发电机内部短路主保护2教材

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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） 1 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系数， ，、 为互感器一、二次侧

2、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。 2 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

3、-2） * 图1 发电机比率制动式纵差保护 的原理接线图 2、比率制动式纵差保护的基本原理 3 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，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）。 4 当发电机正常运行时，各相电流不大于互感器一

4、 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）。 比率制动特性 图2 发电机纵差保护的比率制动特性 5 n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

5、大，设 ，这时 有不平衡电流 也应小于 。 的值为： （1-1-6） 3、比率制动式纵差保护的整定计算 6 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： 。 7 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

6、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。 8 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

7、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。 9 n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生，则比率制动特性只要满足 在最大外部电流下的

8、 和最大负荷状态下的 ， 纵差保护就一定不会误动。 4、两个基本概念 10 n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 11 1、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， 。

9、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： （二）标积制动式纵差保护 12 ，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

10、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 80/17000大型水轮发电机作过AB相间短路计算。结 13 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

11、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。 14 1、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。 （三）不完全纵差保护 15 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

12、 ，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TA1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 TA1 TA2 发差 发-变纵差 横差 机壳外 TA1 TA2 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 16 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

13、，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 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。 17 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

14、护时，和汽轮发电机相同，将三相定子绕组一分 为二，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 3、水轮发电机不完全纵差保护 18 a=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=