浅谈发电机比率制动纵差保护的定值整定与校验方法

杨大朋

（中广核能源开发有限责任公司成都分公司，四川成都610091）

浅谈发电机比率制动纵差保护的定值整定与校验方法

杨大朋

（中广核能源开发有限责任公司成都分公司，四川成都610091）

发电机比率制动纵差保护是在发电机内部发生相间短路故障时能可靠动作切除故障点的主保护，保护定值的科学整定计算和校验是确保保护在发电机内部故障时能可靠、灵敏动作，在发电机外部故障不产生误动作的核心内容。在保护的定值整定计算中，必须结合保护的工作原理，严格按导则进行科学计算分析，对拐点最小动作电流、最小制动电流、制动系数、最大动作电流进行正确整定，才使保护拥有符合设计要求的功能。在保护的定值校验中，通过对保护动作特性进行换算研究，按规程对比率纵差保护的最小动作电流定值、A、B、C点间特性曲线、差动速断定值进行校验，准确校验保护在动作边界的动作结果，最终达到对保护在动作区、制动区、差动速断动作区的完整校验。

发电机；纵差保护；定值整定计算；定值校验

1 引言

发电机比率制动纵差保护是发电机的主保护，保护定值的正确整定和校验是确保保护在发电机内部故障时快速、灵敏动作，在发电机外部故障不产生动作的核心内容。近年来，随着比率差动保护采用微机保护装置实现了集成化、模块化、智能化，保护的选择性、可靠性、灵敏性、速动性均达到较大的提高，保护装置厂家也对保护的整定范围给予了通用性说明，如何结合保护的工作原理，按照导则对保护进行符合保护对象实际情况的计算分析与整定，显得尤为重要。同时，如何通过对保护动作特性进行换算研究，正确的进行保护校验，是全面检验保护在发电机内部相间短路故障和外部相间短路故障时所拥有的功能特性的重要手段。围绕着这一系列的课题，结合笔者在继电保护工作实践中的探索与分析，本文以两折线比率制动纵差保护的定值整定与校验为例作一浅谈论述，不足之处也请各位专家、读者予以指正。

2 发电机比率制动纵差保护的定值整定与校验

2.1 发电机比率制动纵差保护的作用及保护范围

发电机比率制动纵差保护简称比率纵差保护，是一种比较发电机两端电流大小和方向的保护，它能很灵敏的反应并切除发电机绕组及引出线两相或三相相间短路故障，不反应定子绕组匝间短路，是发电机相间短路的主保护。保护范围为发电机中性点与机端两组用于保护测量用的电流互感器之间的相间短路故障。

将发电机两端流过方向相同、大小相等的电流称为穿越性电流，而方向相反的电流称为非穿越性电流。作为主保护，发电机比率制动纵差保护是以非穿越性电流作为动作量，以穿越性电流作为制动量，来区分被保护发电机的正常状态、故障状态和非正常状态的。

纵差保护的比率制动原理（图1）是传统保护原理在数字保护上的改进。它由二部分组成：无制动部分和比率制动部分，它具有较高的灵敏度和抗TA饱和的能力。正常运行状态，穿越性电流即为负荷电流，非穿越性电流理论为零，保护不会动作；内部相间短路状态，非穿越性电流剧增，流入保护装置的差动电流剧增，制动电流的增长受机端侧和中性点侧分别流入保护装置的电流差值影响不会剧增，保护能可靠动作；当外部故障时，穿越性电流剧增，因互感器饱和及选型差异等造成不平衡电流增大，但此保护制动电流也较大，所对应差动电流动作值按比率关系随之增大，避免保护误动作。

图1 纵差保护原理接线图

纵差保护的差动电流、制动电流与发电机机端、中性点CI输入电流的关系式如下：

差动电流：Id=It+In

制动电流：Iz=|It-In|/2

2.2 发电机比率制动纵差保护的定值整定计算

发电机比率制动纵差保护的动作结果一般为跳发电机出口开关、跳灭磁开关及事故停机。科学进行定值的计算分析和整定，是确保纵差保护在内部相间短路故障时能准确动作，在外部短路故障时不发生误动作的前提条件。这里以四川省凉山州的一座水电厂为例，对纵差保护的最小动作电流Iq、最小制动电流Ig、制动系数S、差动速断电流定值Is进行计算分析和整定，论述发电机比率制动纵差保护定值整定计算的一些方法和观点。

2.2.1 该电厂的相关基础资料

（1）电厂电气主接线简图见图2。

图2 电厂电气主接线简图

（2）电厂发电机及纵差保护的相关参数见表1。

表1 电厂发电机及纵差保护的相关参数表

2.2.2 电厂发电机比率制动纵差保护的动作方程

式中：

Id：差动电流；

Iq：最小动作电流；

Iz：制动电流；

Ig：最小制动电流；

Ik.max：发电机外部短路时最大穿越短路电流周期分量（二次值）；

S：比率制动系数；

It：发电机机端二次侧电流

In：发电机中性点二次侧电流

各侧电流的方向都以指向发电机为正方向。

2.2.3 发电机外部短路最大穿越电流二次值及内部

短路最小非穿越电流二次值

根据短路电流计算成果，本例区外三相短路最大穿越电流二次值为28.6 A。在机端两相金属性短路时非穿越性电流二次值Ik.mIn为13.6 A（具体计算过程略）。

2.2.4 纵差保护相关定值计算分析与整定

（1）发电机额定二次电流Ie：

Ie=IE/nt=2264/（3000/5）=2264/600=3.77 A

IE：发电机额定一次电流，2 264 A。

nt：发电机纵差保护用电流互感器变比，3000/5。

（2）差动保护最小动作电流

依据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》，最小动作电流应大于发电机额定负荷运行时的不平衡电流，即

Iq＞Krel×2×0.03IE/nt=1.5×2×0.03IE/nt=0.09IE/nt

或Iq＞Krel×Iunb

式中：

Krel：可靠系数，取1.5；

IE：发电机额定一次电流；

nt：发电机纵差保护用电流互感器变比，3 000/5。

Iunb：发电机额定负荷状态下，实测差动保护中的不平衡电流。

为确保发电机在额定负荷运行时，不因不平衡电流而产生误动作，须适当提高最小动作电流Iq。同时，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，为保证内部短路的灵敏度，最小动作电流Iq不应无根据地增大。考虑保护装置通道调整误差，同一母线上其他机组投运冲击以及区外故障切除后制动电流减小，两侧CT特性差异等原因，有可能进入动作区,实际可取（0.30～0.50）IE/nt，该电站属于新投机组，取Iq=0.4 Ie。

Iq=0.4Ie=0.4×3.77=1.5 A

经发电机投运带额定负荷实测纵差保护中的不平衡电流较小，满足Iq＞Krel×Iunb，无需再对定值进行修正。

（3）最小制动电流Ig的整定

定子电流小于或等于额定电流时，差动保护不必具有制动性能。按照导则，最小制动电流取（0.8～1.0）Ie,本例取Ig=0.8Ie

Ig=0.8Ie=0.8×3.77 A=3 A。

（4）比率制动系统的整定

1）C点的整定：

①最大差动动作电流Id.max。

最大差动动作电流，按当发电机最大运方式时，外部三相金属性短路，大于差动保护的最大不平衡电流，而不发生误动作的原则进行整定。

Id.max＞Krel·Iunb.max

Iunb.max=Kop·Kcc·Ker·I（3）K.max

=2.0×0.5×0.1×28.6

=2.86 A

式中：

Krel：可靠系数，取1.5；

Kop：非周期分量系数，取值范围1.5～2.0，取值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；

I（3）K.max：发电机外部短路时最大穿越短路电流周期分量（二次值）。

按照导则，最大动作电流Id.max取值范围3～8倍Ie，取3Ie。

Id.max=3Ie=3×3.77=11.31 A

Krel·Iunb.max=1.5×2.86=4.29 A.

Id.max＞Krel·Iunb.max，符合整定要求。

②C点制动电流：C点对应的最大制动电流Iz.max与发电机外部短路时最大穿越短路电流周期分量（二次值）I（3）K.max相对应，为28.6 A。

2）比率制动系数的确定

过高的制动系数会影响纵差保护的动作灵敏度，但如果制动系数过低，在外部短路故障时也会发生误动作。

按照导则，比率制动系数S按下式进行确定：

S=（Id.max-Iq）/（I（3）K.max-Ig）

=（11.31-1.5）/（28.6-3）

=0.38

考虑电流互感器的饱和及其暂态特性畸形的影响，为确保纵差保护在外部最大短路电流时不误动作，需适当提高比率制动系数，一般比率制动系数取值范围为0.3～0.5，本例中取值0.4。

3）差动速断电流整定

按躲过区外三相短路时产生的最大不平衡差流整定，一般取Is=（3～8）Ie,本例中取3Ie。

Is=3Ie=3×3.77=11.31 A。

2.2.5 纵差保护的灵敏性校验

纵差保护的灵敏度不仅与制动系数有关，还与最小动作电流和最小制动电流的大小有密切的关系，不能一味地靠降低制动系数来提高差动保护的灵敏度。目前，发电机差动保护的灵敏度是指在发电机机端两相金属性短路情况下差动电流和最小动作电流的比值。而实际上，真正灵敏度的校验应该是在发电机中性点侧发生轻微相间故障的时候，差动电流和最小动作电流的比值，故长期以来用机端两相短路的情况来校验差动保护的灵敏度，是否合理，有待进一步讨论。从物理概念上看，故障点与动作边界离得越远，该保护原理的灵敏度越高。校验发电机差动保护灵敏度应该是在发电机发生各种内部故障的情况下差动保护的反应能力，所以要解决的根本问题是发电机内部发生短路故障时精确的理论分析，国内已经有许多高校正在开展这方面的研究。因笔者经验和水平有限，目前仍按取机端两相金属性短路的情况进行灵敏度校验。

Ksen=Ik.mIn/Iq=13.6 A/1.5 A=9.1，Ksen＞2，满足灵敏度要求。

式中：

Ik.mIn：机端两相金属性短路时非穿越性电流二次值；Iq：最小动作电流。

2.2.6 纵差保护的动作区域

本例比率纵差保护的动作区为图3中A、B、C连线与差动速断定值Is之间的区域，以下区域为制动区，差动速断定值Is以上的区域为速断动作区。

2.2.7 定值及出口矩阵表

（1）定值表（表2）

（2）保护板-出口矩阵表（表3）

表2 定值表

表3 保护板-出口矩阵表

通过上述方法整定的发电机纵差保护，因为有两折线比率制动特性，在发电机内部发生相间短路故障时，差动电流剧增、制动电流相对较小，保护能可靠动作，保护的灵敏性也满足导则要求；当发电机外部发生相间短路故障时，差动电流为不平衡电流，制动电流剧增，最大动作电流躲过了最大不平衡电流，保护不会误动作。

2.3 发电机比率制动纵差保护的定值校验

定值校验属于继电保护装置校验的核心内容，在比率制动纵差保护定值校验的实际工作中，需先将整定的特性曲线换算成对应的输入电流值及角度，然后再进行校验，这样才能保证定值校验围绕着动作区的边界线进行，才能真实反映保护的选择性、可靠性和灵敏性。这里仍以上述电厂发电机比率制动纵差保护定值的校验进行输入电流值及角度的转算分析，按《DLT995-2006继电保护和电网安全自动装置检验规程》对纵差保护进行定值校验，具体的校验操作过程不再作论述。

2.3.1 比率纵差保护的动作方程

2.3.2 定值表（见表2）

2.3.3 最小动作电流值Iq的校验

发电机机端或中性点单侧输入电流，触发差动保护动作，对最小动作电流值Iq进行校验。

（1）从发电机机端侧A、B、C三相分别输入0.95倍最小动作电流整定值Iq（1.5 A×0.95=1.43 A），差动保护不应动作；从发电机机端侧A、B、C三相分别输入1.05倍最小动作电流整定值Iq（1.5A×1.05=1.58A），因此时满足方程式中第一种动作条件，差动保护应可靠动作，动作时限应符合规范要求。

（2）从发电机中性点侧A、B、C三相分别输入0.95倍最小动作电流整定值Iq（1.5A×0.95=1.43 A），差动保护不应动作；从发电机中性点侧A、B、C三相分别输入1.05倍最小动作电流整定值Iq（1.5 A×1.05 =1.58 A），因此时满足方程式中第一种动作条件，差动保护应可靠动作，动作时限应符合规范要求。

当动作结果符合表4情况，则保护校验合格。

表4 保护校验动作结果判定表

2.3.4 比率制动特性校验

机端及中性点某一相电流互感器，以一侧（机端）输入正方向电流（0°），一侧（中性点侧）输入反方向电流（180°），让差动电流与制动电流同时产生，当差动电流为动作方程计算值的1.05倍时，保护应可靠动作，当差动电流为动作方程计算值0.95倍时，保护应不动作。

（1）拐点B点的定值校验

1）拐点B点对应动作方程式：

It：机端输入电流值；

In：中性点侧输入电流值；

Iq：最小动作电流整定值，为1.5 A；

Ig：最小制动电流整定值，为3.0 A。

2）拐点B点处校验输入差动电流取最小动作电流整定值的1.05倍（1.5 A×1.05=1.58 A），制动电流取最小制动电流整定值的0.95倍（3.0A×0.95=2.85 A）进行校验。

解方程式，It=3.64 A（0°），In=-2.06 A（180°）

在机端侧输入电流3.64 A（0°），在中性点侧输入2.06 A（180°）,保护应可靠动作，动作时限应符合规范要求。

3）在拐点B点处输入差动电流取最小差动电流整定值的0.95倍（1.5 A×0.95=1.43 A），制动电流取最小制动电流整定值的1.05倍（3.0 A×1.05=3.15 A）进行校验。

解方程式，It=3.87 A（0°），In=-2.44 A（180°）

在机端输入电流3.87 A（0°），在中性点侧输入电流2.44 A（180°），保护应不动作。

（2）制动拐点B点～C点之间区间的校验

1）靠近拐点的校验

动作方程式如下：

S=0.4，设在制动斜线上制动电流取点Iz=3.1A进行校验，解方程式：

Id≥1.5+0.4×（3.1-3）

Id≥1.54

①输入差动电流Id取设定点公式中差动电流计算值的1.05倍（1.54A×1.05=1.62A），制动电流Iz取上式中最小制动电流整定值的0.95倍（3.1A×0.95=2.95A）进行校验。

解方程式，校验点的It=3.76 A（0°），In=-2.14 A（180°）

在机端输入电流3.76 A（0°），在中性点侧输入电流2.14 A（180°），保护应可靠动作，动作时限应符合规范要求。

②输入差动电流Id取设定点公式中差动电流计算值的0.95倍（1.54 A×0.95=1.46 A），制动电流Iz取上式中制动电流计算值的1.05倍（3.1 A× 1.05=3.26 A）进行校验。

解方程式，校验点的It=3.99 A（0°），In=-2.53 A（180°）

在机端输入电流3.99 A（0°），在中性点侧输入2.53 A（180°），保护不动作。

当动作结果符合表5情况，则保护校验合格。2）在制动斜线上再取几点进行校验，校验方法同上述1）校验计算及方法。

2.3.5 差动速断动作定值Is校验

动作方程式：Id≥Is

退出比率纵差保护，投入差动速断保护，在发电机机端或中性点单侧输入电流，触发差动速断保护动作，对差动速断动作定值Is进行校验。

（1）从发电机机端侧A、B、C三相分别输入0.95倍差动速断动作定值Is（11.31 A×0.95=10.7 A），差动速断保护不应动作；从发电机机端侧A、B、C三相分别输入1.05倍差动速断动作定值Is（11.31 A× 1.05=11.88 A），差动速断保护应可靠动作，动作时限符合规范要求。

（2）从发电机中性点侧A、B、C三相分别输入0.95倍差动速断动作定值Is（11.31 A×0.95=10.7 A），差动速断保护不应动作；从发电机中性点侧A、B、C三相分别输入1.05倍差动速断动作定值Is（11.31 A× 1.05=11.88 A），差动速断保护应可靠动作，动作时限符合规范要求。

当动作结果符合表6情况，则差动速断保护校验合格。

如果在比率纵差保护的定值校验中不对保护动作特性进行换算，仅对最小动作电流定值、差动速断定值进行校验，不能完整检验保护的动作特性。通过对比率制动纵差保护的最小动作电流定值、A、B、C点间特性曲线、差动速断定值的校验，能准确校验保护在动作边界的动作结果，也就能达到对保护在动作区、制动区、差动速断动作区的完整校验，全面检验保护应有的设计功能。

表5 保护校验动作结果判定表

表6 保护校验动作结果判定表

3 结语

在发电机比率制动纵差保护的定值整定中，既要结合保护工作原理，参照厂家保护装置说明书的整定原则及范围，又必须依据系统短路电流计算成果，确定最大不平衡电流，严格按导则进行精确计算分析，对拐点最小动作电流、最小制动电流、制动系数、最大动作电流进行科学整定，才能使保护拥有符合设计要求的功能。在比率制动纵差保护的定值校验中不能仅对最小动作电流定值、差动速断定值进行校验，必须对保护动作特性进行换算分析，通过对保护的最小动作电流定值、A、B、C点间特性曲线、差动速断定值的校验，准确校验保护在动作边界的动作结果，才能达到对保护在动作区、制动区、差动速断动作区的完整校验。通过实践运行证明，采用上述方法进行保护定值的整定和校验后，实现了在发电机内部发生相间短路故障时，差动保护能可靠动作，在发电机外部发生相间短路故障时，差动保护不会误动作的保护功能。

如何更科学的进行比率制动纵差保护的灵敏度校验，完整反映纵差保护在发电机发生各种内部相间故障时的反应能力，有待作进一步的探索和论证。

[1]中华人民共和国国家发展和改革委员会.DL/T 995-2006继电保护与电网安全自动装置检验规程[S]，2006.

[2]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T684-1999大型发电机变压器继电保护整定计导则[S]，1999.

[3]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 769-2001电力系统微机继电保护技术导则[S]，2001.

[4]国家能源局.DL/T 671-2010发电机变压器组保护装置通用技术条件[S]，2010.

[5]贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理(增订版)[M].北京：中国电力出版社，2004.

[6]沈燕华.WFB-810A系列微机型发电机变压器组成套保护装置技术说明书[Z].许继电气股份公司，2008.

TM77

A

1672-5387（2017）02-0001-06

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.02.001

2015-07-24

杨大朋（1981-），男，工程师，从事电站运行管理工作。