第三章发变组保护配置
第一节发电机主保护配置
1.1发电机变压器电流互感器的选择：
G1G2发电机一次侧额定电流：
IN=Sn/Un=25000/10.5=2380.9（A）；
电流互感器计算变比：
NL=2380.9×1.1/5=2618/5；
选用标准变比：
2500/5=300；
G3发电机一次侧额定电流：
IN=Sn/Un=50000/10.5=4761.9（A）
电流互感器计算变比为：
NL=4761.9/5；
选用标准变比：
5000/5；
电流互感器的型号选择为：
LMZJ1-0.5
继电器选用BHC-2型差动型继电器
1.2发电机纵差保护（主保护）
发电机相间短路的纵联差动保护（简称发电机纵差保护）是用于发电机定子绕组及其引出线相间短路故障的主保护，其基本原理与变压器纵差保护的原理相似，按照比较发电机机端侧与中性点侧电流大小和相位的原理构成。
而由于发电机结构的特殊性，发电机纵差保护根据获取电流方式不同，其接线方式有完全纵差保护和不完全纵差保护两种。
（一）发电机完全纵差保护（比率制动式）
比率制动式差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护。
（1）保护原理
差动动作方程如下：
时
式中：
Id为差动电流，Id.min为启动电流，Ires为制动电流，Ires.min为拐点电流，K为比率制动特性的斜率。
各侧电流的方向都以指向发电机为正方向，见图4-1-1-1。
差动电流：
制动电流：
式中：
，
分别为机端、中性点电流互感器（TA）二次侧的电流，TA的极性见下图所示：
电流极性接线示意图
（根据工程需要，也可将TA极性端均定义为靠近发电机侧）
（2）TA断线判别
当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动TA断线判别程序，满足下列条件认为TA断线:
a.本侧三相电流中至少一相电流为零
b.本侧三相电流中至少一相电流不变；
c.最大相电流小于1.2倍的额定电流。
（二）发电机纵差保护整定与灵敏度
（1）起动电流的整定
Id.min=Krel（Ierl+Ier2）
通常取0.3Ign
（2）拐点电流的整定。
Ires.min=（0.5~1.0）Ign
（3）比率制动特性的制动系数Kres和制动斜率K的整定
Kres=Iunb.max/Ik.max
而制动斜率可表示为
K=Iunb.max-Id.min/Ik.max-Ires.min
Kres一般取0.26~0.45
1.3发电机定子匝间短路保护原理
发电机定子匝间短路保护原理，主要有发电机纵向零序过电压及故障分量负序方向型匝间保护，不仅作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组开焊的保护；故障分量负序方向（ΔP2）保护应装在发电机端，不仅可作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组开焊的保护；高灵敏零序电流型横差保护，作为发电机内部匝间、相间短路及定子绕组开焊的主保护。
发电机横差保护，是发电机定子绕组匝间短路（同分支匝间短路及同相不同分支之间的匝间短路）、线棒开焊的主保护，也能保护定子绕组相间短路。
单元件横差保护，适用于每相定子绕组为多分支，且有两个或两个以上中性点引出的发电机。
（1）构成原理
发电机单元件横差保护的输入电流，为发电机两个中性点连线上的TA二次电流。
以定子绕组每相两分支的发电机为例，其交流输入回路示意图如下所示：
理想发电机正常时中性点连线上不会有电流产生，实际上发电机不同中性点之间从在不平衡电流，原因如下:
（1）定子同向而不同分支的绕组参数不完全相同，致使两端的电动势及支路电流有差异。
（2）发电机定子气息磁场不完全均匀，在不同定子绕组中产生的感应电动势不同。
（3）转自偏心，在不同的定子绕组中产生不同电动势。
（4）存在三次谐波。
因此单原件纵差保护动作电流必须克服这些不平衡，整定式为：
额定工况下，同相不同分支绕组由于绕组之间参数的差异产生的不平衡电流，由于是三相之和，一般可取
磁场气隙不平衡产生的不平衡电流，一般可取
转自偏心产生的不平衡电流，一般取
可靠系数，取1.2—1.5
把各系数代入得
第二节变压器主保护配置
2.1不完全纵差保护
不完全纵差保护是变压器（或发电机）内部故障的主保护，既能反映发电机（或发变组）内部各种相间短路，也能反映匝间短路和分支绕组的开焊故障。
不完全纵差保护可作为变压器纵差保护，当用于发变组不完全纵差保护时，应增设防涌流误动的二次谐波闭锁判据。
（1）保护原理
差动动作方程如下：
（
时）
（
时）
式中：
Iop为差动电流，Iop.0为差动最小动作电流整定值，Ires为制动电流，Ires.0为最小制动电流整定值，S为比率制动特性的斜率。
各侧电流的方向都以指向发电机为正方向。
差动电流：
制动电流：
式中：
IT，IN分别为机端，中性点电流，Kfz为分支平衡系数。
（2）TA断线判别
当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动TA断线判别程序，满足下列条件认为TA断线:
a.本侧三相电流中至少一相电流为零
b.本侧三相电流中至少一相电流不变；
c.最大相电流小于1.2倍的额定电流。
（3）发电机全纵差保护原理接线图如下所示
（a）中性点侧引出6个端子（b）中性点侧引出4个端子
2.2变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同
变压器纵差保护与发电机纵差保护一样，也可采用比率制动方式或标积制动方式达到外部短路不误动和内部短路灵敏动作的目的。
但是变压器纵差保护的最大制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。
1）变压器各侧额定电压和额定电流各不相等，因此各侧电流互感器的型号一定不同，而且各侧三相连接方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致，这将使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器纵差保护的最大侧制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。
2）变压器高压绕组常有调压分接头，有的还要求带负荷调节使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都要相应加大。
3）对于定子绕组的匝间短路。
发电机纵差保护完全没有作用。
变压器各侧绕组的匝间短路，通过变压器铁芯磁路的耦合，改变了各侧电流大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路有作用（匝间短路可视为变压器的一个新绕组）。
4）无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，它们的完全纵差保护均不能动作，但变压器可依靠瓦斯保护或压力保护。
5）变压器纵差保护范围除包括各侧绕组外，还包含变压器的铁芯，即变压器纵差保护不仅有电路还有磁路，这就违反了纵差保护的理论基础——基尔霍夫电流定律。
2.3变压器纵差保护整定与灵敏度
1.1纵差保护动作电流的整定原则
（1）躲过外部短路时的最大不平衡电流，整定式为：
Iset=KrelIunb.max
（2）躲过变压器最大励磁涌流，整定式为：
Iset=KrelKuIn
（3）躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流
Iset=Krel*I1.max
1.2纵差保护动作灵敏度校验
纵差保护灵敏系数校验式为：
Ksen=Ik.min.r/Iset
第四章发变组单元后备保护
第一节阻抗保护
对于升压变压器或系统联络变压器，当采用复合电压起动的过电流保护和负序电流及单项式低电压起动的过电流保护时不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。
变压器阻抗保护通常作为330KV及以上大型变压器相间短路的后备保护，由起动元件、相间阻抗测量元件、时间元件、TV断线检测元件等组成。
当阻抗保护的起动元件和阻抗元件均动作、阻抗保护的压板投入、TV断线检测元件不动作，且经过预定的延时后，保护动作与跳闸。
1.1起动元件
起动元件由由相电流差突变量起动元件和负序电流起动元件两部分组成，相电流差突变量起动反应对称短路故障，负序电流起动元件反应不对称短路故障。
起动元件动作判据为：
△i_φ≥I_set或I_2>I_（set,2）
式中：
△i_φ为相电流突变量；I_2为负序电流；I_set、I_（set,2）分别为相电流突变量起动元件和负序电流起动元件的动作整定值，通常均取电流互感器二次额定电流的0.2倍。
1.2阻抗元件
阻抗元件时变压器阻抗保护的测量元件，用于测量相间短路阻抗值，构成变压器相间短路的后备保护。
阻抗元件采用0^0接线方式，其动作特性可根据需要整定为全阻抗圆特性或偏移阻抗圆特性，动作的正方向可以指向变压器，也可以指向母线，由保护的控制字控制。
1.3TV断线检测元件
TV断线检测元件的作用是防止TV断线时，变压器阻抗保护误动作。
当该元件检测到TV二次回路断线时，将阻抗保护闭锁，并发出告警信息。
图4-1保护逻辑图
第二节转子一点接地保护
发电机正常运行时，转子回路对地之间有一定的绝缘电容和分布电阻。
当转子回路发生一点接地故障时，由于没有形成电流回路，对发电机运行没有直接影响；一旦发电机发生转子两点接地后，励磁绕组将形成短路，使转子磁场畸变，引起机体强烈震动，严重损坏发电机。
因此，有关规程要求发电机必须装有转子回路一点接地保护，动作于信号；装设转子回路两点接地保护，动作于跳闸。
2.1保护原理：
切换采样式转子一点接地保护采用开关切换采样原理，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置。
当设S1闭合，S2断开时，在
上测得电压
；当S2闭合，S1断开时，在
上测得电压
。
，则：
正常运行时：
4个电阻R对称，
，
，
；转子一点接地时，
当接地电阻小于
或等于接地电阻整定值
时，经延时发信号。
2.2保护的整定计算：
保护的接地电阻整定值取决于正常运行时转子回路的绝缘水平。
当接地电阻的高整定值整定为10K
时，延时（4～10s）东方工作于发信号；当接地电阻低整定值整定为10K
时，延时（1～4s）动作与跳闸。
3.保护逻辑框图：
第三节转子两点接地保护
当发电机发生励磁绕组两点接地时，故障电流过的短路电流数值很大，会烧坏转子；当部分转子被短接，励磁绕组电流增加，转子有可能因过热而损坏；部分绕组被短接时气隙磁通失去平衡，会引起机组剧烈振动，可能因此造成灾难性破坏；转子两点接地短路时还会使轴系和汽机磁化。
因此对于发电机很有必要装设转子两点接地保护。
3.1原理分析
转子两点接地保护共享转子一点接地时测得接地位置
的数据。
所以，在一点接地故障后，保护装置继续测量接地电阻的位置，若再发生转子一点接地故障，则以测得的
值将变化。
当其变化值
超过整定值时，保护装置就认为已发生转子两点接地故障，发电机应立即停机。
3.2定值整定
式中
——转子连点接地时位置变化的整定值
接地位置变化动作值一般可以整定为（5%～10%）
（
为发电机励磁电压）；动作时限避开瞬时出现的两点接地故障整定，一般为0.5～1.0s。
第五章发变组单元异常运行保护配置
第一节反时限定子绕组过负荷保护
对于非直吹冷却方式的中小型发电机定子绕组的过负荷保护，采用单相式定时限电流保护，经延时动作与信号。
保护的电流按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定，即：
式中
——发电机额定电流
——可靠系数，取1.5
——返回系数，取0.85
保护的动作时限应与发电机在
过负荷条件下允许的时间相配合，并大于相间短路后备保护最大延时
。
对于直接冷却的大中型发电机，定子绕组的过负荷保护，由定时限电流保护和反时限电流保护两部分组成。
定时限部分，经延时动作与信号，有条件时可动作于自动减负荷；反时限部分按反时限特性动作与跳闸。
第二节转子绕组的过负荷保护
转子绕组过负荷保护的配置与整定原则和定子绕组过负荷保护相似。
对于30MW及以上的发电机，转子绕组过负荷保护由定时限电流保护和反时限电流保护两部分组成，定时限部分经延时动作与信号，反时限部分动作于解列灭磁。
定时限过负荷保护的动作电流，按发电机正常运行最大励磁电流下能可靠返回的条件整定计算公式与定子绕组过负荷保护计算公式相同。
反时限过负荷保护按：
进行整定。
第三节转子表层的过负荷保护
当发电机三相负荷不对称或系统发生不对称短路时，定子绕组中的负序电流产生旋转磁场，该磁场旋转的方向与转子运动方向相反，以两倍同步速度切割转子，转子中感应出100HZ交变电流，该电流使转子本体、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，在定子转子之间产生的100HZ交变电磁力矩的作用下，机组会发生振动。
为防止以上事故的发生，发电机应装设转子表层负序过负荷保护，即反时限负序电流保护。
同时，该保护还可以兼作系统不对称故障的后备保护。
对于中小型的发电机转子表层的负序过负荷保护，通常采用两段式定时限负序电流保护。
Ⅰ段动作电流按与相邻元件后备保护配合的条件整定，一般取
，经3～5s延时后动作于跳闸。
Ⅱ段动作电流按躲过发电机长期允许的负序电流，一般取
，经5～10s延时后动作于信号。
大型发电机组转子表层负序过负荷保护，一般由定时限负序电流保护反时限负序电流保护两部分组成。
定时限负序电流保护动作与信号，反时限负序电流保护动作于跳闸。
定时限负序电流保护的动作电流，按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定。
反时限负序电流保护的动作电流应与发电机承受负序电流的能力相配合。
第四节励磁绕组过负荷保护
励磁绕组过负荷保护与定子绕组过负荷保护类似，也由定时限电流保护和反时限电流保护两部分组成。
定时限部分的动作电流按在正常励磁电流下能够可靠返回的条件整定。
反时限部分的动作特性按：
进行整定，动作于解列灭磁。
发电机的励磁系统，有的用交流励磁电源经可控或不可控整流装置组成。
对于这种励磁系统，发电机励磁绕组过负荷保护可以配置在直流侧，也可以配置在交流侧。
当由备用励磁机时，保护装置配置在直流侧可以在使用备用励磁机时励磁绕组不失去保护，但此时需要装设比较昂贵的直流变换设备。
为了使励磁绕组过负荷保护能兼作励磁机、整流装置及其引出线的短路保护，长装设在中性点侧，当中性点没有引出端子时，则配置在励磁机的机端。
此时，保护装置的动作电流要计及整流系数换算到交流侧。
第五节失磁保护
发电机失磁通常是指发电机励磁异常下降或励磁完全消失的故障。
励磁异常下降指发电机励磁电流的降低超过了静态稳定极限所允许的程度，使发电机稳定运行遭到破坏。
造成励磁异常下降的原因通常是由于主励磁机故障；误操作的过量调整等。
完全励磁消失就是发电机失去励磁电源，通常由于自动灭磁开关误跳闸、励磁调节器整流装置中自动开关误跳闸、励磁绕组断线或端口短路等原因引起。
对于不允许失磁后继续运行的发电机，失磁保护应动作于跳闸。
当发电机允许失磁运行时保护可动作于信号，并要求失磁保护与切换励磁、自动减负荷等自动控制相结合，以取得发电机失磁后的最好处理效果。
发电机失磁对发电机本身的影响主要有:
1、由于发动机失磁后出现转差,在发电机转子回路中出现差频电流,差频电流在转子回路中产生损耗,如果超出允许值,将使转子过热。
特别是直接冷却的高力率大型机组,其热容量裕度相对降低,转子更容易过热。
而转子表层的差频电流,还可能使转子本体槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热甚至灼伤；2、失磁发电机进入异步运行之后,发电机的等效电抗降低,从电力系统中吸收无功功率,失磁前带的有功功率越大,转差就越大,等效电抗就越小,所吸收的无功功率就越大。
在重负荷下失磁后,由于过电流,将使发电机定子过热；3、对于直接冷却高力率的大型汽轮发电机,其平均异步转矩的最大值较小,惯性常数也相对降低,转子在纵轴和横轴方面,也呈较明显的不对称。
由于这些原因,在重负荷下失磁后,这种发电机转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动，将有很大甚至超过额定值的电机转矩周期性地作用到发电机的轴系上,并通过定子传递到机座上。
此时,转差也作周期性变化,其最大值可能达到4%～5%,发电机周期性地严重超速。
这些情况,都直接威胁着机组的安全；4、失磁运行时,定子端部漏磁增强,将使端部的部件和边段铁芯过热。
5.1保护原理
对于大型发电机通常装设专门的失磁保护，动作于信号、减负荷或停机。
大型机组突然跳闸会给机组本身造成大的冲击，对系统也会加重扰动，因此一般汽轮发电机的诗词保护仅动作于减负荷，转入低负荷异步运行。
若不能在允许的异步时间内消除失磁因素，保护在动作于跳闸。
若大型机组失磁而危及电力系统安全时，保护应尽快断开失磁的发电机。
以静稳态边界为动作判据，采用变励磁电压
（P）原理，即
得动作电压随P变化，对于隐极机，动作判据为
式中，
―整定系数，单位“伏/瓦”，
即为
平面上动作特性直线的斜率；
―发电机有功功率，单位“瓦”；
―发电机额定功率，单位“瓦”；
―发电机励磁电压，单位“伏”；
5.2保护的逻辑框图
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