发电机差动保护误动原因分析

发电机差动保护误动原因分析
［摘要］差动保护作为发电机的主保护，能否正确动作直接影响到主设备的安全和系统的稳定运行。

本篇主要介绍因线路遭受雷击引起发电机组差动保护误动原因进行分析并提出相应的整改措施及电流互感器对差动保护动作的影响进行分析。

［关键词］差动保护；电流互感器；原因分析；整改措施
0 引言
多年来，作为主设备主保护的纵联差动(简称纵差或差动)保护，正确动作率始终在50%～60%徘徊，而零序差动保护甚至低到30%左右，这对主设备的安全和系统的稳定运行都很不利。

造成这种局面的原因是多方面的，主要有设计、制造、安装调试和运行维护等。

各部门都有或多或少的责任，实际工作中也在不断改进，但是“原因不明”的主设备保护不正确动作事例仍然为数不少。

发电机纵差保护可以说是最简单的应用，但仍然存在“原因不明”的误动事故发生，比如在同期操作(人工或自动)过程，主要现象是由于操作不规范，偏离同期三要素(频率、电压幅值、相位)的要求，合闸时发电机发出轰鸣声，随即纵差保护跳闸。

1 发电机差动保护动作情况
山美水电站#1发电机技术改造后于2005年8月投入运行，运行后一切正常。

发电机所采用的保护为河南许继集团生产的WFB-800系列保护装置。

中性点和机端差动保护电流互感器均为LZZBJ9-10 A2型，10P15 /10P15 级，变比为1500/5,其中中性点电流互感器安装在发电机现场，机端电流互感器安装在新高压开关室，两者相距350m 。

如图1
图1
8月23日由于35KV线路遭受雷击,A、B两相短路,雷电波虽经过了一台110KV三卷变的隔离，但还是引起发电机差动保护范围外的区外短路，导致机能差动保护动作。

差动保护回路因差流存在并达到动作限值引起差动保护动作，
装置动作正确。

但因区外短路，故本不应引起发电机差动保护动作。

保护装置记录当时的动作数据如下：
机端A相电流13.97∠090°A
机端B相电流18.13∠322°A
机端C相电流16.52∠175°A
中性点A相电流18.91∠252°A
中性点B相电流21.92∠117°A
中性点C相电流15.62∠354°A
A相差动电流8.30A
A相制动电流16.10A
B相差动电流9.42A
B相制动电流19.55A
C相差动电流0.14A
C相制动电流15.57A
2保护动作原因分析
2.1客观原因：发电机组中性点电流互感器与机组出口电流互感器距离为350米，两电流互感器间有一段300米的汇流母排，外部设备雷击后，多次谐波被母排及发电机吸收，使机端与发电机中性点电流互感器的一次电流差异较大，引起差动动作，造成发电机事故停机。

2.2电流互感器问题：在发电机差动保护区外发生短路故障时，短路电流中具有衰减较慢的非周期分量而导致电流互感器铁心严重饱和，即暂态饱和。

铁心饱和使电流互感器传变特性变坏，而不能准确传变故障电流，没有相应措施防止暂态过程中由于电流互感器误差超过准确限值引起区外故障时保护差电流达到动作值而引起误动作。

发电机差动保护用的5P(10P)级电流互感器只能在稳态条件下保证规定的误差，但难以满足暂态准确度的要求。

5P(10P)级电流互感器
使用的是不带气隙的铁心，在电流互感器严重饱和后，铁心剩磁最大可达80%。

此类电流互感器未采取限制剩磁的措施，磁通密度变化范围小，剩磁难于消除。

因此，在一次系统发生短路故障后，互感器可能残留较大剩磁，这将使电流互感器更容易饱和，而且差动保护两侧电流互感器剩磁多不相同，则更易产生过大差电流，引起区外故障时发电机差动保护误动作。

2.3 电流互感器二次负载阻抗大小不平衡且都超过额定负载。

我们知道，LZZBJ9-10 ，1500/5 ，10P15 级20V A电流互感器的额定二次负荷在cos Φ =0.8 时，只有0.8Ω，超出此范围就不准确。

二次负荷只有在0.8 Ω以内，10% 的误差时，电流倍数才有15 倍。

机端差动用保护电流互感器到发电机保护屏的距离达300m 。

选用的控制电缆为2.5mm 2 的铜芯线，通过计算线路的电阻：
R1=2 ×ρ L/S=2 × 0.0175 ×350 ÷ 2.5=4.9 Ω。

电流互感器负荷超过铭牌规定的阻抗值较多，引起了保护误动作。

这说明二次回路阻抗的大小很重要。

我厂实际情况是中性点电流互感器到发电机保护屏的距离距离较短，有100 米左右。

此回路电阻：
R2=2 ×ρ L/S=2 × 0.0175 ×100÷ 2.5=1.4 Ω。

此值只有R1 的三分之一大。

串入差动继电器的阻抗相差大，流经差动继电器的电流差值也大。

3整改措施
3.1 更换电流互感器。

差动保护可以采用5P(10P)级电流互感器，但尽可能提高其允许的额定二次负荷、一次额定电流和准确限值一次电流(或准确限值系数)。

目前成熟产品中，性能最好的为5P20级(C-800)，SbN=200 V A的产品，但它尚不能满足要求；而且此类互感器由于大大提高了额定负荷，其体积和造价已与满足性能要求的TPY级相当;而且，P级电流互感器并未解决剩磁的问题。

所以，这个方案不能解决暂态饱和的根本问题。

与P级电流互感器相比较TPY 级互感器铁心带有气隙，因而磁阻较大，增长了互感器到达饱和的时间，不易饱和，即有更长的时间可保持线性转换传变关系，使暂态特性大大改善。

互感器时间常数减少，铁心面积可减少；剩磁减少也有利于暂态特性的改善，因而TPY 级可在准确限值条件下保证全电流的最大峰值瞬时误差ε=10%；更适用于发电机组保护。

但是因其造价高等原因，只用于大型发电机保护。

TPY级互感器对于小型发电机组实用性不大，故不采用，只是作为一个参考。

3.2 对继电保护装置采取措施，避开暂态饱和的影响。

目前国外知名厂家的发电机组差动保护装置，采用了电流互感器饱和鉴别元件，能在1/4周期的时间内完成鉴别程序，当电流互感器饱和时，能提高制动曲线，闭锁保护。

保护装置是利用电流互感器饱和之前总有一短时间的不饱和的特点工作的。

但从根本上讲，任何保护装置要保证安全性和选择性，都要依赖一次电流的准确传变，这是最基本的要求。

因而，还是应该采取“治本”的办法，从电流互感器这一根源上解决问题，以避免其他意想不到的保护信号源的传变问题。

3.3 在停产大检修时，更换现场到高压室的控制电缆，加大截面，将线路电阻降至规定值以内。

现已更改发电机差动保护的整定值及更换控制电缆为4mm 2 的铜芯线。

发电机出口差动保护电流互感器向发电机出线侧移，缩短发电机中性点电流互感器与机组出口电流互感器距离，避免由于外部过电压入侵而造成差动保护动作。

（如图2）。

而因为机端差动保护电流互感器前移导致#1（#2）母线到机端电流互感器300米铝排没有主保护，为此只能由#1（#2）主变及机组后备保护隔离故障点，为避免造成供电负荷的损失，从继电保护方面提出以下解决方案：＃1、#2主变复压过流Ⅰ段带方向，指向母线，经三侧复合电压闭锁，延时由1.3秒改为0.7秒跳10KV母分开关；复压过流Ⅱ段带方向，指向母线，经三侧复合电压闭锁，延时由1.6秒改为0.1秒跳10KV侧开关。

图2
3.4 采用光电式电流互感器。

光电式互感器的传感器完全摒弃了常规的电磁原理，采用了利用磁光或电光效应的光电互感器。

经过近三十年的发展，成
为相对比较成熟、最有发展前途的一种超高压条件下的测量方法。

光电互感器采用罗哥夫斯基线圈、低功率电流互感器、串联感应分压器等新技术，使电流测量准确度达到０．１级。

又在结构中采用光纤能量和信号传输、特种固态绝缘脂真空灌注等技术，增强了抗ＥＭＩ性能和绝缘性能，使可靠性大大提高。

相对于传统的电磁式互感器，光电互感器有明显的优点：（１）在高电压、大电流的测量环境中，光纤或光介质是良好的绝缘体，它可以满足高压工作环境下的绝缘要求；（２）没有传统电流互感器二次开路产生高压的危险，以及传统充油电压、电流互感器漏油、爆炸等危险；（３）不会产生磁饱和及铁磁共振现象，它尤其适用于高电压、大电流环境下的故障诊断；（４）频带宽，可以从直流到几百千赫，适用于继电保护和谐波检测；（５）动态范围大，能在大的动态范围内产生高线性度的响应；（６）适应了现在电力系统的数字化信号处理要求，它还可用于以保护、监控和测量为目的高速遥感、遥测系统；（７）整套测量装置结构紧凑、重量轻、体积小；（８）各个功能模块相对独立，便于安装和维护，适于网络化测量。

4结论
4.1P级电流互感器不能充分满发电机纵差保护的暂态传变特性要求，它是纵差保护误动作的重要因素之一。

4.2 对现有用于纵差保护的P级互感器，应尽可能减小二次负荷，提高额定准确限值系数，适当增大制动系数。

4.3现场采取的更换电缆，改变定值及电流互感器前移等措施，经过了一年时间的运行，一切正常，没有再出现过此类差动保护动作。

4.4 主设备纵差保护采用光电式电流互感器，从技术和经济等方面均看好，应加以考虑采用光电式电流互感器。

参考文献:
1、DL/T 866—2004《电流互感器和电压互感器选择及计算导则》
2、潘向东,史锦珊.光推动光电混合式电流互感器的研究.东北重型机械学院学报,1997,4(12):333-335.
3、乔峨,安作平,罗承沐.应用在混合式光电电流互感器中的Rogowski线圈。