发电机相间短路的比率制动式纵联差动保护1

发电机相间短路的比率制动式纵联差动保护

浙江旺能环保股份有限公司 周玉彩

《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB50062-2008第3.0.3条3款：对1MW以上的发电机，应装设纵联差动保护。对发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时,发电机应单独装设纵联差动保护；当发电机与变压器之间没有断路器时，应装设发电机变压器组共用的纵联差动保护。该规范在发电机定子绕组相间短路保护上首选了发电机纵联差动保护，在实际工程中发电机定子绕组相间短路保护广泛采用发电机微机比率制动式纵联差动保护。下面介绍发电机微机比率制动式纵联差动保护的原理及保护整定的计算方法。

一、纵联差动保护原理：

将发电机两侧电流互感器TA变比和型号相同的电流互感器TA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，当正常运行或外部故障时，I1 与 I2 反向流入，KD的电流为

I1I

- 2=I1- I2≈0 ，故KD不会动nTA1nTA2

作。当在保护区内K2点故障时，I1与I2 同向流入，KD的电流为：

II1I

+ 2=I1+I2=k2 nTA1nTA2nTA

图1 发电机纵联差动保护的原理的接线 当

Ik2

大于KD的整定值时，即 I1- InTA

unbmax

KstKunpfiIkmax(3)/nTA≠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）不可能完全一致，误差也不一样，即: nTA1≠nTA2，正常运行及外部故障时，

Ik2

≥Iset ，总有一定量值的电流流入KD, nTA

此电流称为不平衡电流，用Iunb表示。通常，在发电机正常运行时，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，再加上短路电流中非周期分量的影响，Iunb增大，一般外部短路电流越大，Iunb就可能越大，其最大值可达：

IbrkIbrk.min

IopK(IorkIbrk.min)Iop.min

式中：Kst——同型系数，取0.5；

Kunp——非周期性分量影响系数，取为1～1.5； fi ——TA的最大数值误差，取0.1。

为使KD在发电机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Iunb.max，即Iop=KrelIunb.max (Krel为可靠系数，取1.3）。

Iunb.max越大，动作值Iop就越大，这样就会使保护在发电机内部故障的灵敏度降低。此时，若出现较轻微的内部故障，或内部经比较大的过渡电阻Rg短路时，保护不能动作。对于大、中型发电机，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

Iop.min=(0.1-0.3) IgN（IgN为发电机额定电流），而在任何外部故障时不误动作。显然，图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。故采用微机比率制动式纵联差动保护满足要求。

二、微机比率制动式纵联差动保护原理：

微机比率制动式纵差保护仅反应相间短路故障。具有比率制动特性的差动保护的二次接线如图2所示。当差动线圈匝数Wd与制动线圈匝数Wres的关系为

时：差动电流：

制动电流：

式中：

，

，

——一次电流；

——二次电流；

na——电流互感器变比。

图 2 比率制动式差动保护原理接线图

差动保护的制动特性如图3中的折线ABC所示。图中，纵坐标为差动电流

Id，横坐标为制动电流Ires。

为了正确进行整定计算，首先应了解纵差保护的不平衡电流与负荷电流和外部短路电流间的关系。

发电机纵差保护用的10P级电流互感器，在额定一次电流和额定二次负荷条件下的比误差为±3%。因此，纵差保护在正常负荷状态下的最大不平衡电流不大于6%。但随着外部短路电流的增大和非周期暂态电流的影响，电流互感器饱和，不平衡电流将急剧增大，实际的不平衡电流与短路电流的关系曲线如图3中的曲线OED所示。

图 3 比率制动式差动保护的制动特性

三、微机比率制动式纵联差动保护整定计算

发电机外部短路时，差动保护的最大不平衡电流由式(1)进行估算

(1)

式中：Kap——非周期分量系数，取1.5～2.0；

Kcc——互感器同型系数，取0.5； Ker——互感器比误差系数，取0.1； 

——最大外部三相短路电流周期分量。

比率制动特性纵差保护需要整定计算以下三个参数：

1)确定差动保护的最小动作电流，即确定图3中A点的纵座标Iop.0为

(2)

式中：Krel——可靠系数，取1.5；  Ign——发电机额定电流；

 Iunb.0——发电机额定负荷状态下，实测差动保护中的不平衡电流。 实际可取Iop.0＝(0.10～0.30)Ign／na，一般宜选用(0.10～0.20)Ign／na。如果实测Iunb.0较大，则应尽快查清Iunb.0增大的原因，并予消除，避免因Iop.0过大而掩盖一、二次设备的缺陷或隐患。

发电机内部短路时，特别是靠近中性点经过渡电阻短路时，机端或中性点侧

的三相电流可能不大，为保证内部短路时的灵敏度，最小动作电流Iop.0不应无根据地增大。

2)确定制动特性的拐点B。定子电流等于或小于额定电流时，差动保护不必具有制动特性，因此，B点横坐标

Ires.0＝(0.8～1.0)Ign／na (3) 当Ires.0＞Ign／na时，应调整保护内部参数，使其满足式(3) 。

3)按最大外部短路电流下差动保护不误动的条件，确定制动特性的C点，并计算最大制动系数。

设C点对应的最大动作电流为Iop.max，其值为

Iop.max＝KrelIunb.max (4) 式中：Krel——可靠系数，取1.3～1.5。

C点对应的最大短路电流

动系数Kres.max按下式计算

与最大制动电流Ires.max相对应。C点的最大制

Kres.max＝Iop.max／Ires.max＝KrelKapKccKer (5) 式(5)的计算值为Kres.max＝0.15，可确保在最大外部短路时差动保护不误动。但考虑到电流互感器的饱和或其暂态特性畸变的影响，为安全计，宜适当提高制动系数值。图3中，取C点的Kres.max≈0.30。

该比率制动特性的斜率S为

(6)

根据上述计算，由A、B、C三点确定的制动特性，确保在负荷状态和最大外部短路暂态过程中可靠不误动。

按上述原则整定的比率制动特性，当发电机机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数一定满足Ksen≥2.0的要求，不必进行灵敏度校验。

四、微机比率制动式纵联差动保护整定计算实例

发电机参数表一

XF*Xd"

b

=0.14*100/158.8=0.88 Sn

Sb－取系统最大阻容量为100MVA，Sn=158.8MVA。 （一）、发电机微机比率制动式纵联差动保护

1、保护所用互感器：

发电机机端TA： 6LH 8000/5A Y接线 5P20 发电机中性点TA： 1LH 8000/5A Y接线 5P20 2

、发电机出口二次额定电流Ign.2f

发电机一次额

定电流Ign=(Pn/COSø)/√3Uf1n

=13500/(0.85×1.732×13.8)=6645（A）

式中：Pn为发电机额定容量；COSø为发电机功率因数；Uf1n为发电机机端额定电压。

Ign.2f＝Ign/na=6645/（8000/5）=4.153（A）

3、基 本 整 定：

1）按照发电机外部短路时差动保护的最大不平衡电流整定：

式中：Kap——非周期分量系数，取1.5～2.0；

Kcc——互感器同型系数，取0.5； Ker——互感器比误差系数，取0.1；



——最大外部三相短路电流周期分量。 na —互感器变比

发电机出口最大短路电流的计算，取系统最大运行方式，同时有另一

台机组在运行：a、为了简化计算,网络化简,求综合正序阻抗X1∑2

阻抗变换如下图4

：

b、求各电源的转移阻抗：

系统对d2点转移阻抗为Xczy=0.0150.0830.0830.015=0.1053

0.0880.083

F1对d2点转移阻抗为Xf1zy=0.088

F2对d2点转移阻抗为Xf2zy=(0.0880.083)0.083(0.0880.083)0.088=1.257

0.015

c、由转移电抗求各电源的计算电抗：

100

＝0.1053 1001350.85

Xf1js=0.088×=0.14

1001350.85

Xf2js =1.257×=1.996

100

Xcjs =0.1053×

d、周期分量的有效值如下：

d2点三相短路各电源供给的短路电流周期分量有效值（Iz）表二

最大不平衡电流:依整定计算导则, Iunb.max=Kap·Kcc·Ker·I (3)k.max/n,许继厂家建议最大不平衡电流不考虑同型系数:

Iunb.max=Kap×Ker×Ik.max

=2×0.1×79.57KA=15.91（KA） 4、差动电流起动定值Id.op.min的整定：

(1)、Id.op.min为差动保护最小动作电流值；应按躲过正常发电机额定负载时的最大不平衡电流整定（二次），即:

Id.op.min =Krel×2×0.03×If2n=1.5×2×0.03×4.153=0.37（A） （2）、依整定计算导则:实际可取(0.1～0.3)If2n, 许继厂家建议取：0.2～0.3；

当一次电流小于1.2倍互感器额定电流时,误差不超过±3%,因此按工程经验取为0.3If2n；

则: Id.op.min =0.3×If2n=0.3×4.153=1.25（A） 取：1.0A； 式中：If2n—发电机二次额定电流；

Krel—可靠系数取：1.5；

5、最小制动电流或拐点电流Ires.0

Ires.0＝(0.8～1.0)Ign／na

＝0.8×4.153=3.32(A) 取:2A

6、比率制动系数的整定

(1)、最大的动作电流Id.0P.max计算。按躲过区外短路时最大动作电流的计算 Id.0P.max≥Iop.max／Ires.max＝KrelKapKccKer ×IK.max/nTA =1.5×2×0.5×0.1×IK.max/nTA

=0.15×1.05×Ign.2f/ xd”

=0.15×1.05×4.15/0.14=4.67(A)

IK.max==1.05/ xd”=7.5, xd”=0.14

(2)制动系数斜率S的理论值计算。区外最大短路电流的相对值为 IRes..max = IK.max* =7.5 斜率比率差动最大斜率：

=(0.15×7.5-0.37)/(7.5-3.32)=0.181 厂家建议取:S=0.5，故取：S=0.5。

7、灵敏度校验

按上述原则整定的比率制动特性，当发电机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数一定满足Ksen≥2,即：

按发电机端两相金属性短路时计算,根据计算最小短路电流(d2点) I (2)d.min和相应的制动电流Ir,在动作特性曲线上查得对应的动作电流Id,则灵敏系数为：

Ksen=I (2)d.min/Id.op=25.67/5.42=4.736>2 灵敏度满足要求。 式中:

I (2)d.min=√3/2×1/ xd”=0.866×1/0.14×4.153=25.67(A) Id.op=S(Ires- Ires.0)+ Id.op.min=S(0.5I (2)d.min- Ires.0)+ Id.op.min =0.5(0.5I (2)d.min- Ires.0 )+ Id.op.min =0.5(0.5×25.67-2)+1=5.42(A)

8、差动速断保护

差电流速断是纵差保护的一个补充部分,一般需躲过机组非同期合闸产生的最大不平衡电流,对于大机组,一般可取3～4倍额定电流。

本工程取工程经验值4倍额定电流。即：4×4.153=16.6A 保护出口

（二）、比率差动保护逻辑图： 比率差动保护逻辑图如图5所示

（三）、WFB-820A系列微机发电机保护WFB-821A 装置 定值表三

注：WFB-820A系列微机发电机保护装置分为WFB-821A和WFB-822A两个装置构成一套完整的发电机保护，发电机微机比率制动式纵联差动保护在WFB-821A装置中。

发电机相间短路的比率制动式纵联差动保护

浙江旺能环保股份有限公司 周玉彩

《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》GB50062-2008第3.0.3条3款：对1MW以上的发电机，应装设纵联差动保护。对发电机变压器组，当发电机与变压器之间有断路器时,发电机应单独装设纵联差动保护；当发电机与变压器之间没有断路器时，应装设发电机变压器组共用的纵联差动保护。该规范在发电机定子绕组相间短路保护上首选了发电机纵联差动保护，在实际工程中发电机定子绕组相间短路保护广泛采用发电机微机比率制动式纵联差动保护。下面介绍发电机微机比率制动式纵联差动保护的原理及保护整定的计算方法。

一、纵联差动保护原理：

将发电机两侧电流互感器TA变比和型号相同的电流互感器TA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，当正常运行或外部故障时，I1 与 I2 反向流入，KD的电流为

I1I

- 2=I1- I2≈0 ，故KD不会动nTA1nTA2

作。当在保护区内K2点故障时，I1与I2 同向流入，KD的电流为：

II1I

+ 2=I1+I2=k2 nTA1nTA2nTA

图1 发电机纵联差动保护的原理的接线 当

Ik2

大于KD的整定值时，即 I1- InTA

unbmax

KstKunpfiIkmax(3)/nTA≠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）不可能完全一致，误差也不一样，即: nTA1≠nTA2，正常运行及外部故障时，

Ik2

≥Iset ，总有一定量值的电流流入KD, nTA

此电流称为不平衡电流，用Iunb表示。通常，在发电机正常运行时，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，再加上短路电流中非周期分量的影响，Iunb增大，一般外部短路电流越大，Iunb就可能越大，其最大值可达：

IbrkIbrk.min

IopK(IorkIbrk.min)Iop.min

式中：Kst——同型系数，取0.5；

Kunp——非周期性分量影响系数，取为1～1.5； fi ——TA的最大数值误差，取0.1。

为使KD在发电机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Iunb.max，即Iop=KrelIunb.max (Krel为可靠系数，取1.3）。

Iunb.max越大，动作值Iop就越大，这样就会使保护在发电机内部故障的灵敏度降低。此时，若出现较轻微的内部故障，或内部经比较大的过渡电阻Rg短路时，保护不能动作。对于大、中型发电机，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

Iop.min=(0.1-0.3) IgN（IgN为发电机额定电流），而在任何外部故障时不误动作。显然，图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。故采用微机比率制动式纵联差动保护满足要求。

二、微机比率制动式纵联差动保护原理：

微机比率制动式纵差保护仅反应相间短路故障。具有比率制动特性的差动保护的二次接线如图2所示。当差动线圈匝数Wd与制动线圈匝数Wres的关系为

时：差动电流：

制动电流：

式中：

，

，

——一次电流；

——二次电流；

na——电流互感器变比。

图 2 比率制动式差动保护原理接线图

差动保护的制动特性如图3中的折线ABC所示。图中，纵坐标为差动电流

Id，横坐标为制动电流Ires。

为了正确进行整定计算，首先应了解纵差保护的不平衡电流与负荷电流和外部短路电流间的关系。

发电机纵差保护用的10P级电流互感器，在额定一次电流和额定二次负荷条件下的比误差为±3%。因此，纵差保护在正常负荷状态下的最大不平衡电流不大于6%。但随着外部短路电流的增大和非周期暂态电流的影响，电流互感器饱和，不平衡电流将急剧增大，实际的不平衡电流与短路电流的关系曲线如图3中的曲线OED所示。

图 3 比率制动式差动保护的制动特性

三、微机比率制动式纵联差动保护整定计算

发电机外部短路时，差动保护的最大不平衡电流由式(1)进行估算

(1)

式中：Kap——非周期分量系数，取1.5～2.0；

Kcc——互感器同型系数，取0.5； Ker——互感器比误差系数，取0.1； 

——最大外部三相短路电流周期分量。

比率制动特性纵差保护需要整定计算以下三个参数：

1)确定差动保护的最小动作电流，即确定图3中A点的纵座标Iop.0为

(2)

式中：Krel——可靠系数，取1.5；  Ign——发电机额定电流；

 Iunb.0——发电机额定负荷状态下，实测差动保护中的不平衡电流。 实际可取Iop.0＝(0.10～0.30)Ign／na，一般宜选用(0.10～0.20)Ign／na。如果实测Iunb.0较大，则应尽快查清Iunb.0增大的原因，并予消除，避免因Iop.0过大而掩盖一、二次设备的缺陷或隐患。

发电机内部短路时，特别是靠近中性点经过渡电阻短路时，机端或中性点侧

的三相电流可能不大，为保证内部短路时的灵敏度，最小动作电流Iop.0不应无根据地增大。

2)确定制动特性的拐点B。定子电流等于或小于额定电流时，差动保护不必具有制动特性，因此，B点横坐标

Ires.0＝(0.8～1.0)Ign／na (3) 当Ires.0＞Ign／na时，应调整保护内部参数，使其满足式(3) 。

3)按最大外部短路电流下差动保护不误动的条件，确定制动特性的C点，并计算最大制动系数。

设C点对应的最大动作电流为Iop.max，其值为

Iop.max＝KrelIunb.max (4) 式中：Krel——可靠系数，取1.3～1.5。

C点对应的最大短路电流

动系数Kres.max按下式计算

与最大制动电流Ires.max相对应。C点的最大制

Kres.max＝Iop.max／Ires.max＝KrelKapKccKer (5) 式(5)的计算值为Kres.max＝0.15，可确保在最大外部短路时差动保护不误动。但考虑到电流互感器的饱和或其暂态特性畸变的影响，为安全计，宜适当提高制动系数值。图3中，取C点的Kres.max≈0.30。

该比率制动特性的斜率S为

(6)

根据上述计算，由A、B、C三点确定的制动特性，确保在负荷状态和最大外部短路暂态过程中可靠不误动。

按上述原则整定的比率制动特性，当发电机机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数一定满足Ksen≥2.0的要求，不必进行灵敏度校验。

四、微机比率制动式纵联差动保护整定计算实例

发电机参数表一

XF*Xd"

b

=0.14*100/158.8=0.88 Sn

Sb－取系统最大阻容量为100MVA，Sn=158.8MVA。 （一）、发电机微机比率制动式纵联差动保护

1、保护所用互感器：

发电机机端TA： 6LH 8000/5A Y接线 5P20 发电机中性点TA： 1LH 8000/5A Y接线 5P20 2

、发电机出口二次额定电流Ign.2f

发电机一次额

定电流Ign=(Pn/COSø)/√3Uf1n

=13500/(0.85×1.732×13.8)=6645（A）

式中：Pn为发电机额定容量；COSø为发电机功率因数；Uf1n为发电机机端额定电压。

Ign.2f＝Ign/na=6645/（8000/5）=4.153（A）

3、基 本 整 定：

1）按照发电机外部短路时差动保护的最大不平衡电流整定：

式中：Kap——非周期分量系数，取1.5～2.0；

Kcc——互感器同型系数，取0.5； Ker——互感器比误差系数，取0.1；



——最大外部三相短路电流周期分量。 na —互感器变比

发电机出口最大短路电流的计算，取系统最大运行方式，同时有另一

台机组在运行：a、为了简化计算,网络化简,求综合正序阻抗X1∑2

阻抗变换如下图4

：

b、求各电源的转移阻抗：

系统对d2点转移阻抗为Xczy=0.0150.0830.0830.015=0.1053

0.0880.083

F1对d2点转移阻抗为Xf1zy=0.088

F2对d2点转移阻抗为Xf2zy=(0.0880.083)0.083(0.0880.083)0.088=1.257

0.015

c、由转移电抗求各电源的计算电抗：

100

＝0.1053 1001350.85

Xf1js=0.088×=0.14

1001350.85

Xf2js =1.257×=1.996

100

Xcjs =0.1053×

d、周期分量的有效值如下：

d2点三相短路各电源供给的短路电流周期分量有效值（Iz）表二

最大不平衡电流:依整定计算导则, Iunb.max=Kap·Kcc·Ker·I (3)k.max/n,许继厂家建议最大不平衡电流不考虑同型系数:

Iunb.max=Kap×Ker×Ik.max

=2×0.1×79.57KA=15.91（KA） 4、差动电流起动定值Id.op.min的整定：

(1)、Id.op.min为差动保护最小动作电流值；应按躲过正常发电机额定负载时的最大不平衡电流整定（二次），即:

Id.op.min =Krel×2×0.03×If2n=1.5×2×0.03×4.153=0.37（A） （2）、依整定计算导则:实际可取(0.1～0.3)If2n, 许继厂家建议取：0.2～0.3；

当一次电流小于1.2倍互感器额定电流时,误差不超过±3%,因此按工程经验取为0.3If2n；

则: Id.op.min =0.3×If2n=0.3×4.153=1.25（A） 取：1.0A； 式中：If2n—发电机二次额定电流；

Krel—可靠系数取：1.5；

5、最小制动电流或拐点电流Ires.0

Ires.0＝(0.8～1.0)Ign／na

＝0.8×4.153=3.32(A) 取:2A

6、比率制动系数的整定

(1)、最大的动作电流Id.0P.max计算。按躲过区外短路时最大动作电流的计算 Id.0P.max≥Iop.max／Ires.max＝KrelKapKccKer ×IK.max/nTA =1.5×2×0.5×0.1×IK.max/nTA

=0.15×1.05×Ign.2f/ xd”

=0.15×1.05×4.15/0.14=4.67(A)

IK.max==1.05/ xd”=7.5, xd”=0.14

(2)制动系数斜率S的理论值计算。区外最大短路电流的相对值为 IRes..max = IK.max* =7.5 斜率比率差动最大斜率：

=(0.15×7.5-0.37)/(7.5-3.32)=0.181 厂家建议取:S=0.5，故取：S=0.5。

7、灵敏度校验

按上述原则整定的比率制动特性，当发电机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数一定满足Ksen≥2,即：

按发电机端两相金属性短路时计算,根据计算最小短路电流(d2点) I (2)d.min和相应的制动电流Ir,在动作特性曲线上查得对应的动作电流Id,则灵敏系数为：

Ksen=I (2)d.min/Id.op=25.67/5.42=4.736>2 灵敏度满足要求。 式中:

I (2)d.min=√3/2×1/ xd”=0.866×1/0.14×4.153=25.67(A) Id.op=S(Ires- Ires.0)+ Id.op.min=S(0.5I (2)d.min- Ires.0)+ Id.op.min =0.5(0.5I (2)d.min- Ires.0 )+ Id.op.min =0.5(0.5×25.67-2)+1=5.42(A)

8、差动速断保护

差电流速断是纵差保护的一个补充部分,一般需躲过机组非同期合闸产生的最大不平衡电流,对于大机组,一般可取3～4倍额定电流。

本工程取工程经验值4倍额定电流。即：4×4.153=16.6A 保护出口

（二）、比率差动保护逻辑图： 比率差动保护逻辑图如图5所示

（三）、WFB-820A系列微机发电机保护WFB-821A 装置 定值表三

注：WFB-820A系列微机发电机保护装置分为WFB-821A和WFB-822A两个装置构成一套完整的发电机保护，发电机微机比率制动式纵联差动保护在WFB-821A装置中。