發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)2

發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)（一）比率制動式縱差保護(hù)1、大型發(fā)電機(jī)的相間短路不選用帶速飽和變流器的縱差保護(hù)（如BCH-2型差動繼電器）的原因：速飽和變流器雖有削弱外部短路暫態(tài)不平衡電流作用，但它同時惡化了內(nèi)部短路故障暫態(tài)（非周期分量和周期分量）電流的傳變，使保護(hù)動作延緩，靈敏度降低。由于不采用比率制動特性，保護(hù)動作電流必須按最大外部短路時周期性短路電流所引起的最大不平衡電流來整定，即動作電流為一固定值。其值為（1-1-1）1式中：—可靠系數(shù)，；—兩側(cè)電流互感器同型系數(shù)，當(dāng)兩側(cè)電流互感器為相同型式時，，否則；—電流互感器幅值的誤差系數(shù)，，、為互感器一、二次側(cè)電流，為互感器變比；—機(jī)端三相短路（保護(hù)區(qū)外）最大周期性電流。取，，，，則一次動作電流（標(biāo)幺值）為，即該保護(hù)的一次動作電流達(dá)發(fā)電機(jī)額定電流的37.5%。從表面上看，它對機(jī)端兩相短路仍有足夠的靈敏度（靈敏系數(shù)滿足），但這并不說明它對發(fā)電機(jī)內(nèi)部實(shí)際發(fā)生的相間短路具有可靠的保護(hù)作用，且其速動性差。2如圖，一次電流用大寫字母表示，二次電流用小寫字母表示?？v差保護(hù)繼電器的差動線圈匝數(shù)為，制動線圈匝數(shù)為、，互感器一、二次繞組極性和一、二次電流正方向定義如圖所示。若，則差動繼電器差動安匝為，制動安匝為為了方便，直接用電流表示：差動電流：（1-1-2）~**圖1發(fā)電機(jī)比率制動式縱差保護(hù)的原理接線圖2、比率制動式縱差保護(hù)的基本原理3

制動電流：（1-1-3）當(dāng)發(fā)電機(jī)本身無故障，機(jī)外（縱差保護(hù)區(qū)外）發(fā)生短路時，，，制動作用很大，動作作用理論上為零，保護(hù)可靠制動。外部短路電流越大，制動電流越大，而差動電流僅為不平衡電流，

（1-1-4）式中—考慮外部短路暫態(tài)非周期分量電流對互感器飽和的影響，稱非周期系數(shù)。一般取既然繼電器制動電流隨外部短路電路線形增大，縱差保護(hù)的動作電流也隨外部電流相應(yīng)增大。隨增大而增大的性能，稱為比率制動特性（圖2折線BC）。

4當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，各相電流不大于互感器一次額定電流。這時縱差保護(hù)的不平衡電流不應(yīng)由上式計(jì)算。按照國際標(biāo)準(zhǔn)，繼電保護(hù)用電流互感器在額定電流下，5P級和10P級比誤差分別是和，很小，完全不需要比率制動特性，只用最小動作電流即可避越負(fù)荷狀態(tài)下的最大不平衡電流（圖2線段AB）。比率制動特性圖2發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)的比率制動特性5最小動作電流（A點(diǎn)）在最大負(fù)荷工況下縱差保護(hù)不平衡電流

不應(yīng)小于當(dāng)發(fā)電機(jī)最大負(fù)荷電流不大于TA一次額定電流時，10P級互感器比誤差

5P級和TP級互感器比誤差

，因此在最大負(fù)荷工況下不平衡電流不可能大于，所以有極為安全可靠的值

（1-1-5）外部遠(yuǎn)處短路，短路電流不大，設(shè)，這時有不平衡電流也應(yīng)小于。的值為：

（1-1-6）3、比率制動式縱差保護(hù)的整定計(jì)算6以上計(jì)算是非常安全保守的，可取為如遇特殊情況（如兩側(cè)TA特性嚴(yán)重不同），則根據(jù)在負(fù)荷工況下實(shí)測不平衡電流，取。最小制動電流（B點(diǎn)）當(dāng)外部短路電流時，保護(hù)呈現(xiàn)制動作用以防止誤動。只有在時，才不需要制動作用。因此：（1-1-7）最大動作電流（C點(diǎn)）當(dāng)發(fā)生外部最大短路電流時，縱差保護(hù)將有最大不平衡電流，應(yīng)保證不誤動作。值為：

（1-1-8）與此同時有最大制動電流為：。7最大制動系數(shù)為：。一般可取。至此，比率制動式縱差保護(hù)動作特性被完全確定。鑒于折線BC不通過原點(diǎn)，因此BC線上各點(diǎn)的制動系數(shù)是變化的，使用不方便。直線BC的斜率m是常數(shù)，而且或（1-1-9）因此圖2中制動特性的斜率m可以根據(jù)、和、方便地確定。靈敏系數(shù)校驗(yàn)在被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生金屬性短路時，保護(hù)裝置應(yīng)具有必要的靈敏系數(shù)。靈敏系數(shù)應(yīng)根據(jù)不利的正常（含正常檢修）運(yùn)行方式和不利的故障類型計(jì)算。8對于發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)，應(yīng)按發(fā)電機(jī)與系統(tǒng)斷開、空載額定電壓、機(jī)端兩相金屬性短路的，靈敏系數(shù)為：。式中，為時，由圖2查得對應(yīng)的值。要求，如上整定的比率制動式縱差保護(hù)，一般均能滿足要求。無論模擬式（電磁型、晶體管型或集成電路型）和數(shù)字式保護(hù)，均應(yīng)滿足的技術(shù)要求，主要目的是考慮故障點(diǎn)過度電阻、原始參數(shù)不準(zhǔn)等對計(jì)算的影響。即使能使，也不能說發(fā)電機(jī)定子繞組少量匝數(shù)經(jīng)過渡電阻發(fā)生相間短路時縱差保護(hù)一定能動作，這同時也告訴我們，無根據(jù)地增大是有害的。9外部短路時縱差保護(hù)因互感器引起的不平衡電流與外部短路電流的關(guān)系是圖2中的曲線OED，而不是虛直線OD。比率制動特性ABC雖然與直線OD相交，但它完全位于曲線OED之上，因此不會因外部短路而誤動。最大制動系數(shù)只在最大外部短路電流下是必需的。當(dāng)時，可以小于。若不平衡電流完全由互感器產(chǎn)生，則比率制動特性只要滿足在最大外部電流下的和最大負(fù)荷狀態(tài)下的，縱差保護(hù)就一定不會誤動。4、兩個基本概念10電流互感器的極性問題；電流互感器的二次負(fù)載問題；二次電流端子連接要牢固；比率制動特性的調(diào)試；發(fā)電機(jī)比率制動式縱差保護(hù)的中性點(diǎn)側(cè)電流不接入制動繞組的改進(jìn)措施。注意：比率制動式發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)不反應(yīng)匝間短路和定子分支開焊。5、比率制動式發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)安裝調(diào)試注意問題111、標(biāo)積制動式縱差保護(hù)基本原理（、為全相電流）比率制動式縱差保護(hù)以兩端電流向量差為動作量，兩端電流向量和為制動量，動作判據(jù)為。兩側(cè)平方經(jīng)整理得

（1-2-1）或?qū)懗桑?-2-2）

式中：—標(biāo)積制動系數(shù)，。—電流和之間的相位差。式中等號左側(cè)為縱差保護(hù)動作量，右側(cè)中兩電流幅值與夾角余弦的乘積通常稱為“標(biāo)積”。它是縱差保護(hù)制動量。當(dāng)發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)區(qū)外短路時，，所以制動量為很大，保護(hù)可靠制動；當(dāng)保護(hù)區(qū)內(nèi)部短路時，若設(shè)反向，，則標(biāo)積為：（二）標(biāo)積制動式縱差保護(hù)12，即制動量為負(fù)，呈現(xiàn)動作作用。加上為很大的動作量，保護(hù)靈敏動作。這就是標(biāo)積制動式縱差保護(hù)的基本原理。2、標(biāo)積制動系數(shù)的選取從標(biāo)積制動式縱差保護(hù)的基本原理出發(fā)，如果把內(nèi)部短路理解為，把外部短路故障理解為則其系數(shù)越大，外部短路時制動作用越強(qiáng)，保護(hù)越不會誤動，內(nèi)部短路是保護(hù)靈敏系數(shù)越高。問題在于內(nèi)部短路時是否真的是。對于外部短路時兩側(cè)一次電流相同，經(jīng)互感器傳變后，兩側(cè)二次電流之間就會有一定的相位差，但只要，仍有保持制動作用。選取越大，越有利于加強(qiáng)制動作用。至于發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路（標(biāo)積制動式縱差保護(hù)也不反映匝間短路和分支開焊），曾對SF3025—80/17000大型水輪發(fā)電機(jī)作過AB相間短路計(jì)算。結(jié)13果是非故障相C兩側(cè)電流相位差，故障相兩側(cè)電流相位差和，和，故障相，選取較大值，有利于提高靈敏度。對三峽水電廠兩臺發(fā)電機(jī)組定子繞組的相間短路計(jì)算也得到了類似結(jié)果?；谏鲜稣J(rèn)識，推薦選用標(biāo)積制動系數(shù)

1.5（通?？扇?.0）。它已足夠保證外部短路不誤動。若再增大值，由于內(nèi)部短路時的角數(shù)據(jù)目前只有個別實(shí)例，倘若出現(xiàn)（即）的情況則將嚴(yán)重影響內(nèi)部短路保護(hù)的靈敏度。所以不應(yīng)取得太大。141、傳統(tǒng)完全縱差保護(hù)不反映匝間短路和分支開焊故障的原因利用發(fā)電機(jī)每相首末兩端定子全相電流和構(gòu)成的傳統(tǒng)（完全）縱差保護(hù)能靈敏地反映發(fā)電機(jī)定子繞組的相間短路，但當(dāng)發(fā)生匝間短路或分支開焊故障時，兩端的電流，不管機(jī)內(nèi)故障電流多大，傳統(tǒng)縱差保護(hù)將毫無反應(yīng)，而不完全縱差保護(hù)則可以反映這些故障。（三）不完全縱差保護(hù)15通常大型汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組為每相兩并聯(lián)分支（中型水輪發(fā)電機(jī)也有這種情況）。如圖所示，中性點(diǎn)側(cè)引出6個或4個端子，互感器TA1和TA2構(gòu)成不完全縱差保護(hù)。因?yàn)門A2只引入部分相電流。當(dāng)然TA1和TA2的變比是不同的（對于微機(jī)保護(hù)TA1和

TA2的變比可以選取相同的，然后采用軟件調(diào)整兩側(cè)二次電流的平衡），使正常運(yùn)行或外部短路時差動回路不平衡電流很小。發(fā)差發(fā)-變縱差橫差機(jī)殼外TA1TA2發(fā)差發(fā)-變縱差橫差機(jī)殼外TA1TA2圖3汽輪發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)原理接線圖上圖中性點(diǎn)側(cè)引出6個端子下圖中性點(diǎn)側(cè)引出4個端子2、汽輪發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)16不完全縱差保護(hù)之所以能反映發(fā)電機(jī)內(nèi)部各種短路和分支開焊故障，最重要的概念是由于三相定子繞組分布在同一定子鐵心芯上，不同相間和不同匝間存在緊密的互感聯(lián)系。當(dāng)未裝設(shè)互感器的定子分支繞組發(fā)生故障時，通過互感磁通可以在裝設(shè)互感器的非故障定子分支繞組中感受到故障的發(fā)生，使不完全縱差保護(hù)動作。理論分析和實(shí)驗(yàn)研究均證明該保護(hù)原理的正確性。這種不完全縱差保護(hù)的整定計(jì)算與傳統(tǒng)縱差保護(hù)幾乎一樣。僅僅是電流互感器的同型系數(shù)不再是0.5而改取1.0（因變比不同而不再同型），比率制動特性可選?。ˋ點(diǎn)）；（B點(diǎn)）；（C點(diǎn)），一般可取為0.2~0.3。17水輪發(fā)電機(jī)由于水頭不同，轉(zhuǎn)速各異，極數(shù)也各不相同，加上單機(jī)容量的影響，定子繞組每相并聯(lián)分支數(shù)a有2、3、4、5、6、8、10等。在構(gòu)成不完全縱差保護(hù)時，和汽輪發(fā)電機(jī)相同，將三相定子繞組一分為二，但并不要求兩部分的每相分支數(shù)相等（如a=5就不能二等分）。為了使不完全縱差保護(hù)能充分對相間、匝間短路和分支開焊起保護(hù)作用，設(shè)接入不完全縱差保護(hù)的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)每相分支數(shù)為b，則由物理概念和經(jīng)驗(yàn)可選?。豪纾篴=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、水輪發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)18a=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分支選取b值時，考慮兩條原則：最大可能地反映每相所有分支的故障，因此要求b大一些。若ba，則反映匝間短路的能力減小，b=a時只能反映相間短路。選定b值后，具體確定每相的哪些分支接入不完全縱差保護(hù)，除了考慮不完全縱差保護(hù)盡可能覆蓋所有分支外，有時還要考慮的水輪發(fā)電機(jī)需要組成

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3個中性點(diǎn)，以便裝設(shè)兩套單元件橫差保護(hù)。例如a=8的發(fā)電機(jī)，每相的第1、4、7分支，第2、5、8分支，第3、6分支分別組成3個中性點(diǎn)，這樣第1、4、7、3、6分支或第2、5、8、3、6分支可引入發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)。最終決定不完全縱差保護(hù)的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)每相哪些分支接入時還應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)制造的方便。

a=8的水輪發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)用互感器（TA1，TA2）如圖4所示。TA3是用于變壓器縱差保護(hù)的；TA5是用于發(fā)-變組不完全縱差保護(hù)；TA01和TA02是用于兩套單元件橫差保護(hù)的?；ジ衅鱐A1和TA5放置在發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)，它們在運(yùn)行中常年于機(jī)組一同振動，在安裝和連接端子引線時必須認(rèn)真注意防止互感器二次側(cè)引線斷線和端子開路問題。20不管是汽輪發(fā)電機(jī)或水輪發(fā)電機(jī)，要計(jì)算和校核發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路、匝間短路和分支開焊故障時不完全縱差保護(hù)的靈敏度，是非常復(fù)雜的問題，必須依靠計(jì)算機(jī)，采用多回路分析法求解。按繼電保護(hù)技術(shù)規(guī)程要求以機(jī)端金屬性兩相短路來校核縱差保護(hù)的靈敏度（）是不必要的，因?yàn)樗欢M足要求。TA01TA02TA1TA5TA3TA2030201發(fā)電機(jī)機(jī)殼內(nèi)發(fā)電機(jī)不完全縱差圖4a=8的水輪發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)的互感器（TA1，TA2）配置211、傳統(tǒng)的單元件零序電流型橫差保護(hù)如圖，以a=3為例，各相均分成兩部分，一個為2分支，另一個為1分支，在三相繞組中性點(diǎn)側(cè)接成兩個中性點(diǎn)o1和o2，在o1和o2連線中接入

TA0。當(dāng)定子繞組發(fā)生K2、K5相間短路或K1、K3同一分支匝間短路或K4同相不同分支間短路時，都將在o1o2連線中產(chǎn)生零序短路電流，單元件零序電流型橫差保護(hù)動作。TA1TA2TA0ABC發(fā)電機(jī)不完全縱差K1K2K3K4K5o1o2圖5單元件零序電流型橫差保護(hù)（四）橫（聯(lián)）差（動）保護(hù)22按照以往的傳統(tǒng)方法，互感器TA0的變比

A，為減小不平衡橫差電流，采用三次諧波濾過器（TA二次側(cè)并聯(lián)電容），習(xí)慣取三次諧波濾過比為15左右，零序電流型橫差保護(hù)動作電流

（1-4-1）

這種舊式的單元件零序電流型橫差保護(hù)，靈敏度低，由于三次諧波濾過比太小，外部短路時暫態(tài)不平衡電流（三次諧波為主）往往造成保護(hù)誤動作。23高靈敏單元件零序電流型橫差保護(hù)的原理接線仍如圖5所示。傳統(tǒng)的單元件零序電流型橫差保護(hù)，如前所述，靈敏度低而且還可能誤動。針對這些缺點(diǎn)，提出以下技術(shù)措施，在保證外部短路不誤動的前提下，提高內(nèi)部短路的靈敏度。提高三次諧波濾過比增強(qiáng)三次諧波阻波能力，提高三次諧波濾過比到80~100，使三次諧波不平衡電流基本不起作用。這在靜態(tài)保護(hù)特別是微機(jī)保護(hù)是不難實(shí)現(xiàn)的。大幅度減小互感器變比（A）當(dāng)一次動作電流確定后，對于同一內(nèi)部短路，減小N倍，零序電流電流型橫差保護(hù)靈敏度就提高N倍（若TA不發(fā)生嚴(yán)重飽和）。2、高靈敏單元件零序電流型橫差保護(hù)24的減小，同樣也增大了外部短路時零序電流型橫差保護(hù)的不平衡電流，但后者主要是三次諧波，為此必須加強(qiáng)三次諧波濾波。

A不能任意減小，應(yīng)遵循以下原則：在最大內(nèi)部短路電流作用下，所選擇的TA一次額定電流應(yīng)滿足電動力和熱穩(wěn)定的要求。對于采用單匝貫穿式母線型、澆注成型固體絕緣介質(zhì)的電流互感器，瞬時動作跳閘停機(jī)，電動力和熱穩(wěn)定是有保證的。在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，中性點(diǎn)連線不平衡電流（包括基波和各次諧波）應(yīng)小于。由于電機(jī)設(shè)計(jì)和制造工藝上的原因，不同的發(fā)電機(jī)在滿負(fù)荷運(yùn)行時，中性點(diǎn)連線電流大不相同，例如700MW的發(fā)電機(jī)有A，550MW的發(fā)電機(jī)有25

A，而170MW的發(fā)電機(jī)卻有A。由于在發(fā)電機(jī)投運(yùn)前并不知道，設(shè)計(jì)和施工安裝時只能配置2~3個A值，例如：630/5A、400/5A、200/5A，待發(fā)電機(jī)投運(yùn)后再確定的實(shí)用值。單元件零序電流型橫差保護(hù)用TA的變比太小，太小，在內(nèi)部短路時，TA會不會嚴(yán)重飽和而使保護(hù)嚴(yán)重失效？根據(jù)對發(fā)電機(jī)實(shí)際的內(nèi)部短路計(jì)算，若中性點(diǎn)連線電流為40倍（），即，若選擇，則最大短路電流為40；如果選用10P20的互感器，額定容量VA，額定二次負(fù)載阻抗為（0.8滯后）。設(shè)TA二次繞組內(nèi)阻為0.5，二次電纜和保護(hù)的電阻也是0.5，則10P20/50VA的互感器的實(shí)際10%誤差倍數(shù)為。26可見，減小零序電流型橫差保護(hù)和二次電纜的電阻，使10P20/50VA的互感器在也能滿足10%誤差的要求。過分地減小或是不恰當(dāng)?shù)摹Ｔ跐M足內(nèi)部短路保護(hù)靈敏度要求的前提下，宜適當(dāng)加大或。困難是要先計(jì)算，這事很費(fèi)事，但可以做到。準(zhǔn)確計(jì)算動作電流，既不任意夸大也不盲目減小要準(zhǔn)確整定高靈敏單元件零序電流型橫差保護(hù)的，應(yīng)首先了解該保護(hù)在各種工況下的不平衡電流。作為一臺理想的水輪發(fā)電機(jī)，在三相對稱負(fù)荷工況下，或外部不對稱短路時，中性點(diǎn)連線中的電流理論上是不存在的。由于各種制造和運(yùn)行實(shí)際因素的影響，中性點(diǎn)連線會有少量電流。這些實(shí)際因素有：27發(fā)電機(jī)定子槽齒和風(fēng)道的存在、定子和轉(zhuǎn)子磁極表面的不平整，使定子繞組產(chǎn)生齒諧波電動勢，定子電流還有高次諧波成分。水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁路在直軸和交軸方向上存在明顯不同，加之制造和安裝造成的氣隙不均，必然造成定子繞組感應(yīng)電動勢和定子電流波形偏離正弦波。運(yùn)行中因大軸擺動、機(jī)組振動、轉(zhuǎn)子徑向膨脹，均將加劇氣隙不均。運(yùn)行中因銅損和鐵損引起定子、轉(zhuǎn)子表面的熱變形?？梢?，不平衡電流產(chǎn)生的原因，有機(jī)械的，也有電磁的；有結(jié)構(gòu)方面的靜態(tài)因素，也有運(yùn)行方面的動態(tài)因素。精確計(jì)算不平衡電流的大小幾乎是不可能的，行之有效的方法是現(xiàn)場實(shí)測。28TA1TA2AK1K2K3K4K5BCTA1TA2KaKbKcKTA1TA2(a)(b)圖6三元件裂相橫差保護(hù)原理接線圖(a)三相接線；(b)繼電器接線3、三元件裂相橫差保護(hù)29圖6是三元件裂相橫差保護(hù)的原理接線圖。圖中以每相并聯(lián)5分支為例，為裝設(shè)裂相橫差保護(hù)，必須將每相并聯(lián)分支數(shù)a一分為二，今a=5，則分成3與2（當(dāng)a=6）時則分成3與3），兩部分各裝互感器TA1和TA2，它們的變比選擇以保證正常運(yùn)行時橫差保護(hù)（Ka、Kb、Kc）中不平衡電流最小為原則。圖6（a）中，當(dāng)定子繞組發(fā)生一分支的匝間短路（K1）、同相不同分支間的匝間短路（K2、K4）和不同相兩分支相間短路（K3）時，裂相橫差保護(hù)均能動作。對于大負(fù)荷時一分支繞組開焊時（K5），裂相橫差保護(hù)也有反應(yīng)。因此橫差保護(hù)是發(fā)電機(jī)定子繞組所有內(nèi)部故障的主保護(hù)。過去將其稱為“匝間短路保護(hù)”是不妥的。裂相橫差保護(hù)可以采用比率制動式（圖6（b））或標(biāo)積制動式，其動作判據(jù)也和縱差保護(hù)一樣。30當(dāng)采用比率制動式裂相橫差保護(hù)時，定值的整定計(jì)算如下：最小動作電流在正常運(yùn)行時，裂相橫差保護(hù)的不平衡電流由兩部分組成，即：在負(fù)荷狀態(tài)下，兩TA比誤差的最大值+0.03-(-0.03)=0.06；由于一相各分支繞組位于電機(jī)的不同空間位置，水輪發(fā)電機(jī)的氣隙不均，各分支對應(yīng)的磁場強(qiáng)度和感應(yīng)電動勢不等，產(chǎn)生額外的裂相橫差不平衡電流。宜在負(fù)荷工況下實(shí)測決定，初設(shè)時可?。?/p>

（1-4-2）31最小制動電流

（1-4-3）最大制動系數(shù)或最大動作電流

（1-4-4）

（1-4-5）式中諸系數(shù)同式（1-1-1）。32圖7所示為高靈敏雙元件零序電流型橫差保護(hù)，表面上它比圖5多了一套主保護(hù)，但雙元件式并不一定比單元件式靈敏度高。因?yàn)閱卧阈螂娏餍蜋M差保護(hù)反應(yīng)的是發(fā)電機(jī)全部分支電流，而雙元件零序電流型橫差保護(hù)中的每一套只反應(yīng)發(fā)電機(jī)部分分支電流。雙元件高靈敏零序電流型橫差保護(hù)的TA1TA2TA01ABC發(fā)電機(jī)不完全縱差o1o2圖7

高靈敏雙元件或三元件零序電流型橫差保護(hù)o3TA024、高靈敏雙元件或三元件零序電流型橫差保護(hù)33

TA變比和動作電流，與單元件式類同。圖7中還在中性點(diǎn)o2引線上也接入一臺TA，這就構(gòu)成高靈敏三元件零序電流型橫差保護(hù)。它與裂相橫差保護(hù)雖同為三元件，但反應(yīng)的電流有零序和相電流之別。高靈敏單元件式、雙元件式和三元件式零序電流型橫差保護(hù)國內(nèi)外均有實(shí)例應(yīng)用。它們之間的性能比較，與發(fā)電機(jī)定子繞組的具體結(jié)構(gòu)有關(guān)，應(yīng)作發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路的具體計(jì)算和分析。三元件裂相橫差保護(hù)在我國建國初期已全部改為傳統(tǒng)的單元件零序電流型橫差保護(hù)。但歐美仍有在660MW汽輪發(fā)電機(jī)上裝設(shè)三元件裂相橫差保護(hù)的。國內(nèi)外在大型水輪發(fā)電機(jī)上也普遍應(yīng)用三元件裂相橫差保護(hù)。它是一種分相式橫差，只對故障反應(yīng)靈敏。單元件式零序電流型橫差保護(hù)是三相綜合式，可能對34某一相故障靈敏度不及裂相橫差保護(hù)。但單元件式零序電流型橫差保護(hù)對各相故障均有較高的靈敏度，而零序電流型橫差保護(hù)對各相故障均有較高的靈敏度，而且單元件式零序電流型橫差保護(hù)設(shè)備簡單。所以一般情況下，作為大型發(fā)電機(jī)的一種主保護(hù)，優(yōu)先采用高靈敏單元件式零序電流型橫差保護(hù)。高靈敏零序電流型橫差保護(hù)中有單元件、雙元件和三元件之分，一般采用單元件或雙元件式。35前面已經(jīng)討論了高靈敏單元件（或雙元件）零序電流型橫差保護(hù)、三元件裂相橫差保護(hù)、不完全縱差保護(hù)（發(fā)電機(jī)和發(fā)-變組）以及傳統(tǒng)的完全縱差保護(hù)。把它們組合起來就成為發(fā)電機(jī)綜合差動保護(hù)。這樣配置的發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)實(shí)現(xiàn)了雙重化或三重、四重甚至五重化。五重化指單元件零序電流型橫差（1套主保護(hù)）、裂相橫差（1套主保護(hù)）、發(fā)電機(jī)不完全縱差和發(fā)-變組不完全縱差（2套主保護(hù)）。如果再加上傳統(tǒng)完全縱差保護(hù)，合起來發(fā)電機(jī)已有5套主保護(hù)，對于模擬式保護(hù)裝置過于累贅，實(shí)無必要。對于數(shù)字式微機(jī)保護(hù)裝置，可采用資源共享原則，同時配置3~5種不同保護(hù)原理，并盡量不使硬件和軟件復(fù)雜化。（五）發(fā)電機(jī)綜合差動保護(hù)36a1a2a3a4a5Ab1b2b3b4b5Bb1b2b3b4b5CTA1TA2TA3機(jī)殼內(nèi)K1a1a3a5a2a4TA2TA2K2TA1a(a)圖8多分支分布中性點(diǎn)水輪發(fā)電機(jī)的綜合差動保護(hù)(a)三相定子繞組接線；(b)單相差動保護(hù)二次接線o1o2o3o5o4(b)37綜合差動保護(hù)在國內(nèi)外均有應(yīng)用，運(yùn)行也很成功，水輪發(fā)電機(jī)用得最早也較為普遍。如圖8所示，每相5分支的大型水輪發(fā)電機(jī)配置3套主保護(hù)的情況（發(fā)-變組不完全縱差未畫出）。其中TA3接單元件高靈敏零序電流型橫差保護(hù)、TA2接三元件裂相橫差保護(hù)K1，TA1和TA2接發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)K2。這些保護(hù)的原理和應(yīng)用，已在前幾節(jié)討論。圖中發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)每一支路均裝設(shè)TA，而且這些TA都安裝在機(jī)殼內(nèi)，令人不安的兩個問題曾經(jīng)阻礙這一保護(hù)方案的采用，它們是：在電機(jī)很強(qiáng)的空間磁場作用下，互感器能否正常工作？通過實(shí)測，確切掌握了互感器安裝處的磁場強(qiáng)度和方向，結(jié)論是適當(dāng)選擇安裝位置，可以確?；ジ衅魍耆９ぷ??；ジ衅鏖L年累月隨發(fā)電機(jī)組震動，是否可能造成互感38器二次側(cè)斷線開路？特別是互感器位于機(jī)殼內(nèi)，運(yùn)行人員平常無法觀察監(jiān)視，一旦互感器二次側(cè)開路過電壓，甚至引起發(fā)電機(jī)內(nèi)著火，后果不堪設(shè)想。但實(shí)際運(yùn)行證明，只要對安裝工藝嚴(yán)格要求，上述問題是可以避免的。二次電纜必須經(jīng)銅制線鼻子與接線柱連接，銅鼻子與二次電纜之間應(yīng)作銀銅焊，外包可靠絕緣層。二次電纜在接線柱與第一個支持板之間應(yīng)有彈性減震環(huán)。二次電纜槽裝在機(jī)座上部環(huán)形壁上，按0.8~1.0m間距設(shè)固定卡，固定卡上端與電纜槽焊接，每個固定卡下部用兩個M10螺絲緊固在環(huán)形壁板上，螺絲孔內(nèi)涂厭氧膠，以防運(yùn)行中螺母松動。近幾年來，已經(jīng)改變每一分支裝設(shè)TA的做法。如圖4所示，發(fā)電機(jī)每相8并聯(lián)分支，其中第1、4、7分支為一組裝設(shè)3臺TA（TA5），第2、5、8分支為一組裝設(shè)3臺TA（TA1）。TA5三臺是為發(fā)-變組不完全縱差39保護(hù)用的，TA3三臺是變壓器縱差保護(hù)用的，TA1與TA2組成發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)，TA01和TA02為高靈敏雙元件零序電流型橫差保護(hù)用TA。綜合差動保護(hù)方案當(dāng)然可用與大型汽輪發(fā)電機(jī)，但前提是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)應(yīng)引出6或4個端子，如圖3所示。圖3（a）有6個引出端子，其中3個引出端子接在三相的一個分支中，用于發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)，另3個引出端子接在三相的另一個分支中，用于發(fā)-變組不完全縱差保護(hù)。圖3（b）有4個引出端子，發(fā)電機(jī)和發(fā)-變組的不完全縱差保護(hù)用TA（TA2）均接在同一分支中。此外，還有高靈敏單元件零序電流型橫差保護(hù)。這是大型汽輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障較完善和最簡單的主保護(hù)方案。大型汽輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出6個端子的情況，國內(nèi)外均有實(shí)例，已不是可能不可能的問題，但在國內(nèi)實(shí)現(xiàn)此方案尚需努力。40對每相6并聯(lián)分支的水輪發(fā)電機(jī)-變壓器組，可能的綜合差動保護(hù)配置方案如圖9所示，發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)和發(fā)-變組不完全縱差保護(hù)均接入發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)每相2個分支。發(fā)-變組不完全縱差保護(hù)TATATATA發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)變壓器差動保護(hù)橫差保護(hù)T圖9水輪發(fā)電機(jī)-變壓器組411、全相電壓和電流的負(fù)序方向保護(hù)不能作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)的原因發(fā)電機(jī)三相定子繞組的相間短路、匝間短路以及分支開焊故障，均為不對稱故障，機(jī)端將有負(fù)序電壓和電流，并有負(fù)序功率由發(fā)電機(jī)流出。大型發(fā)電機(jī)機(jī)端引線均用分相封閉母線，不可能發(fā)生三相對稱短路。當(dāng)高壓系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路、非全相運(yùn)行或負(fù)荷三相不對稱時，發(fā)電機(jī)機(jī)端也出現(xiàn)和，但必由系統(tǒng)流入發(fā)電機(jī)。因此負(fù)序功率的流向（檢測點(diǎn)在機(jī)端）是發(fā)電機(jī)是否發(fā)生不對稱故障的顯著特征。從發(fā)電機(jī)機(jī)端測量三相電壓和三相電流，經(jīng)模擬式負(fù)序電壓和負(fù)序電流濾序器，獲取負(fù)序分量和，并由此計(jì)算，確定的正或負(fù)（從發(fā)電機(jī)流出或流入），這樣構(gòu)成的全相負(fù)序方向保護(hù)，經(jīng)試驗(yàn)和（六）故障分量負(fù)序方向保護(hù)（保護(hù)）42運(yùn)行證明，誤動頻繁。究其原因主要是模擬式負(fù)序?yàn)V序器在暫態(tài)過程和頻率偏移50Hz時有不平衡輸出和，因?yàn)槟M式濾過器由慣性元件L或C等組成，這些元件是按工頻穩(wěn)態(tài)條件下、三相正序輸入、保證無輸出而確定其參數(shù)的。由于負(fù)序方向保護(hù)是發(fā)電機(jī)的快速主保護(hù)，在外部系統(tǒng)發(fā)生對稱或不對稱的暫態(tài)過程中，或者在系統(tǒng)發(fā)生單相短路的單相跳閘、單相重合于永久故障繼而三相跳閘的全過程中可能發(fā)生頻率偏移50Hz，這些都將使負(fù)序?yàn)V過器有不平衡輸出和。和的大小和相位有隨機(jī)性，由它們導(dǎo)出的可能呈現(xiàn)從發(fā)電機(jī)流出的特征，極易造成誤動。因此全相電壓和電流的負(fù)序方向保護(hù)不能作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)。43故障分量負(fù)序方向保護(hù)是微機(jī)型保護(hù)裝置，濾取負(fù)序分量和基波分量，不是用模擬式元器件的硬件設(shè)備，而是用軟件來完成，還可采用頻率跟蹤技術(shù)自動適應(yīng)系統(tǒng)頻率的變化，所以故障分量負(fù)序方向保護(hù)完全不同于全相電壓和電流的負(fù)序方向保護(hù)。設(shè)機(jī)端負(fù)序電壓和電流的故障分量各為和（均為基波部分），則負(fù)序功率的故障分量為：（1-6-1）式中：—的共軛向量—負(fù)序功率方向繼電器的最大靈敏角，故障分量負(fù)序方向繼電器的動作判據(jù)為：（1-6-2）**2、故障分量負(fù)序方向保護(hù)的基本原理44或（1-6-3）式中：—故障分量負(fù)序方向繼電器的功率閾值設(shè)有（1-6-4）

（1-6-5）式中：、—的實(shí)部和虛部、—的實(shí)部和虛部將式（1-6-4）（1-6-5）代入式（1-6-2）（1-6-3）可得：

（1-6-6）當(dāng)采樣頻率為600Hz時，即每一工頻（50Hz）周期采樣12點(diǎn)，兩次采樣之間的相位差為，如圖10所示，若取，則有：，的第k次采樣；的第k-1次采樣；45領(lǐng)先恰好是。已知（當(dāng)取

)，由此可見的方向可方便地由差分運(yùn)算即nm決定。順便指出：這種差分運(yùn)算也有利于減小非周期分量對保護(hù)的影響。因此對采樣頻率為600Hz的微機(jī)保護(hù)，應(yīng)選取，雖然大型發(fā)電機(jī)組的負(fù)序阻抗角實(shí)際比大些。onm圖10的相位確定46發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前無論發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生多嚴(yán)重的故障，機(jī)端電流恒為零，，，保護(hù)無作用。此時必須有其它主保護(hù)（如發(fā)電機(jī)和發(fā)-變組不完全縱差保護(hù)、高靈敏單元件橫差保護(hù)等），也可考慮增設(shè)故障分量負(fù)序電壓（）輔助保護(hù)，動作判據(jù)為：

（1-6-7）式中：—過電壓繼電器的閾值過電壓繼電器（元件）在發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行時可作為保護(hù)的啟動元件?？紤]到保護(hù)實(shí)質(zhì)上是方向保護(hù)，靈敏度較高，作為啟動元件的，其靈敏度應(yīng)高于元件，在整定計(jì)算時應(yīng)適當(dāng)增大，以求兩者靈敏度的配合。3、故障分量負(fù)序方向保護(hù)的運(yùn)行分析47發(fā)電機(jī)內(nèi)部不對稱短路機(jī)端引線采用分相封閉母線的大型發(fā)電機(jī)，保護(hù)區(qū)內(nèi)（以機(jī)端電流互感器TA為界）發(fā)生短路基本上都是不對稱的，機(jī)端有和（定義正向?yàn)閺陌l(fā)電機(jī)流出），其向量圖如圖11（a）所示，當(dāng)?shù)扔谙到y(tǒng)負(fù)序阻抗角時，將與同相，此時繼電器取得最大故障分量負(fù)序功率，使元件處于最靈敏狀態(tài)。機(jī)殼內(nèi)定子繞組發(fā)生故障（特別是短路匝數(shù)很少的匝間短路和每相并聯(lián)分支數(shù)很多的一分支開焊故障）時，機(jī)端和的定量計(jì)算是極其復(fù)雜的，有時和的量也很小，所以和整定值都很小。48圖11區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障及區(qū)外故障切除時、和分析(a)區(qū)內(nèi)故障；(b)區(qū)外故障；(c)區(qū)外故障切除(a)(c)(b)區(qū)外不對稱故障當(dāng)不對稱故障發(fā)生在外部系統(tǒng)中時，負(fù)序源在外部故障點(diǎn)，如圖11(a)所示，與(b)的相反，相角應(yīng)由發(fā)電機(jī)負(fù)序阻抗角決定，當(dāng)時，將與反向，，即由系統(tǒng)流入發(fā)電機(jī)，元件不動作。49區(qū)外不對稱故障的切除區(qū)外不對稱故障的切除相當(dāng)于在故障點(diǎn)疊加一個（為區(qū)外不對稱故障點(diǎn)的負(fù)序電動勢），由在機(jī)端產(chǎn)生的故障分量負(fù)序電壓和電流必與外部故障的負(fù)序電壓和電流反向，如圖11(c)中的和仍然保持反相，因此由和產(chǎn)生的，保護(hù)不會誤動作?；ジ衅鳎═V或TA）二次斷線

TV或TA二次斷線將產(chǎn)生或，但不考慮TV和TA同時二次斷線，所以、或、，，保護(hù)不會誤動作。這一點(diǎn)比縱差保護(hù)在TA二次斷線時將誤動要優(yōu)越。50裝設(shè)于發(fā)電機(jī)機(jī)端的故障分量負(fù)序方向保護(hù)，作為發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)，需要整定計(jì)算的是三個閾值、和。的閾值如前所述，元件實(shí)際上是故障分量負(fù)序方向繼電器，；根據(jù)發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障的計(jì)算實(shí)例，大約在1左右。因此應(yīng)?。ㄒ园l(fā)電機(jī)額定容量為基值）。的閾值通過對大型水輪發(fā)電機(jī)的定子繞組內(nèi)部故障進(jìn)行計(jì)算所得到的經(jīng)驗(yàn)，建議的閾值故障分量負(fù)序電流元件可作為另一個啟動元件，4、故障分量負(fù)序方向保護(hù)的整定計(jì)算51輔助判據(jù)為。式中，閾值根據(jù)經(jīng)驗(yàn)建議取為。上述、和整定值是初選數(shù)值，隨著更多的發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障計(jì)算結(jié)果和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，再作適當(dāng)?shù)男拚?。接于大型水輪發(fā)電機(jī)—變壓器組高壓側(cè)的故障分量負(fù)序方向保護(hù)的整定計(jì)算問題這套保護(hù)實(shí)際上可代替發(fā)-變組的縱差保護(hù)，作為發(fā)電機(jī)、升壓變壓器及其引線、廠用分支高壓引線的一套主G~STTk1k3k2系統(tǒng)圖12大型水輪發(fā)電機(jī)—變壓器組的保護(hù)

52保護(hù)。與縱差保護(hù)相比，保護(hù)的輸入信號為高壓側(cè)三相電壓和電流，縱差保護(hù)則用高低壓側(cè)的兩組三相電流，對于采用斷路器或多角形母線接線的高壓系統(tǒng)，保護(hù)可從母線電壓互感器（TV）取得高壓側(cè)三相電壓，但對雙母線的高壓系統(tǒng)，為了保護(hù)需要的三相電壓，有必要在升壓變壓器高壓側(cè)增設(shè)TV（或者采用經(jīng)濟(jì)的辦法，即變壓器低壓側(cè)三相電壓和電流，用軟件推算高壓側(cè)三相電壓）。由于水電站的廠用變壓器容量很小，以發(fā)電機(jī)額定容量為基值的廠用變壓器電抗標(biāo)幺值非常大。因此在廠用變壓器低壓側(cè)的廠用系統(tǒng)不對稱短路時（圖