第八章发电机变压器保护举例.docx

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第八章发电机变压器保护举例

第八章发电机-变压器保护举例

本章以RCS-985发电机-变压器组成套保护装置为例。

第一节　保护典型配置

一、概述

RCS－985采用了高性能数字信号处理器DSP芯片为基础的硬件系统，并配以32位CPU用作辅助功能处理。

是真正的数字式发电机变压器保护装置。

RCS－985为数字式发电机变压器保护装置，适用于大型汽轮发电机、水轮发电机、燃汽轮发电机、抽水蓄能机组等类型的发电机变压器组单元接线及其他机组接线方式，并能满足发电厂电气监控自动化系统的要求。

RCS－985提供一个发电机变压器单元所需要的全部电量保护，保护范围：

主变压器、发电机、高厂变、励磁变（励磁机）。

根据实际工程需要，配置相应的保护功能。

对于一个大型发-变组单元或一台大型发电机，配置两套RCS-985保护装置，可以实现主保护、异常运行保护、后备保护的全套双重化，操作回路和非电量保护装置独立组屏。

两套RCS-985取不同组TA，主保护、后备保护共用一组TA，出口对应不同的跳闸线圈，因此，具有以下优点：

（1）设计简洁，二次回路清晰；

（2）运行方便，安全可靠，符合反措要求；

（3）整定、调试和维护方便。

二、保护功能配置及典型配屏方案

RCS-985装置充分考虑大型发电机变压器组保护最大配置要求。

包括了主变、发电机、高厂变、励磁变（励磁机）的全部保护功能。

1．典型配置方案

如图8-1所示发-变组单元，发-变组按三块屏配置，A、B屏配置两套RCS-985A，分别取自不同的TA，每套RCS-985A包括一个发-变组单元全部电量保护，C屏配置非电量保护装置。

图中标出了接入A屏的TA极性端，其他接入B屏的TA极性端与A屏定义相同。

本配置方案也适用于100MW及以上相同主接线的发-变组单元。

图中为励磁机的主接线方式，配置方案也适用于励磁变的主接线方式。

2．配置说明

（1）差动保护配置说明

1）配置方案：

对于300MW及以上机组，A、B屏均配置发-变组差动、主变差动、发电机差动、高厂变差动。

2）差动保护原理方案：

对于发-变组差动、变压器差动、高厂变差动，需提供两种涌流判别原理，如二次谐波原理、波形判别原理等，一般一套装置中差动保护投二次谐波原理，另一套装置投波形判别原理。

发电机差动也具有两种不同原理的比率差动：

比率差动、工频变化量差动。

（2）后备保护和异常运行保护配置说明

A、B屏均配置发-变组单元全部后备保护，各自使用不同的TA。

1）对于零序电流保护，如没有两组零序TA，则A屏接入零序TA，B屏可以采用套管自产零序电流。

此方式两套零序电流保护范围有所区别，定值整定时需分别计算。

2）转子接地保护因两套保护之间相互影响，正常运行时只投入一套，需退出本屏装置运行时，切换至另一套转子接地保护。

3．外加20Hz电源定子接地保护配置

配置外加20Hz电源定子接地保护时，需配置20Hz电源、滤波器、中间变流器、分压电阻、负荷电阻附加设备，附加设备单独组成一块屏。

4.电流互感器配置说明

（1）A、B屏采用不同的电流互感器；

（2）主后备共用一组TA；

图8-1　RCS-985A机组保护方案配置示意图

（3）主变差动、发电机差动均用到机端电流，一般引入一组TA给两套保护用，对保护性能没有影响。

RCS-985保留了两组TA输入，适用于需要两组的特殊场合。

（4）主变差动、高厂变差动均用到厂变高压侧电流，由于主变容量与厂变容量差别非常大，为提高两套差动保护性能，一般保留两组TA分别给两套保护用，RCS-985通过软件选择，可以适用于只有一组TA的情况。

（5）220kV侧最好有一组失灵启动专用TA。

5.电压互感器配置说明

（1）A、B屏尽量采用不同的电压互感器或互相独立的绕组。

（2）对于发电机保护，配置匝间保护方案时，为防止匝间保护专用TV高压侧断线导致保护误动，一套保护需引入两组TV。

如考虑采用独立的TV绕组，机端配置的TV数量太多。

一般不能满足要求。

发电机机端建议配置三个TV绕组：

TV1、TV2、TV3，A屏接入TV1、TV3电压，B屏接入TV2、TV3电压。

正常运行时，A屏取TV1电压，TV3作备用，B屏取TV2电压，TV3作备用，任一组TV断线，软件自动切换至TV3。

（3）对于零序电压，一般没有两个绕组，同时接入两套保护装置。

6.失灵启动

反措《实施细则》对失灵启动提出了详细的规定，失灵启动含有发-变组保护动作接点，由于断路器失灵保护的重要性，具体实施方案如下：

（1）失灵启动不应与电量保护在同一个装置内，以增加可靠性；

（2）失灵启动只配置一套。

第二节　装置性能特征

一、高性能硬件

（1）DSP硬件平台

RCS-985保护装置采用高性能数字信号处理器DSP芯片作为保护装置的硬件平台，为真正的数字式保护。

（2）双CPU系统结构

RCS-985保护装置包含两个独立的CPU系统：

低通、AD采样、保护计算、逻辑输出完全独立，CPU2系统作用于启动继电器，CPU1系统作用于跳闸矩阵。

任一CPU板故障，装置闭锁并报警，杜绝硬件故障引起的误动。

（3）独立的起动元件

管理板中设置了独立的总起动元件，动作后开放保护装置的出口继电器正电源；同时针对不同的保护采用不同的起动元件，CPU板各保护动作元件只有在其相应的起动元件动作后，同时管理板对应的起动元件动作后才能跳闸出口。

正常情况下保护装置任一元件损坏均不会引起装置误出口。

（4）高速采样及并行计算

装置采样率为每周24点，且在每个采样间隔内对所有继电器（包括主保护、后备保护、异常运行保护）进行并行实时计算，使得装置具有很高的可靠性及动作速度。

（5）主后一体化方案

TA、TV只接入一次，不需串接或并接，大大减少TA断线、TV断线的可能性，保护装置信息共享，任何故障，装置可录下一个发-变组单元的全部波形量。

二、保护新原理

（1）变斜率比率差动保护性能

比率差动的动作特性采用变斜率比率制动曲线（如图8-3）。

合理整定Kbl1和Kbl2的定值，在区内故障时保证最大的灵敏度，在区外故障时可以躲过暂态不平衡电流。

为防止在TA饱和时差动保护的误动，增加了利用各侧相电流波形判断TA饱和的措施。

（2）工频变化量比率差动保护性能

工频变化量比率差动保护完全反映差动电流及制动电流的变化量，不受正常运行时负荷电流的影响，可以灵敏地检测变压器、发电机内部轻微故障。

同时工频变化量比率差动的制动系数取得较高，其耐受TA饱和的能力较强。

（3）涌流闭锁原理

提供了二次谐波原理和波形判别原理两种方法识别励磁涌流，可经整定选择使用任一种原理。

（4）异步法TA饱和判据性能

根据差动保护制动电流工频变化量与差电流工频变化量的关系，明确判断出区内故障还是区外故障，如判出区外故障，投入相电流、差电流的波形识别判据，在TA正确传变时间不小于5ms时，区外故障TA饱和不误动，区内故障TA饱和，装置快速动作。

（5）高灵敏横差保护性能

采用了频率跟踪、数字滤波、全周傅氏算法，三次谐波滤过比大于100。

相电流比率制动的功能:

1）外部故障时故障相电流增加很大，而横差电流增加较少，因此能可靠制动。

2）定子绕组轻微匝间故障时横差电流增加较大，而相电流变化不大，有很高的动作灵敏度。

3）定子绕组发生严重匝间故障时，横差电流保护高定值段可靠动作。

4）定子绕组相间故障时横差电流增加很大，而相电流增加也较大，仅以小比率相电流增量作制动，保证了横差保护可靠动作。

5）对于其他正常运行情况下横差不平衡电流的增大，横差电流保护动作值具有浮动门槛的功能。

（6）比率制动匝间保护性能

采用了频率跟踪、数字滤波、全周傅氏算法，三次谐波滤过比大于100。

发电机电流比率制动的新判据:

1）外部三相故障时故障电流增加很大,而纵向零序电压增加较少,取电流增加量作制动量，保护能可靠制动；

2）外部不对称故障时电流增加，同时出现负序电流，而纵向零序电压稍有增加，取电流增加量及负序电流作制动量，保护能可靠制动；

3）定子绕组轻微匝间故障时纵向零序电压增加较大，而电流几乎没有变化，有很高的动作灵敏度。

4）定子绕组严重匝间故障时，纵向零序电压高定值段可靠动作；

5）对于其他正常运行情况下纵向零序电压不平衡值的增大，纵向零序电压保护动作值具有浮动门槛的功能。

（7）定子接地保护性能

1）采用了频率跟踪、数字滤波、全周傅氏算法，三次谐波滤过比大于100；

2）基波零序电压灵敏段动作于跳闸时，采用机端、中性点零序电压双重判据；

3）三次谐波比率判据，自动适应机组并网前后发电机机端、中性点三次谐波电压比率关系，保证发电机起停过程中，三次谐波电压判据不误发信号；

4）发电机正常运行时机端和中性点三次谐波电压比值、相角差变化很小,且是一个缓慢的发展过程。

通过实时调整系数（幅值和相位），使得正常运行时差电压为0。

发生定子接地时,判据能可靠灵敏地动作。

（8）外加20Hz电源定子接地保护性能

1）采用数字技术，精确计算定子接地电阻；

2）设有两段定值，一段动作于信号，另一段动作于跳闸；

3）零序电流保护不受20Hz电源影响，直接保护较严重的定子接地；

4）可以满足双套配置方案.

（9）转子接地保护性能

转子接地保护采用切换采样（乒乓式）原理，直流输入采用高性能的隔离放大器，通过切换两个不同的电子开关，求解四个不同的接地回路方程，实时计算转子绕组电压、转子接地电阻和接地位置，并在管理机液晶屏幕上显示出来。

若转子一点接地后仅发报警信号，而不跳闸，则转子两点接地保护延时自动投入运行,并在转子发生两点接地时动作于跳闸。

（10）失磁保护性能

失磁保护采用开放式保护方案，定子阻抗判据、无功判据、转子电压判据、母线电压判据、定子减出力有功判据，可以灵活组合，满足不同机组运行的需要。

（11）失步保护性能

失步保护采用三阻抗元件，采用发电机正序电流、正序电压计算，可靠区分稳定振荡与失步，能正确测量振荡中心位置，并且分别实时记录区内振荡和区外振荡滑极次数。

（12）TV断线判别

发电机出口配置两组TV输入，任意一组TV断线，保护发出报警信号，并自动切换至正常TV，不需闭锁发电机与电压相关的保护。

对于变压器、高厂变与电压有关的保护则由控制字“TV断线投退原则”选择，TV断线时是否闭锁相应的保护。

（13）TA断线判别

采用可靠的TA断线闭锁功能，保证装置在TA断线及交流采样回路故障时不误动。

三、智能化操作

（1）人机对话

正常时，液晶显示时间、机组单元的主接线、各侧电流、电压大小和差电流大小。

键盘操作简单，采用菜单工作方式，仅有+、-、↑、↓、←、→、RST、ESC、ENT等九个按键，易于学习掌握。

人机对话中所有的菜单均为简体汉字，打印的报告也为简体汉字，以方便使用。

（2）装置的全透明

运行时，保护装置可以显示多达500个各种采样量、差流、相角值，通过专用软件可以监视多达1500个装置内部数据，实现了保护装置的全透明。

（3）大容量录波功能

由于一台RCS-985装置引入了一个发-变组单元（或发电机）的全部模拟量，因此，保护启动后，装置同时录下全部模拟采样量、差流及保护动作情况，连续录波时间长达4秒钟。

（4）通信接口

四个与内部其它部分电气隔离的RS-485通信接口，其中有两个可以复用为光纤接口；另外有一个调试通信接口和独立的打印接口；利用通信接口还可共享网络打印机；通信规约使用部颁IEC870-5-103标准。

第三节　装置整体说明

一、硬件配置

图8-2硬件模块图

本套装置采用整体面板，全封闭机箱，抗干扰能力强。

非电流端子采用接插端子，使屏上走线简洁，并可配合我公司专用的调试仪，提高生产效率，减少现场使用时调试及维护工作量。

电路板采用表面贴装技术，减少了电路体积，减少发热，提高了装置可靠性。

装置有两个完全独立的相同的CPU板，每个CPU板由两个数字信号处理芯片（DSP）和一个32位单片机组成，并具有独立的采样、出口电路。

每块CPU板上的三个微处理器并行工作，通过合理的任务分配，实现了强大的数据和逻辑处理能力，使一些高性能、复杂算法得以实现。

另有一块人机对话板，由一片INTEL80296的CPU专门处理人机对话任务。

人机对话担负键盘操作和液晶显示功能。

正常时，液晶显示时间，变压器的主接线，各侧电流，电压大小，潮流方向和差电流的大小。

人机对话中所有的菜单均为简体汉字，两块CPU板打印的报告也为简体汉字，以方便使用。

通过本公司为保护提供的软件，可对保护进行更为方便、详尽的监视与控制。

装置核心部分采用AD公司高性能信号处理器DSP和Mortorola公司的32位单片微处理MC68332，DSP完成保护运算功能，32位CPU完成保护的出口逻辑及后台功能，具体硬件模块图见图8-2所示。

输入电流、电压首先经隔离互感器、隔离放大器等传变至二次侧，成为小电压信号分别进入CPU板和管理板。

CPU板主要完成保护的逻辑及跳闸出口功能，同时完成事件记录及打印、录波、保护部分的后台通讯及与面板CPU的通讯；管理板内设总起动元件，起动后开放出口继电器的正电源；另外，管理板还具有完整的故障录波功能，录波格式与COMTRADE格式兼容，录波数据可单独串口输出或打印输出。

二、通道配置

RCS-985装置输入输出通道定义详见第7章端子定义部分。

RCS-985装置共设有67路模拟量输入通道，其中电压量输入共22路，电流量输入41路，转子电压电流输入4路，可以满足100MW以上各种机组接线方式的保护需要。

RCS-985装置共设有36个保护压板，4路非电量接口，10路辅助接点输入，另外还包括打印、复归、对时、光耦电源监视等开入。

RCS-985装置共设有67路开出量，其中18组用于报警信号及辅助触点输出，49组用于跳闸输出和信号。

三、装置起动元件

RCS-985管理板针对不同的保护用不同的起动元件来起动，并且只有该种保护投入时，相应的起动元件才能起动。

当各起动元件动作后展宽500ms，开放出口正电源。

CPU板各保护动作元件只有在其相应的起动元件动作后，同时管理板对应的起动元件动作后才能跳闸出口；否则会有不对应起动报警。

（1）发电机变压器差动保护、主变差动保护起动

发电机变压器差动起动：

当发-变组差动电流大于差动电流起动整定值时，起动元件动作。

主变差动起动：

当主变差动电流大于差动电流起动整定值时，起动元件动作。

主变差动差流工频变化量起动时，起动元件动作。

（2）变压器后备保护起动

相电流起动：

当主变三相电流最大值大于相电流整定值时，起动元件动作。

工频变化量相电流起动：

当相电流的工频变化量大于0.2In时，起动元件动作。

零序电流起动：

当主变零序电流大于零序电流整定值时，起动元件动作。

间隙零序电流起动：

当主变间隙零序电流大于间隙零序电流整定值时，起动元件动作。

间隙零序电压起动：

当间隙零序电压大于间隙零序电压整定值时，起动元件动作。

（3）发电机纵差、裂相横差保护起动

发电机纵差起动：

当三相差动电流大于差动电流起动整定值时，起动元件动作。

当差流工频变化量起动时，起动元件动作。

裂相横差起动：

当三相差动电流最大值大于差动电流起动整定值时，起动元件动作。

（4）发电机匝间保护起动

单元件横差起动：

当横差电流大于横差保护整定值时，起动元件动作。

零序电压匝间保护起动：

当纵向零序电压大于纵向零序电压整定值时，起动元件动作。

工频变化量方向匝间保护起动。

（5）发电机定子接地保护起动

零序电压起动：

当发电机机端、中性点零序电压大于零序电压整定值时，起动元件动作。

三次谐波电压比率起动：

当三次谐波电压比率大于整定值时，起动元件动作。

三次谐波电压差动起动：

当三次谐波电压差值大于整定值时，起动元件动作。

（6）发电机转子接地保护起动

发电机转子一点接地起动：

当转子接地电阻小于整定值时，起动元件动作。

发电机转子两点接地起动：

当转子接地位置变化大于整定值时，起动元件动作。

（7）发电机定子过负荷保护起动

定时限过负荷起动：

当发电机三相电流最大值大于定时限整定值时，起动元件动作。

反时限过负荷起动：

当反时限累计值大于反时限整定值时，起动元件动作。

（8）发电机负序过负荷保护起动

定时限负序过负荷起动：

当发电机负序电流大于定时限整定值时，起动元件动作。

反时限负序过负荷起动：

当反时限累计值大于反时限整定值时，起动元件动作。

（9）发电机失磁保护起动

当阻抗轨迹进入阻抗圆时，起动元件动作。

（10）发电机失步保护起动

当阻抗轨迹离开阻抗边界时，起动元件动作。

（11）发电机过电压保护起动

当发电机三相相间电压最大值大于整定值时，起动元件动作。

（12）发电机过励磁保护起动

定时限过励磁起动：

当测量值U/F大于定时限整定值时，起动元件动作。

反时限过励磁起动：

当过励磁反时限累计值大于反时限整定值时，起动元件动作。

（13）发电机逆功率保护起动

当发电机反向功率大于逆功率整定值时，起动元件动作。

（14）发电机频率保护起动

低频保护起动：

当发电机低频运行时间大于整定值时，起动元件动作。

频率保护起动：

当发电机频率高于定值运行时间大于整定值时，起动元件动作。

（15）发电机误上电保护起动

误合闸保护起动：

当发电机三相电流最大值大于误合闸保护整定值时，起动元件动作。

断路器闪络保护起动：

当发电机负序电流大于闪络保护定值时，起动元件动作。

（16）非电量保护起动

当非电量保护延时时间大于整定值时，起动元件动作。

四、保护录波功能和事件报文

（1）保护故障录波和故障事件报告

保护CPU起动后将记录下起动前2个周期、起动后6个周期的电流电压波形，跳闸前2个周期、跳闸后6个周期的电流电压波形。

保护装置可循环记录32组故障事件报告、8组录波的波形数据。

故障事件报告包括动作元件、动作相别和动作时间。

录波内容包括差流、差动各侧调整后电流、各侧三相电流和零序电流、各侧三相电压和零序电压以及负序电压、零差电流和跳闸脉冲等。

保护MON起动后将记录下长达4S（每周波24点）或8S（每周波12点）的连续录波，记录装置174路模拟量（采样量、差流量等）、装置所有开入量、开出量、启动标志、信号标志、动作标志、跳闸标志。

特别方便事故分析。

（2）异常报警和装置自检报告

保护CPU还记录异常报警和装置自检报告，可循环记录32组异常事件报告。

异常事件报告包括各种装置自检出错报警、装置长期起动和不对应起动报警、差动电流异常报警、零差电流异常报警、各侧TA异常报警、各侧TV异常报警、各侧TA断线报警、各侧过负荷报警、零序电压报警、起动风冷和过励磁报警等。

（3）开关量变位报告

保护CPU也记录开关量变位报文，可循环记录32组开关量变位报告。

开关量变位报告包括各种压板变位和管理板各起动元件变位等。

（4）正常波形

保护CPU可记录包括三相差流、差动各侧调整后电流、各侧三相电流和零序电流、各侧三相电压和零序电压等在内8个周波的正常波形。

第四节　保护原理

一、发电机变压器组差动保护、变压器差动保护、高厂变差动保护、励磁变差动保护

1．比率差动原理

比率差动动作特性如图8-3所示。

图8-3比率差动保护的动作特性

比率差动保护的动作方程如下

（8-3）

式中Id——差动电流；

Ires——制动电流；

Idst——差动电流起动定值；

In——额定电流。

电流各侧定义：

对于发电机变压器差动、主变差动，不同程序版本配置不同侧的差动保护，详见工程原理图；

对于高厂变差动，其中I1、I2、I3分别为高厂变高压侧、低压侧A、B分支电流，I4未定义；

对于励磁变差动，其中I1、I2分别为励磁变高压侧、低压侧电流，I3、I4未定义；

比率制动系数定义：

Kbl为比率差动制动系数，Kb1r为比率差动制动系数增量；

Kb11为起始比率差动斜率，定值范围为0.05～0.15，一般取0.10；

Kb12为最大比率差动斜率，定值范围为0.50～0.80，一般取0.70；

n为最大斜率时的制动电流倍数，固定取6。

2．励磁涌流闭锁原理

涌流判别通过控制字可以选择二次谐波制动原理或波形判别原理。

（1）谐波制动原理

装置采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据，动作方程如下

I2>K2b*I1（8-4）

式中I2——每相差动电流中的二次谐波；

I1——对应相的差流基波；

K2b——二次谐波制动系数整定值。

推荐K2b整定为0.15。

（2）波形判别原理

装置利用三相差动电流中的波形判别作为励磁涌流识别判据。

内部故障时，各侧电流经互感器变换后，差流基本上是工频正弦波。

而励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，波形是间断不对称的。

内部故障时，有如下表达式成立：

S>Kb*S+

S>St（8-5）

式中S——差动电流的全周积分值；

S+——（差动电流的瞬时值+差动电流半周前的瞬时值）的全周积分值；

Kb——某一固定常数；

St——门槛定值。

St的表达式如下

St=α*Id+0.1In（8-6）

式中Id是差电流的全周积分值，α是某一比例常数。

而励磁涌流时，以上波形判别关系式肯定不成立，比率差动保护元件不会误动作。

3．TA饱和时的闭锁原理

为防止在区外故障时TA的暂态与稳态饱和时可能引起的稳态比率差动保护误动作，装置采用各相差电流的综合谐波作为TA饱和的判据，其表达式如下：

In>Knb*I1（8-7）

式中In——某相差电流中的综合谐波；

I1——对应相差电流的基波；

Knb——某一比例常数。

故障发生时，保护装置利用差电流工频变化量和制动电流工频变化量是否同步出现，先判断出是区内故障还是区外故障，如区外故障，投入TA饱和闭锁判据，可靠防止TA饱和引起的比率差动保护误动。

4．高值比率差动原理

为避免区内严重故障时TA饱和等因素引起的比率差动延时动作，装置设有一高比例和高起动值的比率差动保护，只经过差电流二次谐波或波形判别涌流闭锁判据闭锁，利用其比率制动特性抗区外故障时TA的暂态和稳态饱和，而在区内故障TA饱和时也能可靠正确快速动作。

稳态高值比率差动的动作方程如下：

（8-8）

动作特性如图8-4所示。

图8-4稳态高值比率差动保护的动作特性

程序中依次按每相判别，当满足以上条件时，比率差动动作。

注：

高值比率差动的各相关参数由装置内部设定（勿需用户整定）。

5．差动速断保护

当任一相差动电流大于差动速断整定值时瞬时动作于出口继电器。

6．差流异常报警与TA断线闭锁

装置设有带比率制动的差流报警功能，开放式瞬时TA断线、短路闭锁功能。

通过“TA断线闭锁差动控制字”整定选择，瞬时TA断线和短路判别动作后可只发报警信号或闭锁全部差动保护。

当“TA断线闭锁比率差动控制字”整定为“1”时，闭锁比率差动保护。

7．差动保护在过激磁状态下的闭锁判据

由于在变压器过激磁时，变压器励磁电流将激增，可能引起发-变组差动、变压器差动保护误动作。

因此在装置中采取差电流的五次谐波与基波的比值作为过激磁闭锁判据来闭锁差动保护。

其判据如下：

I5>K5b*I1（8-9）

式中I1、I5——分别为每相差动电流中的基波和五次谐波；

K5b——五次谐波制动系数，装置中固定取0.25。

注：

高值比率差动不经过励磁五次谐波闭锁。

8．比率差动的逻辑框图，如图8-5所示。

图8-5比率差动保护的逻辑框图

二、发电机差动保护、发电机裂相横差保护、励磁机差动保护

1．比率差动原理

比率差动动作