电力主设备继电保护的理论实践及运行案例

电力主设备继电保护的理论实践及运行案例TOC\h\h目录\h第1章发电机保护\h1.1基本概念\h1.1.1发电机\h1.1.2发电机的故障及不正常运行方式\h1.1.3发电机保护的配置\h1.2发电机纵差保护\h1.2.1交流接入回路\h1.2.2纵差保护的分类\h1.2.3动作方程\h1.2.4动作特性\h1.2.5逻辑框图\h1.2.6整定值的整定原则及取值建议\h1.2.7对各类发电机纵差保护的评价\h1.3发电机横差保护\h1.3.1横差保护的分类\h1.3.2单元件横差保护\h1.3.3裂相横差保护\h1.4纵向零序电压式发电机定子匝间保护\h1.4.1保护的交流接入回路\h1.4.2逻辑框图\h1.4.3专用TV断线闭锁元件\h1.4.4负序功率方向\h1.4.5定值整定\h1.4.6提高动作可靠性措施\h1.5定子接地保护\h1.5.1发电机定子单相接地的危害\h1.5.2零序电压及安全接地电流\h1.5.3发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压\h1.5.4发电机定子接地保护\h1.5.5双频式100%定子接地保护\h1.5.6定子接地保护定值的整定\h1.5.7提高双频式定子接地保护动作可靠性措施\h1.6发电机失磁保护\h1.6.1并网运行发电机的功角特性\h1.6.2并网运行发电机失磁后的物理过程\h1.6.3并网运行汽轮发电机失磁后各电量的变化\h1.6.4发电机失磁运行的危害\h1.6.5失磁保护\h1.7发电机负序过负荷及过电流保护\h1.7.1问题的提出\h1.7.2保护的构成\h1.7.3动作方程及动作特性\h1.7.4整定原则及取值建议\h1.7.5提高保护的动作可靠性措施\h1.8发电机反时限对称过负荷及过电流保护\h1.8.1构成原理\h1.8.2动作方程\h1.8.3反时限过电流保护的动作特性\h1.8.4定值整定\h1.8.5发电机定子绕组短时承受过电流的能力（允许过电流曲线）\h1.8.6提高动作可靠性措施（同不对称过负荷及反时限过电流保护）\h1.9发电机转子绕组过负荷及过电流保护\h1.9.1构成原理\h1.9.2动作方程及动作特性\h1.9.3整定计算\h1.9.4内冷式发电机转子绕组允许过电流（过电压）特性曲线\h1.10发电机复合电压闭锁过流保护\h1.10.1交流接入回路\h1.10.2逻辑框图\h1.10.3整定计算\h1.11发电机转子接地保护\h1.11.1发电机转子—接地保护\h1.11.2发电机转子两点接地保护\h1.12发电机失步保护\h1.12.1振荡中心在大型汽轮发电机机端或发变组内部的危害\h1.12.2对失步保护的要求\h1.12.3失步保护的类型及其动作特性\h1.12.4逻辑框图\h1.12.5整定计算\h1.12.6出口方式\h1.13其他保护\h1.13.1发电机误上电保护\h1.13.2断路器闪络保护\h1.13.3汽轮发电机逆功率保护及程控跳闸回路\h1.13.4汽轮发电机频率异常保护\h1.13.5非全相运行保护\h1.13.6发电机轴电流保护\h1.13.7发电机启停机保护\h第2章变压器保护\h2.1基本概念\h2.1.1变压器的基本结构及接线组别\h2.1.2变压器中性点的接地方式\h2.1.3变压器的故障及不正常运行方式\h2.1.4变压器保护的配置\h2.2故障量经变压器的传递\h2.2.1简化假设\h2.2.2序量经变压器的传递规律\h2.2.3YN，d11变压器高压侧单相接地短路\h2.2.4YN，d11变压器高压侧B、C两相接地短路\h2.2.5YN，d1变压器高压侧B、C两相短路\h2.2.6YN，d5变压器低压侧两相短路\h2.3变压器纵差保护\h2.3.1变压器纵差保护的构成原理及接线\h2.3.2实现变压器纵差保护的技术难点\h2.3.3空投变压器的励磁涌流\h2.3.4变压器纵差保护的实现\h2.3.5微机变压器纵差保护\h2.3.6整定原则及对定值的建议\h2.3.7提高可靠性措施\h2.4其他差动保护\h2.4.1分侧差动保护\h2.4.2零差保护\h2.5差动保护的TA断线闭锁\h2.5.1TA断线闭锁元件的作用原理\h2.5.2关于TA断线闭锁元件的作用\h2.6短路故障的后备保护\h2.6.1复合电压过电流保护\h2.6.2零序过电流及零序方向过电流保护\h2.6.3负序电流及负序方向电流保护\h2.6.4低阻抗保护\h2.6.5复合电压功率方向过流保护\h2.7发电机及变压器过激磁保护\h2.7.1过激磁保护的作用原理\h2.7.2测量过激磁倍数的原理接线\h2.7.3动作方程及动作特性\h2.7.4逻辑框图\h2.7.5整定原则及定值建议\h2.8变压器中性点间隙保护\h2.8.1问题的提出\h2.8.2间隙保护的作用原理\h2.8.3定值的整定\h2.8.4提高动作可靠性措施\h2.9三绕组自耦变压器保护的特点\h2.9.1三绕组自耦变的特点\h2.9.2高压侧或中压侧系统接地故障时的零序电流\h2.9.3保护配置的特点\h2.9.4设计自耦变保护时应注意的问题\h2.9.5零序方向保护动作方向的整定\h2.10非电量保护\h2.10.1瓦斯保护\h2.10.2压力保护\h2.10.3温度及油位保护\h2.10.4冷却器全停保护\h2.11功率方向元件动作方向正确性检查\h2.11.1基本概念\h2.11.2功率方向元件动作方向的试验检查方法\h2.11.3功率方向元件动作方向正确性检查试验举例\h2.11.4安全措施\h第3章母线保护\h3.1基本概念\h3.1.1母线的接线方式\h3.1.2母线的故障\h3.1.3母线保护\h3.2母线差动保护\h3.2.1母差保护的分类\h3.2.2母差保护对电流互感器的要求\h3.2.3母差保护与其他保护及自动装置的配合\h3.2.4微机电流型母线差动保护\h3.2.5中阻抗母差保护\h3.2.6高阻抗母差保护\h3.2.7提高母线差动保护动作可靠性措施\h3.3母联过流及充电保护\h3.3.1母联过流保护\h3.3.2充电保护\h3.4母联断路器失灵保护及死区保护\h3.4.1母联断路器失灵保护\h3.4.2死区保护\h3.5断路器非全相运行保护\h3.5.1母联断路器非全相运行保护\h3.5.2发电机变压器断路器非全相运行保护\h3.6断路器失灵保护\h3.6.1断路器失灵\h3.6.2断路器失灵保护\h3.7母线保护的整定计算\h3.7.1母差保护的整定计算\h3.7.2断路器失灵保护\h3.7.3其他保护的整定\h第4章高压电动机保护\h4.1基本概念\h4.1.1电动机\h4.1.2异步电动机的转差及等值网路\h4.1.3三相异步电动机的转速、启动电流和电磁转矩\h4.1.4电动机的故障及不正常运行方式\h4.1.5电动机保护的配置\h4.1.6二相式正序及负序电流过滤器\h4.2电动机的纵差保护\h4.2.1保护的交流接入回路\h4.2.2差动元件的动作方程及动作特性\h4.2.3差动元件定值的整定\h4.2.4计算实例\h4.2.5提高电动机纵差保护动作可靠性问题\h4.3电动机的电流速断或延时速断保护\h4.3.1交流接入回路\h4.3.2逻辑框图\h4.3.3定值的整定\h4.4其他电流保护\h4.4.1过负荷及过电流保护\h4.4.2负序过电流\h4.5单相接地保护\h4.5.1接地保护的构成及测量原理\h4.5.2逻辑框图及整定计算\h4.5.3提高保护动作可靠性措施\h4.6电动机的其他保护\h4.6.1电动机过热保护\h4.6.2电动机堵转保护\h4.6.3电动机低电压保护\h第5章厂用低压变压器保护\h5.1基本概念\h5.1.1厂用低压变压器\h5.1.2变压器低压侧单相接地时高压侧的电流\h5.1.3厂低变保护的配置\h5.1.4采用FC供电时高压侧熔断器容量及其熔件熔断特性的选择\h5.1.5厂低变高压侧中性点的接地方式\h5.2过电流保护\h5.2.1电流速断保护\h5.2.2厂低变的过电流保护\h5.3过负荷及负序过电流保护\h5.3.1过负荷保护\h5.3.2负序过电流保护\h5.4厂低变的接地保护\h5.4.1交流接入回路\h5.4.2定值的整定\h第6章发电厂短路电流简化计算及600MW机组保护整定计算\h6.1概述\h6.1.1阻抗换算及绘制出计算系统的阻抗图\h6.1.2简化阻抗标么值图\h6.1.3求出总短路电流\h6.1.4求出各支路的短路电流，并换算成有名值\h6.2阻抗标么值的换算\h6.2.1基准值的选取\h6.2.2标么值的换算\h6.3等值网路的化简\h6.3.1三角形和星形的等值变换\h6.3.2有电动势源支路并联的等值变换\h6.3.3电流的分布系数\h6.4不对称短路时的序网图\h6.4.1两相短路\h6.4.2单相接地短路\h6.4.3两相接地短路\h6.4.4三相对称电路\h6.5短路电流的计算\h6.5.1几点假设\h6.5.2三相对称短路电流的实用计算\h6.5.3两相短路时的短路电流\h6.5.4单相接地短路电流\h6.5.5两相接地短路\h6.6短路电流的计算实例\h6.6.1计算说明\h6.6.2计算例（一）\h6.6.3计算例（二）\h6.6.4计算例（三）\h6.7主设备保护整定计算\h6.7.1整定计算中的系数\h6.7.2整定值配合的基本原则\h6.7.3电流互感器二次电流\h6.7.4二次阻抗的换算\h6.7.5关于各保护的出口方式\h6.8600MW发电机组保护整定计算实例\h6.8.1有关原始参数\h6.8.2短路电流计算结果表\h6.8.3保护用TV、TA变比\h6.8.4保护的配置\h6.8.5纵差保护的整定计算\h6.8.6发电机定子匝间保护\h6.8.7短路故障的后备保护\h6.8.8发电机对称过负荷保护及过电流保护\h6.8.9发电机不对称过负荷及过电流保护\h6.8.10励磁变过电流保护\h6.8.11发电机、变压器过激磁保护及过电压保护\h6.8.12变压器零序电流保护\h6.8.13厂用变压器低压侧分支过流保护\h6.8.14发电机定子接地保护的整定计算\h6.8.15发电机失磁保护\h6.8.16发电机失步保护\h6.8.17逆功率保护\h6.8.18误上电保护\h第7章互感器\h7.1概述\h7.1.1互感器\h7.1.2对互感器的要求\h7.2电流互感器\h7.2.1构成及工作特点\h7.2.2额定参数\h7.2.3常用保护的电流互感器二次回路的接线方式\h7.2.4电流互感器的二次负载阻抗\h7.2.5P级及TP级电流互感器\h7.2.6电流互感器的误差\h7.2.7电流互感器的饱和\h7.2.8电流互感器的暂态特性\h7.2.9电流互感器的其他问题\h7.2.10电子式互感器\h7.2.11保护用电流互感器的安装位置\h7.3电压互感器\h7.3.1构成及工作特点\h7.3.2额定参数\h7.3.3电压互感器的类型\h7.3.4常用电压互感器二次回路的接线方式及电压相量图\h7.3.5电压互感器断线\h7.3.6熔断器及快速开关\h7.3.7电压互感器二次回路的切换与联络\h7.3.8电容式电压互感器\h7.3.9电压互感器的其他问题\h7.4电流—电压变换器\h7.4.1辅助电流互感器\h7.4.2电抗互感器\h7.4.3电抗互感器与辅助电流互感器特性的比较\h第8章提高主设备保护动作可靠性问题\h8.1基本问题\h8.1.1继电保护\h8.1.2影响保护动作可靠性的因素\h8.1.3确保保护装置质量良好\h8.1.4确保保护输入回路（即TV及TA二次回路）正确\h8.1.5传动试验\h8.1.6启动试验\h8.1.7打印定值清单\h8.1.8并网后的试验及测量\h8.2提高主设备纵差动保护的动作可靠性\h8.2.1保护误动作案例\h8.2.2提高主设备纵差保护动作可靠性的措施\h8.3提高发电机定子匝间保护可靠性\h8.3.1历史的回顾\h8.3.2保护误动作案例\h8.3.3提高动作可靠性措施\h8.4提高基波零序电压式定子接地保护动作的可靠性\h8.4.1保护误动作案例\h8.4.2提高动作可靠性措施\h8.5提高三次谐波电压式定子接地保护的可靠性\h8.5.1历史回顾\h8.5.2保护误动作案例\h8.5.3提高3ω定子接地保护动作可靠性措施\h8.6发电机失磁保护\h8.6.1保护动作案例\h8.6.2提高动作可靠性措施\h8.7发电机过激磁保护\h8.7.1保护动作案例\h8.7.2提高动作可靠性措施\h8.8转子接地保护\h8.8.1发电机转子一点接地保护动作案例\h8.8.2转子两点接地保护动作案例\h8.9电厂全厂停电事故原因的调查和分析\h8.9.1系统运行方式\h8.9.2事故情况简介\h8.9.3事故情况调查\h8.9.4事故扩大的原因分析\h8.9.5对策建议\h8.10断路器的偷跳问题\h8.10.1问题的提出\h8.10.2断路器偷跳案例\h8.10.3防断路器偷跳对策\h第9章直流系统\h9.1直流系统的构成及对其的要求\h9.1.1直流系统的构成\h9.1.2对直流系统的基本要求\h9.2直流系统的绝缘检测\h9.2.1直流系统接地的危害\h9.2.2直流绝缘检测装置\h9.2.3对直流绝缘监测装置的要求\h9.3直流系统接地位置的检查\h9.3.1接地所在馈线回路的确定\h9.3.2接地点的确定及消除\h9.4直流系统的其他问题\h9.4.1继电保护及控制回路等对直流馈线的要求\h9.4.2空气开关、熔断器及快速开关的选择\h9.4.3关于直流回路输出线不能与交流回路共用一条电缆问题\h第10章厂用电源快速切换装置\h10.1基本概念\h10.1.1厂用电系统\h10.1.2厂用电源的切换\h10.1.3实现备用电源自投需解决的几个问题\h10.1.4过去备用自投装置存在的问题\h10.1.5厂用电源快切装置\h10.2快切装置的构成及基本功能\h10.2.1启动元件的启动方式\h10.2.2闭锁元件\h10.2.3切换元件\h10.3对厂用系统及某些继电保护的要求\h10.3.1对断路器固有动作时间的要求\h10.3.2对机组容量及厂用负荷状况的要求\h10.3.3对某些厂用保护功能的要求\h10.4切换方式\h10.5整定计算\h10.5.1电压元件的动作电压\h10.5.2频差及相角差的整定\h10.5.3捕捉同期导前时间及导前相角的整定第1章发电机保护1.1基本概念1.1.1发电机发电机的作用是将汽轮机、水轮机或燃汽轮机输出的机械能变换成电能。1.1.1.1主要构成发电机主要由定子和转子两部分构成，旋转的转子，静止的定子。在定子与转子间留有适当的间隙，通常将该间隙称作为气隙。发电机的定子由圆筒形的铁芯和绕组两大部分构成。定子铁芯由电工钢片锻压而成。发电机的转子由圆柱形铁芯、磁极及单相绕组构成。转子上的极对数为1的三相交流同步发电机的结构示意图如图1-1所示。在定子铁芯的内环上设置有槽，每个定子槽分上槽和下槽，上槽及下槽中分别设置有一根线棒。线棒多为铜管子，其外层包着一层较厚的绝缘。将不同的线棒按一定规律连接起来组成定子绕组。每台发电机的定子绕组为三相对称式绕组，如图1-1所示中的a-x、b-y、c-z。所谓三相对称绕组是指三个绕组（即a-x、b-y、c-z）的匝数相等，其空间分布相对位置相距120°。在定子铁芯的上槽与下槽之间设置有屏蔽层，屏蔽层直接接地。在转子铁芯上有磁极及槽，槽内设置有转子绕组，有的转子绕组也是铜管子。绕组绕在磁极上。（如图1-1所示中的w-j）。为提高发电机的单机容量及降低铁芯及绕组的温度，各种发电机均设置有冷却系统。小型发电机一般采用空气冷却方式，也有采用氢冷方式；对于大型汽轮发电机，通常采用水内冷及氢冷方式。目前，大型汽轮发电机的定子均采用水内冷方式，即定子绕组管内通冷却水。图1-1三相同步交流发电机结构示意图图1-2发电机电气接线图1—转子绕组；2—定子三相绕组（每相定子绕组有多分支的）1.1.1.2作用原理发电机电气接线图如图1-2所示。在转子绕组中（图1-1中的w-j）通入直流，产生一恒定磁场（其两极极性分别为N-S）。发电机转子由汽轮机或水轮机拖着旋转，恒定磁场变成旋转磁场（通常称之气隙磁场）。转子旋转磁场切割定子绕组，必将在定子绕组产生感应电势。由于转子磁场在气隙中按正弦分布，而转子以恒定速度旋转，从而使定子绕组中的感应电势按正弦波规律变化。发电机的作用原理，实质上是两种旋转磁场的相互作用。1.转子旋转磁场在同步发电机转子上装设有转子绕组，通入直流后产生直流激磁的磁场，当转子旋转时，在气隙形成旋转磁场。该旋转磁场与转子无相对运动。气隙旋转磁场的转速与转子的转速相同。发电机正常运行时，转速为同步速。转子旋转磁场切割三相对称的定子绕组，在绕组中产生三相对称电势，所谓三相对称电势，是指三相电势大小相等，其相位依次顺时针相差120°。2.定子旋转磁场发电机并网后，产生三相对称电流。发电机定子三相对称电流流过三相对称绕组时，将在气隙中产生旋转磁场。该旋转磁场由三相交流产生，故称交流激磁的旋转磁场，也叫定子旋转磁场。发电机正常运行时，两种旋转磁场的转速均等于同步速，它们之间无相对运动。又因为转子的转速也等于同步速，因此，定子旋转磁场与转子之间无相对运动。发电机的工作原理，实质是指转子磁场紧拉着定子磁场旋转转动，而将原动机机械功率变成电磁功率，传送给系统。1.1.1.3发电机的额定转速转子磁场旋转时，每转过一对磁极，定子绕组中的电势便历经一个周期。因此，定子绕组中电势的频率可由每秒钟转过磁极的极对数来表示。设发电机的极对数（即一个N、一个S）为P，每分钟的转速为n。汽轮发电机的极对数P=1，当电网的频率f=50Hz时，n=3000r/min。对于水轮发电机，其极对数较多，故允许其转速转低。当P=4时，水轮机的转速n=750r/min；当极对数P=24时，其转速为125r/min。1.1.1.4发电机的冷却方式根据冷却介质流通的路途，同步发电机的冷却方式，可分为外冷式及内冷式两种。外冷式又称之表面冷却方式，其冷却介质有空气及氢气两种；内冷式称之直接冷却方式，其冷却介质有氢气及水两种。当采用水冷却方式时，绕组为空心铜制绕组，冷却水直接由绕组内流通。目前，大型汽轮发电机定子绕组的冷却方式，多采用水冷方式。有些发电机的转子绕组也采用水内冷方式。将转子绕组及定子绕组均由水内冷冷却的发电机，称之双水内冷发电机。1.1.1.5发电机的铭牌参数1.额定参数（1）额定电压（相间电压），通常单位为kV。（2）额定电流，通常单位为A。（3）额定容量，通常单位为MW。（4）额定功率因数，通常单位为cosφN。（5）转子额定电流及额定电压。2.发电机的阻抗若不计电阻分量，发电机的阻抗有同步电抗、暂态电抗、次暂态电抗、负序电抗和零序电抗。（1）同步电抗。发电机的同步电抗也称正序电抗。正常运行时发电机的电抗，称之同步电抗。（2）负序电抗。发电机不对称运行时，负序电流产生负序旋转磁场，负序旋转磁场以两倍同步转速切割转子绕组。负序电抗等于机端负序电压与定子绕组中负序电流的基波分量之比。（3）零序电抗。零序电抗具有漏抗的性质，其大小决定于零序电流产生的漏磁通。（4）暂态电抗。当定子电流突然变化时，在转子绕组中产生感应电势（像变压器一样），在转子回路中产生感应电流。该电流的作用使定子电抗减小，将减小后的电抗称之为暂态电抗。（5）次暂态电抗。当转子上有阻尼绕组时，若定子电流突然变化，由于阻尼绕组回路的磁通不能突变，致使磁路的磁阻很大，相应的电抗更小，将此时的电抗称之为次暂态电抗。1.1.1.6发电机中性点的接地方式目前，国内外运行的发电机中性点的接地方式有三种：（1）中性点不接地或经单相TV接地。（2）经消弧线圈接地。（3）经配电变压器接地。1.1.2发电机的故障及不正常运行方式1.1.2.1发电机的故障1.定子绕组的故障定子绕组的故障主要有：①相间短路（二相短路、三相短路）；②接地故障：单相接地、两相接地短路故障；③匝间短路（同分支绕组匝间短路，同相不同分支绕组之间的短路）。2.转子绕组的故障转子绕组的故障主要有：转子绕组一点接地及两点接地，部分转子绕组匝间短路。1.1.2.2发电机异常运行方式发电机不正常运行方式主要有：定子绕组过负荷，转子绕组过负荷，发电机过电压；发电机过激磁，发电机误上电、逆功率、频率异常、失磁、发电机断水及非全相运行等。1.1.3发电机保护的配置发电机定子绕组或输出端部发生相间短路故障或相间接地短路故障，将产生很大的短路电流，大电流产生的热、电动力或电弧可能烧坏发电机线圈、定子铁芯及破坏发电机结构。转子绕组两点接地或匝间短路，将破坏气隙磁场的均匀性，引起发电机剧烈振动而损坏发电机；另外，还可能烧伤转子及损坏其他励磁装置。发电机异常运行也很危险。发电机过电压、过电流及过激磁运行可能损坏定子绕组；大型发电机失磁运行除对发电机不利之外，还可能破坏电力系统的稳定性。在其他异常工况下，长期运行也会危及发电机的安全。为确保发电机安全经常运行，必需配置完善的保护系统。1.1.3.1短路故障的主保护发电机内部短路故障的主保护有：纵差保护、横差保护（单元件横差及三元件横差保护），发电机定子绕组匝间保护（纵向零序电压匝间保护及负序功率方向保护），转子两点接地保护，励磁机纵差保护等。1.1.3.2短路故障的后备保护发电机短路故障的后备保护主要有：复压闭锁过流保护；对称过流及过负荷保护；不对称过流及过负荷保护及负序过电流保护；转子过流及过负荷保护；带记忆的低压闭锁过流保护。1.1.3.3其他故障保护发电机单相接地保护，发电机失磁保护。1.1.3.4发电机异常运行保护发电机异常运行保护有：发电机过电压保护；发电机过激磁保护；逆功率保护；转子一点接地保护；定子过负荷保护、非全相运行保护、大型发电机失步保护、频率异常保护等。1.1.3.5开关量保护开关量保护主要有发电机断水保护等。1.1.3.6临时性保护临时性保护是指发电机正常运行时应退出的保护。其中，有发电机误上电保护及发电机启、停机保护等。1.2发电机纵差保护发电机纵差保护，是发电机相间故障的主保护。其构成原理是克希荷夫第一定律，在正常工况或外部故障时，发电机中性点的电流等于机端电流。即式中N——中性点电流；——机端电流。1.2.1交流接入回路发电机纵差保护的接入电流，分别取发电机机端及中性点TA二次三相电流。在出口采用循环闭锁的差动保护装置中，尚需接入机端TV二次三相电压。1.2.2纵差保护的分类1.2.2.1按输入电流的不同分类发电机差动保护由三个分相差动元件构成。若按由差动元件两侧输入电流的不同进行分类，可以分成完全纵差保护和不完全保护两类。其交流接入回路分别如图1-3（a）和图1-3（b）所示。图1-3发电机纵差保护的交流接入回路Ka、Kb、Kc—发电机A、B、C三相的差动元件；TAan、TAbn、TAcn、TAas、TAbs、TAcs—发电机中性点及机端TA；A、B、C—发电机三相二次输出端子由图1-3可以看出，发电机完全纵差保护与不完全纵差保护的区别是：对于完全纵差保护，由发电机中性点侧，输入到差动元件的电流为每相的全电流；而不完全差动保护，由中性点输入到差动元件的电流为每相定子绕组某一分支或某几分支的电流。1.2.2.2按制动方式分类为确保区外故障时纵差保护可靠不动作，在差动元件中设置有制动量。按制动方式分类，差动保护可分为比率制动式和标积制动方式。1.2.2.3按出口方式分类目前，发电机纵差保护均采用由三个差动元件构成的分相差动保护。由于发电机电压系统是小电流接地系统（单相接地故障电流很小），故保护的出口既可以采用单相出口方式，也可以采用循环闭锁出口方式。所谓循环闭锁出口方式，是指在三个相差动元件中，只有两个或三个元件动作后，保护才作用于出口。另外，为防止由于发电机两相接地（一个接地点在差动保护区内；另一个接地点在差动保护区外）而造成两相短路时差动保护拒绝出口，一般采用由负序电压元件去解除循环闭锁措施。此时，当负序电压元件动作之后，只要有一相差动元件动作，保护就作用于出口。另外，采用两相差动元件保护出口，可防止差动TA二次出口一相接地或二次断线时致使差动保护误动。1.2.3动作方程目前，在国内生产及广泛应用的发电机差动保护装置，为提高区内故障时的动作灵敏度及确保区外故障时可靠不动作，一般采用具有二段折线式动作特性的差动元件。其动作方程为式中Id——差动电流，完全纵差：Id=，不完全纵差：Id=Ires——制动电流，完全纵差：Ires=，标积制动式完全纵差时：Ires=，不完全纵差：Ires=，标积制动式不完全纵差时：Ires=S——比率制动系数；Ires.0——拐点电流，开始起制动作时的最小制动电流；Iop.0——初始动作电流（也称启动电流或最小动作电流）；N、S——中性点及机端差动TA的二次电流；K——由中性点流过差动TA的电流与中性点全电流的比值；φ——之间的相位差。1.2.4动作特性具有两段折线式发电机纵差保护的动作特性如图1-4所示。其中，Iop.0为最小动作电流；Ires.0为拐点电流；Id为动作电流（差电流）；Ires为制动电流；S为比率制动系数，S=tanα。由图1-4可以看出：纵差保护的动作特性由两部分组成，即无制动部分和有制动部分。这种动作特性的优点是：在区内故障电流小时，它具有很高的动作灵敏度；在区外故障时，它具有较强的躲过暂态不平衡电流的能力。图1-4发电机纵差保护动作特性某些厂家生产的发电机差动保护的动作特性，采用所谓变斜率（变制动系数）的动作特性（即在拐点之前制动电流就出现制动作用，从而使动作电流不为常量），实际上是多段折线式的动作特性。数十年的运行实践表明，只要对各参数（Iop、Ires及S）进行合理的整定，图1-4所示的动作特性完全可以满足发电机对差动保护动作可靠性及动作灵敏度的要求。1.2.5逻辑框图发电机纵差保护的出口方式：有单相出口方式及循环闭锁出口方式两种，其逻辑框图分别如图1-5所示。图1-5发电机纵差保护逻辑框图（a）单相出口方式；（b）循环闭锁出口方式由图1-5（a）可以看出：当采用单相出口方式时，只要有一相差动元件动作，保护即作用于出口。由图1-5（b）可以看出：当采用循环闭锁出口方式时，只有两相差动元件动作后，才能作用于出口；但是，当出现负序电压时，只要有一相差动元件动作，保护即作用于出口。另外，采用负序电压解除循环闭锁的另一个优点是：当发电机内部两相短路时，即是只有一个差动元件动作，也能可靠切除发电机。1.2.6整定值的整定原则及取值建议由图1-4纵差保护的动作特性可以看出，对其定值的整定，主要是确定其构成三要素，即比率制动系数S，最小动作电流Iop.0和拐点电流Ires.0。1.2.6.1最小动作电流Iop.0最小动作电流也称为启动电流或初始动作电流。对于动作特性为两段或多段折线式的纵差保护，最小动作电流实质是无制动时的动作电流。对Iop.0的整定原则是：能躲过正常工况下的最大不平衡电流。可按下式进行整定式中Krel——可靠系数，通常取1.5～2；K1——TA变比误差，10P级互感器误差为0.03，故K1可取0.06（考虑两侧TA正、负误差）；K2——保护装置通道传输变换及调整误差，由于每个差动元件有二路通道，故可取2×0.05=0.1；IN——发电机额定电流，TA二次值。将以上各值代入式（1-2）可得Iop.0=（0.24～0.32）IN，Iop.0一般取0.3IN。对于不完全纵差保护，尚应考虑每相分支电流的不平衡，故还应适当提高定值。1.2.6.2拐点电流Ires.0理论上分析，外部故障时短路电流总比发电机的额定电流大，因此其纵差保护的拐点电流应大于或等于其额定电流。但是，由于差动保护的初始动作电流是按照躲过发电机正常工况下的不平衡电流来整定的，未考虑暂态过程的影响，故在外部故障切除后的暂态过程中，若无制动作用，则差动保护有可能不正确动作。在外部故障切除后的暂态过程中，由于差动两侧TA二次的暂态特性不能完全相同，致使差动两侧电流之间的相位发生变化，从而使不平衡电流增大。此时，若拐点电流Ires.0过大，由于外部故障切除后发电机电流小于额定值而无制作用可能致使差动保护误动。为防止区外故障切除瞬间差动保护误动，应使拐点电流适当减小。运行实践表明，Ires.0取（0.6～0.8）IN是适宜的。1.2.6.3比率制动系数S比率制动系数的取值原则，应按差动元件躲过发电机外部三相短路时产生的最大不平衡电流来整定。区外三相短路时，差动元件可能产生的最大不平衡电流为式中Iunb——最大不平衡电流，即最大差流；——出口三相最大短路电流；K1——TA误差，按10%取；K2——通道的变换及传输误差，取0.1；K3——两侧TA暂态特性不一产生的误差，取0.1。将各值代入式（1-3）得为使出口三相短时差动元件不误动，则差动元件动作特性的斜率为式中Krel——可靠系数，取1.3～1.4。代入式（1-4）得S=0.39～0.42，建议取0.4。对于不完全纵差保护，当两侧差动TA型号不同时，可取S=0.5。1.2.6.4解除循环闭锁的负序电压元件定值通常U2=8～10V，当定值清单中的负序电压为相间负序电压（即线电压）时，U2=1.2.7对各类发电机纵差保护的评价各种类型的发电机纵差保护均有自身的特点。1.2.7.1完全纵差保护发电机完全纵差保护，是发电机相间故障的主保护。由于差动元件两侧TA的型号、变比完全相同，受其暂态特性的影响相对较小，其动作灵敏度也较高。但不能反应定子绕组的匝间短路及定子线棒开焊。1.2.7.2不完全纵差保护发电机不完全纵差保护，除能保护定子绕组的相间短路之外，尚能反映定子线棒开焊及定子绕组某些匝间短路。但是，由于在中性点侧只引入定子绕组的一分支或几分支的电流，故在整定计算时，尚应考虑各分支电流不相等时产生的差流。另外，当差动元件两侧TA型号不同及变比不同时，受系统暂态过程的影响较大。1.2.7.3比率制动式与标积制动式比率制动式与标积制动式两者均能有效躲过区外故障，其动作特性也完全相同。当区外故障时，标积制动方式纵差保护与比率制动式纵差保护工况完全相同。不同的是标积制动式纵差保护的制动电流反映两侧电流之间的相位较敏感，故在内部故障时标积制动式纵差保护灵敏度更高（因制动量可能为零或负值）。1.3发电机横差保护发电机横差保护适用于定子绕组为多分支的发电机，当发电机某相定子绕组的某一分支发生匝间短路或某相两分支之间在不同匝数处发生短路时，环流很大，可能出现电弧，烧坏发电机。因此，当定子绕组发生匝间短路时，横差保护应立即动作切除发电机。1.3.1横差保护的分类根据交流回路引入电流及保护中含差动元件的数量不同，发电机横差保护可分为单元件横差和三元件横差。三元件横差又称裂相横差。1.3.2单元件横差保护单元件横差保护，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。1.3.2.1交流接入回路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。以定子绕组为每相两分支的发电机为例，其交流接入回路如图1-6所示。1.3.2.2保护的构成原理及动作方程发电机正常运行时，由于气隙磁场均匀及各相各分支定子绕组对称及相同，在各相各分支定子绕组感应电势相同及对称，从而使定子绕组的两个中性点之间的电位相等（对于基波而言），因此，接在两个中性点之间的TA一次无电流（无基波电流），保护不动作。图1-6单元件横差保护的交流接入回路当发电机定子绕组的某一分支，或某相两分支之间发生匝间短路时，由于各相绕组之间的对称被破坏，使发电机两个中性点之间出现电位差，故TA一次流过电流，保护动作。单元件横差保护，实质上是由一个过电流元件构成。其动作方程为式中I——中性点TA二次电流；Iop——横差保护动作电流整定值。1.3.2.3逻辑框图横差保护是发电机内部短路的主保护，应无延时动作。但考虑到在转子两点接地短路时发电机气隙磁场畸变可能致使该保护误动，故在转子一点接地保护动作后，应使横差保护带一个小延时动作，以躲过转子两点接地时误动。保护动作逻辑框图如图1-7所示。图1-7单元件横差保护逻辑框图应该说明的是，该TA二次电流中有三次谐波电流，因此，在单元件横差保护中，设置有三次谐波过滤器。1.3.2.4定值的整定对单元件横差保护的整定，主要是确定动作电流及动作延时。1.动作电流的整定目前，在单元件横差保护中，设置有三次谐波滤过器。因此，其动作电流的整定应躲过系统发生不对称短路或发电机失磁失步运行时由于转子偏心产生的最大不平衡电流，即式中Krel——可靠系数，取1.5～2；K1——额定工况下，由于不同分支绕组参数的差异使两中性点电位不同产生的不平衡电流，最大取0.05IN；K2——正常工况下气隙不均匀产生的不平衡电流，取0.05IN；K3——异常工况下转子偏心产生的不平衡电流，取0.1IN；IN——发电机额定电流，TA二次值。将各参数代入式（1-6）得2.动作延时动作延时t1可取0.3～0.5s。1.3.3裂相横差保护1.3.3.1交流输入回路裂相横差保护由三个横差元件构成，每个差动元件两侧的输入电流分别为某相定子绕组不同两分支（或两分支组）的TA二次电流。以A相横差元件为例，其交流接入回路如图1-8所示。由图1-8可以看出：由于横差元件反应两组TA二次电流的相量差，且在正常工况下一次电流1=2，故在正常工况下差动元件的差电流为零。当定子绕组的某一分支匝间短路或两分支不同匝间短路时，图中的一次电流1≠2，故在差回路中产生差流，以保护动作。1.3.3.2逻辑框图在转子两点接地之后，为避免横差保护抢先动作，对于裂相横差保护应具有短动作延时。裂相横差保护的逻辑框图如图1-9所示。图1-8A相横差保护交流接入回路图1-9裂相横差保护逻辑框图1.3.3.3动作方程及动作特性图1-9中的横差元件，可以采用具有比率制动特性的差动元件，也可以采用像单元件横差那样的过电流元件。采用过电流元件时，其动作方程为式中Id——差回路中的差流；Iop——差动元件动作电流整定值。采用具有比率制动特性的差动元件时，其动作方程通常为两段折线式，即Iop.0——初始动作电流；S——比率制动系数；Ires.0——拐点电流；1、2（TA二次值）——某相定子绕组的两个不同分支（或组）电流。根据式（1-8））可以画出如图1-10所示的动作特性。在图1-10中：各种符号的物理意义同式（1-8）。1.3.3.4整定计算1.采用过电流元件时动作电流应按躲过发电机失磁时产生的最大不平衡差流来整定，即式中Krel——可靠系数，取1.5～2；K1——两侧TA的10%误差，取0.1；K2——通道传输及调整误差，取0.1；K3——发电机失磁时，由于转子偏心造成的误差取0.1；Imax——发电机失磁时的最大电流，一般为2.8IN。将以上各数据代入式（1-9），可得图1-10裂相横差保护的动作特性建议取（0.8～1）IN。2.采用具有比率制动特性的差动元件时对其定值的整定，主要是确定最小动作电流Iop.0，拐点电流Ires.0及比率制动系数S。（1）最小动作电流Iop.0。按躲过正常工况下产生的最大不平衡电流来整定，即式中Krel——可靠系数，取1.5～2；K1——两侧TA变比误差，取0.06；K2——气隙磁场不均匀产生的误差，取0.05；K3——保护装置通道传输及调整误差，取0.1。代入式（1-10）可得Iop.0=（0.15～0.2）IN，可取0.2IN。（2）拐点电流Ires.0。在额定工况下，保护的制动电流约为0.5IN，因此，拐点电流可取（0.3～0.4）IN（IN为发电机额定电流，TA二次值）。（3）比率制动系数S。比率制动系数S可取0.4～0.5。1.4纵向零序电压式发电机定子匝间保护发电机定子绕组发生匝间短路时，将出现纵向零序电压。而在正常工况或出现相间短路时，纵向零序电压等于零。所谓发电机的纵向零序电压，是指机端三相对中性点不平衡时产生的零序电压。而横向零序电压是三相对地不平衡时产生的零序电压。纵向零序电压式匝间保护是以纵向零序电压为判据构成的发电机匝间短路保护。1.4.1保护的交流接入回路纵向零序电压式匝间保护的接入电压，通常取自机端专用TV的开口三角形电压。对发电机专用TV的要求是：全绝缘式TV，其一次中性点不能接地，而应通过高压电缆与发电机中性点连接起来。所谓全绝缘电压互感器，是指其一次中性点部位的对地绝缘，与一次绕组其他部位对地的绝缘强度完全相同。所谓“羊角”TV就是全绝缘电压互感器。保护装置的交流接入回路如图1-11所示。在图1-11中：对保护接入专用TV二次电压的目的是用于TV断线闭锁。1.4.2逻辑框图图1-11纵向零序电压式匝间保护交流接入回路如图1-11可以看出，当专用TV一次断线时，其开口三角形也输出电压。为防止专用TV一次断线时匝间保护误动，引入TV断线闭锁。另外，为防止区外故障或其他原因（例如专用TV回路出现问题）产生的零序电压使保护误动，通常采用负序功率方向闭锁元件（也有采用负序功率增量方向元件闭锁的）。对于微机型保护装置，负序功率方向判据应采用允许式闭锁。该保护的逻辑框图如图1-12所示。其中，3U0为纵向零序电压元件；P2为负序功率方向元件；t为时间元件。图1-12发电机纵向零序电压式匝间保护逻辑框图对匝间保护引入一个短延时t的目的是：在专用TV一次断线或一次保险抖动时，确保断线闭锁元件能可靠闭锁保护出口。1.4.3专用TV断线闭锁元件匝间保护及3U0式定子接地保护的TV断线闭锁元件，在TV一次断线时应可靠动作，去闭锁保护的出口环节。在发电机匝间保护中，为防止TV一次断线时保护误动，断线闭锁元件通常采用比较两组TV二次电压大小及相位差的原理构成。国内已采用过的反应TV一次断线的TV断线闭锁装置，其构成原理有两种：一种是比较TV二次三相电压相量和；另一种是二次电压平衡原理。两种TV断线闭锁均作为匝间保护与3U0定子接地保护公用的闭锁元件。1.4.3.1比较TV二次电压三相电压相量和比较TV二次三相电压相量和的TV断线闭锁装置，是按对专用TV及普通TV二次三相电压的相量和进行绝对值比较的原理构成。其动作方程为式（1-11）表示专用TV一次断线；式（1-12）表示普通TV一次断线。当专用TV一次断线时闭锁匝间保护，而当普通TV一次断线时去闭锁定子接地保护。但是，由于专用TV一次中性点不接地，而普通TV一次中性点直接接地，当发电机定子绕组发生单相接地时，断线闭锁元件将误判普通TV断线，而将定子接地保护闭锁。因此，用式（1-12）作为定子接地保护的TV断线闭锁，将使保护拒动。1.4.3.2电压平衡式原理电压平衡式匝间保护用TV断线闭锁元件，是按比较两组TV二次同名相间电压、ab及bc的原理构成。其动作逻辑框图如图1-13所示。其中，ΔU为差压整定值；ΔUab、ΔUbc、ΔUca为专用TV与普通TV二次同名相间电压之差；为取ΔUab、ΔUbc、ΔUca中的最大者；U2为普通TV二次的负序电压。图1-13电压平衡式TV断线闭锁逻辑框图由图1-13可以看出：若ΔUab、ΔUbc及ΔUca三者中任一个大于ΔU时，判为TV一次断线；此时，如果普通TV二次无负序电压，则判为专用TV断线，若普通TV二次有负序电压，则被判为普通TV断线。专用TV断线时，闭锁匝间保护；普通TV断线时，闭锁3U0定子接地保护。分析表明：采用图1-13所示的TV断线闭锁判据，当发电机定子绕组一点接地时，断线闭锁装置不会误动。1.4.4负序功率方向负序功率方向元件的接入电压为机端普通TV二次三相电压，接入电流为机端TA二次三相电流。负序功率方向元件的作用，是防止区外故障及因任何原因使专用TV三次回路异常时匝间保护误动。为此，其动作方向应指向发电机内，当发电机输出负序功率（即发电机内部故障）时，允许保护动作。1.4.5定值整定对纵向零序电压式匝间保护的整定，主要是确定纵向零序电压元件的动作电压，断线闭锁元件的差压，负序电压元件的动作电压。1.4.5.1动作电压3U0动作电压3U0的整定原则是：能可靠躲过正常工况下由于发电机纵向不对称及TV一次或三次参数不一致产生的零序电压；另外，在定子绕组发生最少匝间短路时，保护应可靠动作。对于定子绕组为单Y连接的发电机（即定子绕组单分支），其整定值可适当增大。分析表明：对于上海电机厂生产的125MW双水内冷式汽轮发电机，3U0可取8V以上；而对于容量为200～300MW、定子绕组呈双Y形联结的汽轮发电机，可取3V左右。1.4.5.2TV断线闭锁压差ΔUTV断线闭锁压差ΔU的整定值，应确保专用TV一次断线时，其二次相间电压与普通TV同名相相间电压之差等于该整定值2～3倍。考虑到多卷式石英沙型TV一次保护熔断时，因两断点之间的距离很近而不能使TV断相的一次电压完全消失，故该差压可取6～8V。当有负序功率方向元件闭锁且采用允许式时，该差压可适当提高。1.4.5.3负序功率方向元件的动作方向为防止因专用TV三次回路异常或TV一次保险熔断不干脆使保护误动，负序功率方向元件的动作方向应指向机内，且闭锁方式采用允许式，即只有负序功率方向元件动作，才允许匝间保护作用于出口。1.4.5.4TV断线闭锁负序电压元件的动作电压负序电压元件的动作电压，应保证正常工况不误动且动作灵敏度高，通常取8V。1.4.6提高动作可靠性措施为确保纵向零序电压式匝间保护动作可靠性，除零序电压元件增加一动作小延时及设置负序功率方向元件之外，尚应保证专用TV二次及三次回路满足反措要求。在TV三次回路不应设置保险或隔离刀闸的辅助接点；在由TV端子箱引至保护装置的回路中，TV二次和三次回路严格分开。另外，专用TV一次中性点对地绝缘应高（采用全绝缘式TV，一次中性点通过高压电缆与发电机中性点联结起来），决不允许TV一次中性点接地。另外，对保护的输入电压应采取滤去三次谐波电压的措施。1.5定子接地保护发电机定子绕组单相接地，是发电机发生最多的故障。特别是水内冷式发电机，定子绕组冷却水回路堵塞或漏水，均可能致使绕组绝缘劣化进而引起接地。为了发电机安全运行，应设置定子接地保护。1.5.1发电机定子单相接地的危害设发电机定子绕组为每相单分支且中性点不接地。发电机定子绕组接线示意图及机端电压相量图如图1-14所示。图1-14定子绕组接线示意图及电压相量图（a）接线方式；（b）相量图；（c）接地后相量图设A相定子绕组发生接地故障，接地点距中性点的电气距离为α（机端接地时α=1）。此时，相当于在接地点叠加一个零序电压。由图1-14（b）可以看出：当发电机定子绕组不接地时，中性点电位为零电位，而当A相绕组接地时，在接地点电位为零而中性点电位升高。此时B相及C相对地电压，由相电压升高到另一值，当机端A相接地时，B、C两相的对地电压由相电压升高到线电压（升高到倍的相电压）。另外，发电机定子绕组及机端连接元件（包括主变低压侧及厂高变高压侧）对地有分布电容。零序电压通过分布电容向故障点供给电流。此时，如果发电机中性点经某一电阻接地，则发电机零序电压通过电阻也为接地点供给电流。发电机定子绕组单相接地的危害是非接地相对地电压的升高，将危及对地绝缘，当非故障相原来绝缘较弱时，可能造成非接地相相继发生接地故障，从而造成相间接地短路，损害发电机；另外，流过接地点的电流具有电弧性质（因为定子绕组导电体不可能直接接地），可能烧伤定子铁芯。定子铁芯为硅钢片锻压而成，制造工艺复杂。如果定子铁芯被烧伤，其修复很困难。分析表明：接地点距发电机中性点越远，接地运行对发电机的危害越大；反之越小。当发电机中性点附近接地时，若不再出现其他部位接地故障，不会危害发电机。1.5.2零序电压及安全接地电流设定子绕组A相接地，接地点距中性点的电气距离为α，则A相机端对地电压为（1-α）A。由图1-14（b）可以看出其他两相对地电压分别为B-αA及C-αA。因此，接地点的零序电压为由式（1-13）可以看出，定子绕组单相接地时，发电机系统的零序电压与接地点的位置有关。零序电压0与接地位置的关系曲线如图1-15所示。其中，UN为发电机相电压额定值；U0为单相接地时发电机系统的零序电压；α为接地点距中性点的电气距离，机端接地时，α=1。由图1-15可以看出：接地点距中性点越远，零序电压越高。机端接地时零序电压最大（等于发电机相电压）；中性点接地时，零序电压等于零。需要指出的是：定子绕组接地时的零序电压与接地点位置有关，但一旦接地点被固定，则零序电压在发电机电压系统中的分布是处处相等的。发电机单相接地时流过接地点的电流与发电机的接地方式有关。1.发电机中性点不接地或通过电压互感器接地此时，流过接地点的电流只有发电机定子绕组及所连接系统对地的电容电流。即图1-15零序电压与接地位置的关系当机端接地时，流过接地点的电流为式中3I0——流过接地点的电流；U0——接地点的零序电压；UN——发电机额定电压，kV；C——发电机及所直接连接的电压系统每相对地电容之和，μF。2.当发电机中性点经消弧线圈接地时发电机中性点经消弧线圈接地的目的，是补偿定子绕组单相接地时流过故障点的电容电流。发电机中性点经消弧线圈补偿电容电流的补偿方式，通常采用欠补偿，即只补偿一部分电容电流。设消弧线圈的补偿系数为0.8。则定子绕组单相接地时，流过故障点的电流为式中，各符号的物理意义同式（1-14）。3.发电机中性点经配电变压器接地。所谓配电变压器，即二次并联一小电阻的变压器。变压器的一次接在发电机中性点与大地之间。设配电变压器的变比为n，则将变压器二次电阻折算到一次侧为式中R1——折算到一次侧的电阻值；R2——变压器二次并联的电阻。定子绕组接地时流过接地点的电流式中，各符号的物理意义同式（1-14）及式（1-16）。所谓发电机的安全接地电流，是指长期流过接地点而不损坏发电机定子铁芯的最大电流。对于不同电压等级及不同容量的发电机，其安全接地电流不同。发电机电压越高及容量越大，其安全接地电流越小。安全接地电流与发电机电压及容量的关系列于下表1-1。表1-1安全接地电流与发电机电压及容量的关系1.5.3发电机三次谐波电势及机端、中性点三次谐波电压各种类型发电机运行时，均会产生三次谐波电势。测量表明：在额定工况下，发电机的三次谐波电压可能超过其额定电压的5%。发电机定子绕组对地有分布电容。因此，在发电机定子绕组及对地分布电容构成的回路中，将流过三次谐波电流，从而在发电机端及中性点对地之间产生三次谐波电压。1.5.3.1发电机三次谐波电压的等值回路为简化分析，现作以假设：发电机定子绕组对地的分布电容沿发电机定子绕组均匀分布，其总电容为CG1；发电机出线及连接元件（厂高变高压侧，主变低压侧）对地总电容为CS；发电机的三次谐波电势为E3。若将电容CG分成两等分，其一置于机端，另一置于中性点，则发电机三次谐波电流流通的等值回路如图1-16所示。其中，E3为发电机的三次谐波电势；i3为三次谐波电流；CG为发电机的定子绕组对地总分布电容；CS为发电机出线及所连元件对地总电容。图1-16三次谐波电量的等级回路由图1-16中可以看出：三次谐波电势通过对地电容产生三次谐波电流，三次谐波电流在机端及中性点对地容抗上产生压降，从而形成机端三次谐波电压3ωS及中性点三次谐波电压3ωN。还可以看出，由于机端对地电容比中性点对地电容大，故在正常工况下U3ωS<U3ωN，而3ωS+3ωN≈3。机端三次谐波电压的大小可在机端TV开口三角形绕组两端测量；而中性点的三次谐波电压，可在中性点TV（或消弧线圈或配电变压器）二次进行测量。1.5.3.23、3ωS及3ωN的变化规律理论分析及测量表明，对于大多数发电机，其三次谐波电势随基波电势的增大而增大。在并网之前，机端及中性点的三次谐波电压随发电机电压升高而升高；在并网之后，对于汽轮发电机，机端及中性点三次谐波电压随有功的增大而增大；而对于水轮发电机则随着无功功率的增大而增大。测量表明，在从发电机零起升压到满负荷运行的全过程中，3ωS与3ωN之间的相位变化不大。1.5.3.3定子绕组接地时接地点位置对u3ωS及u3ωN的影响分析表明，发电机定子绕组发生接地故障时，对u3ωS及u3ωN之间相对大小及相对相位均有影响。接地点的位置不同，u3ωS及u3ωN之比不同。当机端接地时，u3ωS=0，而u3ωN最大；而中性点接地时，u3ωN=0，而u3ωS最大。u3ωS及u3ωN随接地点α的变化规律即u3ωS=f1（α）及u3ωN=f2（α）近似如图1-17所示。其中，E3为发电机三次谐波电势；u3ωS为机端三次谐波电压；u3ωN为中性点三次谐波电压。1.5.3.4机端连接元件时变化对u3ωS及u3ωN的影响机端连接元件对u3ωS及u3ωN的影响，主要是连接元件对地电容的影响。不同的连接元件，对地电容不同。连接元件对地电容越大，其影响越大。理论分析及测量结果表明：当发电机出口接有断路器且断路器两侧对地并有电容或断路器另一侧接多条电缆出线时，发电机并网后u3ωN增大而u3ωS减小。图1-17u3ωS及u3ωN的大小与接地位置α的关系1.5.4发电机定子接地保护统计表明，在发电机的各种故障中，定子接地故障占的比例很大。为确保发电机的安全，当出现定子绕组接地故障时，应即时发现并作相应的处理。这要靠定子接地保护。规程规定，对容量为100MW及以上的发电机，应装设100%定子接地保护（即没有死区的接地保护）。1.5.4.1定子接地保护的类别定子接地保护的种类很多。其中有零序电压式、零序电流式、三次谐波电压式、叠加直流式、叠加交流式等。有时称叠加电源式为注入式。1.5.4.2零序电流式定子接地保护目前，在国内机组上运行的零序电流式定子接地保护有两种。一种用于小机组；另一种用于大机组。零序电流式定子接地保护的构成原理是：当发电机定子单相接地时，流过接地点有零序电流。小机组零序电流式定子接地保护的原理构成接线图如图1-18所示。图1-18零序电流式定子接地保护构成示意图TA0—零序电流互感器，套在发电机三相出线上由图1-18可以看出，该型接地保护实际上由一接在零序TA二次的电流元件及时间元件构成。零序互感器TA0套在发电机三相出线上，其无变比，靠漏磁使一次零序电流（即电容电流）传递至二次的。该零序电流式定子接地保护的作用原理如下：发电机正常运行及内部或外部短路故障时，流经零序电流互感器的三相电流之和总是等于零，故该互感器二次不会感应电势及产生电流。保护不动作。当发电机内部发生单相接地故障时，在接地点出现零序电压。三相零序电压通过发电机外部对地的三相电容产生三相零序电流。由于三相零序电流大小相等、相位相同，流过零序电流互感器一次，故二次产生感应电势并输出电流，保护动作。当发电机外部接地故障时，流过零序电流互感器一次的电流为接地点的三相零序电压通过发电机定子绕组对地电容的电流。为使保护不动作，发电机外部系统的对地电容应比发电机对地电容大很多。该保护的优点是：构成简单及选择性强。其主要缺点是不适用发电机变压器组，而只适用于发电机机端出线电缆众多或与其他小机组直接并联运行且出线回路多的小型机组。另外，TA无变比，调整试验困难。该保护有死区。TA二次电流很小，抗干扰能力相对差。图1-19零序电流式定子接地保护构成示意图R—发电机中性点对地附加电阻，通常为1kΩ；TA-电流互感器用于大机组零序电流式定子接地保护的原理接线图如图1-19所示。当定子绕组接地，有电流流过中性点，电流元件动作，经延时作用于出口。该保护的优点是：构成简单。其缺点是：有死区，在中性点附近接地时不动作，不能满足大机组对接地保护的要求；另外，当发电机定子绕组接地时，流过接地点的电流既有电容电流还有电阻电流，从而增加了流过接地点的电流，对发电机很不利。1.5.4.3叠加电源式定子接地保护叠加电源式定子接地保护有两类：一种是叠加直流式；另一种是叠加低频交流式（例如叠加一12.5Hz的低频电压）。叠加电源式定子接地保护的优点是：动作灵敏度高（特别是叠加直流式）及无死区（100%定子接地保护）。缺点是构成复杂，需要一套外加电源。1.5.4.4零序电压式定子接地保护零序电压式定子接地保护的零序电压，可取自机端TV三次开口电压，也可取自发电机中性点TV二次（或消弧线圈或配电变压器二次）。当零序电压取自机端TV开口三角形时，其动作逻辑框图如图1-20所示。图1-20零序电压式定子接地保护逻辑框图图1-21零序电压式接地保护框图此时，为防止TV一次断线保护误动，应设置TV断线闭锁。当零序电压取机端发电机中性点TV（或消弧线圈或配电变压器）二次时，不需设置TV断线闭锁。其构成逻辑框图只要去掉图1-20中的“TV断线”就可以了。为了提高零序电压式定子接地保护的动作可靠性，在大型发电机上运行的保护装置，通常取上述两路零序电压构成“与门”逻辑。其逻辑框图如图1-21所示。其中，3U0为机端TV开口三角形电压；U0为中性点TV（或消弧线圈或配电变压器）二次电压。零序电压式定子接地保护的优点是简单可靠。其缺点是：（1）有死区，当发电机中性点附近发生接地故障时，保护不能动作。（2）选择性差，当发电机外部出线或与发电机母线有电联系的其他出线或机组发生接地故障时，该保护可能误动。因此，它只适用发电机-变压器组接线，而不适用几台发电机直接并联运行或发电机母线出线电缆很多的发电机。图1-22主变高压侧接地故障的影响（3）主变高压侧或厂变低压侧接地故障对保护有影响，具体见图1-22。主变高压侧接地故障时，接地点对地产生零序电压U0；变压器两侧之间有耦合电容C耦；发电机定子回路对地有电容CG。该零序电压加在C耦和CG的串联回路上，其在CG上的分压加至保护装置，可能致使保护误动。理论分析及运行实践表明：当发电机中性点经消弧线圈接地时，补偿度越大，影响越大。1.5.5双频式100%定子接地保护双频式定子接地保护，由两部分组成：一部分是基波零序电压式接地保护；另一部分是三次谐波电压式定子接地保护。基波零序电压式接地保护的保护范围是由机端向机内85%～90%的定子绕组接地。三次谐波式定子接地保护的保护范围决定于其构成方式。主要用于保护由发电机中性点向机内15%～20%左右的定子绕组接地。以下介绍三次谐波电压式接地保护。1.5.5.1交流接入回路双频式100%定子接地保护的交流接入回路如图1-23所示。图1-23双频式定子接地保护交流接入回路TV1—中性点电压互感器（或消弧线圈或配电变压器）；TV2—机端电压互感器分析表明：机端TV一次断线对三次谐波电压式及零序电压取自机端TV开口三角形的基波零序电压式接地保护有影响，因此，当机端TV一次断线时，保护要误动。故需设置专用的TV断线闭锁元件。1.5.5.2动作方程及逻辑框图目前，国内生产并广泛应用的3ω定子接地保护的构成方式有两种：其一是幅值比较式；另一是幅值相位比较式。1.动作方程所谓幅值比较式，是比较中性点三次谐波电压U3ωN与机端三次谐波电压U3ωS的幅值。其动作方程为式中K1——调平衡系数，当中性点TV（或消弧线圈或配电变压器）的变比为K3——制动系数；ΔU——浮动门坎电压；U3ωS——机端三次谐波电压；U3ωN——中性点三次谐波电压。幅值相位比较式，是同时比较中性点三次谐波电压U3ωN与机端三次谐波电压的大小及相位关系的接地保护。其动作方程为式中K1、K2——幅值、相位平衡系数；K3——制动系数；其他符号的物理意义同式（1-18）。2.逻辑框图三次谐波电压式定子接地保护的逻辑框图，如图1-24所示。1.5.6定子接地保护定值的整定1.5.6.1零序电压式定子接地保护的整定对零序电压式定子接地保护的整定：是确定零序电压元件的动作电压及时间元件的动作时间。零序电压元件动作电压整定原则：当保护装置中有性能良好的三次谐波滤过器时，应按躲过正常工况下TV开口或中性点TV二次可能出现的最大基波零序电压来整定，即图1-243ω定子接地保护逻辑框图式中U0op——零序电压元件动作电压定值；Krel——可靠系数，取1.5～2；U0.max——正常运行发电机出现的最大横向零序电压。影响U0.max的因素很多，主要有发电机三相电压系统对地不平衡，机端TV一次或三次的三相参数不一致，TV二次三相负载不均等。分析及计算表明：当发电机定子引出线不是封闭母线时，可取10～12V；当发电机母线为封闭时，可取8～10V。当主变高压侧发生接地短路故障时，高压侧的零序电压可通过变压器两侧的耦合电容传递至发电机系统。当定子接地保护不引入高压侧零序电压作为制动量时，其动作延时t，应按与主变高压侧接地故障保护的后备段相配合，即式中top——3U0定子接地保护动作延时；th0.max——主变高压侧零序保护后备段最长动作时间；Δt——时间级差，一般取0.3～0.5s。应当指出的是，基波零序电压定子接地保护的动作电压按8～10V或5～8V的整定是在特定条件下计算出的。该特定条件是：零序电压取自机端TV的开口三角形及机端TV的变比为实际上，在计算零序电压元件的动作电压时，多数考虑的是该保护的保护范围。例如，基波零序电压式定子接地保护在由机端向机内90%范围定子绕组接地故障应该动作。即死区为10%。当在由机端向机内90%定子绕组处接地故障时，一次零序电压应为当零序电压取自机端TV开口三角形电压且TV变比为时，零序电压元件的整定值为当零序电压取自中性点TV（或配电变压器或消弧线圈）二次时式中U0op——零序电压元件动作电压整定值；UN——发电机的额定电压，单位kV或V；KT——中性TV（或配电变压器或消弧线圈）变比。当KT=时，上述两整定电压值应相同，否则不相同。1.5.6.2零序电流定子接地保护定值的整定1.大机组定子接地保护（1）动作电流的整定值为式中UN——发电机额定电压，kV；R——中性点附加电阻，kΩ；I0op——动作电流整定值，A。（2）动作延时的整定值为2.小机组定子接地保护的整定（1）动作电流（一次值）的整定值为式中Krel——可靠系数，取2～3；UN——发电机额定电压，kV；C机——发电机定子绕组每相对地容抗，μF。（2）动作延时的整定值为1.5.6.3叠加电源式叠加电源式定子接地保护的整定值，主要是动作电阻及动作时间。分析表明，对发电机中性点不接地或经电压互感器或经消弧线圈接地的发电机，Rop取5～8kΩ是适宜的，而对经配电变压器接地的发电机Rset不宜大于1kΩ。动作延时，可整定为3～4s。1.5.6.43ω定子接地保护的整定对于3ω定子接地保护，应在发电机空载额定电压下调平衡及输入自动系数K3。当机端TV变比为中性点TV或消弧线圈的变比为时，K3汽轮机可取0.8左右；水轮机K3取0.2左右。当发电机中性点经配电变压器接地时，应在发电机由空载至满载全过程中，确保动作量大于等于两倍制动量的条件确定K3。动作延时应为6～9s，但不应小于5s。1.5.7提高双频式定子接地保护动作可靠性措施双频式定子接地保护，可以有效保护发电机定子绕组上任一点的接地故障，当发电机机端连接元件对地绝缘降低或接地时亦能反应。如果发电机引出线及所连元件露天安置时，雨天（特别是污尘严重地区）保护可能误动。此时，为提高保护的动作可靠性，在计算其整定值时，不宜整定得过于灵敏。三次谐波电势、中性点及机端三次谐波电压的大小和相位关系，与发电机类型、结构、运行方式及机端所接设备特点均有关。因此，应在发电机运行工况下对3ω定子接地保护进行调整及整定（最好在空载额定电压下或小负荷时进行整定及调整）。保护的输入回路应满足反措要求：机端TV三次回路中不应设置保险或隔离刀闸的辅助接点；TV三次回路与二次回路应在TV端子箱处分开，不应有公共回路；中性点TV（消弧线圈或配电变压器）二次不应设置保险及其他辅助接点，其二次回路中只能有一个接地点，且接地点在保护盘上；中性点TV一次不应装保险；机端TV三次回路不允许有多点接地现象。当3ω定子接地保护采用幅值相位比较式时，机端TV一次中性点及发电机中性点TV（或消弧线圈或配电站）的一次应可靠接地，机端TV一次中性点不允许经消谐器接地。当发电机中性点经消弧线圈或单相TV接地时，如果其一、二次之间的变比等于时，对于幅值、相位比较式3ω保护，其K1在0.9～1.1之间，K2一般小于0.1。K3不应大于1。对于发电机出口断路器两侧并有接地电容或发电机电压系统有电缆出线或扩大单元接线（两台机公用一台变压器）时，宜设置两套3ω保护，分别在不同工况下投入运行。为防止机端TV一次保险保险熔断特性不良致使零序电压