发电机纵差保护误动原因分析及预防措施

【摘 要】本文简要介绍发电机纵差保护的构成原理、动作方程及逻辑框图，并对实际工作中纵差保护误动的原因进行了分析，提供了一些预防的措施，为继电保护设计、生产、调试及运行人员提供一点借鉴。

【关键词】发电机纵差保护保护；动作方程；逻辑框图；案例处理

前言

被誉为电力系统“静静哨兵”的继电保护，是电力系统密不可分的一部分，是保障电力设备安全和防止、限制电力系统大面积停电的最基本、最重要、最有效的技术手段。国内外实践证明，一旦继电保护发生不正确动作，往往会扩大事故，酿成严重的后果。因此，保障继电保护装置安全、准确、有效的运行尤为重要。目前，国内生产及应用的各种微机型发电机保护装置，尽管型号不同，硬件及软件平台有些差异，但所提供的保护种类、逻辑框图及输入/输出方式大致相同，根据多年的安装调试经验，本文简单介绍发电机纵差保护的原理，以及实际工作中保护误动的原因分析及处理措施。

1.发电机纵差保护分类及原理

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，发电机纵差保护是发电机内部短路故障的主保护。发电机纵差保护可以通过故障电气量的实时采集、逻辑判断及执行，迅速有效的做出反应。

1.1纵差保护的分类

（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（a）和图1（b）所示。

（a） （b）

图1 发电机纵差保护的交流接入回路

在图1中：Ja、Jb、Jc-分别为发电机A、B、C三相的差动元件；

A、B、C-分别为发电机三相输入端子。

由图1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，在发电机中性点侧，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的电流。

（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。

（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系小电流接地系统，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，只有二个或三个元件动作后，保护才作用于出口。另外，为防止发电机两相接地（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）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。

1.2动作方程

目前，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

…………………………………（1）

式中： -差动电流，完全纵差： ，不完全纵差： ；

-制动电流，完全纵差： ，不完全纵差： ，

标积制动式完全纵差时： ，

标积制动式不完全纵差时： ；

-比率制动系数；

-拐点电流，开始起制动作时的最小制动电流；

-初始动作电流；

、 -分别为中性点及机端差动TA的二次电流；

K-由中性点流入差动TA的电流与中性点全电流的比值；

Φ- 与 之间的相位差。

1.3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2所示。

由图2可以看出：纵差保护的动作特性由二部分组成：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。

在图2中： -最小启动电流；

-拐点电流；

-动作电流（差电流）；

-制动电流； -制动系数， 。

图2 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，采用所变谓斜率（变制制系数）的动作特性，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（ 、 及 ）进行合理的整定，图2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。

1.4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3（a）及图3（b）所示。

（a）单相出口方式的发电机纵差保护逻辑框图

（b）循环闭锁出口方式发电机纵差保护逻辑框图

图3 发电机纵差保护逻辑框图

由图3（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3（b）可以看出：当采用循环闭锁出口方式时，只有二相差动元件动作后，才作用于出口；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。

1.5整定原则及取值建议

由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 ，最小动作电流 和拐点电流 。

（1）最小动作电流

最小动作电流也叫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纵差保护，最小动作电流实质是无制动时的动作电流。

对 的整定原则是：按躲过正常工况下的最大不平衡电流来整定。可按下式进行整定

…………………………………………………（2）

式中： -可靠系数，通常取1.5～2；

-TA变比误差，10P级互感器误差为0.03，故 可取0.06（考虑两侧TA正、负误差）；

-保护装置通道传输变换及调整误差，可取0.1；

-发电机额定电流，TA二次值。

代入式（2）可得 =（0.24～0.32） ，一般取0.3 。

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。

（2）拐点电流

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发电机正常工况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变化，从而使不平衡电流增大。此外，若拐点电流 过大，由于无制作用可能致使差动保护误动。因此， 应取（0.5～0.8） 。

（3）比率制动系数

比率制动系数的取值原则，应按使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在不平衡电流为

……………………………………（3）

式中： -最大不平衡电流；

-最大短路电流；

-TA的10%误差；

-通道的变换及传输误差，取0.1；

-两侧TA暂态特性不一产生的误差，取0.05。

代入式（3）得

=0.25 ，

当不计拐点电流时，差动元件的比率制动系数应为

，可取0.3～0.4。

对于不完全纵差保护，当两侧差动TA型号不同时，可取 。

（4）解除循环闭锁的负序电压元件定值

一般按高压母线出线末端故障产生的负序电压来整定。通常

1.6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己的特点。

（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线棒开焊。

（2）不完全纵差保护

不完全纵差保护除保护定子绕组的相间短路之外，尚能反应定子线棒开焊及某些匝间短路。但是，由于在中性点侧只引入其一分支的电流，故在整定计算时，尚应考虑各分支电流不相等产生的差流。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。

（3）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源反映两侧电流之间的相位敏感，故内部故障时其灵敏度更高（因制动量为负值）。

2.保护动作原因分析及预防措施

继电保护装置及二次回路元件都有可能存在隐形故障，PT、CT本体、保护出口压板、保护装置插件连接处、二次回路接线各端子、通道等。造成隐形故障的原因有很多，通常有以下几种情况：（1）不正确的整定计算定值、定值的配合不合理。（2）装置的元件老化失效、元件损坏、各插件接触不良等。（3）二次接线端子松动，接触不良。（4）检修人员、运行人员误碰、误动保护设备。（5）装置未严格按校验规程校验。（6）回路的寄生回路。（7）设备运行环境差。（8）检修、运行人员对设备维护不到位等。

通过对上述8种情况的分析，针对性的加以预防是可行的。使用目前国内比较先进的保护设备，主保护装置具有自诊断功能，对于装置的一些异常情况都能进行在线监测。关键的问题是必须加强设备管理，严格执行规章制度，加强设备的维护，尽量降低设备隐形故障的危害，使系统和电气设备避免大规模的事故。

3.案例及事故处理

（1）整定值不合理造成装置误动，特别是首次投产前或机组检修后，须进行真机试验，并实测发电机各种工况下的运行参数，达到效验整定值的目的。

（2）外部设备选型或安装部位运行环境，特别是温度的变化及电磁干扰造成设备本体的性能变化也是需要观察和关注的。

（3）装置的动作逻辑检查及出口的联动试验不可忽略。

（4）二次回路接线的正确性、紧固性检查是必须的，电缆的绝缘强度检查很重要却容易漏检或忽视。

（5）电流互感器的级次、变比的区分确认在实际的现场接线中也容易混淆，其安装方向、安装相序、本体极性及连同二次回路的极性检查也必不可少；若条件许可，宜进行装置的远方通流、加压模拟试验，以确认相位与幅值，更能确保整体回路的正确性和完整性。

4.结论

与变压器差动保护相比，发电机纵差保护的运行条件较好，通常发电机纵差保护的误动原因，多半是整定值有误，两侧CT特性差异太大，差动CT二次回路多点接地等。所以，我们在实际工作中，为了尽量消除纵差保护的误动，提供以下几点意见供大家参考：（1）在选择发电机纵差CT时，两侧CT的型号、变比及特性应尽量一致；（2）在计算纵差保护整定值时，应考虑两侧CT的不同及中间环节，还应考虑采用的差动继电器构成特点及性能；（3）纵差保护在投运前应有主管部门下达的定值通知单，同时，保护要经过认真校验，证明保护的动作特性良好，各种定值与定值通知单一致。

参考文献：

[1]发电机保护出厂文件说明书

[2]李玉海 电力系统主设备继电保护试验 中国电力出版社

[3]电力系统继电保护典型故障分析 中国电力出版社

[4]继电保护和安全自动装置技术规范 GB/T 14285