发电机内部短路主保护2

1、1发电机内部故障主保护（一）比率制动式纵差保护1、大型发电机的相间短路不选用带速饱和变流器的纵差保护（如BCH-2型差动继电器）的原因：n速饱和变流器虽有削弱外部短路暂态不平衡电流作用，但它同时恶化了内部短路故障暂态（非周期分量和周期分量）电流的传变，使保护动作延缓，灵敏度降低。n由于不采用比率制动特性，保护动作电流必须按最大外部短路时周期性短路电流所引起的最大不平衡电流来整定，即动作电流 为一固定值。 其值为 （1-1-1）opimaxoprelccerkaik k k In2 式中： 可靠系数， ； 两侧电流互感器同型系数，当两侧电流互感器 为相同型式时， ，否则 ； 电流互感器幅值的误差

2、系数， ，、 为互感器一、二次侧电流， 为互感器变比； 机端三相短路（保护区外）最大周期性电流。 取 ， ， ， ，则一次动作电流（标幺值）为 ，即该保护的一次动作电流达发电机额定电流的37.5%。从表面上看，它对机端两相短路仍有足够的灵敏度（灵敏系数满 足 ），但这并不说明它对发电机内部实际发生的相间短路具有可靠的保护作用，且其速动性差。relk1.31.5relkcck0.5cck 1.0cck211eraiknIIerk1I2ianmaxkI1.5relk0.5cck0.1erk.max5kI0.375opI2.0senk3 如图，一次电流用大写 字母表示， 二次电流用小写 字母表示。纵

3、差保护继电器 的差动线圈匝数为 ，制动 线圈匝数为 、 ，互 感器一、二次绕组极性和 一、二次电流正方向定义如图所示。若 ，则差动继电器差动安匝为 ，制动安匝为 为了方便，直接用电流表示： 差动电流： （1-1-2）1I2I1i2ididw1i2i1resw2resw*dw1resw2resw图1 发电机比率制动式纵差保护 的原理接线图120.5resresdwww12diiw1122120.5resresdi wi wiiw1212()/daiiiIIn2、比率制动式纵差保护的基本原理4 制动电流： （1-1-3） 当发电机本身无故障，机外（纵差保护区外）发生短路时 ， ， ，制动作用很大，

4、动作作用理论上为零，保护可靠制动。外部短路电流 越大，制动电流 越大，而差动电流仅为不平衡电流 ， （1-1-4） 式中 考虑外部短路暂态非周期分量电流对互感器饱和的影响，称非周期系数。一般取 既然继电器制动电流 随外部短路电路线形增大，纵差保护的动作电流 也随外部电流相应增大。 随 增大而增大的性能，称为比率制动特性（图2折线BC）。 resiunbiapk1.5 2.0apk0di resi12120.5()()/2resaiiiIIn12k ouIII1/k ouresaaiInInk ouImax1nk ouunbiapcceraiiik k kInopiopik oui5 当发电机正

5、常运行时，各相电流不大于互感器一次额定电流 。这时纵差保护的不平衡电流不应由上式计算。按照国际标准，继电保护用电流互感器在额定电流下，5P级和10P级比误差分别是 和 ， 很小，完全不需要比率制动特性，只用最小动作电流 即可避越负荷状态下的最大不平衡电流（图2线段AB）。1niunbi001003unbi0opiunbi1.02.0AOBH2.03.04.0G0()resi(3)max()reskaiInmaxunbimaxopiCD比率制动特性0opi图2 发电机纵差保护的比率制动特性6n最小动作电流 （A点）u在最大负荷工况下纵差保护不平衡电流 不应小于 当发电机最大负荷电流不大于TA一次

6、额定电流时，10P 级互感器比误差 5P级和TP级互感器比误差 ，因此在最大负荷工况下不平衡电流 不可能大于 ，所以有极为安全可靠的 值 （1-1-5）u外部远处短路，短路电流 不大，设 ，这时有不平衡电流 也应小于 。 的值为： （1-1-6）0opiunb ni0opi003001unbi6%naIn0opi01.5 0.060.1oprel unb nnanaik iInInk ouIk ounIIunbki0opi0opi0oprel unb krelapccerk ouaik ik k k k In1.5 1.5 1.0 0.060.135nanaInIn3、比率制动式纵差保护的整定

7、计算nI7 以上计算是非常安全保守的， 可取为u如遇特殊情况（如两侧TA特性严重不同），则根据在负荷工况下实测不平衡电流 ，取 。n最小制动电流 （B点） 当外部短路电流 时，保护呈现制动作用以防止误动。只有在时，才不需要制动作用。因此： （1-1-7）n最大动作电流 （C点） 当发生外部最大短路电流 时，纵差保护将有最大不平衡电流 ，应保证不误动作。 值为： （1-1-8） 与此同时有最大制动电流 为： 。0opi0.1 0.2naInunbi01.5opunbii0resik ounIIk ouares onaIniIn00.8 1.0resnaiInmaxopimaxkImaxunbim

8、axopimaxmaxmaxoprel unbrelapccerkaik ik k k k InmaxresimaxmaxreskaiIn8 最大制动系数 为： 。一般可取 。 至此，比率制动式纵差保护动作特性被完全确定。鉴于折线BC不通过原点，因此BC线上各点的制动系数 是变化的，使用不方便。直线BC的斜率m是常数，而且 或 （1-1-9） 因此图2中制动特性的斜率m可以根据 、 和 、 方便地确定。n灵敏系数校验 在被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数 。灵敏系数应根据不利的正常（含正常检修）运行方式和不利的故障类型计算。maxreskmaxmaxmaxresopre

9、srelapccerkiik k k kmax0.15 0.30reskresopreskiimaxmax0opop oresresmiiii00maxmaxmax1opresresresresiimkiimaxresk0opi0resimaxresisenk9 对于发电机纵差保护，应按发电机与系统断开、空载额定电压、机端两相金属性短路的 ，灵敏系数为： 。式中， 为 时，由图2查得对应 的 值。要求 ，如上整定的比率制动式纵差保护，一般均能满足要求。 无论模拟式（电磁型、晶体管型或集成电路型）和数字式保护，均应满足 的技术要求，主要目的是考虑故障点过度电阻、原始参数不准等对 计算的影响。即使

10、能使 ，也不能说发电机定子绕组少量匝数经过渡电阻发生相间短路时纵差保护一定能动作，这同时也告诉我们，无根据地增大 是有害的。min(2)kImin(2)ksenaopkIn iopimin(2)2kresaiInresiopi2.0senk2.0senkm in( 2 )kI2.0senk0opi10n外部短路时纵差保护因互感器引起的不平衡电流 与外部短路电流 的关系是图2中的曲线OED，而不是虚直线OD。比率制动特性ABC虽然与直线OD相交，但它完全位于曲线OED之上，因此不会因外部短路而误动。n最大制动系数 只在最大外部短路电流 下是必需的。当 时， 可以小于 。若不平衡电流完全由互感器产

11、生，则比率制动特性只要满足在最大外部电流下的 和最大负荷状态下的 ，纵差保护就一定不会误动。maxreskmaxk ouImaxkk ouIIreskmaxreskmaxresk0opik ouIunbi4、两个基本概念11n电流互感器的极性问题；n电流互感器的二次负载问题；n二次电流端子连接要牢固；n比率制动特性的调试；n发电机比率制动式纵差保护的中性点侧电流不接入制动绕组的改进措施。n注意：比率制动式发电机纵差保护不反应匝间短路和定子分支开焊。5、比率制动式发电机纵差保护安装调试注意问题121、标积制动式纵差保护基本原理（ 、 为全相电流） 比率制动式纵差保护以两端电流向量差 为动作量，两

12、端电流向量和 为制动量，动作判据为 。两侧平方经整理得 （1-2-1） 或写成 （1-2-2） 式中： 标积制动系数， 。 电流 和 之间的相位差。 式中等号左侧为纵差保护动作量，右侧中两电流幅值与夹角余弦的乘积通常称为“标积”。它是纵差保护制动量。当发电机纵差保护区外短路时 ， ，所以制动量为 很大 ，保护可靠制动；当保护区内部短路时，若设 反向， ， 则标积为： 12II12II1212resIIkII22121224c o s1r e sr e skIIIIk21212cosresIIkIIresk2241resresreskkk1I2I12kIII0o2kI2I180o1I2I（二）标

13、积制动式纵差保护13 ，即制动量为负，呈现动作作用。加上 为很大的动作量，保护灵敏动作。这就是标积制动式纵差保护的基本原理。2、标积制动系数 的选取 从标积制动式纵差保护的基本原理出发，如果把内部短路理解为 ，把外部短路故障理解为 则其系数 越大，外部短路时制动作用越强，保护越不会误动，内部短路是保护灵敏系数越高。问题在于内部短路时 是否真的是 。对于外部短路时两侧一次电流相同，经互感器传变后，两侧二次电流之间就会有一定的相位差，但只要 ，仍有 保持制动作用。 选取越大，越有利于加强制动作用。至于发电机内部相间短路（标积制动式纵差保护也不反映匝间短路和分支开焊），曾对SF3025 80/170

14、00大型水轮发电机作过AB相间短路计算。结 1212cos180oIIII 212IIresk180o0oresk180o90ocos0resk14 果是非故障相C两侧电流相位差 ，故障相两侧电流相位差 和 ， 和 ，故障相 ， 选取较大值，有利于提高灵敏度。对三峡水电厂两台发电机组定子绕组的相间短路计算也得到了类似结果。 基于上述认识，推荐选用标积制动系数 1.5（通常可取1.0）。它已足够保证外部短路不误动。若再增大 值，由于内部短路时的 角数据目前只有个别实例，倘若出现 （即 ）的情况则将严重影响内部短路保护的灵敏度。所以 不应取得太大。0oc177.5oa161.8o161.5ob17

15、6.8o0oresk0.5resk reskcos090oresk151、传统完全纵差保护不反映匝间短路和分支开焊故障的原因 利用发电机每相首末两端定子全相电流 和 构成的传统（完全）纵差保护能灵敏地反映发电机定子绕组的相间短路，但当发生匝间短路或分支开焊故障时，两端的电流 ，不管机内故障电流多大，传统纵差保护将毫无反应，而不完全纵差保护则可以反映这些故障。1i2i12ii（三）不完全纵差保护16 通常大型汽轮发电机定子绕 组为每相两并联分支（中型水轮 发电机也有这种情况）。如图所 示，中性点侧引出6个或4个端子 ，互感器TA1和TA2构成不完全 纵差保护。因为TA2只引入部分 相电流。当然T

16、A1和TA2的变比 是不同的（对于微机保护TA1和 TA2的变比可以选取相同的，然 后采用软件调整两侧二次电流的 平衡），使正常运行或外部短路 时差动回路不平衡电流很小。 发差发-变纵差横差机壳外TA1TA2发差发-变纵差横差机壳外TA1TA2图3 汽轮发电机不完全纵差保护原理接线图 上图 中性点侧引出6个端子 下图 中性点侧引出4个端子2、汽轮发电机不完全纵差保护17 不完全纵差保护之所以能反映发电机内部各种短路和分支开焊故障，最重要的概念是由于三相定子绕组分布在同一定子铁心芯上，不同相间和不同匝间存在紧密的互感联系。当未装设互感器的定子分支绕组发生故障时，通过互感磁通可以在装设互感器的非故

17、障定子分支绕组中感受到故障的发生，使不完全纵差保护动作。理论分析和实验研究均证明该保护原理的正确性。 这种不完全纵差保护的整定计算与传统纵差保护几乎一样。仅仅是电流互感器的同型系数 不再是0.5而改取1.0（因变比不同而不再同型），比率制动特性可选取 （A点）； （B点）； （C点），一般可取为0.20.3。cck00.10 0.20opi01.0resimaxresrelapccerkk k k k18 水轮发电机由于水头不同，转速各异，极数也各不相同，加上单机容量的影响，定子绕组每相并联分支数a有2、3、4、5、6、8、10等。在构成不完全纵差保护时，和汽轮发电机相同，将三相定子绕组一分为

18、二，但并不要求两部分的每相分支数相等（如a=5就不能二等分）。为了使不完全纵差保护能充分对相间、匝间短路和分支开焊起保护作用，设接入不完全纵差保护的发电机中性点侧每相分支数为b，则由物理概念和经验可选取： 例如：a=2，b=1；每相取第1或第2分支 a=3，b=2；每相取第1、2或第2、3分支 a=4，b=2；每相取第1、3或2、4 或者第1、2 或3、4分支122aab3、水轮发电机不完全纵差保护19a=5，b=3；每相取第1、3、5分支a=6，b=4；每相取第1、2、5、6或第3、4、5、6分支a=8，b=5；每相取第1、3、4、6、7或第2、3、5、6、8 分支a=10，b=6；每相取第

19、1、3、4、6、7、9分支 选取b值时，考虑两条原则：n最大可能地反映每相所有分支的故障，因此要求b大一些。n若b a，则反映匝间短路的能力减小，b=a时只能反映相间短路。 选定b值后，具体确定每相的哪些分支接入不完全纵差保护，除了考虑不完全纵差保护尽可能覆盖所有分支外，有时还要考虑 的水轮发电机需要组成 3a 20 3个中性点，以便装设两套单元件横差保护。例如a=8的发电机，每相的第1、4、7分支，第2、5、8分支，第3、6分支分别组成3个中性点，这样第1、4、7、3、6分支或第2、5、8、3、6分支可引入发电机不完全纵差保护。最终决定不完全纵差保护的发电机中性点侧每相哪些分支接入时还应考虑

20、发电机制造的方便。 a=8的水轮发电机不完全纵差保护用互感器（TA1，TA2）如图4所示。TA3是用于变压器纵差保护的；TA5是用于发-变组不完全纵差保护；TA01和TA02是用于两套单元件横差保护的。互感器TA1和TA5放置在发电机机壳内，它们在运行中常年于机组一同振动，在安装和连接端子引线时必须认真注意防止互感器二次侧引线断线和端子开路问题。21 不管是汽轮发电机或水轮发电机，要计算和校核发电机内部相间短路、匝间短路和分支开焊故障时不完全纵差保护的灵敏度，是非常复杂的问题，必须依靠计算机，采用多回路分析法求解。按继电保护技术规程要求以机端金属性两相短路来校核纵差保护的灵敏度（ ）是不必要的

21、，因为它一定满足要求。2.0TA01TA02TA1TA5TA3TA2030201发电机机壳内发电机不完全纵差图4 a=8的水轮发电机不完全纵差保护的互感器（TA1，TA2）配置221、传统的单元件零序电流型横差保护 如图，以a=3为例， 各相均分成两部分，一个 为2分支，另一个为1分 支，在三相绕组中性点侧 接成两个中性点o1和o2 ，在o1和o2连线中接入 TA0。当定子绕组发生K2 、K5相间短路或K1、K3同一分支匝间短路或K4同相不同分支间短路时，都将在o1o2连线中产生零序短路电流，单元件零序电流型横差保护动作。TA1TA2TA0ABC发电机不完全纵差K1K2K3K4K5o1o2图5

22、 单元件零序电流型横差保护（四）横（联）差（动）保护23 按照以往的传统方法，互感器TA0的变比 A，为减小不平衡横差电流，采用三次谐波滤过器（TA二次侧并联电容），习惯取三次谐波滤过比为15左右，零序电流型横差保护动作电流 （1-4-1） 这种旧式的单元件零序电流型横差保护，灵敏度低，由于三次谐波滤过比太小，外部短路时暂态不平衡电流（三次谐波为主）往往造成保护误动作。0an0.255nI(0.2 0.3)opnII24 高灵敏单元件零序电流型横差保护的原理接线仍如图5所示。传统的单元件零序电流型横差保护，如前所述，灵敏度低而且还可能误动。针对这些缺点，提出以下技术措施，在保证外部短路不误动的

23、前提下，提高内部短路的灵敏度。n提高三次谐波滤过比 增强三次谐波阻波能力，提高三次谐波滤过比到80100，使三次谐波不平衡电流基本不起作用。这在静态保护特别是微机保护是不难实现的。n大幅度减小互感器变比 （ A） 当一次动作电流确定后，对于同一内部短路， 减小N倍，零序电流电流型横差保护灵敏度就提高N倍（若TA不发生严重饱和）。0an15nI0an2、高灵敏单元件零序电流型横差保护25 的减小，同样也增大了外部短路时零序电流型横差保护的不平衡电流，但后者主要是三次谐波，为此必须加强三次谐波滤波。 A不能任意减小，应遵循以下原则：u在最大内部短路电流作用下，所选择的TA一次额定电流 应满足电动力

24、和热稳定的要求。 对于采用单匝贯穿式母线型、浇注成型固体绝缘介质的电流互感器，瞬时动作跳闸停机，电动力和热稳定是有保证的。u在发电机正常运行时，中性点连线不平衡电流 （ 包括基波和各次谐波）应小于 。 由于电机设计和制造工艺上的原因，不同的发电机在满负荷运行时，中性点连线电流 大不相同，例如700MW的发电机有 A ，550MW的发电机有0an015annI1nII1nII200I26 A，而170MW的发电机却有 A。由于 在发电机投运前并不知道，设计和施工安装时只能配置23个 A值，例如：630/5A、400/5A、200/5A，待发电机投运后再确定 的实用值。u单元件零序电流型横差保护用

25、TA的变比太小， 太小，在内部短路时，TA会不会严重饱和而使保护严重失效？ 根据对发电机实际的内部短路计算，若中性点连线电流 为40倍 （ ），即 ，若选择 ，则最大短路电流为40 ；如果选用10P20的互感器，额定容量 VA，额定二次负载阻抗为 （0.8滞后）。设TA二次绕组内阻为0.5 ，二次电缆和保护的电阻也是0.5 ，则10P20/50VA的互感器的实际10%误差倍数为 。200II15nI0an500I1nIIopI0.05opnIImax40I0.052nnII10.05nnII1nI50nS 2250 (5)2Z 220400.50.527 可见，减小零序电流型横差保护和二次电缆

26、的电阻，使10P20/50VA的互感器在 也能满足10%误差的要求。 过分地减小 或 是不恰当的。在满足内部短路保护灵敏度要求的前提下，宜适当加大 或 。困难是要先计算 ，这事很费事，但可以做到。n准确计算动作电流 ，既不任意夸大也不盲目减小 要准确整定高灵敏单元件零序电流型横差保护的 ，应首先了解该保护在各种工况下的不平衡电流。 作为一台理想的水轮发电机，在三相对称负荷工况下，或外部不对称短路时，中性点连线中的电流理论上是不存在的。由于各种制造和运行实际因素的影响，中性点连线会有少量电流。这些实际因素有：max140nII0an1nI0an1nImaxIopI1nI28u发电机定子槽齿和风道

27、的存在、定子和转子磁极表面的不平整，使定子绕组产生齿谐波电动势，定子电流还有高次谐波成分。u水轮发电机转子磁路在直轴和交轴方向上存在明显不同，加之制造和安装造成的气隙不均，必然造成定子绕组感应电动势和定子电流波形偏离正弦波。u运行中因大轴摆动、机组振动、转子径向膨胀，均将加剧气隙不均。u运行中因铜损和铁损引起定子、转子表面的热变形。 可见，不平衡电流产生的原因，有机械的，也有电磁的；有结构方面的静态因素，也有运行方面的动态因素。精确计算不平衡电流的大小几乎是不可能的，行之有效的方法是现场实测。29TA1TA2AK1K2K3K4K5BCTA1TA2KaKbKcKTA1TA2(a)(b)图6 三元

28、件裂相横差保护原理接线图 (a)三相接线；(b)继电器接线3、三元件裂相横差保护30 图6是三元件裂相横差保护的原理接线图。图中以每相并联5分支为例，为装设裂相横差保护，必须将每相并联分支数a一分为二，今a=5，则分成3与2（当a=6）时则分成3与3），两部分各装互感器TA1和TA2，它们的变比选择以保证正常运行时横差保护（Ka、Kb、Kc）中不平衡电流最小为原则。 图6（a）中，当定子绕组发生一分支的匝间短路（K1）、同相不同分支间的匝间短路（K2、K4）和不同相两分支相间短路（K3）时，裂相横差保护均能动作。对于大负荷时一分支绕组开焊时（K5），裂相横差保护也有反应。 因此横差保护是发电机

29、定子绕组所有内部故障的主保护。过去将其称为“匝间短路保护”是不妥的。 裂相横差保护可以采用比率制动式（图6（b）或标积制动式，其动作判据也和纵差保护一样。31 当采用比率制动式裂相横差保护时，定值的整定计算如下：n最小动作电流 在正常运行时，裂相横差保护的不平衡电流由两部分组成，即：u在负荷状态下，两TA比误差的最大值+0.03-(-0.03)= 0.06；u由于一相各分支绕组位于电机的不同空间位置，水轮发电机的气隙不均，各分支对应的磁场强度和感应电动势不等，产生额外的裂相横差不平衡电流。 宜在负荷工况下实测决定，初设时可取： （1-4-2）0opI0opI00.10opnII32u最小制动电

30、流 （1-4-3）u最大制动系数 或最大动作电流 （1-4-4） （1-4-5） 式中诸系数同式（1-1-1）。0resI00.50resnIImaxreskmaxopImaxresrelapccerkkkk kmaxmax2oprelapccerkIkkk k I33 图7所示为高灵敏双 元件零序电流型横差保 护，表面上它比图5多了 一套主保护，但双元件式 并不一定比单元件式灵敏 度高。因为单元件零序电 流型横差保护反应的是发 电机全部分支电流，而双 元件零序电流型横差保护 中的每一套只反应发电机部分分支电流。双元件高灵敏零序电流型横差保护的TA1TA2TA01ABC发电机不完全纵差o1o2

31、图7 高灵敏双元件或三元件 零序电流型横差保护o3TA024、高灵敏双元件或三元件零序电流型横差保护34 TA变比和动作电流，与单元件式类同。图7中还在中性点o2引线上也接入一台TA，这就构成高灵敏三元件零序电流型横差保护。它与裂相横差保护虽同为三元件，但反应的电流有零序和相电流之别。高灵敏单元件式、双元件式和三元件式零序电流型横差保护国内外均有实例应用。它们之间的性能比较，与发电机定子绕组的具体结构有关，应作发电机内部短路的具体计算和分析。 三元件裂相横差保护在我国建国初期已全部改为传统的单元件零序电流型横差保护。但欧美仍有在660MW汽轮发电机上装设三元件裂相横差保护的。国内外在大型水轮发

32、电机上也普遍应用三元件裂相横差保护。它是一种分相式横差，只对故障反应灵敏。单元件式零序电流型横差保护是三相综合式，可能对35 某一相故障灵敏度不及裂相横差保护。但单元件式零序电流型横差保护对各相故障均有较高的灵敏度，而零序电流型横差保护对各相故障均有较高的灵敏度，而且单元件式零序电流型横差保护设备简单。所以一般情况下，作为大型发电机的一种主保护，优先采用高灵敏单元件式零序电流型横差保护。高灵敏零序电流型横差保护中有单元件、双元件和三元件之分，一般采用单元件或双元件式。36 前面已经讨论了高灵敏单元件（或双元件）零序电流型横差保护、三元件裂相横差保护、不完全纵差保护（发电机和发-变组）以及传统的

33、完全纵差保护。把它们组合起来就成为发电机综合差动保护。这样配置的发电机内部故障主保护实现了双重化或三重、四重甚至五重化。五重化指单元件零序电流型横差（1套主保护）、裂相横差（1套主保护）、发电机不完全纵差和发-变组不完全纵差（2套主保护）。如果再加上传统完全纵差保护，合起来发电机已有5套主保护，对于模拟式保护装置过于累赘，实无必要。对于数字式微机保护装置，可采用资源共享原则，同时配置35种不同保护原理，并尽量不使硬件和软件复杂化。（五）发电机综合差动保护37a1 a2 a3 a4 a5Ab1 b2 b3 b4 b5Bb1 b2 b3 b4 b5CTA1TA2TA3机壳内K1a1a3a5a2a4

34、TA2TA2K2TA1a(a)图8 多分支分布中性点水轮发电机的综合差动保护 (a)三相定子绕组接线；(b)单相差动保护二次接线o1o2o3o5o4(b)38 综合差动保护在国内外均有应用，运行也很成功，水轮发电机用得最早也较为普遍。如图8所示，每相5分支的大型水轮发电机配置3套主保护的情况（发-变组不完全纵差未画出）。其中TA3接单元件高灵敏零序电流型横差保护、TA2接三元件裂相横差保护K1，TA1和TA2接发电机不完全纵差保护K2。这些保护的原理和应用，已在前几节讨论。图中发电机中性点侧每一支路均装设TA，而且这些TA都安装在机壳内，令人不安的两个问题曾经阻碍这一保护方案的采用，它们是：n

35、在电机很强的空间磁场作用下，互感器能否正常工作？通过实测，确切掌握了互感器安装处的磁场强度和方向，结论是适当选择安装位置，可以确保互感器完全正常工作。n互感器长年累月随发电机组震动，是否可能造成互感39 器二次侧断线开路？特别是互感器位于机壳内，运行人员平常无法观察监视，一旦互感器二次侧开路过电压，甚至引起发电机内着火，后果不堪设想。但实际运行证明，只要对安装工艺严格要求，上述问题是可以避免的。二次电缆必须经铜制线鼻子与接线柱连接，铜鼻子与二次电缆之间应作银铜焊，外包可靠绝缘层。二次电缆在接线柱与第一个支持板之间应有弹性减震环。二次电缆槽装在机座上部环形壁上，按0.81.0m间距设固定卡，固定

36、卡上端与电缆槽焊接，每个固定卡下部用两个M10螺丝紧固在环形壁板上，螺丝孔内涂厌氧胶，以防运行中螺母松动。 近几年来，已经改变每一分支装设TA的做法。如图4所示，发电机每相8并联分支，其中第1、4、7分支为一组装设3台TA（TA5），第2、5、8分支为一组装设3台TA（TA1）。TA5三台是为发-变组不完全纵差40 保护用的，TA3三台是变压器纵差保护用的，TA1与TA2组成发电机不完全纵差保护，TA01和TA02为高灵敏双元件零序电流型横差保护用TA。 综合差动保护方案当然可用与大型汽轮发电机，但前提是发电机中性点侧应引出6或4个端子，如图3所示。图3（a）有6个引出端子，其中3个引出端子接

37、在三相的一个分支中，用于发电机不完全纵差保护，另3个引出端子接在三相的另一个分支中，用于发-变组不完全纵差保护。图3（b）有4个引出端子，发电机和发-变组的不完全纵差保护用TA（TA2）均接在同一分支中。此外，还有高灵敏单元件零序电流型横差保护。这是大型汽轮发电机内部故障较完善和最简单的主保护方案。大型汽轮发电机中性点侧引出6个端子的情况，国内外均有实例，已不是可能不可能的问题，但在国内实现此方案尚需努力。41 对每相6并联分支的水轮发电机-变压器组，可能的综合差动保护配置方案如图9所示，发电机不完全纵差保护和发-变组不完全纵差保护均接入发电机中性点侧每相2个分支。发-变组不完全纵差保护TAT

38、ATATA发电机不完全纵差保护变压器差动保护横差保护T图9 水轮发电机-变压器组421、全相电压和电流的负序方向保护不能作为发电机内部短路主保护的原因 发电机三相定子绕组的相间短路、匝间短路以及分支开焊故障，均为不对称故障，机端将有负序电压 和电流 ，并有负序功率 由发电机流出。大型发电机机端引线均用分相封闭母线，不可能发生三相对称短路。当高压系统发生不对称短路、非全相运行或负荷三相不对称时，发电机机端也出现 和 ，但 必由系统流入发电机。因此负序功率的流向（检测点在机端）是发电机是否发生不对称故障的显著特征。 从发电机机端测量三相电压和三相电流，经模拟式负序电压和负序电流滤序器，获取负序分量

39、 和 ，并由此计算 ，确定 的正或负（从发电机流出或流入），这样构成的全相负序方向保护，经试验和2P2U2I2P2U2I2P2U2I2P2P（六）故障分量负序方向保护（ 保护）43 运行证明，误动频繁。究其原因主要是模拟式负序滤序器在暂态过程和频率偏移50Hz时有不平衡输出 和 ，因为模拟式滤过器由惯性元件L或C等组成，这些元件是按工频稳态条件下、三相正序输入、保证无输出而确定其参数的。由于负序方向保护是发电机的快速主保护，在外部系统发生对称或不对称的暂态过程中，或者在系统发生单相短路的单相跳闸、单相重合于永久故障继而三相跳闸的全过程中可能发生频率偏移50Hz，这些都将使负序滤过器有不平衡输出

40、 和 。 和 的大小和相位有随机性，由它们导出的 可能呈现从发电机流出的特征，极易造成误动。因此全相电压和电流的负序方向保护不能作为发电机内部短路主保护。2 unbU2 unbI2 unbU2 unbI2 unbU2 unbI2 unbP44 故障分量负序方向保护是微机型保护装置，滤取负序分量和基波分量，不是用模拟式元器件的硬件设备，而是用软件来完成，还可采用频率跟踪技术自动适应系统频率的变化，所以故障分量负序方向保护完全不同于全相电压和电流的负序方向保护。 设机端负序电压和电流的故障分量各为 和 （均为基波部分），则负序功率的故障分量 为： （1-6-1） 式中： 的共轭向量 负序功率方向继

41、电器的最大灵敏角， 故障分量负序方向继电器的动作判据为： （1-6-2）2U2I2P22223ResenjPUIe*2I2I*2sen75 80oo22RepUI2、故障分量负序方向保护的基本原理45 或 （1-6-3） 式中： 故障分量负序方向继电器的功率阈值 设有 （1-6-4） （1-6-5） 式中： 、 的实部和虚部 、 的实部和虚部 将式（1-6-4）（1-6-5）代入式（1-6-2）（1-6-3）可得： （1-6-6） 当采样频率为600Hz时，即每一工频（50Hz）周期采样12点，两次采样之间的相位差为 ，如图10所示，若取 ，则有： ， 的第k次采样； 的第k-1次采样；222

42、RIIIj I 222senjII e p222RIUUj U 2RU2IU2RI2II2U2I2222RRIIpUIUI30o275osen 2omIk 2I 2omIk 221nmIkIk 46 领先 恰好是 。 已知 （当取 )，由此可见 的方向可方便地由差分运算 即nm决定。顺便指出：这种差分运算也有利于减小非周期分量对保护的影响。因此对采样频率为600Hz的微机保护，应选取 ，虽然大型发电机组的负序阻抗角实际比 大些。onm2( )Ik2(1)Ik2I30o75o图10 的相位确定2Inm 2Ik75o7522( )ojIkI e 275osen 2Ik 221IkIk275osen

43、75o47n发电机并网前 无论发电机内部发生多严重的故障，机端电流恒为零， ， ，保护无作用。此时必须有其它主保护（如发电机和发-变组不完全纵差保护、高灵敏单元件横差保护等），也可考虑增设故障分量负序电压（ ）辅助保护，动作判据为： （1-6-7） 式中： 过电压继电器的阈值 过电压继电器（ 元件）在发电机并网运行时可作为 保护的启动元件。考虑到 保护实质上是方向保护，灵敏度较高，作为启动元件的 ，其灵敏度应高于 元件，在整定计算时应适当增大 ，以求两者灵敏度的配合。 20I20P2U2uUu2U2U2U2P2P2U2Pu3、故障分量负序方向保护的运行分析48n发电机内部不对称短路 机端引线采

44、用分相封闭母线的大型发电机，保护区内（以机端电流互感器TA为界）发生短路基本上都是不对称的，机端有 和 （定义正向为从发电机流出），其向量图如图11（a）所示，当 等于系统负序阻抗角 时， 将与 同相，此时继电器取得最大故障分量负序功率，使 元件处于最灵敏状态。机壳内定子绕组发生故障（特别是短路匝数很少的匝间短路和每相并联分支数很多的一分支开焊故障）时，机端 和 的定量计算是极其复杂的，有时 和 的量也很小，所以 和 整定值都很小。 2I2U2sen22I2U2P2U2I2U2Ipu492U2I2P2U2I2P2I2I*2I2I2I2I2I2U*2I*2I2U2U2U22222图11 区内、区

45、外故障及区外故障切除时 、 和 分析 (a) 区内故障；(b) 区外故障；(c) 区外故障切除(a)(c)(b)2U2I*2In区外不对称故障 当不对称故障发生在外部系统中时，负序源在外部故障点，如图11(a)所示， 与(b)的相反，相角 应由发电机负序阻抗角决定，当 时， 将与 反向， ，即 由系统流入发电机， 元件不动作。2I222sen*2I2U20P2P2P50n区外不对称故障的切除区外不对称故障的切除相当于在故障点叠加一个（为区外不对称故障点的负序电动势），由在机端产生的故障分量负序电压和电流必与外部故障的负序电压和电流反向，如图11(c)中的 和仍然保持反相，因此由 和 产生的 ，

46、保护不会误动作。n互感器（TV或TA）二次断线 TV或TA二次断线将产生 或 ，但不考虑TV和TA同时二次断线，所以 、 或 、 ， ，保护不会误动作。这一点比纵差保护在TA二次断线时将误动要优越。2E2E2E2U2I2U2U20P2U2I20U20I20U20I20pP51 装设于发电机机端的故障分量负序方向保护，作为发电机内部短路主保护，需要整定计算的是三个阈值 、 和 。n 的阈值 如前所述， 元件实际上是故障分量负序方向继电器， ；根据发电机定子绕组内部故障的计算实例， 大约在1 左右。因此 应取 （以发电机额定容量为基值）。n 的阈值 通过对大型水轮发电机的定子绕组内部故障进行计算所

47、得到的经验，建议n 的阈值 故障分量负序电流元件可作为另一个启动元件，000upip2P2P0p2Pp0001p2Uu2Ii001p4、故障分量负序方向保护的整定计算52 辅助判据为 。式中， 阈值根据经验建议取为 。 上述 、 和 整定值是初选数值，随着更多的发电机内部故障计算结果和运行经验积累，再作适当的修正。n接于大型水轮发电机变压器组高压侧的故障分量负序方向保护的整定计算问题 这套 保护实际上 可代替发-变组的纵差保 护，作为发电机、升压 变压器及其引线、厂用 分支高压引线的一套主GSTTk1k3k2系统2tP2tI0.15tX 0.20dX 0.05sX 7.5stX图12 大型水轮

48、发电机变压器组的 保护 2P2iIi003ipui2P53 保护。与纵差保护相比， 保护的输入信号为高压侧三相电压和电流，纵差保护则用高低压侧的两组三相电流，对于采用 断路器或多角形母线接线的高压系统， 保护可从母线电压互感器（TV）取得高压侧三相电压，但对双母线的高压系统，为了 保护需要的三相电压，有必要在升压变压器高压侧增设TV（或者采用经济的办法，即变压器低压侧三相电压和电流，用软件推算高压侧三相电压）。 由于水电站的厂用变压器容量很小，以发电机额定容量为基值的厂用变压器电抗标幺值非常大。因此在厂用变压器低压侧的厂用系统不对称短路时（图12中 点短路），升压变压器高压侧的 元件不会动作，很方便地获得保护的选择性。相反，火电厂的厂用变压器容量相当大，厂用变压器低压系统短路时，装在升压变压器高压侧的 保护不可能用阈制值 2P2P2P2P2P1122kp54 来防止误动，必须在厂用变压器的高压侧或低压侧再增设一套 元件，这就使 保护装置复杂化了。因此汽轮发电机变压器组不宜装设代替发电机变压器组纵差保护的 保护。 水轮发电机变压器高压侧的 保护，一般不加设变压器空载合闸的涌流防误动