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继电保护

第一章同步发电机保护

发电机保护装置的工作流程可由图1-1所示，当发电机内部定子绕组相间短路时，纵差动保护瞬时动作跳闸，若定子绕组匝间短路则由匝间短路保护动作于跳闸。

当发电机定子出现接地故障时，由零序保护动作于信号或跳闸。

若发电机转子绕组发生一点接地，由当转子发生两点接地时，由转子一点接地保护动作于信号，转子两点接地保护动作于跳闸，若发电机发生励磁电压消失，则由失磁保护动作成出力或跳闸。

下面对发电机各保护的工作原理进行详细介绍。

图1-1发电机保护装置的工作流程图

第一节发电机纵差动保护

发电机纵差动保护作为发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护。

在保护范围内发生相间短路时，快速动作于停机。

发电机纵差动保护原理与变压器纵差动保护相同，其原理接线如图1-2所示。

由于发电机纵差动保护两侧可选用同型号，同变比的电流互感器，因此其不平衡电流比变压器差动保护小。

为防止外部短路暂态不平衡电流的影响，差动继电器采用具有短路线圈的BCH-2型继电器。

在三相差动回路的中性线上接入断线监视继电器KMN，在差动回路断线时动作于信号，通知值班人员将纵差动保护退出工作，防止外部故障引起保护的误动。

图1-2发电机纵差动保护原理接线图

（a）原理接线图（b）展开图

微机发动机纵差保护如图1-3。

图1-3发电机完全纵差保护动作逻辑图

纵联差动保护作为发电机内部相间短路故障的主保护，微机保护采用比率制动特性纵差保护，发电机纵联差动保护动作特性如图1-4.

图1-4带比率制动特性的发电机纵联差动保护动作特性

第二节发电机相间短路的后备保护

发电机相间短路的后备保护主要采用复合电压起动的过电流保护和负序电流保护，以提高保护的灵敏度。

一、复合电压起动的过电流保护

复合电压起动的过电流保护的工作原理图1-5

图1-5复合电压过电流

由负序电压及线电压启动的过电流保护，可作为发电机、变压器、高压母线及相邻线路故障的后备。

复合电压过电流保护设一段两时限（或两段两时限）。

电流取自中性点侧TA的最大相电流，电压取自机端普通TV。

二、负序过电流保护

当发电机三相负荷不对称或系统发生不对称短路时，定子绕组中的负序分量电流产生反向旋转磁场，将在转子中感应出100HZ交变电流，该电流使得转子端部，护环内表面等处因电流密度过大而过热灼伤，甚至引起护环松脱导致发生重大事故。

另外，在定子转子间产生的100HZ交变电磁力矩的作用下，机组会发生振动。

负序电流引起的发热与负序电流的大小和持续时间有关。

可用下列发热过程特性方程来表示：

（1-1）

式中

——负序电流对发电机额定电流的标幺值

A——与发电机型式和冷却方式有关的常数

A值由制造厂提供，一般对凸极发电机和调相机取A=40；对于空气和氢表面冷却的隐极发电机取A=30；对于直接冷却式大型汽轮发电机可取A=6~15。

式（1-1）说明，在确保发电机安全运行情况下，I越大则允许其持续时间越短，呈反时限特性。

A值较大的发电机，其耐受负序电流影响的能力越强。

容量为50MW及以下表面冷却式汽轮发电机和水轮发电机宜采用负序定时限过电流保护作为发电机定子绕组及相邻元件相间短路的后备保护，同时也用来防止负序电流引起发电机转子的损伤。

负序定时限过电流保护原理接线如图1-6所示，为能反应定子绕组及外部相间短路故障，保护从发电机中点侧电流互感器获取三相电流。

图中，负序电流继电器KAM为两段式负序电流保护的起动元件。

其中，电流元件2构成负序过电流保护（不灵敏段），经KT延时动作解解列灭磁；电流元件1构成不对称过负荷保护（灵敏段），经KT延时动作于信号。

负序过电流保护的动作电流应根据子发热条件来整定。

先选定一个计算时间t,在此时间内，运行人员有可能采取措施消除出现负序电流的运行方式。

负序过电流保护的灵敏系数应满足

，其动作时限

应与相邻元件的后备保护按阶梯原则相配合。

负序过负荷保护的动作电流应按躲过发电机最大负荷时负序电流过滤器的不平衡电流和小于发电机长期允许的负序电流值整定。

一般取

（1-2）

过负荷保护的动作时限

应比发电机后备保护的动作时限

大一级。

由于负序电流不能反映三相短路，保护装置还附加了一套由电流元件KA和电压元件KV组成的单相式低电压起动的过电流保护。

图1-6负序定时限过电流保护原理图

第三节发电机定子绕组单相接地保护

定子单相接地是发电机常见的故障之一。

尤其是采用水内冷的大型发电机，定子绕组发生接地故障的几率多于相间短路和匝间短路。

尽管发电机的中性点不直接接地，单相接地电流很小，但若不能及时发现，接地点电弧将进一步损坏绕组绝缘，扩大故障范围。

电弧还可能烧伤定子铁心，给修复带来很大困难。

显然，定子绕组绝缘损坏及铁心烧伤程度与接地电流大小及持续时间有关。

表1-1列出了不同容量发电机的接地电流允许值。

大型发电机定子铁心增加了轴向冷却通道，结构复杂检修很不方便。

因此，其接地电流允许值较小。

当发电机定子接地电流大于允许值，应采取补偿措施。

在发电机接地电流不超过允许值的条件下，定子接地保护只动作于信号，待负荷转移后再停机。

表1-1发电机定子接地电流允许值

发电机额定电压

（KV）

发电机额定容量

（MW）

接地电流允许值

（A）

6.3

10.5

13.8~15.75

18~20

≤50

50~100

125~200

300

4

3

2*

1*

对氢冷发电机接地电流允许值为2.5A。

对于中小型发电机，由于中性点附近绕组电位不高，单相接地可能性小，故允许定子接地保护有一定的保护死区。

对于大型机组，因其在系统中的地位重要，结构复杂，修复困难，尤其采用水内冷的机组，中性点附近绕组漏水造成单相接地可能性大。

所以，要求装设动作范围为100%的定子绕组单相接地保护。

1.发电机定子绕组单相接地故障分析

（1）定子绕组单相接地时的基波零序电压

发电机正常运行时，三相电压及三相负荷对称，无零序电压和零序电流分量。

当发电机A相绕组离中性点a处发生接地，如图1-7（a）所示。

显然，可借助机端电压互感器零序电压，且故障点离中性点越远，零序电压越高，反之零序电压越低。

由出口TV零序电压构成的接地保护有死区。

死去在中性点附近。

图1-7发电机内部单相接地示意图

（a）三相网络（b）零序等效网络

（2）定子绕组单相接地时的三次谐波电压

由于发电机气隙通密度的非正弦分布及铁心饱和等因素影响，定子绕组相电势中含有一定量的三次谐波电势

，一般约为相电势的2%～10%左右。

正常运行时发电机机端及中性点的三次谐波电压

正常运行时，发电机定子回路三次谐波等效电路如图1-8（a）所示。

定子绕组单相接地时机端及中性点的三次谐波电压如图1-8（b）所示。

由图1-8（b）所示定子绕组单相接地三次谐波等值电路可得，无论发电机中性点是否接有消弧线圈，均有

（1-3）

（1-4）

当a＜50%时，发电机定子绕组单相接地恒有

>

（1-5）

因此，式（1-5）可作为发电机接地保护反应定子绕组中性点附近（a﹤50%）接地短路的动作判据。

图1-8发电机定子回路三次谐波等效电路

（a）正常运行（b）绕组单相接地

2．双频式定绕组100%接地保护

必须说明，当升压变压器高压侧中性点直接接地运行时，因高压侧系统单相接地短路系统接地保护跳闸速度较发电机接地保护动作快，故基波零序电压元件省去了电压制动部分。

另外，基波零序电压元件取中性点零序电压，使装置可不考虑电压互感器断线的影响。

除上述利用故障分量反应定子绕组接地保护外，还有一类利用外加电源原理构成的定子绕组接地保护。

虽然这类保护灵敏度更高，但需要增加专用设备并存在一、二次回路直接连接安全性差等缺点，应用受到一定限制。

图1-9双频式定绕组100%接地保护示意图

（a）一次接线示意图（b）保护装置原理示意图

第四节频率异常保护

由于低频或过频运行对汽轮机叶片受到疲劳损伤，这种不可逆的疲劳损伤累积到一定程度，会造成叶片断裂，造成严重故障。

因此，频率异常保护是为保护汽轮机而设置的。

频率异常保护由频率测量元件和时间累积计数器组成。

频率异常保护分低频保护、过频保护、频率累积保护。

可根据用户需要设置低频、过频和频率累积的段数以及出口方式。

另外，为防止发电机起停过程中频率异常保护误发信号，频率保护受有电流元件闭锁。

图1-10发电机频率保护逻辑框图

第五节发电机转子接地保护

一、转子一点接地保护

转子一点接地保护反应转子绕组对大轴绝缘电阻的下降。

采用“乒乓”式变电桥原理，其设计思想是：

通过电子开关S1、S2轮流切换，改变电桥两臂电阻值的大小。

通过求解三种状态下的回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置。

保护测量电路原理图如图1-11。

图中，S1和S2为两个受控的电子开关，U1、U2、U3为三个被测电压，Rg为转子绕组对大轴接地电阻。

图1-11转子一点接地保护测量电路原理图

保护的动作判据为：

Rg

式中：

Rs为接地电阻整定值（与发电机类型及转子冷却方式有关），分两段，高定值段为灵敏段，仅发信；低定值段可发信也可出口。

切换开关采用最新的电子器件，具有切换速度快和使用寿命长的优点。

保护对切换开关S1和S2有良好的自检功能。

此外变电桥式转子一点接地保护与接地点的位置和励磁电压大小无关，在转子绕组任何地点发生接地故障时，均具有很高的灵敏度。

发电机转子一点接地保护逻辑框图如图1-12。

图1-12发电机转子一点接地保护逻辑框图

整定内容和取值建议

1）高定值段接地电阻RSl

RSl的整定因汽轮发电机和水轮发电机所采用的冷却方式有别，通常对于水轮发电机、空冷及氢冷汽轮发电机，一般可整定为（10～30）kΩ；对直接水冷的励磁绕组，一般可整定为（5～20）kΩ。

2）低定值段接地电阻RS2

RS2的整定因汽轮发电机和水轮发电机所采用的冷却方式有别，通常对于水轮发电机、空冷及氢冷汽轮发电机，一般可整定为（5～10）kΩ或更低。

3）转子一点接地保护动作时间：

TZl通常可整定为（4～10）S。

TZ2通常可整定为（1～4）S，对于水轮发电机可作用于跳闸。

说明

汽轮发电机通用技术条件规定：

对于空冷及氢冷的汽轮发电机，励磁绕组的冷态绝缘电阻不小于1MΩ，直接水冷却的励磁绕组，其冷态绝缘电阻不小于2kΩ。

水轮发电机通用技术条件规定：

绕组的绝缘电阻在任何情况下都不应低于0.5MΩ。

转子一点接地保护动作后，装置自动投入转子两点接地保护。

二、转子两点接地保护

转子两点接地保护采用机端正序电压的二次谐波分量作为判别量。

动作判据为：

U12>U2s

式中：

U12为机端正序电压的二次谐波分量测量值，U2s为机端正序电压的二次谐波分量的定值。

1）正序二次谐波电压U2S：

一般视现场的实际情况整定，也可参考下式：

U2s=（2.5～3）倍额定负荷下正序二次谐波的实测值。

2）转子两点接地延时TZ：

TZ一般整定为（0.5～1.O）S，以躲开各种扰动。

3）对于100MW及以上等级的发电机，转子一点接地后立即停机检查故障，为防止误动，转子两点接地保护不应投入或投信号。

图1-13发电机转子两点接地保护逻辑框图

附：

CSC-306D电流电压接线回路

CSC-306D电流电压回路接线示意如图1-14所示，装置内部的电流电压变换器的极性端均应分别同电流互感器和电压互感器的极性端相连。

图1-14CSC306数字式发电机保护装置电流电压回路接线图

第二章自动并列装置

第一节准同步并列的基本原理

一、自动并列的作用

电力系统中，各发电机是并联在一起运行的。

并列运行的同步发电机，其转子以相同的电角速度旋转，每个发电机转子的相对电角速度都在允许的极限值以内，称之为同步运行。

一般来说，发电机在没有并入电网前，与系统中的其他发电机是不同步的。

电力系统中的负荷是随机变化的。

为保证电能质量，并满足安全和经济运行的要求，须经常将发电机投入和退出运行，把一台待投入系统的空载发电机经过必要的调节，在满足并列运行的条件下经开关操作与系统并列，这样的操作过程称为并列操作。

在某些情况下，还要求将已解列为两部分运行的系统进行并列，同样也必须满足并列运行条件才能进行开关操作，这种操作也为并列操作，其并列操作的基本原理与发电机并列相同，但调节比较复杂，且实现的具体方式有一定差别。

电力系统这两种基本并列操作中，以同步发电机的并列操作最为频繁和常见，如操作不当或误操作，将产生极大的冲击电流，损坏发电机，引起系统电压波动，甚至导致系统振荡，破坏系统稳定运行，因此对同步发电机的并列操作有两个基本要求。

（1）并列瞬间,发电机的冲击电流不应超过规定的允许值。

（2）并列后，发电机应能迅速进入同步运行。

采用自动并列装置进行并列操作，不仅能减轻运行人员的劳动强度，也能提高系统运行的可靠性和稳定性。

本章只讨论同步发电机的自动并列装置。

二、同步发电机并列操作的方法

电力系统中，并列方法主要有准同步并列和自同步并列两种。

（1）准同步并列。

先给待并发电机加励磁，使发电机建立起电压，调整发电机的电压和频率，在接近同步条件时，合上并列断路器，将发电机并入电网。

若整个过程是人工完成的称手动准同步并列，若是自动进行的称自动准同步并列。

准同步并列的优点是并列时产生的冲击电流较小，不会使系统电压降低，并列后容易拉入同步，因而在系统中广泛使用。

（2）自同步并列。

待并发电机先不加励磁，当其转速接近同步转速时，投入电力系统，在并列断路器合闸后，立即给转子加励磁，由系统将发电机拉入同步。

自同步的优点是并列速度快，但这种并列方法并列时产生的冲击电流较大，同时发电机要从系统中吸收无功，会引起系统电压短时下降.下面着重讨论准同步并列。

三、准同步并列条件及分析

准同步并列理想条件：

要使一台发电机以准同步方式并入系统，进行并列操作最理想的状态是：

在并列断路器主触头闭合的瞬间，断路器两侧电压的大小相等、频率相同，相角差为零。

即

（1）待并发电机电压与系统电压相等；

（2）待并发电机频率与系统频率相等；

（3）并列断路器主触头闭合瞬间，待并发电机电压与系统电压间的相角差为零。

符合上述三个理想条件，并列断路器主触头闭合瞬间，冲击电流为零，待并发电机不会受到任何冲击，并列后发电机立即与系统同步运行。

但是，在实际运行中，同时满足以上三个条件几乎是不可能的，事实上也没有必要，只要并列时冲击电流较小，不会危及设备安全，发电机并入系统拉入同步过程中，对待并发电机和系统影响较小，不致引起不良后果，是允许进行并列操作的。

因此，实际运行中，上述三个理想条件允许有一定偏差，但偏差值要严格控制在一定的允许范围内。

准同步并列实际条件分析：

图2-1发电机并列示意图

（a）一次系统图（b）等值电路

现以图2-1所示电路来讨论非理想条件下并列操作的情况。

图2-1（a）示出待并发电机与系统的一次接线图，发电机G已加励磁，其机端电压为

，设系统为无穷大系统，即系统电压

的大小为常数，系统综合电抗

，并列时产生冲击电流

为图示方向。

图2-1（b）为求冲击电流

的等值电路，其中

为待并发电机的等值电抗。

产生的冲击电流为

图2-2准同步并列条件分析相量图

（a）fG=fS,δ=0,

>

;（b）fG=fS,

=

δ

0;（c）

=

fG

fS

下面分三种情况来讨论。

（1）电压差允许值

发电机并列时，设发电机电压频率fG与系统电压频率fS相等，二者相差角δ=0，只是电压大小不等，即

，且

>

，作出其相量图如图2-2（a）所示，电压差值

即为发电机电压

与系统电压

的幅值差。

由于准同步并列是经常性操作，为保证发电机的安全，一般冲击电流不允许超过机端短路电流的1/10～1/20。

据此，在并列时要求电压差值不应超过5%〜10%的额定电压值。

（2）相角差允许值

发电机并列时，设电压大小相等，

=

=

，频率相同,fG=fS，合闸瞬间存在相角差，即δ

0。

作出相量图如图2-2（b）所示，由于存在相角差，断路器两端就有一电压差值

，并列时将产生冲击电流。

并列时相角差δ越大（在180范围内），产生的冲击电流也越大。

δ=180，冲击电流出现最大值，如果在此时误合闸，极大的冲击电流可能会烧毁发电机。

为了在发电机并列时不产生过大的冲击电流，应在δ角接近于零时合闸。

通常并列操作时允许的合闸相角差不超过10，对于200MW及以上机组，合闸相角差不超过2～4。

（3）频率差允许值

发电机并列时，设电压大小相等，

=

=

二者频率不同，即fG≠fS，发电机电压

和系统电压

各自以角速度G和S旋转。

以

作参考量，作出相量图如图2-2（c）所示，

绕系统电压

以角速度G-S旋转。

当G>S，

绕

逆时针旋转；G

绕

顺时针旋转。

在旋转过程中，两电压之间的相角差由0→180→360变化，电压差值

的大小也由小→大→小变化，相应产生的冲击电流大小也在从小→大→小变化。

由于fG≠fS，并列时使发电机振动，会导致系统振荡。

根据运行经验，并列时频率差值不应超过0.2%～0.5%的额定频率，即不超过（0.1～0.25）Hz.

综合上面分析，得到准同步并列的实际条件为：

1）待并发电机电压和系统电压接近相等，其电压差不超过（5～10）%额定电压；

2）待并发电机电压与系统电压的相角差在并列瞬间应接近于零，相角差δ不大于10；

3）待并发电机频率与系统频率接近相等，其频率差不超过（0.2～0.5）%额定频率。

四、合闸脉冲命令的发出

在频率差、电压差满足要求的前提下，并列瞬间的相角差不能太大，要尽量使并列合闸时，即并列断路器主触头闭合瞬间相角差δ=0。

将发电机并入电网，实质上是将发电机出口断路器合上。

由于一般断路器合闸机构为机械操作机构，从合闸命令的发出，到断路器主触头闭合，要经历一段时间，大约为0.1～0.7s，因此要使并列合闸瞬间δ=0，合闸脉冲不能在δ=0时发出，而必须在δ=0之前提前一个时间发出。

这一提前的时间叫导前时间，用tad表示，显然tad为发合闸脉冲起到断路器主触头闭合止中间所有元件的动作时间之和，其中主要为断路器的合闸时间。

为保证断路器主触头闭合瞬间δ=0，导前时间tad应不随频差、压差变化，是一个固定的数值，所以有恒定导前时间之称，以此原理构成的装置也被称为恒定导前时间式自动准同步装置。

五、自动准同步装置的分类与功能

从构成上来看，自动准同步装置可以分成模拟式和数字式两大类。

自动准同步装置的任务是实现自动并列操作，具体应有以下功能：

（1）能自动检测待并发电机与系统之间的电压差、频率差大小，当满足准同步要求时，自动发出合闸脉冲命令，使断路器主触头闭合瞬间δ=0。

（2）如压差或频差不满足要求，能自动闭锁合闸脉冲，同时检出压差或频差的方向，对待并发电机进行电压或频率的调整，以加快自动并列的进程。

第二节数字式自动准同步并列装置

一、概述

模拟式自动准同步并列装置以一个滑差周期为基本检测周期，一旦检测到压差和频差符合条件，就认为在恒定导前时间内滑差ωd是不变的常数（即匀速），也就是认为并列操作是在发电机转速已达到稳定情况时进行的。

这是理想情况，实际情况是多变的，如系统频率不很稳定或发电机转速是变化的，都会有不同程度的加速度，因而影响了准同步并列操作的准确性，如合闸时间较长的断路器，可能使合闸瞬间相角差很大，引起极大的冲击电流；或为了获得稳定的滑差ωd，把并列过程拉得很长。

另外，由于装置元件老化或因温度变化引起的参数变化，也会使导前时间产生误差。

随着电力系统的发展，单机容量不断增大，对合闸允许相角差的要求也相应提高，因此以匀速准则实现的模拟式自动准同步并列装置的使用有一定的局限性，目前我国部分发电厂中，就有因装置并列过程太长而改用手动并列的，使系统运行的可靠性受到了影响。

用大规模集成电路微处理器（CPU）等器件构成的数字式自动并列装置，由于硬件简单，编程方式灵活，运行可靠，且运行上日趋成熟，成为当前自动并列装置使用和发展的主流。

微处理器（CPU）具有高速运算和逻辑判断能力，它的指令周期以微秒计，这对于发电机频率为50Hz、每周期20ms的信号来说，可以具有足够充裕的时间进行相角差δ和滑差角频率ωd近乎瞬时值的运算，并按照频差值、电压差值的大小和方向确定相应的调节量，对机组进行调节，以达到较满意的并列控制效果。

同时数字式并列装置可以采用较为精确的公式，考虑相角差δ可能具有加速运动等问题，能按照δ当时的变化规律，选择最佳的导前时间发出合闸信号，这样可以缩短并列操作的过程，提高了自动并列装置的技术性能和运行可靠性。

此外引入计算机技术后，可以较方便地应用检测和诊断技术对自动并列装置进行自检，提高了装置的运行维护水平。

二、同步条件检测

微机自动准同步并列装置借助于微处理器的高速处理信息能力，利用编制的程序，在硬件配合下实现发电机并列操作。

同步并列条件的检测与合闸信号控制的基本原理介绍如下。

1．电压检测

交流电压变送器可以把交流电压u转变为直流电压U，其输出的直流电压与输入的交流电压值成正比。

如图2-3（a）所示，CPU从A/D转换接口读取的电压量DG、DS分别表示发电机电压uG和系统电压uS的有效值。

设机组并列时，允许电压偏差的整定值为△Uset，装置内对应的整定值为D△U。

当∣DS-DG∣﹥D△U时，不允许合闸信号输出；

当∣DS-DG∣≤D△U时，允许合闸信号输出。

如DS>DG时，并行口输出升压信号，输出调节信号的宽度与其差值成比例；反之，则发降压信号。

图2-3电压和频率测量

（a）电压测量；（b）频率测量

2．频率检测

把交流电压正弦信号转换为方波，经二分频后，它的半波时间即为交流电压的周期T。

利用正半周高电平作为可编程定时计数器开始计数的控制信号，其下降沿即停止计数并作为中断请求信号，由CPU读取其中计数值N，并使计数器复位，以便为下一个周期计数作好准备。

图2-3（b）为测频方框图。

设可编程定时计数器的计时脉冲频率为fc，则交流电压的周期为T=（1/fc）N。

交流电压频率为

f=fc/N2-1

发电机电压和系统电压分别由可编程定时计数器计数，主机读取计数脉冲值NG和NS。

由式2-1求得fG和fS。

与上述电压检测所采用算式类同，把频率差的绝对值与设定的允许频率偏差整定值比较，作出是否允许并列的判断。

当∣fS-fG∣﹥△fset时，不允许合闸信号输出,同时发调频脉冲；

当∣fS-fG∣≤△fset时，允许合闸信号输出。

按发电机频率fG高于或低于系统频率fS来输出减速或增速信号。

选择相角差δ在0°～180°区间，调节量按与频差值fd成比例进行调节。

3.导前时间检测

图2-4相角差δ测量

图2-4所示，先将待并发电机电压uG和系统电压uS转换为方波电压，再将两个方波电压加至异或门后，在异或门的输出端也是一系列宽度不等的矩形波，表示了相角差δ的变化。

借助于定时计数器和CPU可读取矩形波宽度的大小，求得两电压间的相角差δ的变化轨迹。

为了叙述方便起见，设系统频率为额定值50Hz，待并发电机的频率低于50Hz。

从电压互感器二次侧来的电压uS、uG波形如图2-5（a）所示，经削波限幅后