葛洲坝大型水电厂继电保护

工作会议三峡电厂2011年

吴开武

2015年9月大型水力发电厂继电保护一.

继电保护概论；三.

大型水电厂主设备保护配置；四.

主要保护基本原理介绍；五.“五防”及反措基本知识；二.

高压断路器控制回路；一、继电保护概论继电保护是研究什么的：继电保护是研究电力系统故障，和反（电气）事故措施的一门技术。继电保护的任务：1.有选择性地将（短路或超载性）故障元件从电力系统中快速切除，使故障元件损坏程度降低到最小，保证最大限度地恢复电力系统无故障部分的正常远行。2.检测和反应电气元件的异常运行工况，发报警信号、跳闸。3.尽快恢复停电部分的供电。电力系统的正常工作状态、不正常工作状态和故障状态正常工作状态••电力系统运行状态——电力系统在不同运行条件（负荷水平、出力配置、系统接线、故障等）下的系统与设备的工作状况。根据对电力系统正常运行的等式和不等式约束条件的满足情况，可以分为：1、正常运行状态；2、不正常运行状态；3、故障状态。等式约束条件——由电能性质本身决定的，即系统发出的有功功率和无功功率应在任一时刻与系统中随机变化的负荷功率（包括传输损耗）相等，即

S

P

Gi、QGi--分别为第i个发电机或其他发电设备发出的有功和无功功率；

P

Dj、QDj--分别为第j个负荷使用的有功和无功功率；△P、△QS--分别电力系统中各种有功功率和无功功率损耗；

正常工作状态•

不等式约束条件——涉及供电质量和电力设备安全运行的

某些参数，它们应处于安全运行的范围（上限及下限）

内，例如Sk、Sk

max表示发电机、变压器或用电设备的功率潮流及其上限；Ui、Ui

max、Ui

min表示母线电压及其上、下限；

Iij、Iij

max表示输、配电线路中的电流及其上限；f、fmax、fmin表示系统频率及其上、下限。常见的不正常工作状态及其危害•不正常运行状态——所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的电力系统工作状态。包括：1

因负荷潮流超过电力设备的额定上限造成的电流升高（又称为过负荷）；2

系统中出现功率缺额而引起的频率降低；3

发电机突然甩负荷引起的发电机频率升高；4

中性点不接地和非有效接地系统中单相接地引起非接地相对地电压的升高；5

电力系统发生振荡；

故障状态及其危害•故障状态——电力系统的所有一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因而故障，例如短路、断线、复杂故障等。最常见同时也是最危险的故障是发生各种类型的短路。各种类型的短路

包括：三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。大量的

现场统计数据表明，在高压电网中，单相短路接地次数占所有短路次

数的85%以上。在发生短路时可能产生以下后果：

1

通过短路点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。

2

短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的

损坏或缩短使用寿命。

3

电力系统中部分地区的电压大大降低，使大量的电力用户的正常工

作遭到破坏或产生废品。

4

破坏电力系统的各发电厂之间并列运行的稳定性，引起系统振荡，

甚至使系统瓦解。

继电保护的作用•

电力系统自动化（控制）——为保证电力系统

正常运行的经济性和电能质量的自动化技术与

装备，主要进行电能生产过程的连续自动调

节，动作速度相对迟缓，调解稳定性高，把整

个电力系统或其中的一部分作为调节对象。继电保护的作用•

电力系统继电保护与安全自动装置——是当电网或电力设备发生故障，或出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除异常情况的技术与装备，其特点是动作速度快，其性质是非连续调节性的。继电保护的作用•

电网安全自动装置——为了在故障后迅速恢复电力系统的正常运行，或尽快消除运行中的异常情况，以防止大面积的停电和保证对重要用户的连续供电，常采用以下的自动化措施，如：输电线路自动重合闸、备用电源自动投入、低电压切负荷、按频率自动减负荷、电气制动、振荡解列以及为维持系统的暂态稳定而配备的稳定紧急控制系统等。继电保护的作用•

继电保护装置——指能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护的基本原理•

目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。•

发现并正确利用能可靠区分三种运行状态的可测参量或参

量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。

1、线路电流幅值；2、相间或对地电压幅值；3、线路始端电压和电流之比（即测量阻抗）4、线路电流相位典型电气量特征继电保护装置主要包括：测量环节、判据环节、执行环节（报警、跳闸）、人机接口和通讯。电力系统继电保护的工作配合•

主保护——为了最大限度的缩小故障对电力系统正常运行

产生的影响，应保证由主保护快速切除任何类型的故障.电力系统继电保护的工作配合•

后备保护——保护装置拒动、保护回路中的其它环节损坏、断路器拒动、工作电源不正常乃致消失等时有发生，造成主保护不能快速切除故障，这时需要后备保护来切除故障。后备保护由远后备或近后备加短路器失灵保护构成。由后备保护动作切除故障，一般会扩大故障造成的影响，一般后备保护都延时动作，等待主保护确实不动作后才动作。主保护与后备保护之间存在动作时间和动作灵敏度的配合。电力系统继电保护的工作配合•

远后备保护——一般下级电力元件的后备保护安装在上级（近电源侧）元件的断路器处，称为远后备保护。远后备保护动作将切除所有上级电源侧断路器，造成事故扩大。同时，其保护范围覆盖所有下级电力元件的主保护范围，它能解决远后备保护范围内所有故障元件任意原因造成的不能切除问题。电力系统继电保护的工作配合•

近后备保护（或近后备附加断路器失灵保护）——在高压电网中采用远后备保护往往不能满足灵敏度的要求，因而采用近后备附加断路器失灵保护的方案。近后备保护与主保护安装在同一断路器处，当主保护拒动时，由后备保护启动断路器跳闸；当断路器失灵时，由失灵保护启动跳开所有与故障元件相连的电源侧断路器。电力系统继电保护的工作配合工作回路工作原理二、高压断路器控制回路控制方式现地手动操作远方自动操作连锁方式解锁方式互锁方式断路器控制回路要满足下列基本要求：1、断路器跳、合闸后应能迅速切换对应的操作回路，避免应跳回路长期通电而烧毁跳闸线圈；2、应能正确指示断路器位置状态；3、有防跳闭锁功能；4、应能监视断路器控制回路的完好性；5、应能实现各种闭锁要求；6、控制回路接线应尽可能简单，可靠；防止“跳跃”闭锁：1、按下控制开关SA合后，断路器就合闸，如果合闸于永久性故障的线路上时，继电保护装置会自动跳闸，假如控制开关“SA合”接触时间过长、或因机械故障被卡住、或触电被悍住，则“SA合”一直发出合闸命令，断路器事故跳闸后会再次合闸，合闸后又事故跳闸，如此则出现断路器多次合闸跳闸现象，及“跳跃”，会损害断路器，必须加以防止。2、方法：控制回路中设有防跳闭锁继电器KCF，电流线圈KCFI串联在跳闸回路中，电压线圈KCFV串联在合闸回路中，与合闸线圈并联。控制回路监视：1、跳闸后，跳位继电器K6和绿灯HG接通，表明合闸回路完好；2、合闸后，合位继电器K7和红灯HR接通，表明合闸回路完好；断路器跳闸和合闸后，断路器的辅助接点会发生QF1和QF2会切换；三、大型水电厂主设备保护配置各电压等级的继电保护系统断路器操

作回路

厂用电备

自投自动

装置主变冷却器控制系

统

系统安全

稳定监测

（PMU）

与控制（

PSS)系统继电保护维护单位所辖设备所辖设备工作会议三峡电厂2011年

保护配置原则：双重化配置保护配置发电机组两套发电机保护发电机差动、定子接地、转子接地、失磁、失步、复压过流、定子过负荷、转子过负荷、。。。。。励磁变两套励磁差动、过流、过负荷主变两套电气量+一套非电量电气量：差动、过流非电量：瓦斯、压力、密度、温升。。。GIS两套电气量差动、断路器失灵保护（一套）线路两套电气量光线差动、距离、零序、过压远跳。。。高抗两套电气量+一套非电量电气量：差动非电量：瓦斯、压力、温升、密度。。。厂用电单套三段式电流保护四、主要继电保护原理简介三段式电流保护I段：瞬时电流速断作用：快速切除设备和线路故障发电机保护整定原则：躲过本线路某端最大短路电流I段：瞬时电流速断发电机保护保护范围I段：瞬时电流速断发电机保护优点：反映迅速，不反应下一段线路故障；

缺点：不能保护线路全长，受运行方式、故障形式影响发电机保护作用：快速切除I段范围外的线路故障要求：能保护线路全长，动作时间尽量短整定计算：按躲开下级各相邻元件电流速断保护的最大动作范围整定II段：限时电流速断原理：因为要保护线路全长，所以保护范围必须延伸到下一级线路去，当下一级线路出口处故障时，他必须要动作，但是这种动作是无选择性的，为了保证动作的选择性，就必须加一定时限，时限大小与延伸的范围有关。II段：限时电流速断作用：作为本线路主保护拒动的后备保护；做为下线路或开关拒动的后备保护；保护范围：本线路及下线路的全长；整定原则：动作电流必须大于该线路上的最大负荷电流，同时还必须考虑在外部故障切除后电压恢复，负荷自启动电流作用下保护必须返回；III段：定时限电流速断时间整定保护配合瞬时速断、限时速断作为线路主保护，定时过流作为线路后备保护发电机保护1.

大型发电机的主要故障形式和相应的保护配置(1)

定子绕组相间短路故障：瞬时动作的纵联差动保护；(2)

定子绕组匝间短路故障：

瞬时动作的专用匝间短路保护(纵向零序电压、单元件横差、裂相横差、不完全纵差)；(3)

定子绕组单相接地故障：

100％定子绕组接地保护(基波零序电压、三次谐波零序电压、外加低频电源注入式)；(4)

发电机转子绕组及励磁回路接地故障

：转子绕组一点接地和

两点接地保护(乒乓切换式、外加电源注入式)

；(5)

发电机失磁或部分失磁故障：低励、失磁保护。发电机保护2.

各种系统异常工况或调节装置故障和相应的保护配置(1)因负荷不对称等原因出现的负序电流将引起发电机转子表层

过热：定时限及反时限负序电流(不对称过电流、过负荷)保

护；(2)对称过负荷（定子绕组过负荷）：定时限及反时限相过电流(对称过负荷)保护；(3)励磁回路过负荷：定时限及反时限转子过电流(过负荷)保护(测量直流励磁电流或励磁变/机交流电流)；(4)与系统并列运行的发电机因误将汽门(水门)关闭而引起逆功率运行及程跳逆功率：逆功率保护；发电机保护2.

各种系统异常工况或调节装置故障和相应的保护配置(5)

电压升高或频率降低引起过激磁而损坏铁心

：反映伏特赫兹比的定时限及反时限过激磁保护；(6)

其它异常运行状态还有：定子绕组过电压，低频运行、失步

运行、外部故障后备（过流、低压过流、复压过流、低阻抗

）、非全相（含断路器或GIS刀闸非全相合闸）运行、误上

电、断路器断口闪络、轴电流等及其相应的保护；(7)

电压或电流互感器回路断线故障

：TV或TA断线检测和闭锁装置；发电机保护匝间短路相间短路同相同分支同相不同分支定子绕组内部故障可分为三类分支开焊

差动保护原理发电机保护差动保护原理正常运行以及发生保护区外故障时——流入差动继电器的差动电流为零，电器不动作；当发生发电机内部故障时——流入差动继电器的差动电流较大，当其超过整定值时，继电器判为发生了发电机内部故障而作用于跳闸。比率制动式纵差动保护

I

&1nTA1nTA2I

&2

I

&2nTA2

I

&1nTA1−发电机保护差动保护原理折线比率制动特性

制动特性分为两段直线，AB段与横轴平行；而BP段与横轴倾斜。当Ir<Ir0时：动作量Id>Id0即可动作，当Ir>Ir0时：制动量随Ir增加按比率增加。

因此，外部严重故障时，制动量很大，可保证不误动；内部故障时，制动量较小，保证轻微内部故障时较高的灵敏性。Id0Ir0发电机保护差动保护原理发电机横差动保护

发电机裂相横差保护基本原理•裂相横差保护——大容量发电机每相都由两个或两个以上并联分支绕组组成，正常运行时各绕组中电势相等，流过相等的负荷电流；当同相内非等电位点匝间短路时，各绕组中电势不再相等，出现因电势差而在各绕组间产生的环流。利用这个环流可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，构成裂相横差保护的原理。

发电机保护差动保护原理同相同分支匝间短路故障

发电机保护差动保护原理同相不同分支匝间短路故障

发电机保护差动保护原理单元件横差动保护基本原理单元件横差动能反应定子绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内绕组相间短路。实际发电机不同中性点间有不平衡电流：（1）定子同相而不同分支的绕组参数不完全相同，致使两端的电势及支路电流有差异；（2）发电机定子气隙磁场不完全均匀，在不同定子绕组中产生的感应电势不同；（3）转子偏心，在不同的定子绕组中产生不同电势；（4）存在三次谐波电流。.cn发电机保护差动保护原理•

零序电流型横差保护的特点是结构简单、功能全面，反应的是流过中性点连线不平衡电流的基波分量；•

裂相横差保护比较的是发电机内部故障时一相两部分之间的不平衡，针对奇数多分支的水轮发电机，还出现了不完全裂相横差保护；•

不完全纵差保护比较的则是机端相电流与中性点侧部分分支电流和的不同，随着中性点侧接入分支数的增多，不完全纵差保护对于匝间短路的灵敏性逐渐下降，对于相间短路的灵敏性却逐渐上升。

发电机保护定子接地保护

定子单相接地故障是发电机定子绕组绝缘破坏最常见的故障，对发电机的危害主要表现为定子铁心的烧伤和接地故障扩大为相间或匝间短路。

很多大型水电厂采用高阻接地方式（即中性点经配电变压器接地，配电变压器的二次侧接小电阻），其主要目的是限制发电机单相接地时的L-C谐振暂态过电压，防止暂态过电压破坏定子绕组绝缘，但另一方面也人为地增大了故障电流，故障时有可能烧伤定子铁心甚或发生灾难性事故。因此采用这种方式接地的发电机定子接地保护应选择尽快跳闸。•双频式定子接地保护（基波零序电压定子接地保护+三次谐波

电压定子接地保护）：•注入式定子接地保护（基波零序电压定子接地保护+低频注入式定子接地保护）：

发电机保护定子接地保护发电机定子绕组单相接地时电气量的特征•

假设A相在距离定子绕组中性点α

处发生金属性接地故障，

作近似估计时机端各相对地电动势为发电机定子绕组单相接地时的电路图

发电机保护定子接地保护利用零序电压构成的定子单相接地保护•零序电压随故障点位置变化的曲线图如下所示。越靠近机端，故障点的零序电压就越高，可以利用基波零序电压构成定子单相接地保护。因考虑发电机三相电压不平衡、三次谐波以及外部故障时通过主变高低压绕组间电容耦合传递零序电压的影响，3U0基波零序定子一点接地保护的保护范围从机端算起90%-95%的范围，发电机中性点有5%-10%的保护死区。

发电机保护定子接地保护ZN32Cg32Cg3CtΣE

&3ZN3ZS3U

&S0U

&N0正常运行时的中性点三次谐波电压正常运行时的机端三次

谐波电压用集中参数表示的发电机三次谐波等效电路

三次谐波电压构成的定子单相接地保护三峡电

发电机保护定子接地保护•当发电机定子绕组发生金属性单相接地时，设接地发生在距中性点α，其等值电路如图所示，总是有UN3=αE3和US3=(1-α)E3，两者相比，得（中性点电压和机端电压随故障点的变化曲线）

利用三次谐波构成电压比率判据的接地保护可以反应发电机定子绕组中α<0.5

范围内的单相接地故障，并且当故障点越靠近中性点时，保护的灵敏性就越高

；

利用基波零序电压构成的接地保护，则可以反应α>0.15范围内的单相接地故障

，且当故障点越靠近发电机机端时，保护的灵敏性就越高。发电机保护定子接地保护•

三次谐波电压差动判据：–正常运行时，机端、中性点三次谐波电压幅值、

相位在一定范围内波动，实时自动调整系数kt使

正常运行时差电压接近为0；–可以保护100％的定子接地

发电机保护注入式定子接地保护辅助电源装置将低频电压加在负载电阻Rn上，并通过接地变压器，将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中。

带通滤波器:通过20Hz低

频电压信号，防止50Hz

电压倒灌入电源。

保护装置检测注入的电压

、电流信号，通过计算接

地故障电阻值判断接地故

障。

GND发电机 主变G接地变压器RERn负载电阻CgCbusCtGNDIG0UG0中间CTRCS-985发电机保护装置RCS-985U电源装置分压器发电机保护定子接地保护缘。

注入式定子接地保护特点•

保护范围为100%，灵敏度一致，不受接地位置影响。•

不受发电机运行工况的影响，在发电机静止、起停过程、空载运行、并网运行、甩负荷等各种工况下，均能可靠工作。可监视定子绕组绝缘的缓慢老化。•

接地电阻的实测结果、电阻判据中的电阻定值为一次值，更直观。•

无需与主变高压侧接地后备保护配合。•

20Hz信号和工频、分次谐波、整数次谐波相差较大，机组正常运行或振荡时不会影响外加20Hz电阻的计算。•

注入一次绕组电压仅为1～3％的额定相电压，不会损坏定子绕组绝发电机保护转子接地保护

当发电机励磁绕组及引线的绝缘严重下降或损坏时，会引起励磁回路的接地故障，最常见的是励磁回路一点接地故障。

发生一点接地故障时，由于没有形成电流回路，对发电机运行没有直接影响，但一点接地以后，励磁回路对地电压升高，在某些条件下会诱发第二点接地，而两点接地故障将严重损坏发电机。因此有关规程要求发电机必须装有灵敏的励磁回路一点接地故障保护。•

大型水电机组转子接地保护最优方案：–

双套不同原理配置，一套乒乓式原理，一套注入式原理；–

转子接地保护采用单装置就地安装在励磁系统室内，避免高压

电缆长距离输送。

发电机保护转子接地保护乒乓式励磁回路一点接地保护原理

两个状态对未知参数

（接地电阻Rk和接地位

置α）求解：

S1导通，S2

断开

S1断，S2导通时

发电机保护转子接地保护发电机保护转子接地保护低频电压注入式励磁回路

一点接地保护原理图t50VUm

tUmUm1Um2

tUi

电源电压Ug和测量电压Um波形图(a)

Ug的波形图；(b)

Rk

→

∞时Um的波形图；

(c)Rk

=

5kΩ时Um的波形图

RS

2-

2U

gRmU

m2-U

m1Rk

=注入式励磁回路一点接地保护的原理

Ug

50V发电机保护失磁保护••••发电机失磁故障—发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因

—

转子绕组故障、励磁机故障、自动灭磁开关误跳闸、半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障以及误操作等。失磁故障的形式

—

励磁绕组直接短路或经励磁电机电枢绕组闭路引起失磁、励磁绕组开路引起失磁、励磁绕组经灭磁电阻短接而失磁，励磁绕组经整流器闭路（交流电源消失）失磁。

发电机失磁故障，这是一种常见的故障，特别对于大型机组，励磁系统环节多，更易发生这种故障。失磁后，发电机将由同步运行逐渐转入异步运行。在一定条件下，异步运行将破坏电力系统的稳定，并威胁发电机本身的安全。

发电机保护失磁保护失磁对电力系统的危害

A.

失磁发电机由失磁前向系统送出无功功率转为从系统吸收无功功率，尤其是满负荷运行的大型机组会引起系统无功功率大量缺额，若系统无功功率容量储备不足，将会引起系统电压严重下降，甚至导致系统电压崩溃。

B.

失磁引起的系统电压下降会使相邻发电机励磁调节器动作，增加其无功输出，引起有关发电机、变压器或线路过流，甚至使后备保护因过流而动作，扩大故障范围。

C.

失磁引起有功功率摆动和励磁电压下降，可能导致电力系统某些部分之间失步，使系统发生振荡，甩掉大量负荷。

发电机保护失磁保护失磁对失磁发电机本身的危害

A.

由于出现转差，在转子回路出现差频电流，在转子回路里产生附加损耗，可能使转子过热而损坏。

B.

失磁发电机进入异步运行后，等效电抗降低，定子电流增大。失磁前发电机输出有功功率越大，失磁失步后转差越大，等效电抗越小，过电流越严重，定子因之过热。

C.

失磁失步后发电机有功功率发生剧烈的周期摆动，变化的电磁转矩(可能超过额定值)周期性地作用到轴系上，并通过定子传给机座，引起剧烈振动，同时转差也作周期性变化，使发电机周期性地严重超速。这些直接威胁机组安全。

D.

失磁运行时，发电机定子端部漏磁增加，使端部的部件和边段铁心过热。

发电机保护失磁保护•

以发电机完全失去励磁时为例，发电机运行状态变化如下：发电机失磁后将从电力系统中吸取感性无功功率;fg

为对应发电机转速的频率，fs

为系统的频率。

发电机保护失磁保护发电机保护

2•

发电机失磁后，Eq↓、

↑、cosδ

↓，使无功持续下降；•

当EqUS

cos

=US

时，Q=0；•

到达静稳极限时有•

至

=180°有最大反向无功，且失磁前发电机带有功负荷越大，失磁后反向无功、定子电流也越大；•

如果系统无功储备不足，就可能在无功和电压上将系统拖垮！失磁保护发电机保护失磁保护•

由于发电机失磁，机端电压U持续下降，但P有一段“等有功过程”，U下降导致电流I逐渐增大，且随P的小波动而相应变化。•

一旦无功反向，发电机滑差使其参数由同步电抗变为暂态电抗或次暂态电抗，数值大大减小，系统向发电机反送很大的无功电流，使失磁发电机在失去静稳之后，电流I急剧增大。

发电机保护失磁保护•发电机失磁保护常用判据

系统侧判据——三相同时低电压判据

本判据主要用于防止由发电机低励失磁故障引发无功储备不足的系统电压崩溃，造成大面积停电。

•

取自升压变压器高压母线电压（保系统）；

•

取自发电机机端电压（保厂用电）。

发电机保护失磁保护X

d

'

2X

dR0XaXb定子侧判据1——异步边界阻抗圆

jX

•

能反应失磁发电机机端的最

终阻抗，但动作可能较晚；对于远离负荷中心、与系统联系薄弱的大型水轮发电机是不适宜的。•

躲系统振荡能力强。•

误动几率小/短延时0.5s。

发电机保护失磁保护OT

R

r1

O1−

X

q

−(X

d

+

X

q)/2

r2

O2定子侧判据2——静稳极限阻抗圆（水轮发电机）

jX

X

SX

/

p.u.失磁保护RjX−

X

d'd−0.5XX

S.max

+

XT异步边界阻抗圆C1静稳极限阻抗圆C20U

S

2

/2P等有功圆C0-1-0.5011.522.5-2-1.5

-1-1.5-0.51.5

10.5

0

0.5R

/

p.u.

50%额定负载

75%额定负载100%额定负载

发电机保护定子判据选择•

与系统联系紧密（对应的系统等值电抗Xs较小）的机组宜选择异步边界阻抗圆；•

远离负荷中心的发电机应选择静稳极限阻抗圆。

发电机保护•低励失磁保护的辅助判据•

延时元件

防止系统振荡时保护的误动作。

•

励磁低电压元件

转子低电压是失磁故障的直接反映，合理地使用转子电压判据可加快对

失磁故障的反应速度，改善失磁保护可靠性以及便于在失磁过程中及时

采取必要的控制措施，因此转子电压判据通常作为失磁保护的重要的辅

助判据。

失磁保护发电机保护发电机失步保护

为什么要装设失步保护？•

当系统发生振荡、振荡中心又落在发变组内部时，机端电压将随振荡作大幅度波动，厂用设备难以稳定运行，严重时可能造成停机，所以大型发电机失步后果严重，必须有相应保护。•

失步振荡电流与三相短路电流可比拟，且在较长时间内反复出现，使发电机遭受热、力损伤，特别是周期性作用在旋转轴系上的振荡扭矩，可能使大轴扭伤或缩短运行寿命，所以大型发电机一旦发生失步，振荡次数或时间应受严格限制。•

低励失磁保护虽然检测失步故障，但失步故障（单机失步/全厂失步）并非均由低励失磁引起的，所以失磁保护不能代替失步保护。

发电机保护发电机失步保护失步保护主要是检测振荡中心位于发变组内部的失步振荡

•

当振荡中心落在发变组内部时，机端电压将随振荡作大幅度波动，厂用负

荷难以稳定运行，甚至处于制动状态，可能造成后果严重。

跳闸时机的选择

•

失步振荡已持续达到预定时间或振荡次数（系统确定）

•

保证断路器断开时的电流不超过断路器允许开断电流（两侧电动势相角差大于270度

并逐渐变小时）

αRZcφO信号区Z1Z3

Z2ZstⅠⅡ

ⅢX

d

'跳闸区

Ⅳ发电机失步保护

•

由三个阻抗元件构成：透镜、

遮挡器和电抗线。

发电机保护三阻抗元件型失步保护

jX①

透镜特性阻抗元件，将阻抗平面分为透镜内动作区和透镜外不动作区；②

遮挡器直线阻抗元件，将阻抗平面分为左半部分和右半部分，其方向与透镜主轴相同；③

电抗线阻抗元件，垂直于透镜主轴，其位置由ZC决定，将保护分为信号区和跳闸区。

•

X

dαRZcφO信号区跳闸区Z1Z3

Z2ZstX

d

'ⅠⅡⅢⅣ

发电机保护三阻抗元件型失步保护

jX•

透镜内角的整定

α

=120°发电机失步保护

•

Zst

=

X

S.min

+

XT'•

φ

=85°•

Zc

=

0.9ZT

≈

0.9XT

区分信号区和跳闸区确定透镜区域发电机保护发电机失步保护X

d

'X

TX

sOE

&

B

BE

&

A

A跳闸区信号区αφR发电机失步（滑极）过程：

jXO信号区跳闸区Z1Z3Z2ⅠⅡⅢⅣAB在左图中将自右至左，从阻抗平面的I区进入透镜区域II，随后越过遮挡器直线到达透镜区域III，最终逸出透镜到阻抗平面的IV区，反映了两侧电势相角差δ由小到大的全过程。

•

对于上图所示的简化两机系统，

E

&B领先

E

&A

，发生振荡并失步，假设振荡中心在发变组内，则振荡阻抗轨迹300ms×

=

50ms发电机保护发电机失步保护αR发电机失步（滑极）过程：

jXO

信号区跳闸区Z1Z3Z2ⅠⅡⅢⅣ

AφB依据电网公司提供的系统振荡的最短振荡周期（300ms），失步故障发生时阻抗轨迹从进入透镜至到达遮挡器直线所需的最短时间为：

180°-120°

360°

而作为滑极（失步）的一个特征判据

是振荡阻抗轨迹穿过透镜的时间至少是上述时间的两倍（100ms）；考虑到一个振荡周期内转子的非匀速转动，允许前后半个透镜的穿越时间不同，但总的时间仍要求大于100ms，否则不判为失步。

X/ohm发电机保护发电机失步保护-6-4-2024681012

2

0-2-4-664R/ohmRO电抗线•

振荡中心在发电机组内部，失步保护跳闸时机端阻抗轨迹从上向下依次穿越了透镜的4个区域，且在每个区域内停留了一定的时间，符合区内滑极条件。•

由于区内滑极次数整定为1次，故满足区内失步动作条件。

2010年10月，某电厂机组失步保护动作，失步振荡时发电机机端阻抗轨迹如下图所示（南瑞继保提供）：

机端正序阻抗轨迹

X

遮挡器发电机保护轴电流

在大型发电机的轴-轴承-基础所构成的回路中有多种原因可能引起电动势（轴电压）。轴电压的数值可达数伏，有时可超过10V。当发电机轴端的对地绝缘损坏时，在轴电压的作用下，轴电流可能达到相当大的数值（几百安甚至上千安）。

当电机的轴承绝缘击穿时，轴电流将损坏轴承和其它部件，其损坏程度取决于轴电流的大小和持续时间的长短。如果轴电流密度超过0.2A/cm2，发电机转轴轴领的滑动表面和轴瓦可能被损坏。轴电流引起的磁场还会引起大轴磁化。因此，在必要时可以装设轴电流保护。

轴电流保护由套装在大轴上的专用轴电流互感器和灵敏的过电流保护构成。轴电流保护通常延时动作于告警和跳闸。

发电机保护轴电流轴电流保护由套装在大轴上的专用轴电流互感器和灵敏的过电流保护构成。轴电流互感器为两瓣穿心式，固定于组合轴承盖板的支架上（不随大轴旋转），轴电流保护通常延时动作于告警和跳闸。

发电机保护轴电流实际运行中，因轴电流互感器安装处的磁场较复杂，会给轴电流监测带来不小的干扰，严重时甚至影响保护的可靠测量。其具体测量原理如图。当检测到绝缘电阻。值小于某值时，测量系统输出报警信号至保护系统。

变压器保护变差保护变压器故障类型和不正常工作状态及其保护方式：

变压器保护变差保护变压器故障类型和不正常工作状态及其保护方式：

变压器保护变差保护变压器故障类型和不正常工作状态及其保护方式：

变压器保护变差保护变压器故障类型和不正常工作状态及其保护方式：

变压器保护变差保护

变压器纵差保护的特殊问题

变压器纵差与发电机纵差保护一样，也都是采用比率制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的，但它在以下几方面存在显著不同：1、三相变压器连接组产生的不平衡差流一般情况下，变压器高、低压侧三相绕组的连接方式可能不同（譬如Y,

d11或Y0,

d11连接组），使其两侧对外引出线同名相一次电流之间存在较大相位差，这种相位差会在差动电流中出现很大的不平衡电流。装置内要进行相位补偿。

变压器保护变差保护2、变压器各侧电流互感器变比不匹配产生的不平衡差流因为电流互感器变比按标准变比设计，难于恰好与变压器变比相匹配，因而有可能产生不平衡电流。在微机数字式保护中，可以由软件通过计算来实现此种电流平衡的精确自动调整。3、调压头调整产生的不平衡电流4、变压器各侧电流互感器特性不一致而产生的不平衡差流构成差动电流的各侧电流互感器因特性不一致而造成传变误差不同，从而引起附加的不平衡电流，尤其当外部短路故障时，因电流暂态分量（主要是非周期分量）及TA饱和等原因，有可能造成很大的不平衡电流。工程设计应尽量选择同型同特性的差动保护专用电流互感器，尽量减小电流互感器二次负荷等；另一方面是在差动保护动作特性上的措施。譬如：广泛使用的具有比率制动特性的差动保护原理，利用穿越电流的大小自动改善制动特性，具有良好的对付TA暂态特性不一致（如饱和）的影响；在有可能引起TA严重饱和的场合，还需要专门判据来予以对付。

变压器保护变差保护5、变压器励磁涌流引起的暂态不平衡差流当变压器空载投人或者外部故障切除后电压恢复过程中，因电压突然升高，励磁电流将突然大大增加，这种由电压突升引起的巨大的暂态励磁电流称为励磁涌流。由于励磁涌流是单侧注入性电流，其幅值又很大，因此会造成比率制动判据误判而引起差动保护误动作。

励磁涌流产生的根本原因是铁心的严重饱和，由可能出现的最大磁通

和铁心磁化曲线来决定励磁涌流的最大值

ie.max

，是一个非线性问题。

变压器保护变压器保护变差保护一般情况，三相变压器励磁涌流有以下特点：①

由于三相电压之间有120°

(2π/3)的相位差，因而

三相励磁涌流不会相同，任何情况下空载投入

变压器，至少在两相中要出现不同程度的励磁

涌流。②

某相励磁涌流(iμ-B-r)可能不再偏离时间轴的一侧

，变成了对称性涌流。其他两相仍为偏离时间

轴一侧的非对称性涌流。对称性涌流的数值比

较小。非对称性涌流仍含有大量的非周期分量

，但对称性涌流中无非周期分量。③

三相励磁涌流中有一相或两相二次谐波含量比

较小，但至少有一相比较大。④

励磁涌流的波形仍然是间断的，但间断角显著

减小，其中又以对称性涌流的间断角最小。但

对称性涌流有另外一个特点：励磁涌流的正向

最大值与反向最大值之间的相位相差120°。这个

相位差称为‘波宽’，显然稳态故障电流的波宽为

180°。

变压器保护变差保护6、变压器过励磁运行工况引起的稳态不平衡差流变压器的过励磁——对于有些工况，例如超高压远距离输电线路由于突然失去负荷而造成变压器的过电压时，会造成铁芯饱和，使励磁电流大大增加。变压器过励磁时铁芯的饱和是对称的，励磁电流没有间断现象，也没有偶次谐波分量。对于有可能产生过励磁的大型变压器，通常根据过励磁引起的励磁电流中含有大量五次谐波分量的特征，采用五次谐波制动的方法，来防止纵差动保护的误动，其实现方法与二次谐波制动方法类似。

变压器保护零序电流保护变压器零序保护的作用和要求•••单相接地故障几率最高，而接地故障要求较高的保护灵敏度，通常采用零序保护作为专用的接地保护；零序保护用作变压器及相邻元件接地故障的后备保护。超高压变压器采用分级绝缘，中性点绝缘水平较低，较易于发生接地故障，500kV变压器通常直接接地。

变压器保护过激磁保护过激磁现象及危害

1.现象：变压器铁心因磁通密度超过饱和限制而使铁心严重过热，同时

引起励磁电流猛增并严重畸变，引起进一步附加发热。

2.原因：

(1)发变组并列之前，因操作错误，误加大励磁电流引起过激磁。

(2)发电机启动过程中，转子在低速下预热时，

若误将电压升至额定值

，则因发电机和变压器低频运行造成过激磁。

(3)

运行中，当系统过电压及频率降低时也会发生过激磁。

3.危害：过激磁将使发电机、变压器的温度升高，若过激磁倍数高，持

续时间长，可能使发电机、变压器的绝缘因过热而遭受破坏。

(1)现代大型变压器额定工作磁密(1.7～1.8)T，饱和磁密仅为(1.9～

2.0)T，两者很接近；(2)冷轧硅钢片，它的磁化特性曲线很“硬”

。

变压器保护变差保护过激磁保护基本原理通常用相对于额定状态的过激磁倍数来反映过激磁状况，即

在发生过激磁后，发电机、变压器并不会立即损坏，有一个热积累过程。对于某一过激磁倍数，均有对应的允许运行时间。研究表明，过激磁倍数与允许运行时间之间的关系为一条反时限特性曲线。

U*

f*

UTU

NTN

U

/

fU

N

/

fN

BBN===M

=变压器保护瓦斯保护

油浸变压器内部发生严重漏油或小匝数匝间短路以及绕组断线故障时，差动保护等反应电量的保护因灵敏度不够而不能动作，而瓦斯保护却能动作，因此瓦斯保护是变压器内部故障的重要的保护装置。

瓦斯保护分为轻、重瓦斯保护，装于油箱与油枕之间的导管上。

瓦斯保护与差动保护特点互补，共同构成变压器主保护。

线路保护距离保护•••距离保护-利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离而工作的保护。定距离Lset-与距离保护的范围相对应的距离。工作原理大致如下：

线路保护距离保护在线路阻抗的方向上，比较测量阻抗Z

m和整定阻抗Z

set

就可以实现

Lk与

Lset的比较

Zm<Z

set

时，说明

Lk<Lset，故障在保护区内；

Zm

>Z

set

时，说明

Lk>Lset，故障在保护区之外。

线路保护距离保护线路保护距离保护线路保护纵联保护•输电线路的纵联保护——将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧的电气量同时比较、联合工作，也就是说在线路两侧之间发生纵向的联系，以这种方式构成的保护称之为输电线路的纵联保护。以两端输电线路为例，一套完整的纵联保护其一般构成如右图所示：TV

——

电压互感器TA

——

电流互感器

纵联方向保护

线路保护方向纵联和距离纵联保护•••两侧保护继电器仅反应本侧的电气量，利用通道将继电器对故障方向判别的结果传送到对侧，每侧保护根据两侧保护继电器的动作过程逻辑判断区分是区内还是区外故障。通道传送的只是逻辑信号。传输通道：电力线载波通道光纤通道（OPGW架空地线复