纵联差动保护原理

一、发机电相间短路的纵联差动保护

将发机电两侧变比和型号相同的电流互感器二次侧图示极性端纵向连接起来，差动继电

器KD接于其差回路中，当正常运行或者外部故障时，h与Q反向流入，KD的电

流

为।-2=1,-L,故KD不会动作。当在保护

nn12

TA1TA2

区内K2点故障时，11与I2同向流入，KD的电流为：

L大于KD的整定值时，即L-I=KKfI(3)/n

当

n1unbmaxstunpikmaxTA

TA

0,KD动作。这里需要指出的是：上面的讨论是在理想情况下进行的，实际上两侧的

电流互感器的特性（励磁特性、饱和特性）不可能彻底一致，误差也不一样，即nTA1KnTA2,

I

正常运行及外部故障时，k2

n

，总有一定量值的电流流入KD,此电流称为不平衡电流，用lunb表示。通常，在发机电正

常运行时，此电流很小，当外部故障时，由于短路电流的作用，TA的误差增大，再加之短

路电流中非周期分量的影峋，lunb增大，普通外部短路电流越大，lunb就可能越大，其最

大值可达：

I>I

brkb巾.min

I之K（l<I）+I

oporkbrk.minop.min

式中：Kst——同型系数，取05

Kunp一一非周期性分量影响系数，取为1〜15

fi一一TA的最大数值误差，取0.1。

为使KD在发机电正常运行及外部故障时不发生误动作，KD的动作值必须大于最大平衡

电流lunb.max,&Plop=Krellunb.max

（Krel为可靠系数，取1.3）。lunb.max越大，动作值lop就越大，这样就会使保护在发机电

内部故障的灵敏度降低。此时，若浮现较轻微的内部故障，或者内部经比较人的过渡电阻

Rg

短路时，保护不能动作。对于大、中型发机电，即使轻微故障也会造成严重后果。为了提高

保护的灵敏系数，有必要将差动保护的动作电流减小，要求最小动作电流lop.min=(0.1-0.3)IN

(IN为发机电额定电流)，而在任何外部故障时不误动作。显然，图7.1所示的差动保护整

定的动作电流已大于额定电流，无法满足这种要求。

具有比率制动特性的差动保护

保护的动作电流lop随着外部故障的短路电流而产生的lunb的增大而按比例的线性增大，

且比lunb增大的更快，使在任何情况下的外部故障时，保护不会误动作"这是把外部故障

的短路电流作为制动电流Ibrk,而把流入差动回路的电流作为动作电流lop。比较这两个量的

大小，只要OPeIbrk,保护动作；反之，保护不动作。其比率制动特性折线如图7.2所示。

动作条件：分两段

I>II<I

opop.minorkbrk.min

I之K(l<l)+lI>I

oporkbrk.minop.minb水brk.min

称为制动系数)。

在图7.3(a)中，选取W1=W2=0.5W3,DKB1、DKB2二次绕组匝数相同a。

I=1(L+I.)

制动电流：brk212

|=|-|

差动回路电流：0P；2

..I-1।

K

I=I=|=0+|)

当外部短路时，二产,制动电流为brk2,1,2%动作电

流

为,，保护不动作。

,,I

I.=I,=N

当正常运行时，则।20TA

1I

N

=-(1-+l)=n

1，2brk.min

brk2Q

IM

当Ibrk<lbrk.min,可以认为无制动作用，在此范围内有最小动作电流为lop.min,而此时

'op=，保护不动作。

I|生|I=丁（1+L）

当内部故障时，1’2反向且L产I，则咏2I2为

।=I.-I,=—।

0P

两侧短路电流之差，数值小，而।2nTA『大，保护能动作。

特殊是当时，lbrk=O,此时，只需lop.min(lop.min取0.2〜0.3)保护就

能动作，保护灵敏度大大:是高了。

L=0,1=1L,I=I.

当2brk21OP1,保护也能动作。

二、发机电定子绕组的横联差动电流保护

当发生任何一种定子绕组的匝间短路时，有一短路电流流进两中性点连线00'上，这是由

于A、B、C三相对中性点之间的电势平衡被破坏，则两中性点的电位不等之缘故。

利用流入两中性点连线的零序电流，构成单继电器式横联差动保护。即在两分支绕组的

中性点的连线上装•只电流互感器，保护就装在此电流互感器的二次侧。

当正常运行时，每一个并联分支的电势是相等的，三相电势是平衡的，则两中性点无电压差,

连线上无电流流过（或者惟独数值较小的不平衡电流），保护不会动作。当发生任何一种类

型的匝间短路时，两中性点的连线有零序电流通过，保护反应于这一电流而动作。这就是

发电

机横联差动保护的原理。

由于发电机电流波形即使是在正常运行时也不是纯挣的正弦波，特别是当外部故隙时，

波形畸变较严重，从而在中性点的连线上浮现以三次谐波为主的高次谐波分量，给保护的正

常工作造成影响，为此，保护装设了三次谐波滤过器，消除其影响，从而提高保护的灵敏度。

ARC

横联差动保护原理图

转子回路发生两点接地故障时，转子回路的磁势平衡被破坏，则在定子绕组并联分支中所感

应的电势小同，三相电势平衡被破坏，从而使并联分支中性点连线上通过较大的电流，造成

横差动保护误动作。若此两点接地故障是永久性的，则这种动作是允许的（最好是由转子两

点接地保护切除故障，这有利于查找故障），但若两点接地故障是瞬时性的，则这种动作瞬

时切除发机电是不允许的。因此，需增设0.5〜1s的延时，以躲过瞬时两点接地故障。也就

是当浮现转子一点接地时，即将切换至延时回路，为转子永久性两点接地故障做好动作准备。

I=（0.20.3）l/n

根据运行经验，保护的动作电流为：opNTA

式中：IN——发机电的额定电流。

这种保护的灵敏度是较高的。

在切除故障时有一定的死区，HP：①单相分支匝间短路的a较小时，即短接的匝数较少

时：②同相两分支间匝间短路，且a1=a2,或者a|与a2差别较小时。对于单“Y”接

线的发机电，宜采用下列保护。

发机电定子绕组的单相接地保护

发生定子绕组单相接地故障的主要原因是，高速旋转的发机电，特殊是大型发机电（轴向

增长）的振动，造成机械损伤而接地；对于水内冷的发机电（大型机组均是采用这种冷却方

式），由于漏水导致定子绕组接地。

发电机电压系统定子绕组单相接地时接线如图7.10（a）所示，设发机电每相定子绕组对地电

容为CM,外接每相对地电容为Ct,当A相绕组距中性点外单相接地时：

U=E-CE

AKAA

u=E-CE

BKBA

U=E-CE

CKCA

3U0=EAK+EBK+ECK="3CEA

发机电内部单相接地故障示意图

由于电压互感器二次开口三角形绕组的输出电压Umr在正常运行时近似为零，而在发电

机出口端（机端）单相接地时为Umn=IOOVn因此，当故障发生在0<u<1的位置时，

Umn=a-100V,上式所表示的关系，在图7.11中为向来。线，零序电压保护继电器的动作

电压应躲开正常运行时的不平衡电压（主要是三次谐波电压），其值为15〜30V,考虑采用

滤过比高的性能良好的三次谐波波过器后，其动作值可降至5〜10V,则保护的死区为a

=0.05-0.1o若定子绕组是经过渡电阻Rg单相接地时.，则死区更大，这对于大、中型发电

机是不能允许的，因此，在大、中型发机电上应装设能反映100%定子绕组单相接地保护。

三次谐波零序电压保护

机端及中性点侧的三次谐波电压和：

I）正常运行时的三次谐波电压

正常运行时相电势中会有三次谐波电势，其等效组如图7.12所示。

U=E—

机端：ssCM+q

U=E-------------------

NSC+C

中性点端：Mt

当发电机中性点经高阻抗接地时，上式仍然成立

A

2)当定了•绕组单相接地时的三次谐波电压

当定子绕组单相接地时也会有三次谐波电压，其等效图如图7.13(a)所示。

Us=(1-C)E

U.=CE3

u

lgI1-C

u

iNr

当C双％时，IUsi之IUN।

当C<50%时，|UsI<|UNI

其关系如图7.13(b)所示。如果以此作为动作条件，则这种原理的保护的“死区”为

a>50%,但若将这种保护与基波零序电压保护共同组合起来，就可以构成保护区为100%的

定子绕组单相接地保护。

发机电励磁回路一点接地保护

切换测量原理保护方案

将一个电阻和电容网络接在转子绕组两端，通过顺序切换的方法改变网络的结构，并对

三个有关的支路电流进行采样、记忆进行比较，达到测量励磁回路对地电阻的目的。

如图7.29所示，电容的作用是消除转子电压中谐波分量及干扰电压对继电器的影响。

图7.29转子一点接地保护测量网络

假设接地故障发生在转子绕组中部任一点，将转子电压分为Uf1和Uf2,故障点电阻为RX。

U

I=M

开关S1单独闭合时，稳态电流1R1+R2+经采样保持和整理后在装

置内得到与h成正比的电压u1：

同理，开关S1与S2分别单独闭合时，相应的有：

KU

U=KI=_____2__f____

222R+R+R

13S

KU

U=KI=_____2_______

333R+R+R

34X取Ri=R3=Ra,R2=R4=Rb（Ra、

Rb皆为选定的参数），KI=K2=K,则上述三式可改写为：

KU

U=________LJ___+KI

1R+R+R

abX

KU

U=____2__t____

22R+R

aS

一KU

U=_____—f-_二KI

3p=rr

abX

可选择保护的动作判据为：

U+U之u

123对于给定的Ra、Rb、RX、K2及K,当上式等号成立时，RX便为检

测到的最大接地电阻Rx.max,若K2取固定值，则改变K可以调整灵敏性。K2值可根据灵

敏性要求，由式