电力设备继电保护原理与整定计算

电力设备继电保护原理与整定计算第一页，共158页。变压器保护第二页，共158页。1.电力变压器的故障和异常运行状态

油箱内的故障：（1）变压器绕组匝间短路（2）中性点直接接地的单相短路（3）相间短路、异地两点接地短路（4）铁心烧损以上故障后果严重：产生电弧，引起绝缘物剧烈气化，可致油箱爆炸一、变压器故障及其保护配置第三页，共158页。油箱外的故障

变压器套管和引线发生相间短路和接地短路变压器异常运行状态

(1)系统发生相间短路引起的过电流(2)中性点直接接地系统接地短路引起的过电流；中性点非直接接地系统接地故障引起的中性点过电压

(3)过负荷(4)漏油引起的油面下降(5)变压器各部分过热和冷却系统故障(6)过励磁第四页，共158页。2.电力变压器的保护配置（与容量相关）

（1）瓦斯保护油箱内的各种故障使箱内产生气体(瓦斯)少量气体和油流速度较小时，轻瓦斯动作于信号故障严重，气体量大、油流速度高时，重瓦斯瞬时动作于跳闸瓦斯保护是铁心烧损的唯一保护，对各种内部短路也有保护作用动作速度不及差动保护800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器均应装设瓦斯保护第五页，共158页。（2）电流速断保护

容量在6300kVA以下的厂用工作变压器与并列运行的变压器10000kVA以下厂用备用变压器和单独运行的变压器后备保护时限大于0.5s时，应装设电流速断整定以变压器副方短路保护不动作为整定条件校验按保护安装处最小短路电流校验：Ksen2第六页，共158页。（3）纵差保护6300kVA及以上的厂用工作变和并列运行变压器10000kVA及以上的厂用备用变和单独运行变压器2000kVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器电压为330kV及以上的变压器，可装设双重纵差对于发—变组单元接线，当发电机与变压器之间有断路器时，变压器应装设单独的纵差保护对于大型发—变组，即使发电机与变压器之间没有断路器，也应装设变压器单独的纵差保护第七页，共158页。（4）零(序)差(动)保护变压器中性点直接接地的Y绕组发生单相接地故障时，纵差保护的灵敏度较低可以采用零差保护提高接地故障的灵敏度空载合闸的激磁涌流和调压分接头的调节不增加零差保护的不平衡电流零差保护灵敏度较高第八页，共158页。（5）相间故障的后备保护过流保护用于降压变压器低压闭锁过流保护

用于过流保护灵敏度不足的降压变压器复压启动的过流保护用于过流保护灵敏度不足的降压变压器和升压变压器负序过电流保护用于大容量升降压变压器和系统联络变压器低阻抗保护在（3）（4）灵敏度不足时用于大容量升降压变压器和系统联络变压器（有效性有待进一步研究：王维俭）第九页，共158页。（6）接地故障的后备保护110kV及以上中性点直接接地系统，变压器中性点可能接地，也可能不接地应装设带或不带方向的零序电流、电压保护1）变压器分级绝缘、中性点接地运行时

设置两段式零序电流保护，分别与相邻线路零序电流I段和后备段配合以两段时限跳闸：第一时限动作于跳开母联开关，第二时限跳开变压器两侧开关作母线/线路后备时Ksen分别大于1.5/1.2

第十页，共158页。2）变压器分级绝缘、中性点可能接地/不接地运行变压器中性点装设放电间隙两段式零序电流保护，整定同1）增设反应零序电压和间隙放电电流的零序电流电压保护为中性点不接地运行时的保护变压器中性点不装设放电间隙两段式零序电流保护：整定同1）增设中性点无零序电流和母线有零序电压的零序电流电压保护为中性点不接地运行时的保护第十一页，共158页。（7）变压器过励磁保护1）变压器过励磁变压器感应电压为U=4.44fWBS变压器工作磁密为B=U/4.44fWS=K1(U/f)（K为常数，与变压器绕组匝数W、铁芯截面S有关）过励磁倍数为n=B/Be=(U/Ue)/(f/fe)电压升高（甩负荷）和频率下降（机组跳闸后减速而灭磁开关拒动等），都将引起过励磁：铁芯严重饱和、励磁电流大大增加铁芯严重发热、绝缘迅速老化第十二页，共158页。2）变压器过励磁保护传统保护如原理框图：

Uc=U/nynLH[(2fRC)2+1]1/2=K2U/f=KB(2fRC>>1)给定允许过励磁倍数曲线n–t时，过励磁保护按n–t反时限特性整定也可按定时限特性整定：n=1.1~1.2,t=5s发信号；n=1.2~1.4,t=120s跳闸；微机保护中均按n–t反时限特性整定第十三页，共158页。3.其它参照《二十五项反事故措施实施细则》，220kV主变压器采用具有独立性、完整性、成套性的双重化主保护、后备保护配置。双重化主保护为两种不同原理的差动保护；双套后备保护采用的是相同配置；一套本体非电量保护。主变压器微机保护双重化是指电气量保护的双重化，要求两套保护完全独立（测量回路、电源），运行时两套保护均投入运行。主变保护双重化配置的保护装置之间不应有任何电气联系。第十四页，共158页。主变压器二套完整的电气量保护分别作用于断路器的两个跳闸线圈，一套非电量保护的跳闸回路应同时作用于断路器的两个跳闸线圈。对500kV大容量变压器后备保护根据需要可采用阻抗保护和过励磁保护，复压方向过流灵敏度不足时可使用负序过电流或负序方向过电流保护。自耦变压器主保护可增加零序差动保护。第十五页，共158页。二、变压器纵差保护（一）变压器纵差保护的基本原则1.变压器纵差保护的原理接线第十六页，共158页。2.变压器纵差保护的基本原则各侧电流额定电流不同，需适当选择各侧电流互感器变比各侧电流相位不同，需适当调整各侧电流相位LH励磁特性不同产生的不平衡电流需考虑稳态不平衡电流变压器差动保护:包含磁路藕合需考虑暂态不平衡电流第十七页，共158页。（二）变压器纵差保护的主要特点1.变压器纵差保护的暂态不平衡电流差动保护的基本特点,是被保护线路/设备正常运行或区外故障，满足节点/割集电流定律，有：Ii=0变压器差动保护:包含磁路藕合Ii=Iu(Iu为变压器励磁电流)一侧空载合闸时的励磁涌流:

Iu>10IN(IN为变压器额定电流)

不满足节点/割集电流定律第十八页，共158页。2.变压器的励磁涌流励磁涌流远远大于稳态不平衡电流，是影响变压器纵差保护工作的主要因素(1)产生励磁涌流的原因正常工作时,磁通滞后于工作电压U的角度为900变压器空载合闸或外部固故障切除、电压恢复时，如果工作电压瞬时值为0，应有=–m磁通不能突变，出现幅值m的非周期分量磁通考虑铁芯剩余磁通s出现最大磁通max=2m+s，铁芯严重饱和，产生励磁涌流第十九页，共158页。第二十页，共158页。第二十一页，共158页。(2)单相变压器的空载合闸工作磁通为=m+s–mcostt=0时合闸，=st=1800时合闸，=max=2m+s铁芯严重饱和，产生很大的励磁涌流Iu.max=420Ie.B(3)三相变压器的空载合闸在任何时刻空载合闸，至少两相出现励磁涌流可能出现对称涌流，两相涌流差不含直流分量第二十二页，共158页。(4)空载合闸涌流的主要特点包含有很大成分的非周期分量（对称涌流除外）包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主波形之间出现间断(5)在变压器纵差保护中防止涌流影响的方法采用速饱和BLH鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别利用二次谐波制动等第二十三页，共158页。3.变压器纵差保护的稳态不平衡电流LH励磁特性不同产生的不平衡电流变压器各侧一次电流幅值\相位不等产生的不平衡电流需进行幅值补偿(选择各侧LH变比校正二次电流大小)需进行相位校正(选择各侧LH接线方式使二次电流相位相同)微机变压器保护由软件进行幅值\相位校正变压器带负荷调压引起的不平衡电流第二十四页，共158页。变压器各侧二次电流幅值\相位校正第二十五页，共158页。不平衡电流具体计算如下：变压器各侧二次电流幅值\相位校正不完全时Iunb.1=mId.max

正确校正后，m<5%；微机保护取m=0变压器带负荷调压引起的不平衡电流Iunb.2=UId.max

U:对应变比调整范围(11025%KVb变压器U=5%)LH励磁特性不同产生的不平衡电流：Iunb.3=KerKccKapId.maxKap:非周期分量系数，变压器两侧同为TP级电流互感器取1，同为P级电流互感器取1.5~2;第二十六页，共158页。Ker:LH10%误差,取0.1；Kcc:LH同型系数，同型取0.5，否则取1。变压器纵联差动保护必须躲过可能出现的最大不平衡电流。考虑上述各种不平衡电流同时存在时，最大可能的不平衡电流为：Iunb.max=Iunb.1+Iunb.2+Iunb.3=(KerKccKap+m+U)Id.max第二十七页，共158页。（三）变压器差动保护的整定计算1.具有LHB(无制动)的差动保护(BCH-2)（1）动作电流躲过外部短路最大不平衡电流

Iop=KrelIunb.max

=Krel(KerKcc+m+U)Id.max具有LHB，因此不考虑Kap涌流对策不对称涌流：LHB作用对称涌流：LHB无制动作用，以定值躲过第二十八页，共158页。（2）动作电流躲过对称涌流：

Iop=（1.31.5)IN按此条件整定，LH二次回路断线时保护不会误动取(1),(2)计算中较大的为保护动作电流（3）灵敏度校验变压器大电源侧断开，小电源侧供电，无电源侧引出线K（2）时，有Id.min，求得Ksen=Id.min/Iop>2不满足要求时，使用带制动特性的差动保护第二十九页，共158页。2.使用速饱和变流器BLH的差动保护第三十页，共158页。(1)速饱和变流器BLH工作特性铁芯截面积较小，极易饱和BLH二次感应电势E与磁场密度变化率B成正比加入周期性电流时，B按磁滞环2变化，B很大，E也很大，接于BLH二次侧的差动继电器易于动作加入非周期性电流时，B按磁滞环2/变化，B很小，E也很小，差动继电器不易动作区外故障时,暂态不平衡电流含大量非周期性电流,差动继电器不易误动作第三十一页，共158页。(2)速饱和变流器BLH的应用采用速饱和变流器后，暂态不平衡电流的计算中，非周期分量系数

Kap=1在内部故障电流含有大量非周期性电流时，接有速饱和变流器的差动继电器动作速度受到影响：

只有当非周期性电流大量衰减后保护才能动作大容量发电机、变压器：时间常数很大，非周期性电流衰减很慢：不能使用BLH广泛用于中、小容量发电机、变压器差动保护中第三十二页，共158页。3.使用带制动特性的差动保护一般差动保护动作特性：RS带制动差动保护特性：PQS无制动工作区：PQIop.min>Iunb.min制动工作区：QSKS>TS=Iunb.max第三十三页，共158页。变压器差动保护的动作电流均取各侧电流相量和的绝对值Iop=|Ii|作为动作电流。由于变压器外部故障时存在较大不平衡电流，因此变压器差动保护常常采用各种带有制动特性的差动保护。如果制动电流为Ires，比率制动系数为Kres,则差动保护动作方程为:（1）比率制动特性的差动保护比率制动特性的差动保护利用穿越性故障电流作为制动电流克服差动不平衡电流，以防止在外部短路时差动保护的误动作。第三十四页，共158页。下面以双圈变压器为例进行讨论。如果各侧电流为Im和In，则普通比率制动特性的差动保护的动作判据为式中，Kres为比率制动系数，Iop.min为最小动作电流。式中第一式是辅助判据，第二式是主判据，两式同时满足时保护跳闸。第三十五页，共158页。1)无制动工作区PQ正常工作或外部短路电流较小时,LH处于不饱和工作状态，Iunb很小，无需制动2)制动工作区QS外部短路电流大时,LH进入饱和工作状态：Iunb，Ires,Iop定义制动系数:Kres=Iop/Ires考虑PQ段特性后，Kres并非常数常用QS斜率表示制动性能：m=PR/NK第三十六页，共158页。（2）复式比率制动特性的差动保护为了提高比率制动特性差动保护的灵敏性，希望进一步降低在发生变压器内部短路时的制动电流，可采用复式比率制动特性差动保护。其保护算法为：第三十七页，共158页。理想条件下在变压器外部短路时差动电流为零，则主判据左边分子项为零；在变压器内部短路时主判据左边分母近似为零，则主判据左边比值很大。复式比率制动特性变压器差动保护判据计算的比率在内部短路和外部短路两种状态下有极大的差别，使其具有更加良好的选择性。第三十八页，共158页。（3）标积制动特性的差动保护原理：差动保护区两侧电流为I1，I2时，以其标积为制动量：Ires=–|I1|.|I2|cos(),其中=arg(I1/I2):区外故障

=1800，Ires=|I1|.|I2|=|I1|2=Ires.max制动作用最强，差动保护被可靠制动区内故障<900，Ires<0,即表现为助动作用；

=00，Ires=–|I1|.|I2|，助动作用最强，差动保护动作最灵敏第三十九页，共158页。很大的外部短路电流下，TA可能饱和,二次电流幅值减小，比率制动式纵差保护的不平衡电流急剧增大而制动电流反而减小，可能造成误动。对于标积制动式纵差保护，在外部短路电流作用下，特别是暂态非周期分量电流的影响下，两侧TA的传变持性可能相差较大，出现幅值很大的暂态不平衡差流，但是两侧二次电流的相角差别并不太大（在幅值误差不超过10％时，相角误差一般小于70），制动电流仍然很大，能够保证变压器差动保护不误动。第四十页，共158页。3.带制动特性的差动保护的整定（1）比率制动特性的整定最小动作电流大于正常运行时最大不平衡电流

式中，IN为变压器的额定电流；Krel为可靠系数,取1.3～1.5；Ker为电流互感器的变比误差,10P型取0.032，5P型和TP型取0.012；△U为变压器调压引起的误差,取调压范围中偏离额定值的最大值(百分值)；△m为电流互感器变比未完全匹配产生的误差,初设时取0.05。第四十一页，共158页。差动起动电流按略大于计算值取值,为可靠躲过额定负载时的不平衡电流，可取Iop.min=0.5IN。制动特性拐点Q对应的最小制动电流

制动系数参照《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》，差动比率制动系数Kres可按下式计算：

Krel、Ker、△U、△m定义同前，取值如下：第四十二页，共158页。Ker为电流互感器变比误差，此处取0.1；Kap为非周期分量系数，两侧同为TP级电流互感器时取1.0；两侧同为P级电流互感器时取1.5～2.0；Kcc为电流互感器的同型系数，取1.0。因此，可按厂家推荐值整定：Krel=0.5此方法不考虑变压器负荷状态和外部短路时电流互感器误差Ker的差别，整定计算相对简单，安全可靠，其取值偏保守。第四十三页，共158页。（2）差动速断电流保护

差动速断电流保护是变压器差动保护的辅助保护，当内部故障电流很大时，防止因电流互感器饱和时由涌流识别算法引起差动保护延迟动作。差动速断电流保护按躲过变压器初始励磁涌流或最大不平衡电流整定：取上两式计算较大的值为定值。

K是根据变压器容量确定的励磁涌流对额定电流的倍数。灵敏度校验：正常运行方式下，保护安装处两相金属性短路有大于1.2的灵敏度。第四十四页，共158页。（3）二次谐波制动方案（涌流检测方法1）为可靠防止涌流误动，任意一相二次谐波制动判据动作时，三相差动保护均被闭锁二次谐波制动判据为：K2=Id2/Id>15%20%（Id2为Id中二次谐波分量）（4）间断角制动方案（涌流检测方法2）涌流的另一特征是出现间断角。根据厂家推荐，一般整定间断角J=600~700第四十五页，共158页。（5）五次谐波制动（过励磁检测）U=1.31.5UN，变压器稳态过励磁:IuIunb.5为防止保护误动，增设五次谐波制动500KV超高压大容量变压器不允许过励磁运行（铁耗与涡流损耗引起铁芯严重过热，甚至导致绝缘破坏），另设过励磁保护第四十六页，共158页。带比率制动特性的差动保护

动作逻辑第四十七页，共158页。三、变压器相间故障的后备保护（一）过流保护

对于n台并联的变压器，其动作电流为Iop=KrelIL.max/KrKrel、Kr：可靠系数和返回系数IL.max：最大负荷电流，应考虑n台变压器中有一台被切除后的负荷转移（IN为变压器额定电流）IL.max=nIN/(n-1)

第四十八页，共158页。对于直接向负荷供电的降压变压器,还需考虑自启动系数Kzq考虑在自启动时过流保护应可靠返回，有：Ir=KrelKzqIL.max=KrIop其中，返回电流Ir；返回系数KrIop=KkelKzqIL.max/Kr做相邻元件后备保护时灵敏度往往不足，需采用其它提高灵敏度的措施第四十九页，共158页。（二）低压闭锁过流保护过流保护一般不能满足灵敏度要求提高灵敏度的方法之一是增设低电压闭锁（1）过电流动作值按躲开变压器额定电流IN整定Iop=KkelIN/Kr第五十页，共158页。（2）低电压动作值整定保证母线最低工作电压整定

Uop=0.9UN/(KkelKr)

Krel为可靠系数，取1.1~1.2；Kr为电压继电器返回系数，取1.05~1.25；

按躲过电动机自启动时最低电压整定电压取自变压器低压侧时Uop=(0.5~0.6)UN电压取自变压器高压侧时Uop=0.7UN灵敏度校验：Ksen=Uop/Ud.max1.2Ud.max:相邻元件保护区末端金属性三相短路时保护安装处的最大电压。

第五十一页，共158页。（三）复压启动的过流保护低压闭锁过流保护灵敏度不满足要求时使用第五十二页，共158页。定值整定（1）过电流动作值和相间低电压动作值整定与低压闭锁过流保护相同（2）躲开正常运行时最大不平衡负序电压U2.op=(0.06~0.12)UN（3）同样需设PT断线闭锁装置灵敏度校验

（1）过电流元件

Ksen=Id.min/Iop

1.2.Id.min：相邻元件保护区末端金属性两相短路时保护安装处的最小短路电流第五十三页，共158页。（2）相间低电压元件Ksen=Uop/Ud.max.

1.2.Ud.max：相邻元件保护区末端金属性三相短路时保护安装处的最大电压（3）负序电压元件Ksen=Ud.min.2/U2.op

1.2.Ud.min.2：相邻元件保护区末端金属性不对称短路时保护安装处的最小负序电压第五十四页，共158页。（四）相间故障后备保护的方向元件（1）三侧有电源的三绕组升压变压器，相间故障后备保护的高压或中压侧需加装功率方向元件，方向通常指向母线，有利于加速跳开小电源侧的断路器，避免小系统影响大系统。（2）高压侧、中压侧有电源或三侧有电源的三绕组降压变压器和联络变压器，相间故障后备保护的高压或中压侧需加装功率方向元件，方向通常指向变压器，也可指向本侧母线。（3）使用900接线功率方向继电器。为了消除电压死区，其电压回路可由另一侧电压互感器供电。第五十五页，共158页。四、变压器接地短路的后备保护（一）中性点直接接地的变压器接地后备保护中性点直接接地的普通变压器接地后备保护由两段式零序过电流保护构成，零序过电流继电器接在变压器接地中性点回路电流互感器二次侧。对高、中压侧均直接接地的三绕组变压器，高、中压侧均应装设零序方向过电流保护，方向指向本侧母线。第五十六页，共158页。（1）零序电流继电器的整定1）零序过电流继电器的动作电流应与相邻线路零序电流保护第I或II段或快速主保护相配合：

Iop.0.I

=KrelKfz1Iop.0.L.I式中，Iop.0.I为I段零序过电流保护动作电流；Krel为可靠系数，取1.1；Kfz.I为零序电流分支系数，其值等于出线零序过电流保护I段保护区末端发生接地短路时，流过本保护的零序电流与流过故障线路的零序电流之比，取各种运行方式下的最大值；Iop.0.L.I为线路零序过电流保护I或II段动作电流。第五十七页，共158页。110kV及220kV变压器I段零序过电流保护以t1＝t0+t（t0为线路零序过电流保护I段或II段的动作时间）断开本侧断路器和母联或分段断路器；以按系统配合要求整定的延时时间t2断开变压器各侧断路器。2）II段零序过电流继电器的动作电流应与相邻线路零序电流保护后备段相配合：Iop.0.II

=KrelKfzIIIop.0.LII第五十八页，共158页。式中，Iop.0.II为II段零序过电流保护动作电流；Krel为可靠系数，取1.1；Kfz.II为零序电流分支系数，其值等于出线零序过电流保护后备段保护区末端发生接地短路时，流过本保护的零序电流与流过故障线路的零序电流之比，取各种运行方式下的最大值；Iop.0.L.II为线路零序过电流保护后备段动作电流。110kV及220kV变压器II段零序过电流保护以t3＝t1+t。（t1为线路零序过电流保护后备段的动作时间）断开本侧断路器和母联或分段断路器；以t4＝t3+t断开变压器各侧断路器。第五十九页，共158页。（二）中性点不接地的变压器接地后备保护对中性点可能接地或不接地运行的变压器，应配置两种接地后备保护：用于变压器中性点接地运行状态，通常采用二段式零序过电流保护，其整定值及灵敏系数计算与前所述完全相同。用于变压器中性点不接地运行状态时，保护的配置、整定值计算、动作时间等与变压器的中性点绝缘水平、过电压保护方式以及并联运行的变压器台数有关，分述如下。

第六十页，共158页。（1）中性点全绝缘变压器这种变压器的接地保护，除了两段零序过电流保护外，还应增设零序过电压保护，用于变压器中性点不接地时，所连接的系统发生单相接地故障的情况。过电压保护动作值Uop.0按下式整定：U0.maxUop.0

Usat；通常取Uop.0=180V式中，U0.max是在部分中性点接地的电网中发生单相接地时，保护安装处可能出现的最大零序电压；Usat是中性点直接接地系统的电压互感器，在失去接地中性点时发生单相接地、开口三角绕组可能出现的最低电压。第六十一页，共158页。2）变压器分级绝缘、中性点可能接地/不接地运行变压器中性点装设放电间隙两段式零序电流保护，整定同(一）增设反应零序电压和间隙放电电流的零序电流电压保护为中性点不接地运行时的保护变压器中性点不装设放电间隙两段式零序电流保护，整定同(一）增设中性点无零序电流和母线有零序电压的零序电流电压保护为中性点不接地运行时的保护第六十二页，共158页。分级绝缘且中性点装放电间隙的变压器接地保护

第六十三页，共158页。（五）变压器的瓦斯保护油箱内的各种故障使箱内油和绝缘材料分解，产生大量气体(瓦斯)少量气体和油流速度较小时，轻瓦斯动作于信号故障严重，气体量大、油流速度高时，重瓦斯瞬时动作于跳闸瓦斯保护是铁心烧损的唯一保护，对各种内部短路也有保护作用动作速度不及差动保护轻//重瓦斯动作值整定：气体容积250~300cm3//油流速度0.6~1.5m/s第六十四页，共158页。第六十五页，共158页。正常运行开口杯的重力所产生的力矩小于平衡锤所产生的力矩，上下开口杯均上倾，干簧接点断开油箱内部轻微故障产生少量的气体并使油面下降，上开口杯露出油面(浮力减小)，其力矩大于平衡锤力矩后，顺时针转动，带动永久磁铁靠近干簧触点，使触点闭合，发生“轻瓦斯”保护动作信号第六十六页，共158页。油箱内部发生严重故障大量气体和油流直接冲击挡板，使下开口杯顺时针转动，带动永久磁铁靠近干簧触点使之闭合，发出跳闸命令严重漏油在油面逐渐降低时，先使上开口杯露出油面，发出报警信号，继之下开口杯露出油面后亦动作跳闸第六十七页，共158页。发电机保护第六十八页，共158页。一、发电机故障及其保护配置（一）发电机的故障和异常运行状态

1．发电机的故障：定子绕组及引出线相间短路定子绕组单相匝间短路和分支开焊定子绕组单相接地转子绕组一点或两点接地励磁回路励磁电流消失第六十九页，共158页。2．发电机异常运行状态

外部相间短路引起的定子绕组过电流外部不对称短路或不对称负荷引起的负序过电流和负序过负荷

定子绕组三相对称过负荷突然甩负荷引起的定子绕组过电压励磁回路故障或强励时间太长引起的转子绕组过负荷汽轮机主气门突然关闭引起的发电机逆功率第七十页，共158页。（二）发电机的保护配置（与容量相关）

1.定子绕组及其引出线相间短路保护纵联差动保护是发电机的主保护1MW以上的发电机应装设纵联差动保护

发变组当发电机与变压器之间有断路器时，设单独的纵差保护当发电机与变压器之间没有断路器时100MW以下的发电机，设发变组共用纵差100MW以上的发电机设单独的纵差保护，与发变组共用纵差构成双重主保护第七十一页，共158页。定子绕组单相接地短路保护接地电容电流5A,动作于跳闸接地电容电流<5A,动作于信号100MW及以上发电机，设保护区为100%的单相接地短路保护定子绕组单相匝间短路对有六个引出端的双绕组发电机，应设置简单、灵敏的单元件横差保护第七十二页，共158页。4.发电机外部故障引起的定子过流(1)过流保护用于1WM以下的小容量发电机保护(2)复压启动的过流保护用于过流保护灵敏度不足的发电机保护(3)负序过电流及单相低电压起动的过流保护用于用于50WM及以上的发电机保护5.发电机的其它保护定子绕组过负荷/过电压发电机失磁保护

发电机失步保护

第七十三页，共158页。二、发电机纵差/横差保护（一）不带制动的纵差保护1.保护动作值整定(1).正常运行时,LH二次回路断线时保护不误动Iop=KrelIgn/nLIgn：发电机额定电流Krel：可靠系数，取Krel=1.3为防止在LH二次回路断线、同时区外故障导致保护误动，另需设置LH二次回路断线监视装置发出告警信号,由运行人员退出保护Iop=0.2Ign(躲开正常运行时的不平衡电流)第七十四页，共158页。第七十五页，共158页。(2).躲开外部短路时的最大不平衡电流

Iop=KrelIunb.max=KkelKerKapKccId.maxKrel：可靠系数，取Krel=1.3Kap：非周期分量影响系数。使用BLH时，Kap

=1，否则Kap

=1.31.5Kcc:LH同型系数。发电机差动采用同型LH，Kcc=0.5(相对误差5%)Ker=0.1:满足10%误差曲线要求时LH最大误差Id.max:取外部短路K(3)，Zs.min时计算第七十六页，共158页。按条件(2）整定，有：Iop=（0.40.6)Ign

动作更灵敏；但LH二次回路断线、同时区外故障将导致保护误动Iop<Ign(如上)不使用1)中的LH二次回路断线闭锁:保护定值不能躲过

断线故障机率很小,且加强运行维护,可大大降低断线的可能性:倾向于条件(2）整定保护定值微机保护具有更强的装置故障监测手段,可按条件2）整定保护定值,辅以下述条件区分故障或断线:任意一相电压工频变化量元件起动任意一相正、负、零序电压元件起动起动后任意一相电流大于1.1Ign满足任一条件为故障

第七十七页，共158页。2.灵敏度校验Ksen=Id.min/Iop>2Id.min为内部故障时流过保护的最小短路电流校验条件（1）发电机与系统并列运行前，机端两相短路故障：

发电机单独供给的短路电流（2）发电机无励磁、与最小运行方式的系统自同期并列时机端两相短路故障：

系统单独供给的短路电流第七十八页，共158页。（二）带制动的纵差保护一定满足灵敏度要求，无需校验(1)最小动作电流大于正常运行时最大不平衡电流Iop.0=（0.10.2)Ign(2)制动特性拐点对应的制动电流

Ires.0=Ign

(3)制动系数Iop.max=KkelKerKapKccId.maxIres.max=Iunb.max

Kres=Iop.max/Ires.max=KkelKerKapKcc(推荐取0.3)(4)斜率S=(Iop.max–Iop.0)/(Ires.max-Ires.0)第七十九页，共158页。（三）定子绕组匝间短路的保护1.横差保护大容量发电机额定电流很大，各相以两个绕组(或更多绕组)并联工作同相同绕组或同相不同绕组匝间短路时，两绕组的电势不再相等绕组电势差将在绕组内产生很大环流而不被纵差保护反应对有六个引出端的双绕组发电机，应设置简单、灵敏的单元件横差保护第八十页，共158页。(1)利用两绕组电流之差即可构成三元件横差保护三元件横差保护接线复杂，可靠性低第八十一页，共158页。(2)单元件横差保护将一半绕组与另一半绕组的三相电流和比较各种单相匝间短路时，通过两组绕组的中性点连接线构成短路环流通路也可反应定子绕组相间不对称短路：相间短路时，一般两组绕组三相不对称，可形成环流第八十二页，共158页。发电机正常运行和外部短路时，有较大三次谐波不平衡电流通过中性点连接线，需滤波处理转子永久性两点接地时气隙磁通畸变，也有较大不平衡电流通过中性点连接线，可使横差误动畸变气隙磁通导致发电机异常震动，需转子永久性两点接地保护动作跳闸，因此不闭锁横差保护为防止转子瞬时两点接地时横差误动，在转子一点接地后，横差切换至0.51s延时跳闸回路第八十三页，共158页。整定计算当单元件横差保护使用的三次谐波滤过器滤除三次谐波的滤过比大于或等于15时，动作电流初设可选为Iop.0=(0.2~0.3)Ign对使用LMZ型LH且三次谐波滤过器滤除三次谐波的滤过比大于或等于80的高灵敏单元件横差保护，动作电流初设可选为Iop.0=0.05Ign实际整定按躲过外部故障最大三相短路电流时的基波和三次谐波不平衡电流计算：第八十四页，共158页。转子二次谐波电流保护(负序功率方向闭锁)用于有三个引出端的单绕组发电机：横差无效定子绕组部分绕组匝间(或相间)短路出现负序电流分量，气隙必有负序(逆转)磁场,在转子绕组中感应出二次谐波电流，以此起动保护跳闸增设负序功率方向闭锁，防止外部故障误动当发电机内部不对称短路时，故障点负序电压最大，负序功率由发电机流出当外部不对称运行或短路时，负序功率流入发电机，将保护闭锁整定：动作电流大于正常运行允许的定子绕组最大负序电流(5~8%)Ign对应的转子二次谐波电流第八十五页，共158页。三、发电机定子绕组单相接地短路的保护根据安全要求，发电机的外壳接地定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍，且接地电流为电容电流接地电流能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定子铁心损坏，也容易发展成相间短路，造成更大的危害当接地电容电流等于或大于允许值时，应装设动作于跳闸的接地保护当接地电流小于允许值时，—般装设作用于信号的接地保护

第八十六页，共158页。（一）定子绕组单相接地短路的特点发电机中性点采用不接地或经消弧线圈接地方式，单相接地短路电流为三相对地电容电流之和接地点对地零序电压与接地点位置有关设：A相绕组中性点到接地点间的短路匝数与A相绕组匝数比为，接地点各相电压为：UAD=EA–EA=0UBD=EB–EAUCD=EC–EAUd0=（UAD+UBD+UBD)/3=–EA第八十七页，共158页。考虑发电机内部对地电容为C0f，外部对地电容为C0l，则电流分布如图所示第八十八页，共158页。作出零序等效网络,求得3I0f=j3C0fUd03I0l=j3C0lUd0Id0=–j3(C0f+C0l)Ud0发电机内部故障流过LH0的电流为3I0l发电机外部故障流过LH0的电流为3I0f

第八十九页，共158页。接地电流比较大、超过允许值时，应使发电机中性点经消弧线圈接地电感电流补偿使Id0降低Id0=j[(1/L)–3(C0l+C0l)]Ud0第九十页，共158页。根据发电机工作方式选择保护方式发电机直接连接在电压母线上与发电机直接联系的元件较多，C0l较大3I0l较大，可用零序电流保护跳闸发电机–变压器单元接线无其它与发电机直接联系的元件，C0l较小3I0l较小，可用零序电压保护动作于信号第九十一页，共158页。（二）零序电流保护C0l>>C0f，内部故障时，3I0l>>3I0f，动作灵敏正常运行时，一次侧电流很大，LH0不平衡电流很大，应使用特别设计的LH0整定：(1)躲过外部单相接地时，发电机本身的电容电流以及由于零序电流互感器一次侧三相导线排列不对称在二次侧引起的不平衡电流(2)为防止外部相间短路产生的不平衡电流引起接地保护误动作，在相间保护动作时保护闭锁(3)保护装置带有l～2s的时限，以躲开外部单相接地瞬间发电机暂态(大于稳态)电容电流的影响第九十二页，共158页。（三）零序电压保护当接地电流小于允许值时，—般装设作用于信号的零序电压接地保护整定：(1)躲过正常运行时PT开口三次谐波不平衡电压(2)躲过外部接地短路时产生的零序电压经变压器绕组分布电容藕合到发电机侧的零序电压提高动作灵敏度措施采用三次谐波滤波器延时躲开外部接地短路故障时的零序电压第九十三页，共158页。（四）无死区100%定子绕组接地短路的保护零序分量构成的定子绕组接地保护存在动作死区：较小时零序分量保护不能动作（保护范围小于85%）死区内故障可使接地故障发展为匝间、相间故障，严重损坏发电机需使用无死区100%定子绕组接地短路的保护类型附加信号电源（需附加信号电源，略）增加三次谐波电压保护第九十四页，共158页。三次谐波电压保护正常运行时，发电机含三次谐波电压以等效电路分析三次谐波电压分布情况正常运行时三次谐波电压分布（不带消弧线圈）第九十五页，共158页。类似分析带消弧线圈时三次谐波电压分布情况当单相接地、短路匝数与绕组匝数比为时，无论有无消弧线圈，都有UN3=E3Ul3

=(1–)E3

Ul3/UN3=(1–)/第九十六页，共158页。当<50%时，有|Ul3|–

|UN3|>0为<50%时定子绕阻单相接地故障的动作判据为防止高阻接地故障拒动，使用高灵敏判据K=|UN3–kpUl3|–|UN3|>0选择适当kp，正常运行时使（UN3–kpUl3）0选择<<1（减少制动量），有正常运行时K<0,保护不动作；区内故障时，K>0,保护灵敏动作第九十七页，共158页。100%定子绕组接地短路的保护第九十八页，共158页。四、定子、转子绕组的电流保护包括：定子、转子绕组过负荷保护发电机的负序过电流保护对于大容量发电机，由于热容量降低，过负荷能力下降，需考虑反时限动作特性：

动作时间与故障电流成反比第九十九页，共158页。（一）定子、转子绕组过负荷保护（1）中小机组：单相定时限过电流保护（2）大型机组：发电机的热容量显著下降，过负荷能力随之下降发电机过电流倍数越大，允许运行时间越短：过负荷能力具有反时限特性应使用具有反时限特性的过负荷保护t=K/[(I/Ign)2–(1+)]K:与发电机热容量相关的常数=0.010.02,修正系数第一百页，共158页。（二）发电机的负序过电流保护不对称负荷或短路时，在定子绕组中出现负序电流对应的负序旋转磁场相对转子为2倍同步转速，使转子绕组、铁芯感应倍频电流铁芯电流密度大的转子端部、护环等部位局部灼伤，使转子表层过热倍频电磁转矩同时引起100Hz的机械震动负序过电流保护实际是发电机转子表层过热保护第一百零一页，共158页。（1）发电机的过热时间常数负序过电流时，发电机允许的发热量正比与过热时间常数A(I2*)2•t=(I2/Ign)2•t=A发电机的过热时间常数与发电机类型和冷却方式相关过热时间常数参考值凸极发电机：A=40气冷隐极发电机：A=30直冷汽轮发电机：A=6~15（100~300MW)A=4(600MW)第一百零二页，共158页。(2)负序过电流保护作转子表层过热主保护如果复压过流保护在作相邻元件后备时灵敏度不满足要求，也以负序过电流保护作相邻元件后备动作时间不能与相邻元件保护配合，直接采用以过热时间常数表达的反时间特性t=A/[(I2*)2–(0.8I2*)]I2*=I2/Ign

为发电机长期允许的负序电流标么值，一般为0.050.08第一百零三页，共158页。五、发电机的失磁保护失磁：发电机的励磁部分或全部消失大中型发电机发生部分或全部失磁的异常运行状态超过总事故次数的50%故障原因转子绕组故障励磁机故障灭磁开关误跳闸运行人员误操作第一百零四页，共158页。（一）发电机失磁运行及其后果图示系统中发电机的功角特性为：第一百零五页，共158页。转子运动方程为PT、P、Pac分别为原动机功率、发电机电磁功率及发电机异步功率正常运行时发电机电势为Ed1,发电机、系统电势差为1PT=P,1<900Pac=0,发电机处于稳定同步运行状态第一百零六页，共158页。失磁开始，失步前（

<900）励磁电流逐步减小；Ed，PT还来不及减少；为维持功率平衡，

Ed1Ed2,

1

2,…Q由正变负，

=900时，由系统吸收无功；系统Q充足时，Us不变；否则Us降低第一百零七页，共158页。失步运行（

900）发电机失去同步，转子加速旋转，ff转差率S=(fs–ff)/fs较大时，转子回路感应出较大差频电流差频电流产生异步功率Pac;PT=Pac时，稳定异步运行；部分失磁时，PT=Pac+P

>900后，由系统吸收更多无功第一百零八页，共158页。发电机失步运行的影响失步运行对系统的影响如果正常运行时向系统输出无功为Q1，失步运行后由系统吸收无功为Q2，则系统出现（Q1+Q2）的无功缺额如果系统无功不足，将引起系统电压下降，负载端电容无功出力降低，出现更大无功缺额，甚至造成电压崩溃、系统瓦解第一百零九页，共158页。失步运行对发电机的影响失步运行时，转子回路感应出较大差频电流，产生附加温升和机振，从而危害转子的安全由于由系统吸收大量无功，引起定子过电流；转差率越大，发电机的等值电抗越小，定子过电流也就越大，使定子温升过高汽轮发电机在较小转差率时就可输出较大异步有功，允许短时失步运行（视系统无功储备定）水轮发电机较大转差率时才输出较大异步有功，且转子温升、定子过流严重，不允许失步运行第一百一十页，共158页。（二）发电机失磁后的机端测量阻抗失磁保护中广泛采用阻抗继电器作为检测元件失磁过程中机端视在阻抗的变化轨迹常用等有功圆、等无功圆、等电压阻抗圆描述单机–无穷大系统为分析基础第一百一十一页，共158页。1、失步前的等有功过程(等有功阻抗圆)

<900时近似为等有功过程机端视在阻抗为第一百一十二页，共158页。考虑以下关系：机端视在阻抗为Zf具有阻抗圆特性：圆心半径第一百一十三页，共158页。对应不同的有功，有不同的特性圆；P越大，圆半径越小由于，当Q由正值变为负值时，

也由正值变为负值，ZJ由I象限进入IV象限由1变为2，机端视在阻抗由ZJ1变为ZJ2时，其变化轨迹如图第一百一十四页，共158页。2、静稳极限(等无功阻抗圆)

=900时发电机到达静稳极限，且机端视在阻抗为第一百一十五页，共158页。即带入Zf也具有阻抗圆特性：圆心半径第一百一十六页，共158页。系统阻抗不同时，=900、发电机到达静稳极限时所吸收的无功不同，有不同的特性圆；Xs越大，圆半径越大ZJ由阻抗圆特性外进入阻抗圆特性内时，可判别为发电机失磁采用静稳极限为失磁判据的阻抗继电器，等无功圆内为其动作区第一百一十七页，共158页。3、发电机失步并进入稳定异步运行时的测量阻抗异步运行的发电机与电动机具有相似的等效电路，可求其机端视在阻抗

（X1、X2分别为定、转子绕组漏抗；Xad为定、转子绕组间互感抗；R2(1-s)/s为反应发电机功率的等效电阻）第一百一十八页，共158页。发电机空载失磁时，s0Zf=–j(X1+Xad)=–jXd为发电机稳态电抗其它情况下失磁时，Zf将随s的增大而降低考虑极限情况s=

Zf=–j(X1+X2//Xad)=–jXd’为发电机暂态电抗其它情况下–jXd<Zf<–jXd’第一百一十九页，共158页。4、发电机失磁后机端测量阻抗的变化规律失磁后、失步前，Zf随Q的减少，由I象限进入IV象限在=900的临界失步点，等有功圆与等无功圆相交越过临界失步点后，Zf进入失步运行区并最终稳定于–jXd与–jXd’

之间第一百二十页，共158页。5、其它情况下发电机的机端测量阻抗正常运行可用等有功圆分析:=arctg(Q/P)发出有功和无功：>0只发出有功：=0欠励磁：<0机端测量阻抗在等有功圆上变化发电机外部故障:Zf=Zd，测量阻抗在I象限第一百二十一页，共158页。系统振荡对无穷大系统，Xs

=0失步振荡时，考虑转差率s很大，极限情况发电机侧电抗为发电机暂态电抗Xd’振荡中心为Z/2=–jXd’/2，振荡轨迹将经过等无功圆发电机自同步并列s0，在不加励磁合闸瞬间，与空载失磁情况完全相同合闸后立即加上励磁，自同步并列的失磁运行时间极短，应防止失磁保护误动第一百二十二页，共158页。（三）发电机失磁保护发电机失磁后对发电机和系统无严重威胁时，及时发出警告信号；否则切除失磁发电机水轮发电机失磁时，无论系统无功是否充足，均瞬时发信；临近失步时及时切机汽轮发电机失磁且系统无功充足时，瞬时发信并自动减负荷；以发电机允许无励磁运行时限动作切机汽轮发电机失磁且系统无功不足、电压下降严重时，瞬时发信；临近失步时及时切机第一百二十三页，共158页。失磁保护方式自动灭磁开关跳闸时联锁跳开发电机用于带直流励磁机的水轮发电机及不允许失磁运行的汽轮发电机对励磁系统故障无保护作用

反应定子参数变化的失磁保护（多种保护方案）ZJ沿等有功圆进入等无功圆无功功率改变方向机端电压下降，功角增大一般均以等无功圆为失磁判据第一百二十四页，共158页。失磁保护逻辑框图(保护方案举例)第一百二十五页，共158页。整定Z：低阻抗。按等无功圆整定Uf：三相低电压。按系统允许最低电压整定Ufd：躲开空载时最小励磁电压整定，防止出口短路故障或PT断线时Z/Uf保护误动t1：躲开振荡过程中的短时低电压或自同步并列的影响，取t1=0.51st2：躲开振荡过程中的短时低电压或自同步并列的影响，取t1=11.5s第一百二十六页，共158页。（四）发电机失磁保护整定计算发电机低励失磁保护的动作主判据包括系统侧主判据和发电机侧主判据。1.系统侧主判据系统侧主判据为高压母线三相同时低电压，防止由发电机低励失磁故障引起无功储备不足而导致的系统电压崩溃：式中，Uop.3ph为低电压继电器的动作电压;Uh.min为高压母线最低正常运行电压。第一百二十七页，共158页。该元件接在升压变压器高压母线的电压互感器三相线电压上。系统发生三相短路时，三相同时低电压，失磁保护系统侧主判据将误动。此时励磁回路正常工作，依靠辅助判据中的励磁低电压闭锁元件可防止系统侧故障时失磁保护系统侧主判据误动作。系统侧主判据经辅助判据“与”逻辑输出，带短延时动作于发电机解列。第一百二十八页，共158页。2.发电机侧主判据发电机侧主判据包括：异步边界阻抗继电器、静稳极限阻抗继电器和静稳极限低电压继电器。发电机侧辅助判据包括负序电压元件、负序电流元件、励磁低电压元件。（1）异步边界阻抗继电器整定(园特性1)

第一百二十九页，共158页。（2）静稳极限阻抗继电器整定1）汽轮发电机(园特性2)式中Xcon为发电机与系统间的联系电抗（包括升压变压器阻抗）的标幺值，由系统调度部门给出。为防止静稳极限阻抗继电器在I、II象限动作区内易发生非失磁情况下的误动，为此可使用图中阻抗园特性3，即准静稳极限阻抗特性园。第一百三十页，共158页。2）水轮发电机和大型汽轮发电机（XdXq）静稳极限阻抗特性是滴状曲线。考虑到阻抗特性过于复杂，且I、II象限动作区内易发生非失磁情况下的误动，可将其改为苹果园特性。第一百三十一页，共158页。（3）静稳极限励磁低电压继电器与系统并列运行的发电机，为维持静态稳定极限，在输送有功功率P一定的情况下，必需具有一定的励磁电压Ufd。有功功率P值不同，维持静稳极限所要求的励磁电压Ufd也不同。1）汽轮发电机

汽轮发电机Ufd—P动作特性如右图

第一百三十二页，共158页。静稳极限时=900。则式中，Xd=Xd+Xcon以发电机空载额定电压时的励磁电压Ufd0为基值时，标幺值Ed=Ufd，Us=1，则有标幺值关系式：

如果P为有名值，则第一百三十三页，共158页。静稳极限励磁低电压继电器的电压动作判据见Ufd—P动作特性图动作特性直线的倾角整定值为：2）水轮发电机和大型汽轮发电机（XdXq）静稳极限关系比较复杂。Ufd—P特性是一条曲线。简化计算时已将其近似取为直线，如下图。图中横坐标为凸极反应功率的最大值Pfm。此时，按下式计算Pfm：第一百三十四页，共158页。静稳极限励磁低电压动作判据为：当0PPfm时，Ufd.op=0；当P>Pfm时，

第一百三十五页，共158页。其中，Xd为标幺值，sb为静稳极限角,可由图中曲线查得。图中P0为发电机失磁前输出的有功功率。（4）低励失磁保护辅助判据

1）负序电压闭锁元件：第一百三十六页，共158页。2）负序电流闭锁元件：低励失磁故障时三相对称，没有负序电压U2或负序电流I2，辅助判据不动作，可以开放低励失磁保护出口跳闸；外部不对称短路满足此辅助判据，负序电压、负序电流闭锁元件动作，闭锁失磁保护，防止低励失磁保护误动作。3）励磁低电压闭锁元件：系统侧三相短路时，三相同时低电压，失磁保护系统侧主判据将误动。依靠励磁低电压闭锁元件可防止系统侧故障时失磁保护系统侧主判据误动作。第一百三十七页，共158页。母线保护第一百三十八页，共158页。厂、站母线故障特点母线绝缘子或断路器套管污闪运行人员误操作：带地线合闸、带负荷拉刀闸故障机率小，故障影响很大：常造成大面积停电、并可能破坏系统稳定对母线保护的要求特别强调可靠性，尽量简化保护配置通常使用母线差动保护第一百三十九页，共158页。一、设置母线保护的基本原则非重要厂、站母线故障，以电源侧元件的后备保护切除故障G，B过电流保护切除其负荷端母线故障线路II段保护切除其负荷端母线故障以下情况需设置专用的母线保护110KV及以上双母线及分段母线（保证有选择性切除故障母线）110KV及以上单母线，重要电厂35KV母线，高压侧为110KV的重要降压站35KV母线（系统稳定性要求）第一百四十页，共158页。二、母线差动保护基本原理比幅式母线差动保护正常运行与区外故障：Ii=0区内故障：Ii=Id比相式母线差动保护正常运行与区外故障，流入、流出母线电流相位相反：arg(I+/I-)=1800区内故障，流入