发电机变压器继电保护整定计算讲稿050926

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发电机变压器继电保护整定计算

第一章一般规定

保护定值的整定计算是配置和设计电力系统继电保护装置的一项主要内容，定值的整定计算正确与否决定了保护装置动作是否具有选择性和灵敏性。中华人民共和国电力行业标准DL/T684-1999《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》已经出版发行，它对发电机和变压器继电保护的定值整定工作必将起到规范化的作用。

发电机变压器继电保护整定计算的主要任务是：在工程设计阶段保护装置选型时，通过整定计算，确定保护装置的技术规范；对现场实际应用的保护装置，通过整定计算，确定其运行参数(给出定值)。从而使继电保护装置正确地发挥作用，保障电气设备的安全，维持电力系统的稳定运行。

为简化计算工作，可按下列假设条件计算短路电流：

a. 可不计发电机、调相机、变压器、架空线路、电缆线路等阻抗参数中的电阻分量；在很多情况下，可假设旋转电机的负序阻抗与正序阻抗相等。

b. 发电机及调相机的正序阻抗，可采用次暂态电抗X″d的饱和值。

c. 各发电机的等值电动势(标么值)可假设为1且相位一致。仅在对失磁、失步、非全相等保护装置进行计算分析时，才考虑电动势之间的相角差问题。

d. 只计算短路暂态电流中的周期分量，但在纵联差动保护装置(以下简称纵差保护)的整定计算中以非周期分量系数Kap考虑非周期分量的影响。

e. 发电机电压应采用额定电压值，系统侧电压可采用额定电压值或平均额定电压值，不考虑变压器电压分接头实际位置的变动。

f. 不计故障点的相间和对地过渡电阻。

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第二章发电机保护的整定计算

发电机内部短路包括定子绕组不同相之间的相间短路、同相不同分支之间和同相同分支之间的匝间短路，定子绕组的分支开焊故障，以及各种接地故障。

1 差动保护

纵差保护是比较被保护设备各个引出端电气量（例如电流）大小和相位的一种保护，见图1。发电机纵差保护的保护范围，除发电机定子绕组外还应包括发电机出口至断路器的连接线。不同容量的发电机选用的差动保护装置不同，其整定计算方法也不尽相同。

图1 纵联差动保护原理图

1.1 电磁式BCH-2型纵差保护 1.1.1 动作电流的整定计算

发电机纵差保护的动作电流，按下面两个条件计算，并取其中较大者为整定值Idz.z。 a. 躲过外部短路时的最大不平衡电流

发电机外部短路时，差动保护的最大不平衡电流由式(2-1)进行估算

(3) (2-1) Iunb.max?KapKccKerIkmax/na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

(3)I比误差系数，取0.1；k.max——最大外部三相短路电流周期分量。（0.375左右）

Idz?KkIunb.max

式中：Kk——可靠系数，取1.2～1.3。

b. 为避免保护在TA（即CT）二次回路断线时误动，保护动作电流应大于发电机的最大负荷电流

Idz?KkIe.f

式中：Kk——可靠系数，取1.3，Ie.f——发电机的额定电流。

取二者之中较大值作为动作电流。差动继电器的动作电流为

Idz.j?KjxIdzna

式中：Kjx——接线系数；na——TA变比。 1.1.2 差动线圈匝数Wcd的计算

- 2 -

Wcd.js?AW0 (2-2) Idz.j式中：AW0——BCH-2型差动继电器的动作安匝，取60；Idz.j——继电器的动作电流。

差动线圈的整定匝数Wcd.z，应选择接近且小于计算匝数Wcd.js的整匝数。 1.1.3 灵敏系数校验

Klm(2)Id?.min?2 （2-3） Idz.z(2)式中：Id.min——发电机出口两相短路时流经保护的最小两相短路电流。

当灵敏系数不满足要求时，可采用高灵敏度接线的纵差保护。 1.2 高灵敏度接线的纵差保护

用于10MW及以上和电抗较大的发电机（如水内冷发电机），见图2。

图2 高灵敏度纵差保护原理接线图

1.2.1 平衡线圈Wp匝数的选择

为防止非断线相继电器的误动作，平衡线圈的匝数应按二次回路断线时非断线相保护不动作的条件进行选择。

Wp.js?AW0 （2-4） KkI2e式中：Kk——可靠系数，取1.1；I2e——发电机额定电流的二次值；AW0——带速饱和中间变流器的差动继电器的动作安匝，取60。

平衡线圈的整定匝数Wp.z应选择接近且小于Wp.js的整数。 1.2.2 差动线圈Wcd的选择

按一相断线时断线相不动作的条件选择，所以差动线圈应满足

KKI2e(Wcd.js?Wp)?AW0 AW0Wcd.js??Wp

KkI2e将Wp.js?AW0代入上式中，可得 KkI2e- 3 -

2AW0 （2-5） Wcd.js?KkI2e差动线圈的整定匝数Wcd.z应选择接近且小于Wcd.js的整数。

1.2.3 动作电流的计算

如果所选用的Wcd、Wp与计算值一样，且Kk=1.1，并考虑AW0≤Idz.jWcd，则

Idz.j?AW0AW0KkI2e??0.55I2e （2-6） Wcd2AW01.2.4 灵敏度校验

当发电机纵差保护范围内发生两相或三相短路时，短路电流将流经两相或三相的差动线圈，而平衡线圈中却没有电流流过，因而差动继电器能灵敏动作。灵敏度的校验按式（2-3）进行。

1.2.5 断线监视继电器的整定计算

CJJ的动作电流应大于正常运行时最大不平衡电流，其动作时限应大于发电机后备保护的动作时限。

1.3 比率制动式纵差保护 1.3.1 基本原理

比率制动式纵差保护对发电机定子绕组极其端部引线的相间短路故障有灵敏的保护作用，但对定子绕组的同相匝间短路和分支绕组开焊故障毫无反应。具有比率制动特性的差动保护的二次接线如图2所示。

图2 比率制动式差动保护原理接线图

当差动线圈匝数Wd与制动线圈匝数Wres的关系为Wres?0.5Wd时，

???差动电流： Id?(In1-It1)/na

制动电流： Ires?0.5(In1?It1)/na

????式中：In1，It1——一次电流；In2，It2——二次电流；na——电流互感器变比。

...差动保护的制动特性如图2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。

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图3 比率制动式差动保护的制动特性

发电机外部短路时，差动保护的最大不平衡电流由式(2-1)进行估算。 1.3.2 定值计算

1.3.2.1 最小动作电流Iop.0

原则：应按躲过正常发电机额定负载时的最大不平衡电流条件整定。图3中A点的纵座标Iop.0为

Iop.0＝Krel×2×0.03Ign／na 或 Iop. 0＝KrelIunb.0 (2-7)

式中：Krel——可靠系数，取1.5；Ign——发电机额定电流；Iunb.0——在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。

1.3.2.2 最小制动电流Ires.0 （B点）

原则：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，

Ires.0＝(0.8～1.0)Ign／na (2-8)

当Ires.0＞Ign／na时，应调整保护内部参数，使其满足式(2-8)。 1.3.2.3 比率制动系数S

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 (2-9)

式中：Krel——可靠系数，取1.3～1.5。

(3)Ik.maxC点对应的最大短路电流与最大制动电流Ires.max相对应。C点的最大制动系数Kres.max按下

式计算

Kres.max＝Iop.max／Ires.max＝KrelKapKccKer (2-10)

式(2-10)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，为安全起见，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＝ (2-11)

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

?IIop.max－Iop.0(3)k.max／na－Ires.0?- 5 -

数一定满足Ksen≥2.0的要求，不必进行灵敏系数校验。 1.3.3 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，取额定电流的3～4倍。

Isd?(3?4)Ign.2 1.4 标积制动式纵差保护

??设发电机机端和中性点侧电流分别为It和In，它们的相位差为?，令标积ItIncos?为制

动量，

??2It-In为动作量，构成标积制动式纵差保护，其动作判据为

??2It-In?KresItIncos?式中：Kres——制动系数，取0.8～1.2。

(2-12)

外部短路时，?＝0°，式(2-13)右侧表现为很大的制动作用。当发电机内部短路时，可能呈现90°＜?＜270°，使cos?＜0,式(2-12)右侧呈现负值，即不再是制动量而是助动量，保护灵敏动作，不需要校验灵敏系数。本保护仅反应相间短路故障。 1.5 不完全纵差保护

本保护既反应相间和匝间短路，又兼顾分支开焊故障。设定子绕组每相并联分支数为a，在构成纵差保护时，机端接入相电流,但中性点侧TA1每相仅接入n个分支，a与n的关系如下式

1≤N≤a/2 (2-13)

式中：a与N的取值见表1。

表1 a与n的关系 2 3 4 5 6 7 8 9 10 N 1 1 2 2 2或3* 2或3* 3或4* 3或4* 4或5* * 与装设一套或二套单元件横差保护有关。

本保护不仅反应相间短路，还能对匝间短路和分支开焊起保护作用，其基本原理是利用定子各分支绕组间的互感，使未装设互感器的分支短路时，不完全纵差保护仍可能动作。

比率制动特性发电机不完全纵差保护的整定计算工作，除互感器变比选择不同于完全纵差保护外，其余均可按1.3.2，但当TA1与TA2不同型号时，互感器的同型系数应取Kcc＝1.0。 1.6 单元件横差保护

本保护反应匝间短路和分支开焊以及机内绕组相间短路。 1.6.1 传统单元件横差保护

TA0的变比选择，传统的做法按下式计算

na≈0.25Ign／I2n (2-14)

式中：Ign——发电机额定电流；I2n——互感器TA0的二次额定电流。

动作电流Iop按躲过外部短路最大不平衡电流整定。当横差保护的三次谐波滤过比大于或等于15时，其动作电流为

Iop＝(0.20～0.30)Ign／na (2-15)

式中：na——发电机横差零序电流TA变比。

动作延时：为防止励磁回路发生瞬时性第二点接地故障时横差保护误动，应切换为带0.5～1.0s延时动作于停机。

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a 1.6.2 高灵敏单元件横差保护

高灵敏单元件横差保护用的互感器变比na，根据发电机满载运行时中性点连线的最大不平衡电流，可选为600／I2n、400／I2n、200／I2n、100／I2n。初步设计时，宜选前三组na。

为了减小动作电流和防止外部短路时误动，在额定频率工况下，该保护的三次谐波滤过比K3应大于80。

高灵敏单元件横差保护动作电流设计值可初选为0.05Ign／na。作为该保护动作电流的运行值应如下整定：

1)在发电机作常规短路试验时，实测中性点连线电流的基波和三次谐波分量大小(Iunb.1和Iunb.3)，此即单元件横差保护的不平衡电流一次值，如图5的OC和OA(近似线性)。

图4 单元件横差保护的不平衡电流(Iunb)测试和线性外推

(3)Ik.max2)将直线OC和OA线性外推到(发电机机端三相短路电流)，得直线OCD和OAB，确定最

大不平衡电流Iunb.1.max和Iunb.3.max。

3)计算和整定动作电流运行值

(2-16)

式中：Krel——可靠系数，取1.3～1.5；Kap——非周分量系数，取1.5～2.0；K3——三次谐波滤过比，K3≥80。

4)如不装励磁回路两点接地保护，则高灵敏单元件横差保护兼顾励磁回路两点接地故障的保护，瞬时动作于停机。

5)如该保护中有防外部短路时误动的技术措施，动作电流Iop只需按发电机额定负荷时横差保护的不平衡电流整定。 1.7 纵向零序过电压保护

发电机定子绕组同分支匝间、同相不同分支间或不同相间短路时，会出现纵向(机端对中性点)零序电压，该电压由专用电压互感器(互感器一次中性点与发电机中性点相连，不接地) 的开口三角绕组取得。根据保护装置的实现原理确定定值，三次谐波电压滤过比应大于80。

零序过电压保护的动作电压U0.op设计值可初选为

U0.op＝2～3(V)

2 发电机相间短路后备保护

大机组所在电厂的220kV及以上电压等级的出线，要求配置双套快速主保护，并有比较完善的近后备保护，不再强调要求发—变组提供远后备保护。大型发—变组本身已配备双重或更多的主保护(例如，发电机纵差、变压器纵差、发—变组纵差、高灵敏单元件横差等)。尽管如此，大机组装设简化的后备保护仍是必要的。

对于中小型机组，不装设双重主保护，应配置常规后备保护，并使其对所连接高压母线和相邻线路的相间短路故障具有必要的灵敏度。 2.1 定时限复合过电流保护

该保护由负序过电流元件及低电压启动的单相过电流元件组成。

a)负序过电流元件的动作电流Iop.2按防止负序电流导致转子过热损坏的条件整定，一般按

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2Iop＝KrelKapIunb.1.max+(Iunb.3.max／K3)2下式整定

Iop.2＝ (0.5～0.6)Ignna (2-17)

式中：Ign——发电机额定电流；na——电流互感器变比。

间接冷却式汽轮发电机用0.5Ign；水轮发电机用0.6Ign。

其他发电机可用

Iop.2＝ ?A／120 Ign／na?，A值由电机制造厂给定。

灵敏系数按主变压器高压侧两相短路的条件校验

(2)Ik.min.2Ksen＝Iopna (2-18)

式中：Ik.min.2——主变压器高压侧母线金属性两相短路时，流过保护的最小负序电流。

要求灵敏系数Ksen≥1.5。

b)单相过电流元件的动作电流Iop.1按发电机额定负荷下可靠返回的条件整定

(2)Iop.1＝KrelIgn／Krna (2-19)

式中：Krel——可靠系数，取1.3～1.5；Kr——返回系数，取0.85～0.95。

灵敏系数按主变压器高压侧母线两相短路的条件校验

(2)Ik.minKsen＝naIop (2-20)

(2)Ik.min式中：——主变压器高压侧母线金属性两相短路时，流过保护的最小短路电流。

要求灵敏系数Ksen≥1.2。

c)低电压元件接线电压，动作电压Uop可按下式整定。对于汽轮发电机

Uop＝0.6Ugnnv (2-21)

式中：Ugn——发电机额定电压；nv——电压互感器变比。

灵敏系数按主变压器高压侧母线三相短路的条件校验

Ksen＝Uopnv(3)XtIk.max (2-22)

(3)Ik.max式中：——主变高压侧母线金属性三相短路时的最大短路电流；Xt——主变压器电抗，

取Xt＝Zt。

要求灵敏系数Ksen≥1.2。

低电压元件的灵敏系数不满足要求时，可在主变压器高压侧增设低电压元件。

d)时间元件。复合过电流保护的动作时限，按大于升压变压器后备保护的动作时限整定，动作于解列或停机。

2.2 定时限复合电压启动的过电流保护

保护装置由负序电压及线电压启动的过电流元件组成。

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单相电流元件的动作电流，低电压元件的动作电压的整定及灵敏系数校验与2.1相同。负序过电压元件的动作电压按躲过正常运行时的不平衡电压整定，一般取

Uop2＝ (0.06～0.08)Ugnnv (2-23)

灵敏系数按主变压器高压侧母线两相短路的条件校验：

Ksen＝U2.minUop2nv (2-24)

式中：U2.min——主变高压侧母线两相短路时，保护安装处的最小负序电压。

要求灵敏系数Ksen≥1.5。保护动作时间同2.1。

当以上保护不满足要求时，采用低阻抗保护。 3 定子绕组单相接地保护

我国发电机中性点接地方式主要有以下三种：不接地(含经单相电压互感器接地)；经消弧线圈(欠补偿)接地；经配电变压器高阻接地。

在发电机单相接地故障时，不同的中性点接地方式，将有不同的接地电流和动态过电压以及不同的保护出口方式。

当机端单相金属性接地电容电流IC小于允许值时，发电机中性点应不接地，单相接地保护带时限动作于信号；若IC大于允许值，宜以消弧线圈(欠补偿)接地，补偿后的残余电流(容性)小于允许值时，保护仍带时限动作于信号；但当消弧线圈退出运行或由于其他原因使残余电流大于允许值时，保护应切换为动作于停机。

发电机中性点经配电变压器高阻接地时，接地故障电流大于2IC，一般情况下均将大于允许值，所以单相接地保护应带时限动作于停机，其时限应与系统接地保护相配合。

国产汽轮发电机定子对地电容及单相接地电容电流值见表A1。

表 A1 国产汽轮发电机定子对地电容及单相接地电容电流值容量 MW 50 100 200 300 电压 kV 10.5 10.5 15.75 18.0 每相对地电容 μF 0.25 0.16 0.20 0.23～0.3 单相接地电容电流 A 1.43 0.914 1.715 1.97～2.57

发电机定子绕组单相接地故障电流允许值见表A2。

表 A2 发电机定子绕组单相接地故障电流允许值发电机额定电压 kV 6.3 10.5 13.8～15.75 18～20

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发电机额定容量 MW ≤50 汽轮发电机水轮发电机汽轮发电机水轮发电机 300～600 50～100 10～100 125～200 40～225 故障电流允许值 A 4 3 2 1 1) 1)对于氢冷发电机为2.5A。 3.1 基波零序过电压保护

该保护的动作电压Uop应按躲过正常运行时中性点单相电压互感器或机端三相电压互感器开口三角绕组的最大不平衡电压Uunb.max整定，即

Uop＝KrelUunb.max (2-25)

式中：Krel——可靠系数，取1.2～1.3。

Uunb.max为实测不平衡电压，其中含有大量三次谐波。为了减小Uop，可以增设三次谐波阻波环节，使Uunb.max主要是很小的基波零序电压，大大提高灵敏度，此时Uop≥5V，保护死区≥5%。

应校核系统高压侧接地短路时，通过升压变压器高低压绕组间的每相耦合电容CM传递到发电机侧的零序电压Ug0大小，传递电压计算用近似简化电路，见图5。

图5 传递电压计算用近似简化电路

图5中，E0为系统侧接地短路时产生的基波零序电动势，由系统实际情况确定，一般可取

E0≈0.6UHn／3，UHn为系统额定线电压。CgΣ为发电机及机端外接元件每相对地总电容。CM为

主变压器高低压绕组间的每相耦合电容，见附录J。Zn为3倍发电机中性点对地基波阻抗。

Ug0可能引起基波零序过电压保护误动作。因此，应从动作电压整定值及延时两方面与系统接地保护配合。

3.2 三次谐波电压单相接地保护

对于100MW及以上的发电机，应装设无动作死区(100%动作区)单相接地保护。一种保护方案是基波零序过电压保护与三次谐波电压保护共同组成100%单相接地保护。

电压互感器变比为：

机端TV：

nv＝Ugn31003U 100V nv＝gn100V33；中性点TV：

如发电机中性点经消弧线圈或配电变压器接地，保护装置应具有调平衡功能，否则应增

设中间电压互感器。

设机端和中性点三次谐波电压各为Ut和Un，三次谐波电压单相接地保护可采用以下两种原理：

Ut/Un?a?? (2-26)

实测发电机正常运行时的最大三次谐波电压比值设为a0，则取阈值a＝(1.05～1.15)a0。根据发电机定子绕组对地电容和中性点对地三次谐波阻抗的大小，见图8，可计算a0。a0可能小于或大于1.0。

????Ut?KpUn/?Un?1. (2-27)

式中分子为动作量，调整系数Kp，使发电机正常运行时动作量最小。然后调整系数β，使制动量?在正常运行时恒大于动作量，一般取β≈0.2～0.3。｜Un｜动作判据1)的保护装置简单，但灵敏度较低。动作判据2)较复杂，但灵敏度高。

定子绕组单相接地保护中的三次谐波部分只动作于信号。

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E3—发电机三次谐波相电动势；EH3—系统高压侧三次谐波相电动势；

Zn—发电机中性点对地三次谐波感抗或电阻的三倍；C1—发电机每相对地电容之半； C2—机端外接元件每相对地总电容；CM—主变压器高低压绕组间每相耦合电容

图6 发电机三次谐波电压分析计算用等值电路

3.3 中性点经配电变压器高阻接地的定子绕组单相接地保护

接于配电变压器(变比nt)二次侧的电阻RN，应按机端单相接地时由RN产生的电阻电流大于电容电流选定，即

RN?1/(3?Cg?nt)2 (2-28)

式中：CgΣ——发电机及机端外接元件每相对地总电容。

a)基波零序过电压保护。与3.1相同，但此保护用在中性点经配电变压器高阻接地的发电机上，灵敏度较低。

b)三次谐波电压单相接地保护。与3.2相同。

c)95%定子绕组单相接地基波零序过电流保护。该保护装设在发电机中性点接地连线的电流互感器上，保护应具有三次谐波阻波部件，其动作电流为

(1)?1??U%IkI2nIop?(1?0.95)(1?Ker)??1??U%naI2n??Ier (2-29)

(1)Ik式中：Ker——电流互感器比误差系数，取为3%；ΔU%——机端电压变化百分值，取为10%；

——机端单相金属性接地电流；na——电流互感器变比；I2n——电流互感器二次额定电流；

ΔIer——保护继电器误差，取为5%。

保护经0.5s延时动作于停机。整定计算举例：

汽轮发电机，300MW，18kV，N=18000/240=75，Cg=0.25μF/相，选择R’N=4.25kΩ，则对于这台发电机有

3.4 外加交流电源式100%定子绕组单相接地保护

国内应用的外加交流电源式定子绕组单相接地保护有两种，其一为外加20Hz电源，另一为外加12.5Hz电源。

外加电源方式的定子绕组单相接地保护，在启、停机过程中仍有保护作用，但必须增设低频电源，且对其要求有很高的可靠性。 4 励磁回路接地保护

汽轮发电机通用技术条件规定：对于空冷及氢冷的汽轮发电机，励磁绕组的冷态绝缘电

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阻不小于1MΩ，直接水冷却的励磁绕组，其冷态绝缘电阻不小于2kΩ。水轮发电机通用技术条件规定：绕组的绝缘电阻在任何情况下都不应低于0.5MΩ。

励磁绕组及其相连的直流回路，当它发生一点绝缘损坏时(一点接地故障)并不产生严重后果；但是若继发第二点接地故障，则部分转子绕组被短路，可能烧伤转子本体，振动加剧，甚至可能发生轴系和汽轮机磁化，使机组修复困难、延长停机时间。为了大型发电机组的安全运行，无论水轮发电机或汽轮发电机，在励磁回路一点接地保护动作发出信号后，应立即转移负荷，实现平稳停机检修。对装有两点接地保护的汽轮发电机组，在一点接地故障后继续运行时，应投入两点接地保护，后者带时限动作于停机。 4.1 叠加直流式一点接地保护

在励磁绕组负端和大地之间经一电流继电器KA叠加直流电压Uad构成的转子一点接地保护，见图8，其等效电路见图9。

图7 叠加直流电压一点接地保护原理图

图8 正常情况下，图7的等效电路

由图9可知，正常运行时流过继电器KA的电流为

1Uad?Ufd2Iad?Ri?Rins (2-30)

式中：Uad——叠加直流电压；Ufd——发电机励磁电压；Ri——继电器KA的内阻；Rins——励磁绕组对地等效绝缘电阻。

发电机强行励磁但励磁绕组并不接地时，流过继电器KA的电流为

Iad.max1Uad?Ufd.max2?Ri?Rins (2-31)

式中：Ufd.max——发电机强励时的转子电压。

对于空冷及氢冷汽轮发电机，要求在励磁绕组负端经过渡电阻Rtr＝20kΩ接地时继电器KA动作。

发电机空载运行，励磁绕组负端经过渡电阻Rtr接地条件下，流过继电器KA的电流Iop为

1Uad(Rtr?Rins)?Ufd0Rtr2Iop?RiRins?Rtr(Rins?Ri) (2-32) 

式中：Ufd0——发电机空载励磁电压；Rtr——接地点的过渡电阻。

按负端经过渡电阻接地时流过继电器KA的电流大于发电机强励而励磁绕组并不接地时流过继电器KA的电流整定。

- 12 -

Iop≥KrelIad.max (2-33)

式中：Krel——可靠系数，取1.5。

解出表示最小灵敏度的过渡电阻Rtr为(当Ufd.max＝2Ufdn,Ufdn为正常额定励磁电压)

Rtr?UadRins?15.(Uad?Ufdn)Ra05.Uad?15.Ufdn?05.Ufd0 (2-34)

式中：Ra＝RinsRi／(Rins+Ri)。

Rtr?Uad(Ri?Rins)?Ri15.(Uad?Ufdn (2-35)

4.2 测量励磁绕组对地导纳的一点接地保护

该保护外加工频交流电源经补偿电感L与隔直电容C(L、C对50Hz串联谐振)接于励磁绕组的正负极。励磁绕组正常对地(大轴)的绝缘电阻为Rins(或电导gins)和对地电容为Ce。重要的是由外加电源a、b两端向励磁绕组看进去的等值电路(图8)中除Rins和Ce外，只有纯阻Rb，不应有与Rb串联的感抗或容抗(Ce除外)。

由a、b两点看到的输入对地导纳轨迹如图9所示，图中实线圆族为以gins为常量、Ce为变量的等电导圆，虚线圆族为以Ce为常量、gins为变量的等电纳圆。

图8 测量对地导纳式一点接地保护的等值电路

图9中，横坐标右侧端点表示励磁绕组发生金属性接地故障(Rins＝0，gins＝∞)，输入端对地导纳为gb＝1／Rb。

理想的测量对地导纳式一点接地保护的动作特性应只与整定的Rins值有关，而与Ce大小无关。因此保护整定的动作特性(以Rins＝2kΩ为例)如图11中的阴影整圆，它与等电导圆(Rins＝2kΩ)完全重合，表明该保护的动作特性与Ce无关，只要Rins≤2kΩ，保护就动作。

图9 等电导圆和整定圆

继电器的动作判据如图10所示，为

｜Y－gm｜≤｜gN－gm｜ (2-36)

式中：Y——继电器测得的励磁绕组对地导纳；gm——继电器整定圆圆心；gn－gm——继电器整定圆半径。

- 13 -

图10 测量对地导纳继电器的整定圆

当已确定要求继电器在转子绕组对地绝缘电阻下降到Rins(相应有gins＝1／Rins)时动作，且已知Rb值(制造厂家供给，相应有参考电导gb＝1／Rb)，则需要整定计算的对地导纳整定圆圆心为gm(位于g轴上)

gm?gb(gb?2gins)2(gb?gins) (2-37)

整定圆半径为gn－gm，由图12知，gn＝gb，所以半径为

gn?gm?g2b2(gb?gins) (2-38)

在实际工作中应注意以下几点： a) Rins的整定值不能取得太大(例如大于10kΩ)，这是由保护原理确定的；因为当Rins从8kΩ变到无穷大时，等电导圆十分密集，极易产生定值变异。一般Rins的整定值宜取5kΩ左右。

b）励磁回路发生金属性一点接地故障时，Rins＝0,gins＝∞，测量对地导纳Y位于整定圆的边界上，处于动作边缘。在发生金属性接地时，检验保护不应拒动。

c)电刷与大轴间的接触电阻，严重影响保护的动作定值，为此必须使滑环电刷的压力足够大，减小其接触电阻值。

d）测量回路L与C的工频调谐一定要严谨，使之呈现纯阻性质。 4.3 切换采样式一点接地保护

图11 接地保护装置的阻容网络

该保护要在转子绕组两端外接阻容网络，电子开关S1～S3轮流接通和断开，如图11所示，对电流I1～I3采样。

- 14 -

I1?K1U1Ra?Rb?Rtr (2-39)

I2?K2Ufd2Ra?Rc (2-40) K1U2Ra?Rb?Rtr (2-41)

I3?式中：K1、K2——选定的常数；故障点将Ufd分为U1和U2。

保护的动作判据为

I1+I3≥I2 (2-42)

保护动作时的过渡电阻Rtr为

Rtr?K1(2Ra?Rc)?(Ra?Rb)K2 (2-43)

Rtr即为保护的灵敏度，其定值取决于正常运行时转子回路的绝缘水平。

K2?K1(2Ra?Rc)Ra?Rb?Rtr (2-44)

要求在一定的Rtr时动作，就有相应的K2值，所以改变K2可以改变转子一点接地保护整定值Rset，通常取Rset＝10kΩ以上。当Rtr＜Rset时，保护动作。

切换采样式转子一点接地保护的另一种形式为乒乓式转子一点接地保护。原理图如图12所示。

图12 乒乓式转子一点接地保护

励磁绕组中任一点E经过渡电阻Rtr(即对地绝缘电阻)接地，励磁电压Ufd由E点分为U1和U2。 S1闭合，S2打开时(此时设Ufd＝Ufd1)

I1?U1R0?Rtr (2-45)

式中：R0——保护的固定电阻；Rtr——励磁回路对地绝缘电阻。

S2闭合，S1打开时(此时有Ufd＝Ufd2)

I2?U2R0?Rtr (2-46)

电导为

- 15 -

G1?I1Ufd1U1K1UUfd1??,K1?1R0?RtrR0?RtrUfd1 (2-47)

(2-48)

因S1、S2切换前后接地点E为同一点，故K1+K2＝1。保护的动作判据为

Gset≤G1+G2或Rset≥Rtr+R0 (2-49)

整定范围Rset≥0～40kΩ。 4.4 励磁回路两点接地保护

利用四臂电桥原理构成的励磁回路两点接地保护，在励磁回路发生一点接地后投入运行，并调整平衡。当励磁回路发生第二点的接地故障时，保护延时动作于停机。

保护的动作电流，按躲过电桥不能调整得完全平衡而引起的不平衡电流整定。应选用高灵敏度继电器，以便缩小转子绕组近距离两点接地时的死区。

动作时限按躲过瞬时出现的两点接地故障整定，一般为0.5～1.0s。 5 发电机过负荷保护

5.1 定子绕组对称过负荷保护

发电机定子绕组承受短时过电流运行的要求：直接冷却的Sgn≤1200MVA的汽轮发电机，应能承受1.5Ign、历时30s的过电流，不发生有害变形及损伤，但每年不超过2次。

允许过电流倍数及过电流时间按下式计算

K?(I*?1)t2G2?I2Ufd2U2K2UUfd2??,K2?2R0?RtrR0?RtrUfd2

式中：I*——以发电机额定电流为基值的标么值；t——过电流持续时间，适用范围为10～60s。

当S≤1200MVA时，K＝37.5。

对于发电机因过负荷或外部故障引起的定子绕组过电流，装设单相定子绕组对称过负荷保护，通常由定时限过负荷及反时限过电流二部分组成。 5.1.1 定时限过负荷保护。

动作电流按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定

Iop?KrelIgnKrna (2-50)

式中：Krel——可靠系数，取1.05；Kr——返回系数，取0.85～0.95，条件允许应取较大值；na——电流互感器变比；Ign——发电机额定电流。

保护延时(躲过后备保护的最大延时)动作于信号或动作于自动减负荷。 5.1.2 反时限过电流保护。

反时限过电流保护的动作特性，即过电流倍数与相应的允许持续时间的关系，由制造厂家提供的定子绕组允许的过负荷能力确定。

“汽轮发电机通用技术条件”规定：发电机定子绕组承受的短时过电流倍数与允许持续时间的关系为

t?KtcI2*?1 (2-51)

式中：Ktc——定子绕组热容量常数，机组容量Sn≤1200MVA时，Ktc＝37.5(当有制造厂家提供的参数时，以厂家参数为准)；I*——以定子额定电流为基准的标么值；t——允许的持续时间，s。

- 16 -

定子绕组允许过电流曲线见图15。

图13 定子绕组允许过电流曲线

设反时限过电流保护的跳闸特性与定子绕组允许过电流曲线相同。按此条件进行保护定值的整定计算。

反时限跳闸特性的上限电流Iop.max按机端三相金属性短路的条件整定

Iop.max?IgnKsatXd??na (2-52)

??——发电机次暂态电抗(非式中：Ign——发电机额定电流，A；Ksat——饱和系数，取0.8；Xd

饱和值)，标么值；na——TA变比。

当短路电流小于上限电流时，保护按反时限动作特性动作。

反时限动作特性的下限电流Iop.min按与过负荷保护配合的条件整定，由5.1知

Iop?KrelIgnKrna (2-53)

则

Iop.min＝Kc0Iop＝Kc0KrelIgn/（Krna） (2-54)

式中：Kc0——配合系数，取1.05。

不用考虑在灵敏度和动作时限方面与其他相间短路保护的配合。保护动作于解列或程序跳闸。

5.2 转子绕组过负荷保护

转子绕组的过负荷保护由定时限和反时限二部分组成。 5.2.1 定时限过负荷保护。

原则：动作电流按正常运行的额定励磁电流下能可靠返回的条件整定。当保护配置在交流侧时，其动作时限及动作电流的整定计算同5.1.1)(额定励磁电流Ifd应变换至交流侧的有效值I～，对于采用桥式不可控整流装置的情况，I～＝0.816Ifd)。

保护带时限动作于信号，有条件的动作于降低励磁电流或切换励磁。动作时限按躲过后备保护的最大延时整定。 5.2.2 反时限过电流保护

反时限过电流倍数与相应允许持续时间的关系曲线，由制造厂家提供的转子绕组允许的过热条件决定。整定计算时，设反时限保护的动作特性与转子绕组允许的过热特性相同，见图16所示，其表达式为

- 17 -



式中：C——转子绕组过热常数；Ifd*——强行励磁倍数。

图14 转子绕组反时限过电流保护跳闸特性

最大动作时间对应的最小动作电流，按与定时限过负荷保护相同的条件整定。(即过负荷保护动作于信号的同时，启动反时限过电流保护)。

反时限动作特性的上限动作电流与强励顶值倍数匹配。如果强励倍数为2倍，则在2倍额定励磁电流下的持续时间达到允许的持续时间时，保护动作于跳闸。当小于强励顶值而大于过负荷允许的电流时，保护按反时限特性动作。

保护动作于解列灭磁。

5.3 转子表层负序过负荷保护

汽轮发电机三相负载不对称且每相电流均不超过额定电流(Ign)时，负序电流(I2)与额定电流之比(I2/Ign)符合表D1规定时，应能连续运行。发生不对称故障时，故障运行时最大的(I2/Ign)2和时间t(s)的乘积，应符合表D1的规定。

表 D1 汽轮发电机连续运行时I2/Ign最大值及故障运行时(I2/Ign)T最大值转子直接冷却的发电机功率 ≤350MVA ＞350～900MVA ＞900～1250MVA ＞1250～1600MVA 连续运行时的 I2/Ign最大值 0.08 故障运行时的 2(I2/Ign)t最大值 8 8-0.00545(Sgn-350) 5 5 2

0.08?Sgn?3503?104同上 0.05 注：Sgn为发电机额定视在功率，MVA。

针对发电机的不对称过负荷、非全相运行以及外部不对称故障引起的负序过电流，其保护通常由定时限过负荷和反时限过电流二部分组成。

a)负序定时限过负荷保护。保护的动作电流按发电机长期允许的负序电流I2∞下能可靠返回的条件整定

Iop?KrelI2?IgnKrna (2-55)

式中：Krel——可靠系数，取1.2；Kr——返回系数，取0.85～0.95，采用微机保护时应取0.95；I2∞——发电机长期允许负序电流的标么值。保护延时动作于信号。

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b)负序反时限过电流保护。负序反时限过电流保护的动作特性，由制造厂家提供的转子表层允许的负序过负荷能力确定。

发电机短时承受负序过电流倍数与允许持续时间的关系为 (2-56)

式中：I2*——发电机负序电流标么值；I2∞——发电机长期允许负序电流标么值；A——转子

2*t?AI2?I2?2表层承受负序电流能力的常数(A＝I2t)。

发电机允许的负序电流特性曲线见图15。

图15 发电机允许的负序电流特性(即保护的动作特性)

整定计算时，设负序反时限过电流保护的动作特性与发电机允许的负序电流特性相同。反时限保护动作特性的上限电流，按主变压器高压侧二相短路的条件计算

Iop.max?Ign(KsetXd???X2?2Xt)na (2-57)

式中：Xd??,X2——发电机的次暂态电抗(不饱和值)及负序电抗标么值；Ksat——饱和系数，取0.8；Xt——主变压器电抗，取Xt≈Zt，标么值。

当负序电流小于上限电流时，按反时限特性动作。

反时限动作特性的下限电流，通常由保护所能提供的最大延时决定，一般最大延时为1000s，据此决定保护下限动作电流的起始值

Iop.max?A2?I2?1000 (2-58)

在灵敏度和动作时限方面不必与相邻元件或线路的相间短路保护配合；保护动作于解列或程序跳闸。

6 发电机低励失磁保护

100MW及以上发电机，应装设专用的失磁保护。发电机低励失磁保护的动作主判据可分为：

a)系统侧主判据——高压母线三相同时低电压继电器。本判据主要用于防止由发电机低励失磁故障引发无功储备不足的系统电压崩溃，造成大面积停电，其动作判据为

Uop.3ph＝(0.85～0.90)Uh.min (2-59)

式中：Uop.3ph——三相同时低电压继电器动作电压(此值应经调度部门确定)；Uh.min——高压系统最低正常运行电压。

经辅助判据“与门”输出，短延时动作于发电机解列。 b)发电机侧主判据：

- 19 -

1)异步边界阻抗继电器； 2)静稳极限阻抗继电器；

3)静稳极限励磁低电压继电器。

低励失磁保护的辅助判据有： 1)负序电压元件； 2)励磁低电压元件； 3)延时元件。

6.1 异步边界阻抗继电器

失磁发电机的机端阻抗最终轨迹一定进入图18的圆1中，圆1称为异步边界阻抗圆，其整定为

XaU??0.5X?d2gnnaSgnnv (2-60)

Xb??XdU2gnnaSgnnv (2-61)

?、Xd——发电机暂态电抗和同步电抗标么值 (取不饱和值)；Ugn、Sgn——发电机额式中：Xd定电压和额定视在功率；na、nv——电流互感器和电压互感器变比。

异步边界阻抗圆动作判据主要用于与系统联系紧密的发电机失磁故障检测，它能反应失磁发电机机端的最终阻抗，但动作可能较晚。 6.2 静稳极限阻抗继电器

a)汽轮发电机。如图16中的圆2，其整定值为

Xc?XconU2gnnaSgnnv (2-62)

式中：Xcon——发电机与系统间的联系电抗(包括升压变压器阻抗)标么值(以发电机额定值为基值)。

其他符号同上。 Xb由式(2-61)决定。

鉴于阻抗圆2在第Ⅰ、Ⅱ象限的动作区易发生非失磁故障条件下的误动，为此在图16中，作OXb直线的中垂线，在中垂线上取对称于X轴的两点O1和O2，以O1和O2为圆心，作圆弧(虚线苹果圆3)使之与静稳极限阻抗圆2在第Ⅲ、Ⅳ象限尽量接近，苹果圆3就是准静稳极限阻抗圆，它是在整定静稳极限阻抗圆的基准上，方便地作出的准静稳极限阻抗特性。由于电抗Xc是随运行方式而变的，Xc的变化严重影响圆2和苹果圆3的大小。作为失磁保护整定计算，由系统调度部门给定Xcon值即可作出静稳极限圆和准静稳极限苹果圆。Xcon可取最经常运行方式下的数值。

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1— 异步边界圆；2—汽轮发电机静稳边界圆；3—准静稳极限阻抗特性图

图16 阻抗动作特性

b)水轮发电机(包括大型汽轮发电机)。略。

6.3 静稳极限励磁低电压继电器(变励磁电压判据)

与系统并联运行的发电机，对应某一有功功率P，将有为维持静态稳定极限所必需的励磁电压Ufd。也就是说，按照静稳极限条件(例如汽轮发电机的功角δ＝90°)，输送一定的有功功率P，应有相应的励磁电压Ufd。P值不同，静稳极限条件下的Ufd也不同，如图17和图18所示。

图17 汽轮发电机Ufd—P动作特性

(a)励磁电压动作值与功率关系曲线；(b)低励磁失磁保护检测元件的关系曲线

图18 Xd≠Xq发电机的Ufd.op—P关系曲线

对于汽轮发电机。由

可知，当静稳极限时δ＝90°，有

P＝E0Us/XdΣ

当以发电机空载额定电压时的励磁电压Ufdo(V)为基值时，标么值E0＝Ufd，故有标么值关系式

P?E0Ussin?XdSUfd＝E0＝PXdΣ/Us＝PXDσ (Us＝1. 0)

Ufd以有名值表示时有

Ufd(V)＝PXdΣUfdo(V)

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式中：XdΣ＝Xd+Xcon和P均为标么值。

若P为有名值，则有

Ufd(V)?PXdSUfdo(V)Sgn

式中：Sgn为有名值，MVA；P为有名值，MW；XdΣ仍为标么值。

低励失磁保护的变励磁电压动作判据可写为

Ufd.op(V)＝KP≥Ufd (2-63)

式中：K＝XdΣUfdo/Sgn。

在实际保护装置中，P和Ufd均经变换器得U1和U2，即

U1＝K1P，U2＝K2Ufd

式中：K1、K2分别为变换器的比例系数。

设继电器动作条件为

U1≥U2 即 Ufd≤P K1/K2

调整K1、K2，使K1/K2＝K，即满足动作判据式(65)。该动作特性如图22，为过原点的直线，其倾角α的整定值为

α＝arctanK＝arctan（XdΣUfdo/Sgn） (2-64)

式中：XdΣ＝Xd+Xcon为标么值；Ufdo——发电机空载励磁电压，V；Sgn——发电机额定视在功率，MVA。

6.4 低励失磁保护的辅助判据继电器

a)负序电压元件(闭锁失磁保护)。动作电压为

Uop＝(0.05～0.06)Ugn/nv (2-65)

b)负序电流元件(闭锁失磁保护)。动作电流为

Iop＝(1.2～1.4)I2∞/na (2-66)

式中：I2∞——发电机长期允许负序电流(有名值)。

由负序电流元件构成的闭锁继电器，在出现负序电压或电流大于Uop或Iop时，瞬时起动闭锁失磁保护，经8～10s自动返回，解除闭锁。

c)励磁低电压元件。取其动作电压Ufd.op为

Ufd.op＝0.8Ufdo (2-67)

这些辅助判据继电器与6.1和6.2主判据继电器“与门”输出，防止非失磁故障状态下主判据继电器误出口。对于水轮发电机和中小型汽轮发电机，式(2-67)比较合适。对于大型汽轮发电机，式(2-67)的Ufd.op定值偏小，当进相运行时可能Ufd＜Ufd.op，励磁低电压辅助判据继电器会处于动作状态，失磁保护失去了辅助判据的闭锁作用，此时宜用4.6.3变励磁电压判据。

d)延时元件。动作于跳开发电机的延时元件，其延时应防止系统振荡时保护的误动作。振荡周期由电网主管部门提供，按躲振荡所需的时间整定。对于不允许发电机失磁运行的系统，其延时一般取0.5～1.0s。

动作于励磁切换及发电机减出力的时间元件，其延时由设备的允许条件整定。

失磁异步运行情况下，动作于发电机解列的延时，由发电机制造厂和电力部门共同决定允许发电机带(0.4～0.5)Pgn的失磁异步运行时间。

允许失磁后发电机转入异步运行的低励失磁保护装置动作后，应切断灭磁开关，防止在转入异步运行时仍有有损大轴的同步功率存在。 7 发电机失步保护

对300MW及以上的发电机，宜装设失步保护。 7.1 双阻抗元件失步保护

图19以双透镜阻抗元件为例，说明失步保护的整定计算方法。

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图19 双透镜失步保护的动作特性

各种原理的失步保护均应满足： ——正确区分系统短路与振荡；

——正确判定失步振荡与稳定振荡(同步摇摆)。

失步保护应只在失步振荡情况下动作。失步保护动作后，一般只发信号，由系统调度部门根据当时实际情况采取解列、快关、电气制动等技术措施，只有在振荡中心位于发—变组内部或失步振荡持续时间过长、对发电机安全构成威胁时，才作用于跳闸，而且应在两侧电动势相位差小于90°的条件下使断路器跳开，以免断路器的断开容量过大。

图19中，如果测量阻抗的轨迹只进入Z1就返回，说明电力系统发生了稳定振荡，保护不动作；如果测量阻抗的轨迹先后穿过Z1及Z2，说明电力系统发生了非稳定性振荡，保护动作发信号；如果测量阻抗的轨迹进入Z1及Z2的时间差小于某一定值，说明电力系统发生了短路故障，保护应予闭锁。因此，失步保护是通过整定动作区和时限的相互配合来区分短路故障及系统振荡的。除对Z1Z2进行整定外，阻抗轨迹进入Z1Z2的时间差也需整定计算。

根据发电机的动稳极限角来确定Z2的动作边界。

取 OA″＝(1.5～2.0)X′d (2-68)

OB＝Xcon.max即自机端向系统观察的最大联系电抗。

设两侧电动势大小相等，则系统振荡阻抗轨迹为直线AB的垂直平分线HG。在HG上取一点D，使∠BDA＝δdb＝动稳极限角(由系统调度部门给出，一般为δdb＝120°～140°)，则由B、D、A″三点可作出圆弧，并有对称于纵轴的另半个圆弧，共同组成失步保护的透镜形阻抗动作特性Z2。

另一透镜形阻抗元件Z1，它与Z2为同心圆，但两者直径之比为1.2～1.3。

为了判定系统短路或振荡，可利用阻抗元件Z1、Z2动作时间差的大小。设振荡轨迹进入Z1

和Z2时的功角分别为δ1和δ2，则整定时间继电器的时限top为

 (2-69)

式中：Tmin——系统最小振荡周期(根据系统实际情况，由系统调度部门提供)，s。

若Z1、Z2的动作时间差小于top，则判定不是振荡，而是短路故障，失步保护不动作。 7.2 遮挡器原理失步保护

所谓“遮挡器”原理，实际是具有平行直线特性的阻抗保护，如图20所示，直线B1、B2均平行于系统合成阻抗AB，B1的动作区在直线左侧，B2的动作区在直线右侧。该失步保护除直线特性阻抗元件外，还有一个圆特性阻抗元件。图20中，X′d和Xt分别为发电机暂态电抗和升压变压器短路电抗，Z1为发—变组以外的总阻抗。

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top?Tmin?2??1360(s)

图20 遮挡器原理失步保护动作特性(Zl＝SB)

当振荡阻抗轨迹仅进入阻抗圆动作区而未达遮挡器的直线动作区时，失步保护不动作。与7.1相同，利用式(2-69)来区分短路与振荡。

发电方式下机组加速失步时，机端测量阻抗的轨迹从右侧首先进入圆特性，阻抗元件Z动作，当功角δ进一步增大，阻抗轨迹达B1时对应δ2＝120°～140°机组处于动稳极限状态；当阻抗轨迹越过AB线时，发电机失步。

当发电机呈电动机运行方式时，情况与上述过程相反，振荡阻抗从左侧进入Z阻抗圆。保护整定计算的主要内容为：

a)圆特性阻抗元件的动作阻抗Zop，按躲过发电机的负荷阻抗ZL整定，即

UZ?Sn，Z＝0.8ZopL (2-70)

式中：Ugn——发电机的额定电压，kV；Sgn——发电机的视在功率，MVA；na、nv——电流、电压互感器变比。

b)遮挡器的阻抗边界

2gnLgnvN为AB的中点，式中：XA＝X′d

NR1?NR2?1(jXA?ZB)ctg(?2/2)2 (2-71)

ZB＝jXt+Z1(sin?+jcos?)

c)时间元件的动作时间与式(2-69)相同。

7.3 三元件失步保护

其特性由三部分组成，见图21。

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图21 三元件式失步保护特性

第一部分是透镜特性，图中①，它把阻抗平面分成透镜内的部分I和透镜外的部分A。第二部分是遮挡器特性，图中②，它平分透镜并把阻抗平面分为左半部分L和右半部分R。两种特性的结合，把阻抗平面分为四个区，根据其测量阻抗在四个区内的停留时间做为是否发生失步的判据。

第三部分特性是电抗线，图中③，它把动作区一分为二，电抗线以下为Ⅰ段(U)，电抗线以上为Ⅱ段(O)。

保护整定计算的主要内容为：

a)遮挡器特性整定。决定遮挡器特性的参数是Za、Zb、?。如果失步保护装在机端，由图28可知

Zb＝X′d Za＝Xcon

?＝80°～85°

式中：X′d、Xcon——发电机暂态电抗及系统联系电抗；?——系统阻抗角。

图22 三元件失步保护特性的整定

b)α角的整定及透镜结构的确定。对于某一给定的Za+Zb，透镜内角α(即两侧电动势摆开角)决定了透镜在复平面上横轴方向的宽度。确定透镜结构的步骤如下： 1)确定发电机最小负荷阻抗RL.min。

2)确定Zr

1Zr≤RL.min1.3

3)确定内角α

由

Zr?Za?Zbatan(90??)22

得

a?180??2arctan2ZrZa?Zb (2-72)

c)电抗线Zc的整定。一般Zc选定为变压器阻抗Zt的90%，即Zc＝0.9Zt。图27中过Zc作ZaZb的垂线，即为失步保护的电抗线。电抗线是Ⅰ段和Ⅱ段的分界线，失步振荡在Ⅰ段还是在Ⅱ段取决于阻抗轨迹与遮挡器相交的位置，在透镜内且低于电抗线为Ⅰ段，高于电抗线为Ⅱ段。

失步保护可检测的最大滑差频率fsmax与α角存在着如下关系

α＝180°(1－0.05×fsmax) (2-73)

- 25 -

或

式中：fsmax——可检测的最大滑差频率，Hz。 [算例7-1]

两机系统中，发电机和变压器的视在容量均为360MVA，xg=0.25，xt=0.15，Zs≈jxs=j0.20（均以360MVA为基值）。

已知电压互感器变比nv=18000V/110V，电流互感器变比na=12000/1A，rL.min=0.85（基值为360MVA），系统阻抗角φ≥80°，两侧电动势幅值视为相等。要求检测的最大滑差fs.max=5Hz。整定失步继电器的定值。

解：基值阻抗Zn = U2n/Sn = 182/360 = 0.9Ω

ZA =（xt+xs）Zn = 0.35×0.9 = 0.315Ω ZB = x’dZn = 0.25×0.9 = 0.225Ω

ZC = 0.9xtZn = 0.9×0.25×0.9 = 0.122Ω

透镜内角α为

0.85?0.9?min?180??2arctan(1.54?)?180??131??49?

0.315?0.225实取α=90°（透镜特性变成简单的圆特性）。

最大滑差fs.max = 20（1-90/180）= 10Hz，大于要求的5Hz，合格。

为求失步继电器的整定阻抗，应计算以上阻抗的二次值，为此作以下计算： nv/na = 0.0136 故二次整定阻抗为：

zA = 0.315/0.0136 = 23.1Ω zB = 0.225/0.0136 = 16.5Ω zA = 0.122/0.0136 = 8.95Ω α = 90° φ = 85° 8 发电机异常运行保护 8.1 定子铁心过励磁保护

内冷发电机的励磁绕组，规定的承受短时过电压能力如表D2。

表D2 内冷发电机励磁绕组承受短时过电压能力时间(s) 励磁电压(%) 10 208 30 146 60 125 120 112 fsmax?20?(1?a)180?

对于300MW及以上发电机，当发电机与主变压器之间无断路器而共用一套过励磁保护时，其整定值按发电机或变压器过励磁能力较低的要求整定。

过励磁倍数N为

N?BU/UgnU*??Bnf/fgnf* (2-74)

式中：U、f——运行电压及频率；Ugn、fgn——发电机额定电压及频率；U*、f*——电压和频率

的标么值；B、Bn——磁通量及额定磁通量。

定时限过励磁保护的过励磁倍数N设二段定值：低定值部分

N1?B?1.1 (或以电机制造厂数据为准) Bn- 26 -

高定值部分

N1?B?1.3 (或以电机制造厂数据为准) Bn低定值部分带时限动作于信号和降低发电机励磁电流，高定值部分动作于解列灭磁或程序跳闸。

当发电机及变压器间有断路器而分别配置过励磁保护时，其定值按发电机与变压器允许的不同过励磁倍数分别整定。

反时限过励磁保护按发电机、变压器制造厂家提供的反时限过励磁特性曲线(参数)整定。特别注意引进设备时，一次设备的过励磁能力与保护装置的过励磁动作特性不相适应的问题。 8.2 发电机频率异常保护

300MW及以上的汽轮机，运行中允许其频率变化的范围为48.5～50.5Hz。

低于48.5Hz或高于50.5Hz时，累计允许运行时间和每次允许的持续运行时间国内尚无正式的统一规定，应综合考虑发电机组和电力系统的要求，并根据制造厂家提供的技术参数确定。根据国内已投入运行的300MW及以上部分大型汽轮发电机组允许的频率偏移范围的调查结果，提出“大机组频率异常运行允许时间建议值”如表E1。

表 E1 大机组频率异常运行允许时间建议值频率Hz 51.5 51.0 48.5～50.5 允许运行时间累计min 30 180 连续运行每次s 30 180 频率Hz 48.0 47.5 47.0 允许运行时间累计min 300 60 10 每次s 300 60 10 保护动作于信号，并有累计时间显示。

当频率异常保护需要动作于发电机解列时，其低频段的动作频率和延时应注意与电力系统的低频减负荷装置进行协调。一般情况下，应通过低频减负荷装置减负荷，使系统频率及时恢复，以保证机组的安全；仅在低频减负荷装置动作后频率仍未恢复，从而危及机组安全时才进行机组的解列。因此，要求在电力系统减负荷过程中频率异常保护不应解列发电机，防止出现频率连锁恶化的情况。 8.3 发电机逆功率保护

200MW及以上发电机逆功率运行时，在P—Q平面上，如图29所示，设反向有功功率的最小值为Pmin＝OA。逆功率继电器的动作特性用一条平行于横轴的直线1表示。其动作判据为

P≤－Pop

式中：P——发电机有功功率，输出有功功率为正，输入有功功率为负；Pop——逆功率继电器的动作功率。

图23 逆功率继电器动作特性曲线

a)动作功率Pop的计算公式为

Pop＝Krel(P1+P2) (2-75)

式中：Krel——可靠系数，取0.5～0.8；P1——汽轮机在逆功率运行时的最小损耗，一般取额定功率的2%～4%；P2——发电机在逆功率运行时的最小损耗，一般取P2≈(1－η)Pgn。

其中：η——发电机效率；一般取98.6%～98.7%(分别对应300MW及600MW机)；Pg——发电机

- 27 -

额定功率。

b)动作时限。经主汽门触点时，延时1.0～1.5s动作于解列。不经主汽门触点时，延时15s动作于信号。

根据汽轮机允许的逆功率运行时间，可动作于解列，一般取1～3min。

在过负荷、过励磁、失磁等异常运行方式下，用于程序跳闸的逆功率继电器作为闭锁元件，其定值一般整定为(1～3)%Pgn。

对于燃气轮机、柴油发电机也有装设逆功率保护的需要，目的在于防止未燃尽物质有爆炸和着火的危险。这些发电机组在作电动机状态运行时所需逆功率大小，粗略地按铭牌(kW)值的百分比估计为：

燃气轮机 50% 柴油机 25% 8.4 发电机定子过电压保护

定子过电压保护的整定值，应根据电机制造厂提供的允许过电压能力或定子绕组的绝缘状况决定。

a)对于200MW及以上汽轮发电机

Uop?13.Ugnnv (2-76)

动作时限取0.5s，动作于解列灭磁。

b)对于水轮发电机

Uop?15.Ugnnv (2-77)

动作时限取0.5s，动作于解列灭磁。

c)对于采用可控硅励磁的水轮发电机

Uop?13.Ugnnv (2-78)

动作时限取0.3s，动作于解列灭磁。

8.5 启停机保护

启停机保护用于反应发电机低转速运行时的定子接地及相间短路故障；由对频率变化敏感性较差的继电器构成保护装置。

a)反应接地故障的保护装置，由装于机端或其中性点零序过电压继电器构成，不要求滤过三次谐波，其定值一般取10V及以下。外加电源式定子接地保护在启停机过程中仍有效。

b)反应相间故障的保护装置，由接于差动回路的电流继电器实现，其定值按在额定频率下，大于满负荷运行时差动回路中的不平衡电流整定，即

Iop＝KrelIunb (2-79)

式中：Iunb——额定频率下，满负荷运行时差动回路中电流。Krel——可靠系数，取1.3～1.5。

启停机保护仅作为发电机低频工况下的辅助保护。工频条件下正常运行时，由断路器的动断触点或低频继电器的输出触点连锁退出；低频继电器的整定值选取额定频率的80%～90%。

保护动作于停机。

- 28 -

第三章变压器保护的整定计算

包括变压器纵差保护、变压器分侧差动保护、变压器零序差动保护、变压器瓦斯保护、变压器相间短路后备保护、变压器接地故障后备保护、变压器过负荷保护和变压器过励磁保护。 1 变压器纵差保护

纵差保护是变压器内部故障的主保护，主要反应变压器油箱内部、套管和引出线的相间和接地短路故障，以及绕组的匝间短路故障。 1.1 变压器参数计算

与纵差保护有关的变压器参数计算，可按表2所列的公式和步骤进行。在表2中作了如下假定：三绕组变压器；额定容量SN；绕组接法为YN,YN,d11；如低压侧电流互感器的二次电流最小，则选低压侧为基本侧；电流互感器二次额定电流为1A。

序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 表2 变压器参数计算表(举例) 各侧参数名称高压侧(H) 中压侧(M) 低压侧(L) 额定电压UN UNh UNm UNL 额定电流IN 各侧接线各侧电流互感器二次接线电流互感器的计算变比nc 电流互感器实际选用变比ns 各侧二次电流I 基本侧的选择中间电流互感器的变比nm 2)1)INh?SN3UNh INm?SN3UNm d11 Y nCL?INL1YN d ncm?YN d 3INm1 nsh ih?3INhnshnsm im?nsL iL?INLnsL 3INmnsm nmh?ihiL nmm?imiL 1 1)对于通过软件实现电流相位和幅值补偿的微机型保护，各侧电流互感器二次均可按Y接线。 2)一般可选二次电流较小侧为基本侧。 1.2 短路电流计算

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一般情况下，为整定变压器纵差保护的定值，需要进行两种运行方式下的短路电流计算。一种是在系统最大运行方式下变压器外部短路时，计算通过变压器纵差保护的最大穿越性短路电流(通常是三相短路电流)，其目的是为计算差动保护的最大不平衡电流和最大制动电流。另一种是在系统最小运行方式下，计算纵差保护区内最小短路电流(两相或单相短路电流)，其目的是为计算差动保护的最小灵敏系数。

计算短路电流所采用的系统最大和最小运行方式，对于运行整定用的应由系统调度部门提供；对于设计过程中用于保护选型计算的，应由系统设计专业提供。

1.3 纵差保护动作特性参数的计算

带比率制动特性的纵差保护的动作特性，通常用直角坐标系上的一条折线表示。该坐标系纵轴为保护的动作电流Iop；横轴为制动电流Ires，如图25所示。折线ACD的左上方为保护的动作区，折线右下方为保护的制动区。目前利用微机构成的差动保护，其动作特性也有曲线形状的，其制动系数不是常数。具体整定计算可参照厂家提供的技术说明书进行。

图25 纵差保护动作特性曲线图

这一动作特性曲线由纵坐标OA，拐点的横坐标OB，折线CD的斜率S三个参数所确定。OA表示无制动状态下的动作电流，即保护的最小动作电流Iop.min。OB表示起始制动电流Ires.0。

动作特性三个参数，目前在工程实用上有两种整定计算方法，现分述如下。

- 30 -

a)第一种整定法：

折线上任一点动作电流Iop与制动电流Ires之比Iop/Ires＝Kres称为纵差保护的制动系数。由图25中各参数之间的关系可导出，制动系数Kres与折线斜率S之间的关系如下式所示

 (3-1)

Kres?S(1?Ires.0/Ires)?Iop.min/Ires  (3-2)

从图25可见，对动作特性具有一个折点的纵差保护，折线的斜率S是一个常

数，而制动系数Kres则是随制动电流Ires而变化的。在实际应用中，是通过保护装置的参数调节整定折线的斜率来满足制动系数的要求。

1)纵差保护最小动作电流的整定。最小动作电流应大于变压器额定负载时的不平衡电流，即

Iop.min＝Krel(Ker+ΔU+Δm)IN/na (3-3)

式中：IN——变压器额定电流；na——电流互感器的变比；Krel——可靠系数，取1.3～1.5；Ker——电流互感器的比误差，10P型取0.03×2，5P型和TP型取0.01×2；ΔU——变压器调压引起的误差，取调压范围中偏离额定值的最大值(百分值)；Δm——由于电流互感器变比未完全匹配产生的误差，初设时取0.05。

在工程实用整定计算中可选取Iop.min＝(0.2～0.5)IN／na。一般工程宜采用不小于0.3IN/na的整定值。

根据实际情况(现场实测不平衡电流)确有必要时也可大于0.5IN/na。 2)起始制动电流Ires.0的整定。起始制动电流宜取

Ires.0＝(0.8～1.0)IN/na。

3)动作特性折线斜率S的整定。纵差保护的动作电流应大于外部短路时流过

- 31 -

差动回路的不平衡电流。变压器种类不同，不平衡电流计算也有较大差别，下面给出普通双绕组和三绕组变压器差动保护回路最大不平衡电流Iunb.max计算公式。

双绕组变压器

Iunb.max＝(KapKccKer+ΔU+Δm)Ik.max/na (3-4)

式中：Ker，ΔU，Δm，na的含意同式(3-3)，但Ker＝0.1；Kcc——电流互感器的同型系数，Kcc＝1.0；Ik.max——外部短路时，最大穿越短路电流周期分量；Kap——非周期分量系数，两侧同为TP级电流互感器取1.0；两侧同为P级电流互感器取1.5～2.0。

三绕组变压器(以低压侧外部短路为例说明之)

Iunb.max＝KapKccKerIk.max/na+ΔUhIk.h.max/na.h+ΔUmIk.m.max/na.m+

Δm1Ik.Ⅰ.max/na.h+Δm1Ik.Ⅱmax/nam (3-5)

式中：Kap，Kcc,Ker含意同式(3-4)；ΔUh,ΔUm——变压器高、中压侧调压引起的相对误差(对UN而言)取调压范围中偏离额定值的最大值；Ik.max——低压侧外部短路时，流过靠近故障侧电流互感器的最大短路电流周期分量；Ik.h.max,Ik.m.max——在所计算的外部短路时，流过高、中压侧电流互感器电流的周期分量；Ik.Ⅰ.max,

Ik.Ⅱ.max——在所计算的外部短路时，相应地流过非靠近故障点两侧电流互感器电

流的周期分量；na、na.h、na.m——各侧电流互感器的变比；ΔmⅠ、ΔmⅡ——由于电流互感器(包括中间互流器)的变比未完全匹配而产生的误差。差动保护的动作电流

Iop.max＝KrelIunb.max (3-6)

最大制动系数

- 32 -

Kres.max?Iop.maxIres.max (3-7)

式(3-7)中最大制动电流Ires.max的选取，因差动保护制动原理的不同以及制动线圈的接线方式不同而会有很大差别，在实际工程计算时应根据差动保护的工作原理和制动回路的接线方式而定。制动线圈的接线原则是使外部故障时制动电流最大，而内部故障时制动电流最小。当制动线圈数比变压器绕组少，不可能将每侧电流分别接入制动线圈时，可以将几个无源侧电流合并后接入制动线圈，但不应将几个有源侧电流合并接入制动线圈。

根据Iop.min、Ires.0、Ires.max、Kres.max按式(3-1)可计算出差动保护动作特性曲线中折线的斜率S，当Ires.max＝Ik.max时有

 (3-8)

b)第二种整定法：

此方法不考虑负荷状态和外部短路时电流互感器误差Ker的不同，使不平衡电流完全与穿越性电流成正比变化，如图26所示，比率制动特性CD通过原点，从而制动系数Kres为常数；当Kres和Ires.0确定后，Iop.min随之确定，不必另作计算。此法计算简单，安全可靠，但偏于保守。

图26 第二种整定法纵差保护动作特性曲线图

1)按下式计算制动系数Kres，即

Kres＝Krel(KapKccKer+ΔU+Δm)＝S

- 33 -

式中：Krel、Kap、Kcc、Ker、ΔU、Δm的含意及取值同式(87)但Ker＝0.10。

2)画一条通过坐标原点斜率为Kres的直线OD(见图26)，在横坐标上取OB＝(0.8～1.0)IN/na，此即起始制动电流Ires.0。

3)在直线OD上对应Ires.0的C点纵坐标值OA为最小动作电流Iop.min。折线ACD即为差动保护的动作特性曲线。

上述两种整定方法中，如果Iop.min和折线(CD)斜率S的整定不是连续调节的，则Iop.min和S的整定值应取继电器能整定的，并略大于计算值的数值。 1.4 灵敏系数的计算

纵差保护的灵敏系数应按最小运行方式下差动保护区内变压器引出线上两相金属性短路计算。图27为纵差保护灵敏系数计算说明图。根据计算最小短路电流Ik.min和相应的制动电流Ires，在动作特性曲线上查得对应的动作电流I’op，或通过公式I’op = Iop.min+S（Ires-Ires.0）计算出I’op。

则灵敏系数为

Ksen要求Ksen≥2。

Ik.min?Iop? (3-9)

图27 纵差保护灵敏系数计算说明图

1.5 纵差保护的其他辅助整定计算及经验数据的推荐

a)差电流速断的整定。对220～500kV变压器，差电流速断是纵差保护中的一

- 34 -

个辅助保护。当内部故障电流很大时，防止由于电流互感器饱和引起纵差保护延迟动作。差电流速断的整定值应按躲过变压器初始励磁涌流或外部短路最大不平衡电流整定，一般取

Iop＝KIN/na 或Iop＝KrelIunb.max

式中：Iop——差电流速断的动作电流；IN——变压器的额定电流；K——倍数，视变压器容量和系统电抗大小，K推荐值如下： 6300kVA及以下 7～12； 6300～31500kVA 4.5～7.0； 40000～120000kVA 3.0～6.0； 120000kVA及以上 2.0～5.0；

容量越大，系统电抗越大，K取值越小。

按正常运行方式保护安装处二相短路计算灵敏系数，Ksen≥1.2。

Iunb.max见式(3-4)和式(3-5)。

b)二次谐波制动比的整定。在利用二次谐波制动来防止励磁涌流误动的纵差保护中，谐波制动回路可以单独整定。整定值可用差电流中的二次谐波分量与基波分量的比值表示，通常称这一比值为二次谐波制动比。根据经验，二次谐波制动比可整定为15%～20%。

c)涌流间断角的推荐值。按鉴别涌流间断角原理构成的变压器差动保护，根据运行经验，闭锁角可取为60°～70°。有时还采用涌流导数的最小间断角θ和最大波宽θw，其闭锁条件为

θd≥65°；θw≤140°

2 变压器分侧差动保护

分侧差动保护是将变压器的各侧绕组分别作为被保护对象，在各侧绕组的

- 35 -

两端装设电流互感器，实现差动保护。这种分侧差动保护，如同发电机定子绕组差动保护一样，无须考虑绕组的励磁涌流、过励磁、调压等的影响。两侧电流互感器取相同变比并按星形接线。分侧差动保护接线简单、可靠，对相间和单相短路灵敏度高，但对匝间短路无保护作用。 2.1 分侧差动保护的整定计算

分侧差动保护应由比率制动式或标积制动式差动继电器构成，其动作特性曲线为折线型，整定计算原则同发电机纵差保护。 a)最小动作电流Iop.min的计算

Iop.min＝KrelIunb.0 或 Iop.min＝Krel×2×0.03IN/na (3-10)

式中：Krel——可靠系数，取1.5；Iunb.0——在变压器额定电流下，差动回路中的不平衡电流实测值。

可取Iop.min＝(0.1～0.3)IN/na，一般宜取(0.1～0.2)IN/na,IN为变压器额定电流。

b)起始制动电流Ires.0的整定

Ires.0＝(0.8～1.0)IN/na (3-11)

c)动作特性折线斜率S的整定。首先计算最大制动系数Kres.max，即

Kres.max＝KrelKapKerKcc (3-12)

式中：Krel——可靠系数，取1.5；Kap——非周期分量系数，TP级电流互感器取1.0，P级电流互感器取1.5～2.0；Kcc——同型系数，取0.5；Ker——电流互感器比误差，取0.1。

按式(3-1)或(3-8)计算S值。可选用S＝0.2～0.3。

d)灵敏系数计算。按最小运行方式下变压器绕组引出端两相金属性短路，灵

- 36 -

敏系数Ksen≥2校验，即

Ksen?Ik.minIop?na (3-12)

式中：Ik.min——最小运行方式下，绕组引出端二相金属性短路的短路电流值；I’op——根据Ik.min在动作特性曲线上查得的动作电流。 3 变压器零序差动保护

220～500kV变压器，单相接地短路是主要故障型式之一。特别是单相变压器组，变压器油箱内部相间短路不可能发生。变压器零序差动保护就是保护变压器单相接地短路而设置的。目前我省主变压器没有使用零序差动保护，其整定计算就此略过。 4 变压器瓦斯保护

瓦斯保护是反应变压器油箱内各种故障的主保护。当油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，瓦斯保护应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，应瞬时动作于断开变压器各侧断路器。

瓦斯保护动作于信号的轻瓦斯部分，通常按产生气体的容积整定。对于容量10MVA以上的变压器，整定容积为250～300ml。

瓦斯保护动作于跳闸的重瓦斯部分，通常按通过气体继电器的油流流速整定。流速的整定与变压器的容量、接气体继电器的导管直径、变压器冷却方式、气体继电器的型式等有关。表3为动作于跳闸的瓦斯保护油流流速整定表。

表3 瓦斯保护油流动作流速整定表变压器容量 kVA 1000及以下 7000～7500 7500～10000 10000以上 200000以下气体继电器型式 QJ-50 QJ-50 QJ-80 QJ-80 QJ-80 连接导管内径 mm φ50 φ50 φ80 φ80 φ80 - 37 -

冷却方式自冷或风冷自冷或风冷自冷或风冷自冷或风冷强迫油循环动作流速整定值 m/s 0.7～0.8 0.8～1.0 0.7～0.8 0.8～1.0 1.0～1.2 200000及以上 500kV变压器有载调压开关 QJ-80 QJ-80 QJ-25 φ80 φ80 φ25 强迫油循环强迫油循环 1.2～1.3 1.3～1.4 1.0

5 变压器相间短路后备保护 5.1 过电流保护

过电流保护主要用于降压变压器，作为防御外部相间短路引起的变压器过电流和变压器内部相间短路的后备保护。

a)过电流保护的动作电流计算。为了保证选择性，过电流保护的动作电流应能躲过可能流过变压器的最大负荷电流，即

Iop?KrelIL.maxKrna (3-13)

式中：Krel——可靠系数，取1.2～1.３；Kr——返回系数，取0.85～0.95；IL.max——最大负荷电流。

最大负荷电流IL.max可按以下情况考虑并取其最大者：

1)对并列运行的变压器，应考虑切除一台时，余下变压器所产生的过负荷电流，当各台变压器容量相等时，可按下式计算

IL.max?mm?1IN

(3-14)

式中：m——并联运行变压器的最少台数；IN——每台变压器的额定电流。

当并联运行的变压器容量不等时，应考虑容量最大的一台变压器断开后引起的过负荷。

2)当降压变压器低压侧接有大量异步电动机时，应考虑电动机的自起动电流，即

IL.max＝KssI’L.max (3-15)

式中：I’L.max——正常运行时最大负荷电流；Kss——电动机自起动系数，其值与

- 38 -

负荷的性质及与电源间的电气距离有关，取1.5～2；特殊情况，如接有大型电动机负荷的变压器，应视具体情况而定。

3)对两台分列运行的降压变压器，在负荷侧母线分段断路器上装有备用电源自动投入装置时，应考虑备用电源自动投入后负荷电流的增加。

IL.max＝IⅠL.max+KssKremIⅡ.L.max (3-15)

式中：IⅠL.max——所在母线段正常运行时的最大负荷电流；IⅡL.max——另一母线段正常运行时的最大负荷电流；Krem——剩余系数，母线停电后切除不重要负荷，保留下来的负荷与原负荷之比。 4)与下一级过电流保护相配合，则

IL.max＝1.1I’op+Im.L.max (3-16)

式中：I’op——分段断路器或与之相配合的馈线过电流保护的动作电流；Im.L.max——本变压器所在母线段的正常运行最大负荷电流。

对于三绕组降压变压器电源侧（高压侧）的过电流保护，当与低压侧过电流保护配合时，式（3-16）中I’op为低压侧过电流保护的动作电流；Im.L.max要取中压侧负荷电流。

b)灵敏系数校验。保护的灵敏系数可按下式校验

Ksen?I(2)k.minIopna (3-17)

(2)Ik.min式中：——后备保护区末端两相金属性短路时流过保护的最小短路电流。

要求Ksen≥1.3(近后备)或1.2(远后备)。 5.2 低电压启动的过电流保护

对升压变压器或容量较大的降压变压器，当过电流保护的灵敏度不够时，可采用低电压启动的过电流保护。

- 39 -

a)电流继电器的整定计算。电流继电器的动作电流应按躲过变压器的额定电流整定

 (3-18)

式中：Krel——可靠系数，取1.2；Kr——返回系数，取0.85～0.95；IN——变压器的额定电流。

b)低电压启动元件的动作电压整定计算。低电压启动元件的整定应考虑以下情况：

1)按躲过正常运行时可能出现的最低电压整定

Uop?UminKrelKrnv (3-19)

式中：Umin——正常运行时可能出现的最低电压，一般取Umin＝0.9UN（UN为额定相电压或线电压）；Krel——可靠系数，取1.1～1.2；Kr——返回系数，取1.05～1.25；nv——电压互感器变比。

2)按躲过电动机自起动时的电压整定：当低电压继电器由变压器低压侧电压互感器供电时

Uop＝(0.5～0.6)Un/nv (3-20)

当低电压继电器由变压器高压侧电压互感器供电时

Uop＝0.7Un/nv (3-21)

c)灵敏系数校验。电流继电器的灵敏系数校验与不带低电压闭锁的过电流保护相同。

低电压继电器的灵敏系数按下式校验

Ksen?UopUr.max/nv (3-22)

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式中：Ｕr.max——计算运行方式下，灵敏系数校验点发生金属性相间短路时，保护安装处的最高残压。

要求Ksen≥1.3(近后备)或1.2(远后备)。

在校验电流继电器和低电压继电器的灵敏系数时，应分别采用各自的不利正常系统运行方式和不利的短路类型。当低电压继电器灵敏系数不够时，可在变压器各侧装设低电压继电器。 5.3 复合电压启动的过电流保护

复合电压启动的过电流保护宜用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护不能满足灵敏度要求的降压变压器。

a)电流继电器的整定计算。电流继电器的动作电流应按躲过变压器的额定电流整定，计算公式同式(3-18)。

b)接在相间电压上的低电压继电器动作电压整定计算。该低电压继电器应按躲过电动机自起动条件整定，按式(3-20)或式(3-21)计算。对发电厂中的升压变压器，当低电压继电器由发电机侧电压互感器供电时，还应考虑躲过发电机失磁运行时出现的低电压，取

Uop＝(0.5～0.6)Un/nv (3-23)

c)负序电压继电器的动作电压整定计算。负序电压继电器应按躲过正常运行时出现的不平衡电压整定，不平衡电压值可通过实测确定，当无实测值时，根据现行规程的规定取

Uop.2＝(0.06～0.08)Un/nv (3-24)

式中：UN——额定相间电压。

d)灵敏系数校验。电流继电器的灵敏系数校验同式(3-17)；接相间电压的低电压继电器的灵敏系数校验同式(3-22)。

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负序电压继电器的灵敏系数按下式计算

KsenUk.2.min?Uop.2?nv (3-25)

式中：Uk.2.min——后备保护区末端两相金属性短路时，保护安装处的最小负序电压值。

要求Ksen≥2.0(近后备)或1.5(远后备)。 5.4 负序过电流和单相式低电压启动过电流保护。

此保护由负序过电流继电器和单相式低电压启动过电流保护构成。由负序电流继电器反应两相短路，由单相式低电压启动过电流保护反应三相短路。此保护通常用于63MVA及以上升压变压器。应用较少，其整定计算可参照行标DL/T684-1999。

5.5 相间故障后备保护方向元件的整定

a)三侧有电源的三绕组升压变压器，相间故障后备保护为了满足选择性要求，在高压侧或中压侧要加功率方向元件，其方向通常指向该侧母线。

b)高压及中压侧有电源或三侧均有电源的三绕组降压变压器和联络变压器，相间故障后备保护为了满足选择性要求，在高压或中压侧要加功率方向元件，其方向通常指向变压器，也可指向本侧母线。 5.6 相间故障后备保护动作时间的整定

a)单侧电源的双绕组降压变压器，相间故障后备保护通常设一段时限，其值大于与之配合的保护动作时间一个时间阶段(Δt)断开变压器两侧断路器。当负荷侧无专用母线保护，且分段断路器装有备用电源自动投入装置时，相间故障后备保护可设两段时限。以第一段时限t1断开分段断路器；以t2＝t1+Δt断开变压器两侧断路器。

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b)单侧电源的三绕组降压变压器，相间故障后备保护一般在低压侧和电源侧。低压侧保护可设两段时限，以t1＝t0+Δt断开低压母线分段断路器(t0为与之配合的馈线保护动作时间)；以t2＝t1+Δt断开变压器低压侧断路器。

电源侧相间故障后备保护应设两段时限，以第一段时限t3＝t01m+Δt断开中压侧断路器(t01m为与之配合的中压侧保护的动作时间)；以第二段时限t4＝t3+Δt断开变压器各侧断路器。

c)高压及中压侧均有电源的三绕组降压变压器，若只有一台变压器且高压侧为主电源侧，当相间后备保护设在高压及低压侧时，低压侧保护只带一个时限t1＝t0+Δt，断开本侧断路器。高压侧保护设带方向和不带方向两部分，带方向的指向变压器并以t2＝t01m+Δt断开中压侧断路器；不带方向的以t3＝t2+Δt断开变压器各侧断路器。

当两台高压及中压侧均有电源的三绕组降压变压器并联运行且低压母线分段断路器断开时，可在三侧装设相间故障后备保护。低压侧保护带两段时限，以t1＝t0+Δt断开低压侧断路器；以t2＝t1+Δt断开三侧断路器。方向指向变压器的中压侧方向保护以t1m＝t01h+Δt断开高压侧断路器(t01h为与之配合的高压侧馈线相间故障保护动作时间)；以t2m＝t1m+Δt断开各侧断路器；高压侧带方向的保护(方向指向变压器)以t1h＝t01m+Δt断开中压侧分段断路器；以t2h＝t1h+Δt断开变压器中压侧断路器。高压和中压侧不带方向保护的动作时间应大于各侧带方向保护的动作时间，按选择性要求断开变压器各侧断路器。

d)双绕组升压变压器，相间故障后备保护装在变压器的低压侧。设一段时限t1＝t0+Δt(t0为与之配合的保护动作时间)断开变压器的两侧断路器。

e)中压侧无电源的三绕组升压变压器，相间故障后备保护装于低压侧和中压侧。中压侧保护只作为该侧母线及线路的相间故障后备保护，以t1＝t0+Δt(t0

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为与之配合的线路保护的动作时间)断开本侧断路器。低压侧保护作为变压器内部和高压侧外部相间故障后备保护。设两段时限，以t2＝t01h+Δt断开高压侧断路器(t01h为与之配合的高压侧保护动作时间)；以t3＝t2+Δt断开变压器各侧断路器。

f)三侧均有电源的三绕组升压变压器，相间故障后备保护装于低压侧及高压侧,高压侧带方向部分的方向指向本侧母线，以t1＝t0+Δt(t0为与之配合的线路保护动作时间)断开本侧断路器；不带方向部分以t2＝t1+Δt断开中压侧(或高压侧)断路器。低压侧保护以t3＝t2+Δt断开变压器各侧断路器。 5.7 低阻抗保护

当电流、电压保护不能满足灵敏度要求或根据网络保护间配合的要求，变压器的相间故障后备保护可采用阻抗保护。阻抗保护通常用于330～500kV大型升压变压器、联络变压器及降压变压器，作为变压器引线、母线、相邻线路相间故障后备保护。我省没有应用，其整定计算可参照行标DL/T684-1999。 6 变压器接地故障后备保护

变压器装设接地故障后备保护作为变压器绕组、引线、相邻元件接地故障的后备保护。变压器接地保护方式及其整定值的计算与变压器的型式、中性点接地方式及所连接系统的中性点接地方式密切相关。变压器接地保护要与线路的接地保护在灵敏度和动作时间上相配合。变压器的接地保护的整定计算归省网调度部门计算，就此略过。 7 变压器过负荷保护

根据变压器各侧绕组及自耦变压器的公共绕组可能出现过负荷情况，应装设过负荷保护。大型变压器的过负荷，通常是对称过负荷，故过负荷保护只接一相电流。

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过负荷保护的动作电流应按躲过绕组的额定电流整定，按下式计算

KrelIop?INKrna (3-26)

式中：Krel——可靠系数，采用1.05；Kr——返回系数，0.85～0.95；IN——被保护绕组的额定电流。

过负荷保护动作于信号。保护的动作时间应与变压器允许的过负荷时间相配合，同时应大于相间故障后备保护的最大动作时间(通常可大2个时间阶段)。 8 变压器过励磁保护

为防御变压器因过励磁损坏而装设的变压器过励磁保护，要根据变压器允许的过励磁特性整定。在整定变压器过励磁保护时，必须有变压器制造厂提供的变压器允许的过励磁能力曲线。变压器过励磁保护有定时限和反时限两种。 8.1 定时限变压器过励磁保护

定时限过励磁保护通常分二段，第一段为信号段，第二段为跳闸段。整定方法用图29为例说明如下。

图28中过励磁能曲线1应由变压器制造厂提供。

1—制造厂提供的允许过励磁曲线图28 定时限变压器过励磁保护整定图例

过励磁保护的第一段动作值N一般可取为变压器额定励磁的1.15～1.2倍。N的含意如下式

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UN?B/BN?fUNfN (3-27)

式中：N——过励磁倍数；B,BN——变压器铁芯磁通密度的实际值和额定值；U,UN——加在变压器绕组的实际电压和额定电压；f,fN——实际频率和额定频率。

第一段的动作时间可根据允许的过励磁能力适当整定。

例如，设N＝1.15，从曲线1上查得对应的允许时间约300s(A点)，第一段的动作时间可整定为10s(A′点)，考虑从发信号到允许时间还有290s，使运行人员有足够时间处理变压器的过励磁。信号段的动作时间不宜太短，防止在变压器短时过励磁时不必要的发信号。动作时间也不宜太长，只要给运行人员有足够长的时间处理过励磁故障即可。

第二段为跳闸段，可整定N＝1.25～1.35倍，例如取N＝1.3，从曲线1上查得允许的过励磁时间约8s(B点)，跳闸时间可整定为4s(B’点)，为保障变压器的安全，可取跳闸时间小于实际允许的时间。在本例中，如N＝1.29＜1.30，过励磁保护将延时10s才发信号，所以定时限过励磁保护并不能充分保证变压器的安全。

8.2 反时限变压器过励磁保护

反时限变压器过励磁保护的保护特性应与变压器的允许过励磁能力相配合，如图29所示。

1—制造厂给出的变压器允许过励磁能力曲线；2—过励磁保护整定的动作特性曲线

图 40 反时限变压器过励磁保护整定图例

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第四章发电机变压器组保护的整定计算

1 概述

发电机变压器组的保护与发电机和变压器单独工作时的保护类型选择及整定计算基本相同。但由于发电机与变压器组成一个单元，所以，发电机变压器组的保护与发电机、变压器单独工作时的保护相比，又有某些不同的特点。某些保护可以合并，例如，发电机变压器组公共差动保护、相间后备保护、过负荷保护等。

发电机变压器组的保护对象，除了发电机、变压器之外，还包括高压厂用变压器、励磁变压器等厂用分支。

为避免重复，在第4章和第5章中已经叙述过的内容，在本章中不再赘述。本章仅叙述发电机变压器组保护整定计算的特点。 2 发电机变压器组保护整定计算特点 2.1 差动保护

a)根据GB14285的规定，对于100MW及以下发电机变压器组，不要求差动保护双重化，只设一套发电机变压器组公共差动保护。100MW以上机组，除公共差动保护之外还应加发电机纵差保护。200MW及以上大型机组要求发电机、变压器的纵差保护按双重化原则配置，除公共差动保护外，发电机和变压器还应装设单独的纵差保护，与公共的纵差保护一起实现快速保护的双重化。发—变组的公共差动保护采用变压器差动保护的原理，其整定计算方法见第二章。 b)当公共差动保护采用不完全接线(厂用高压变压器、励磁变压器不接入差动回路)，公共差动保护的动作电流应躲过高压厂用变压器或励磁变压器低压侧短路时，流过差动保护的最大短路电流，即

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Iop＝KrelIk.max/na (4-1)

式中：Krel——可靠系数，取1.3；Ik.max——高压厂用变压器(或励磁变压器)低压侧短路时，流过差动保护的最大电流；na——电流互感器变比。

c)采用完全差动接线的发电机变压器组公共差动保护，一种做法是将高压厂用变压器低压侧接入公共差动回路，这样可省去厂用变压器高压侧大变比电流互感器，同时也扩大了差动保护的保护范围，使高压厂用变压器的速动保护也实现了双重化。另一种做法是将高压厂用变压器高压侧加装的电流互感器二次接入公共差动回路。当升压变压器高压侧为3/2断路器接线时公共差动保护要求有4或5侧制动。

d)励磁变压器是一整流变压器，在装设差动保护时考虑到一次侧有较大的谐波分量，采用谐波制动原理的差动保护时应特别注意内部短路时的灵敏性。 2.2 相间故障后备保护

在设置发电机变压器组相间故障后备保护时，将发电机变压器组作为一个整体考虑。其相间故障后备保护既作为发—变组的后备，又作为高压母线相间故障的后备。

a)对于中小型机组，相间故障后备保护装在发电机中性点侧。中性点侧的相间故障后备保护通常采用负序电流和单相式低电压过电流保护，其整定计算方法见5.5.4。三绕组变压器高中压侧相间故障后备保护通常采用复合电压启动的过电流保护，其整定计算方法见5.5. 3。相间故障后备保护一般设两段时限，以较短时限断开变压器的本侧断路器，以较长时间断开各侧断路器并灭磁。

b)根据GB14285的规定，自并励发电机宜采用低电压保持的过电流保护，或采用带电流记忆的低电压过电流保护，也可采用精确工作电流足够小的低阻抗保护。

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低电压保持的过电流保护，电流元件的动作电流按下式整定

Iop＝KrelIN/na (4-2)

式中：Iop——电流元件的动作电流；Krel——可靠系数，取1.3；IN——发电机额定电流；na——电流互感器变比。电压元件的动作电压按下式整定

Uop＝KrelUmin/nv (4-3)

式中：Uop——电压元件动作电压；Krel——可靠系数，取0.8；Umin——发电机端最低运行电压；nv——电压互感器变比。灵敏系数计算

Ksen.1?I(2)Kna (4-4)

IopKsen.U?UopUr.maxnv (4-5)

式中：Ksen.l——电流元件灵敏系数，要求≥1.3；Ksen.U——电压元件灵敏系数，要求≥1.3； IK——升压变压器高压侧二相金属性短路时，流过保护的电流；

(2)Ur.max——升压变压器高压侧三相金属性短路时，发电机端的最大残压。

c)支接高压厂用变压器的高压侧，可采用复合电压启动的过电流保护，作为高压厂用变压器差动保护的后备，设二段时限，以较短时限断开厂用变压器低压侧断路器，以较长时限动作于停机。其整定计算方法见第二章5.3节。