发电机差动保护原理

发电机差动保护原理 Document number：WTWYT-WYWY-BTGTT-YTTYU-2018GT

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 res ? 时)

I op ? + S(I res – ( I res > 时)

式中：I op 为差动电流，为差动最小动作电流整定值，I res 为制动电流，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： 2

N 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. 最大相电流小于倍的额定电流。

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：

式中2Λ?I 为2??I 的共轭相量，?sen 。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：

实际应用动作判据综合为： ? P 2 = ? U 2r ? ? I ’2r + ? U 2i ? ? I ’2i > ?P

(?u 、?i 、?P 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。

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)3I0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 res ? 时)

0.0

.0.0.)(op res res res op op I I I I S I I ?-+≥ ( I res > 时) 式中：I op 为横差电流，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），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。该方案的综合逻辑框图如图5.2.3。 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：

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 res?

I op? + S(I res– ( I res > ) (5-3-1)

I res >1.2 I n

I op? 1.2I n + (I res–1.2 I n) ( I res >1.2 I n ) (5-3-2)

I op为差动电流，为差动最小动作电流整定值，I res为制动电流，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 = | ?

I1 +

?

I2 | (5-3-3)

I res = |?

I1 -

?

I2| / 2 (5-3-4)

对于三侧及以上差动：

I op = | ?

I1 +

?

I2+…+

?

I n | (5-3-5)

I res = max{ |?

I1|，|?I2|，…，|?I n| } (5-3-6)

式中：3≤n≤6，?

I1，

?

I2，。。。

?

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：

1.2

2.op op I K I ?> (5-3-7)

式中：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，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。

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。

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。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。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。

5.7.1保护原理

一点接地保护原理同前所述，但在这里的一点接地电阻定值只有一段，通过延时发信。

在一点接地故障后，保护装置继续测量接地电阻和接地位置，此后若再发生转子另一点接地故障，则已测得的?值变化，当其变化值??超过整定值时，保护装置就确认为已发生转子两点接地故障，发电机被立即跳闸。保护判据为：

| ?? | > ?set ?set 为转子两点接地位置变化整定值

失磁保护

发电机励磁系统故障使励磁降低或全部失磁，从而导致发电机与系统间失步，对机组本身及电力系统的安全造成重大危害。因此大、中型机组要装设失磁保护。失磁保护的主判据可由下述判据中的一个或两个组成。

a. 定励磁低电压判据

为了保证在机组空载运行及P

U fd ≤

式中，为励磁低电压动作整定值，整定为，一般可取=。

若“定励磁低电压判据”单独出口，还需采取“I <0.06I n ”的闭锁措施，以防止发电机并网过程及解列过程中失磁保护误出口。

在系统短路等大干扰及大干扰引起的系统振荡过程中，“定励磁低电压判据”不会误动作。

b. 静稳边界阻抗主判据

阻抗扇形圆动作判据匹配发电机静稳边界圆，采用0?接线方式(ab .U 、ab .

I )，动作特性见图5.8.1所示，发电机失磁后，机端测量阻抗轨迹由图中第I 象限随时间进入第Ⅳ象限，达静稳边界附近进入圆内。

静稳边界阻抗判据满足后，至少延时1s~发失磁信号、压出力或跳闸，延时1s~的原因是躲开系统振荡。扇形与R轴的夹角10?~15?为了躲开发电机出口经过渡电阻的相间短路，以及躲开发电机正常进相运行。

图5.8.1 静稳边界阻抗判据动作特性

需指出，发电机产品说明书中所刊载的x d值是铭牌值，用“x d(铭牌)”符号表示，它是非饱和值，它是发电机制造厂家以机端三相短路但短路电流小于额定电流的情况下试验取得的，误差大，计算定值时应注意。

c.稳态异步边界阻抗判据

发电机发生凡是能导致失步的失磁后，总是先到达静稳边界，然后转入异步运行，进而稳态异步运行。该判据的动作圆为下抛圆，它匹配发电机的稳态异步边界圆。特性曲线见图5.8.2。

图5.8.2 异步阻抗特性曲线

d.主变高压侧三相同时低电压判据

发电机失磁后，可能引起主变高压侧(系统)电压降低，引发局部电网电压崩溃，因此，在失磁保护配置方案中，应有“三相同时低电压”判据。为防止该判据误动，该判据应与其它辅助判据组成“与”门出口。

此判据主要判断失磁的发电机对系统电压(母线电压)的影响

U t≤

式中，为主变高压侧电压整定值，一般可取~U tn。某些场合发电机失磁后，主变高压侧电压不可能降低到整定值以下，则该判据也可改为“发电机机端三相同时低电压判据”，即U g≤，可取~U gn。采用机端三相低电压判据有时为了保证厂用电，有时仅为了与静稳阻抗判据组成“与”门出口，以防止由于静稳阻抗单独出口时可能发生的误动作，因此选择有较广泛的灵活性。

e.机端过电压判据

发电机在突然甩负荷等过电压情况下，会强行减励，使U fd突降，可能引起U fd(P)判据或定励磁低电压判据误动，故采取机端过电压判据且动作后延时4s~6s返回的闭锁措施来防止失磁保护误出口。

U g≥~U gn

式中，U gn为发电机机端额定电压。

考虑发电机失磁故障对机组本身和系统造成的影响，应根据机组在系统中的作用和地位以及系统结构，合理选择失磁保护动作判据。本装置提供(但不限于)常用失磁保护方案如下。

说明：由于失磁保护判据多，逻辑一般较复杂，为便于使各方案逻辑清晰，失磁保护逻辑框图中保护硬压板、各段软压板及启动元件均未画出，实际逻辑中，保护硬压板、各段软压板及启动元件是存在的。

逆功率保护

逆功率保护作为汽轮发电机出现有功功率倒送，发电机变为电动机运行异常工况的保护。同时，利用这一原理，逆功率保护也可用于程序跳闸的启动元件。

5.9.1保护原理

逆功率保护反应发电机从系统吸收有功功率的大小。电压取自发电机机端TV，电流取自发电机机端(或中性点)TA。保护按三相接线，有功功率为：?为电压超前电流的角度，动作判据为：

| P | > P set P set为逆功率保护动作整定值。

保护设有2段延时，短延时t1(1s~5s)用于发信号，延时t2(10s~600s)可用于跳闸。复合电压启动(方向)过流保护

复合电压启动(方向)过流保护作为变压器或相邻元件的后备保护。

5.10.1保护原理

由复合电压元件、相间方向元件及三相过流元件“与”构成。其中复合电压元件、相间方向元件可由软件控制字选择“投入”或“退出”，相间方向的最大灵敏角也可由软件控制字选择为-45?(-30?)或135?(150?)。如果计算相间方向的电压回路出现故障时，方向元件自动退出，保护由复合电压元件和过流元件“与“构成。保护可以配置成多段多时限，每段的每个时限都独立为一个保护。

零序（方向）过流保护

零序（方向）过流保护作为变压器或相邻元件接地故障的后备保护，保护可以配置成多段多时限。

5.11.1保护原理

由零序过流元件及零序功率方向元件“与”构成。其中，零序功率方向元件可由软件控制字整定“投入”或“退出”，零序功率方向的指向也可由软件控制字整定为70?或70?+180?。

5.11.2 判据说明

a. 零序过流元件

零序方向过流保护的过流元件可用三相TA 组成的零序回路中的电流，也可以用变压器中性点专用零序TA 的电流。装置提供“零序电流选择”控制字以供用户选择，该控制字整定为“1”时，过流用自产零序电流；整定为“0”时，过流用专用零序电流。零序过流保护的过流元件固定用专用零序电流，无需选择。

b. 零序功率方向元件

TA 与保护装置间的极性连接见图 5.12.1所示，零序方向元件的动作方向指向变压器时，其动作判据为：

0]33[11000.>???Λ

j e e I U R （灵敏角sen ?=-110°）

TA 与保护装置间的极性连接仍为图 5.12.1，零序方向元件的动作方向指向母线时，其动作判据为：

0]33[7000.>???-Λj e e I U R （灵敏角sen ?=70°） 方向元件的动作方向指向变压器或指向母线，由控制字选择。

其中零序方向元件的电流取自三相TA 组成的零序回路中的电流，TA 的正极性端在母线侧；电压可以取三相TV 组成的零序回路，也可以取PT 开口三角电压，通过TV 断线保护自动切换。

c. TV 异常对零序方向元件的处理（只适应选自产零序电压）。

本侧TV 断线时，方向电压由三相TV 组成的零序回路自动切换至PT 开口三角电压。

变压器零序过电压保护

5.12.1 保护原理

本保护适用于中性点接地系统（110kV ~500kV 系统）中中性点不接地的变压器以及中性点有时可能不接地的变压器，而不管其中性点是否有放电间隙。本保护作为变压器中性点不接地运行时的单相接地后备保护，它接于变压器高压母线TV 的开口三角，反映3U 0。

变压器间隙零序过电流及零序过压保护

5.13.1 保护原理

通常变压器间隙零序过电流元件与节所述的零序过电压元件组成“或”门输出经短延时跳闸，应用于中性点接地系统中的中性点不接地（或中性点有时接地有时不接地）且中性点有对地放电间隙的变压器，作为变压器中性点不接地运行时单相接地故障的后备保护，其保护效能同于零序过电压保护，当零序过电压间隙被击穿时,间隙零序过流元件动作，经~延时跳闸。

由于间隙在击穿的过程中，零序电压和零序电流可能交替出现。为了使间隙零序电压或间隙零序电流能够可靠动作，当间隙电压元件或间隙电流元件动作后，保持一段时间，确保保护可靠动作。

过负荷(有载调压闭锁、通风启动)保护

可根据需要配置不同的段数和时限。

低压（记忆）过流保护

低压过流保护作为升压变或较大容量的降压变的后备保护，过流启动值可按需要配置若干段，每段可配不同的时限；当用于自并励发电机的后备保护时，电流带记忆功能。

5.15.1保护原理

由低电压元件、三相过流元件“与”构成。逻辑框图见图。

图 低压(记忆)过流保护逻辑框图

5.15.2判据说明

a. 低电压元件

满足下列条件时，低电压元件动作。

op U U U op 为低电压整定值，U 为三个线电压中最小的一个。

b.过流元件

过流元件接于电流互感器二次三相回路中，保护可有多段定值，每段电流和时限均可单独整定。当任一相电流满足下列条件时，保护动作。

op I I > I op 为动作电流整定值。

过流保护

过流保护可作为发电机、变压器过流故障或过负荷的灵敏启动及延时元件。保护判断三相电流中最大值大于整定值时动作。

负序过流保护

负序过流保护可作为发电机不对称故障的保护或非全相运行保护(定时限)。 发电机对称过负荷保护

发电机对称过负荷保护用于发电机组作为对称过流和对称过负荷保护，接成三相式，取其中的最大相电流判别。主要保护发电机定子绕组的过负荷或外部故障引起的定子绕组过电流，由定时限过负荷和反时限过流两部分组成。

5.18.1保护原理

定时限过负荷按发电机长期允许的负荷电流能可靠返回的条件整定。反时限过流按定子绕组允许的过流能力整定。发电机定子绕组承受的短时过电流倍数与允许持续时间的关系为：

式中：K ——定子绕组过负荷常数

I *——定子额定电流为基准的标幺值

?——与定子绕组温升特性和温度裕度有关，一般为~。

过电压保护

过电压保护可作为过压启动、闭锁及延时元件。保护取三相线电压，当任一线电压大于整定值，保护即动作。

低频保护

低频运行会使汽轮机叶片受到疲劳损伤，故装设低频保护。低频保护反映系统频率的降低，并设有低电压闭锁，即发电机退出运行时低频保护也自动退出运行。

5.20.1保护原理

本保护中设有低电压闭锁判据。逻辑框图见图。

图低频保护逻辑框图

TV断线判别

5.21.1判据原理

判据1：电压平衡式TV断线判别

电压平衡式TV断线判别比较两组电压互感器二次侧的电压，当某一TV失去电压时继电器动作，延时发出断线信号，延时时间不大于100ms。逻辑框图见图。

本判据可用于闭锁相关保护。

图电压平衡式TV断线逻辑框图