发电机纵差动保护的原理及应用分析

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【摘要】发电机内部短路故障主要是指定子绕组的相间和匝间短路故障，短路故障发生时将会形成很大的冲击电流，所产生的的强大电弧将会烧毁定子绕组绝缘，还有可能引发大型火灾甚至使发电机报废，后果非常严重。故要求安装发电机纵差动保护作为发电机定子绕组相间、匝间短路故障的主保护，动作于解列发电机。

【关键词】发电机；纵差动保护；定值整定

一、比率制动式纵差保护工作原理

比率制动式纵差保护的动作电流是在变化的，它随短路电流的变化而自动变化，保证外部短路故障不误动的同时又对内部短路故障有很高的灵敏度。

以发电机一相为例，规定一次电流流入发电机为正方向。当正常运行以及发生保护区外的故障时，流入差动继电器的差动电流为零，差动继电器将不动作。当发生发电机内部故障时，流入差动继电器的差动电流将会出现较大的数值，当差动电流超过整定值时，差动继电器判为发生了发电机内部故障而动作于解列发电机。

1、比较发电机机端与中性点电流的相位和幅值来判断故障点。

（1）当正常运行或外部故障时，I1和I2方向相同，大小相等，差动电流Id=I1-I2=0；制动电流Iz=（I1+I2） /2-I。

（2）当区内故障时，I1和I2反方向，差动电流Id=I1-I2=0故障电流，与I1和I2的绝对值的和成正比；制动电流Iz与I1和I2的绝对值的差成正比。

2、为了保证外部故障时装置不误动，故采用比率制动式差动元件，使动作电流跟着制动电流而变，外部短路电流越大，继电器的动作电流也越大，确保外部故障时，继电器能够可靠制动。

整定恰当的制动系数能保证区外故障可不误动，区内故障可靠动作。如图1中，采用双斜率的动作特性曲线，斜率1小些，是考虑到内部短路时有良好的灵敏度，斜率2大些，考虑到区外故障形成的巨大穿越电流会使两侧TA饱和程度不同，同时产生很大差流，提高斜率来提升制动能力，防止外部短路误动。

二、发电机纵差动保护原理

1、发电机纵差动保护动作逻辑关系

由于发电机中性点为非直接接地，当发电机内部发生相间短路故障时，会有两相或三相的差动继电器同时动作。根据这一特点，在保护逻辑设计时可作相应的考虑。当两相或三相差动继电器动作时，可判断为发电机内部发生短路故障；而仅有一相差动继电器动作时，则判断为TA断线。为了对付发生一点在区内接地而另外一点在区外接地引起的短路故障，当有一相差动继电器动作且同时有负序电压时也判定为发电机内部短路故障。这种动作逻辑的特点是单相TA断线不会动作，因此可省去专用的TA断线闭锁环节，且保护安全可靠。

2、发电机不完全纵差动保护原理

常规纵差动保护引入发电机定子机端和中性点的全部相电流和 ，在定子绕组同相相间短路时两相电流仍然相等，保护将不能动作。而通常大型发电机每相定子绕组均为两个或多个并联分支，若仅引入发电机中性点侧部分分支电流来构成纵差动保护选择合适的TA变比，就能保证正常运行及区外故障时没有差流，而发生发电机相间与匝间短路时都会形成差流，当大于整定值时，可切除故障。这种纵差动保护被称为不完全纵差动保护。

不完全纵差动保护可按下列原则选择配置中性点TA的个数

a/2≤N≤（a/2）+1

式中 N---中性点侧每相接入纵差动保护的分支数；

a---发电机每相的并联的分支总数。

由于发电机不完全纵差动保护仅引入了中性点的部分分支电流，因此在应用时要注意以下问题：

（1）TA的误差。发电机机端和中性点TA的变比不再相等，不可能使用同一型号的TA，因此TA引起的不平衡电流将会增加。

（2）误差源增加。除了通常的误差以外，不完全纵差动保护还会存在一些特别的误差源，如各分支参数的一些微小差异（气隙不对称、电机振动等）引起的不平衡。

（3）整定值。相对发电机完全纵差动保护而言，由于不完全纵差动保护的误差增加，在整定时应该考虑适当提高纵差动保护的动作门槛和比率制动系数。

（4）灵敏度。不完全纵差动保护的灵敏度与发电机中性点分支上TA的布置位置及TA的个数有密切关系。在应用不完全纵差动前应考虑进行必要的发电机内部短路故障灵敏度分析与计算。

三、发电机纵差动保护定值整定与实际中应注意的问题

1、纵差动启动电流按躲过最大负荷工况下的不平衡电流整定。最小动作电流应大于发电机额定负荷运行时的不平衡电流，即

式（3.1）

式中： ----可靠系数，取1.5；

Ie----发电机额定电流；

工程实际一般整定在0.1-0.2Ie，但若两侧TA型号不同，通常取高值，若实测差动保护中的不平衡电流大于此值，则需对定值进行重新整定。

2、斜率1应大于最大正常负荷电流下TA误差产生的不平衡电流，通常取20%。

3、拐点1是斜率1的终结点，应大于发电机最大正常运行电流。为使区内故障有高的灵敏度，希望制动电流在2.0倍的发电机额定电流以内时，动作特性斜率不要过大。

4、拐点2是过渡区的终点和斜率2的起点，应设置为使任一保护用TA开始饱和时的电流值。若保护用TA选为5P20，其饱和电流值很大，而发电机最大外部短路电流在6倍额定电流之内，一般取拐点6倍发电机额定电流。

5、实际应用中的注意事项

（1）针对发电机出口带断路器的系统，发电机纵差动保护机端TA与主变纵差动保护TA的选择要保证无死区，二者要有有交叉。当发电机检修且主变带厂用电运行时，禁止在主变纵差动保护的发电机机端侧TA通电，否则主变纵差动保护将会因试验电流而误动。

（2）按规定应定期检测发电机纵差动保护的不平衡电流，一旦其有增大趋势，应马上检查，分析原因，并做相应处理。

参考文献

[1]天津大学.电力系统继电保护原理.北京：电力工业出版社，1980.

[2]刘学军.继电保护原理.北京：中国电力出版社，2007.

[3]王爱琴.大型发变组保护的研究与应用.浙江大学硕士论文.2009.