繼電保護原理與應用》中，建議的整定值為：

其中，選擇較低的值，主要是為提高內(nèi)部故障有流出電流時差動保護的靈敏度。選擇較高的

值，主要是為防止外部短路時保護誤動。

四微機型變壓器差動保護的邏輯

圖2—3是微機變壓器差動保護的邏輯圖。其中包括三部分。一是差動速斷部分。二是

比率制動部分。三是電流互感器二次斷線判別和差流越限判別部分。差動速斷部分不受二次

諧波和CT二次斷線的控制，當差電流大于差動速斷的定值時立即發(fā)出跳閘命令。比率制動

部分按比率制動特性判別差動保護是否動作。該部分同時受二次諧波制動和五次諧波制.動的

控制。其中，二次諧波部分是為防止變壓器出現(xiàn)勵磁涌流時誤動，五次諧波部分是為防止變

壓器過激磁時誤動。在微機變壓器保護中，一般二次諧波制動的整定值為0.15,即當二次

諧波分量大于等于基波分量的15%,則閉鎖保護。為保證差動保護動作的可靠性，采用或

門制動方式，即三相差流中，任一相差流中的二次諧波大于等于基波分量的15%時，立即

閉鎖比率制動部分的差動保護。五次諧波閉鎖部分一般用于500KV變壓器差動保護，整定

值選擇為0.3~0.35。即五次諧波大于等于基波分量的30%—35%時，閉鎖差動保護。

電流互感器二次斷線是否閉鎖比率制動特性的差動保護.用戶可誦過定值單中的控制字

選擇。差流越限判別可在正常運行時監(jiān)視各相的差電流，如任一相差電流超過越限門檻值則

發(fā)出告警信號。差流越限的門檻值一般取差動保護最小動作電流的一半。本框圖表示的是微

機變壓器差動保護的一種方案。目前，已研制出的微機型變壓器差動保護的方案還有另外兩

種涌流閉鎖方案。一是采用判別差電流中的間斷角原理構(gòu)成的涌流閉鎖方案，另一種是判別

差電流的波形對稱性構(gòu)成的涌流閉鎖方案。

A相差動速斷-----

圖2—3具*巳次諧波施碓壓:*聆■卜輯圖—差動速斷出口

c相差動速曲第三節(jié)的勵磁涌流分析

JI

眾所周一上疫狂器的原邊和平邊是通過電磁耦合的。所以變壓器在工作時一定有勵

磁電流存在遂講此電流織4電源側(cè)存因此會在差動保護中產(chǎn)生不平衡電流，但是一

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