DLT6841999大型发电机变压器继电保护整定计算导则

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1、.K45备案号：67632000中华人民共和国电力行业标准DL/T6841999大型发电机变压器继电保护整定计算导则Guideofcalculatingsettingsofrelayprotectionforlargegeneratorandtransformer2000-02-24批准2000-07-01实施中华人民共和国国家经济贸易委员会发布前言本标准根据原能源部1992年电供函199211号关于组织编制大机组继电保护装置运行整定条例函的要求以及广大继电保护工作者的迫切需要而制定。本标准的制定和实施将对提高发电机变压器继电保护装置的正确动作率、保障电气设备的安全及维持电力系统的稳定运行有重

2、要意义。在国家电力调度通信中心及中国电机工程学会继电保护专委会等单位的组织领导下，经过深入调查研究，广泛征求国内各有关单位的专家、教授及广大继电保护工作者的意见，组织多次专题讨论，反复修改条文内容，先后数易其稿，历经数年终于完成了本标准的编制任务。本标准以GB1428593继电保护和安全自动装置技术规程为依据进行编制。本标准的附录A、附录B都是标准的附录。本标准的附录C、附录D、附录E、附录F、附录G、附录H、附录J、附录K、附录L和附录M都是提示的附录。本标准由原能源部电力司、科技司共同提出。本标准由原电力工业部继电保护标准化技术委员会归口。本标准起草单位：华北电力设计院、东北电力设计院、清

3、华大学。本标准参加起草单位：东北电力调度局、西北电力试验研究院。本标准主要起草人：王维俭、孟庆和、宋继成、闫香亭、毛锦庆、侯炳蕴、李玉海。本标准由国家电力调度通信中心负责解释。目录前言1范围2引用标准3总则4发电机保护的整定计算4.1定子绕组内部故障主保护4.2发电机相间短路后备保护4.3定子绕组单相接地保护4.4励磁回路接地保护4.5发电机过负荷保护4.6发电机低励失磁保护4.7发电机失步保护4.8发电机异常运行保护5变压器保护的整定计算5.1变压器纵差保护5.2变压器分侧差动保护5.3变压器零序差动保护5.4变压器瓦斯保护5.5变压器相间短路后备保护5.6变压器接地故障后备保护5.7变压器

4、过负荷保护5.8变压器过励磁保护6发电机变压器组保护的整定计算6.1概述6.2发电机变压器组保护整定计算特点附录A(标准的附录)发电机定子绕组对地电容，机端单相接地电容电流及单相接地电流允许值附录B(标准的附录)本标准用语说明附录C(提示的附录)发电机变压器继电保护整定计算导则有关文字符号附录D(提示的附录)发电机若干异常运行状态的要求附录E(提示的附录)大型汽轮发电机组对频率异常运行的要求附录F(提示的附录)系统联系电抗Xcon的计算附录G(提示的附录)自并励发电机外部短路电流的计算附录H(提示的附录)电力系统振荡时阻抗继电器动作特性分析附录J(提示的附录)变压器电容参数估算值附录K(提示的

5、附录)保护用电流互感器的选择附录L(提示的附录)变压器电抗的计算附录M(提示的附录)非全相故障计算中华人民共和国电力行业标准大型发电机变压器继电保护整定计算导则DL/T6841999Guideofcalculatingsettingsofrelayprotectionforlargegeneratorandtransformer1范围本标准规定了大型发电机变压器继电保护的整定计算原则和方法，它是设计、科研、运行、调试和制造部门整定计算的依据。本标准适用于GB14285所规定的发电机、变压器容量范围，重点规定了200MW及以上发电机与220500kV变压器的继电保护的整定计算原则和方法。2引用标

6、准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。GB120887电流互感器GB1428593继电保护和安全自动装置技术规程GBT70641996透平型同步电机的技术要求IEC446(1992)互感器第6部分：保护电流互感器动态性能的要求3总则3.1本标准是发电机变压器继电保护整定计算的基本依据，设计、科研、运行、调试和制造部门应共同遵守。3.2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

7、，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。3.3发电机变压器继电保护装置的技术性能，必须与本标准中提出的具体规定和要求相符合。3.4发电机变压器继电保护装置必须满足可靠性、选择性、速动性及灵敏性的基本要求，正确而合理的整定计算是实现上述要求的关键。3.5本标准不涉及发电机变压器继电保护的配置；不列举保护装置的具体型式；按不同原理的保护分类编制；整定计算方法适用于国内通用的主要保护原理，本标准所列原理之外的保护其整定计算方法可参考制造厂家技术说明书。3.6部分保护装置的动作时限是根据GB14285给出的；对于未给出动

8、作时限的保护装置，其动作时限应根据设备条件及电力系统的具体情况决定。3.7为简化计算工作，可按下列假设条件计算短路电流：3.7.1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。3.7.2发电机及调相机的正序阻抗，可采用次暂态电抗Xd的饱和值。3.7.3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。3.7.4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

9、。3.7.5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。3.7.6不计故障点的相间和对地过渡电阻。3.8与电力系统运行方式有关的继电保护的整定计算，应以常见运行方式为计算用运行方式。所谓常见运行方式，是指正常运行方式和被保护设备相邻一回线或一个元件停运的正常检修方式。对于运行方式变化较大的系统，应由调度运行部门根据具体情况确定整定计算所依据的运行方式。3.9根据GB14285的规定，按照故障和异常运行方式性质的不同，机组热力系统和调节系统的条件，本标准所列各项保护装置分别动作于：a)停机：断开发电机或发电机变压器组(简称发变组)

10、断路器、灭磁，关闭原动机主汽门或导水叶，断开厂用分支断路器。b)解列灭磁：断开发电机或发变组断路器和厂用分支断路器、灭磁，原动机甩负荷。c)解列：断开发电机或发变组断路器，原动机甩负荷。d)降低励磁。e)减出力：将原动机出力减至给定值。f)缩小故障范围(例如断开母联或分段断路器)。g)程序跳闸：对于汽轮发电机，先关主汽门，待逆功率继电器动作后再断开发电机或发变组断路器并灭磁；对于水轮发电机，先将导水叶关到空载位置，待逆功率继电器动作后再断开发电机或发变组断路器并灭磁。h)信号：发出声光信号。3.10除特殊说明外，本标准列出的计算公式，无论用有名值或标么值进行计算，其计算结果(电流、电压、阻抗等

11、)应以二次侧有名值的形式给出。4发电机保护的整定计算4.1定子绕组内部故障主保护定子绕组内部故障包括相间短路、同相不同分支间短路、同相同分支匝间短路和定子绕组的分支开焊故障。4.1.1比率制动式纵差保护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1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1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。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

12、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2中的曲线OED所示。图2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(1)进行估算(1)式中：Kap非周期分量系数，取1.52.0；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：

13、1)确定差动保护的最小动作电流，即确定图2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(0.100.30)Ignna，一般宜选用(0.100.20)Ignna。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

14、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(0.81.0)Ignna(3)当Ires.0Ignna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.maxKrelIunb.max(4)式中：Krel可靠系数，取1.31.5。C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.maxIop.maxIres.maxKrelKapKccKer(5)式(5)的计算值为Kres.ma

15、x0.15，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2中，取C点的Kres.max0.30。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Ksen2.0的要求，不必进行灵敏度校验。4.1.2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和，它们的相位差为，令标积ItIncos为制动量，为动作量，构成标积制动式纵差保护，其动作判据为(7)式中：Kre

16、s制动系数，取0.81.2。外部短路时，0，式(7)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90270，使cos0,式(7)右侧呈现负值，即不再是制动量而是助动量，保护灵敏动作。本保护仅反应相间短路故障。4.1.3故障分量比率制动式纵差保护该保护只与发生短路后的故障分量(或称增量)有关，与短路前的穿越性负荷电流无关，故有提高纵差保护灵敏度的效果。本保护仅反应相间短路故障，其动作判据为(8)式中：发电机机端侧故障分量电流；发电机中性点侧故障分量电流。故障分量纵差保护的动作特性如图3，图中，。直线1为故障分量纵差保护在正常运行和外部短路时的制动特性；直线2为故障分量纵差保护在内部短路

17、时的动作特性，其斜率S2.0；直线3为故障分量纵差保护的整定特性。整定计算如下：a)纵差保护动作特性(直线3)的倾角，一般取45，即制动系数Kres1.0。b)最小动作电流Id00.1Ignna，或Id0负荷状态下微机输出最大不平衡增量差流。c)灵敏系数校验：KsenIdIresDCBC，要求Ksen2.0，一般不必进行校验计算。图3故障分量比率制动式纵差保护动作特性4.1.4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，机端接入相电流图4(a)中的TA2,但中性点侧TA1每相仅接入n个分支，a与n的关系如下式1N(9)式中：a与

18、N的取值见表1。表1a与n的关系a2345678910N11222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。图4(a)中互感器TA1与TA2构成发电机不完全纵差保护。TA5与TA6构成发变组不完全纵差保护，而TA3与TA4构成变压器的完全纵差保护。TA1的变比按条件选择；TA2的变比按IgnI2n条件选择，因此TA1的变比一定不同于TA2的。对于微机保护，TA1、TA2可取相同变比，由软件调平衡。图4(b)表示发电机中性点侧引出4个端子的情况，TA1和TA5装设在每相的同一分支中。图4(c)表示每相8个并联分支的大型水轮发电机，发电机不完全纵差保护每相接入的中性

19、点侧电流(TA1)分支数为2、5、8，发变组不完全纵差保护(TA5)则为1、4、7。图4发电机和发变组纵联差动保护的互感器配置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4.1.1，但当TA1与TA2不同型号时，互感器的同型系数应取Kcc1.0。4.1.5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。a)传统单元件横差保护图4(a)和图4(b)中，接于发电机中性点连线的互感

20、器TA0用于单元件横差保护。TA0的变比选择，传统的做法按下式计算na0.25IgnI2n(10)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按外部短路不误动的条件整定。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(0.200.30)Ignna(11)在励磁回路一点接地保护动作后，发电机可继续运行，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0.51.0s延时动作于停机。b)高灵敏单元件横差保护图4中的TA0(包括TA01和TA02)均为环氧树脂浇注的单匝母线式互感器(LMZ型)，应满足动、热稳定的要求。高灵敏单元件横差保护

21、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600I2n、400I2n、200I2n、100I2n。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0.05Ignna。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5单元件横差保护的不平衡电流(Iunb)测试和线性外推2)将直线OC和O

22、A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(12)式中：Krel可靠系数，取1.31.5；Kap非周分量系数，取1.52.；K3三次谐波滤过比，K380。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。4.1.6多分支分布中性点水轮发电机的综合差动保护本保护反应发电机相间、匝间短路和分支开焊故障。如图6所示，该发电机每相6并联分

23、支装设3套差动保护，即：不完全纵差保护1(2、4、6分支的TA1与TA2)；裂相横差保护2(1、3、5分支的TA1与2、4、6分支的TA1)；高灵敏单元件横差保护3(TA0)。保护1和3已经阐明，这里只讨论裂相横差保护2。(a)每相6并联分支装3套差动保护；(b)裂相横差保护原理图图6多分支分布中性点水轮发电机综合差动保护二次接线图裂相横差保护就是将一台每相并联分支数为偶数的发电机定子绕组一分为二，各配以电流互感器TA1，其变比为，a为每相并联分支数。该保护采用比率制动特性，其整定计算与比率制动式纵差保护相似，但最小动作电流Iop.0和最大制动系数Kres.max均较大。Iop.0由负荷工况下

24、最大不平衡电流决定，它由两部分组成，即两组互感器在负荷工况下的比误差所造成的不平衡电流iunb.1；由于定子与转子间气隙不同，使各分支定子绕组电流也不相同，产生的第二种不平衡电流iunb.2。因此，裂相横差保护的Iop.0比纵差保护的大。(13)Ires.0(0.81.0)Ignna(14)Kres.max0.50.6(15)裂相横差保护也可应用于每相并联分支数为奇数的发电机，此时两个互感器的变比将不同，或者仍用相同变比naIgnI2n，增设中间互感器；微机保护可用软件调平衡。4.1.7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

25、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。a)零序过电压保护的动作电压U0.op设计值可初选为U0.op23(V)b)为防止外部短路时误动作，可增设负序方向继电器，后者具有动合触点，当发电机内部短路时，触点闭合。c)三次谐波电压滤过比应大于80。d)该保护应有电压互感器断线闭锁元件。4.1.8转子回路二次谐波电流保护发电机定子绕组内部短路时产生的负序电流，可以用装设在转子回路中的电抗变压器以二次谐波电压的形式来反应。该保护的二次谐波动作电压Uop，应按下述原则整定：在发电机长期允许的负序电流下，实测转子回路中的电抗变换器输出二次谐波电压，则(1

26、6)实测是在做发电机常规短路试验时，在很低的励磁电压下，作机端两相稳态短路试验，使定子负序电流等于，对应测得转子回路中电抗变换器的。由于励磁电压变化范围大，为空载额定励磁电压的68倍，可靠系数Krel应取较大值，一般为1.52.0。发电机外部短路时，转子电流中也有二次谐波，因此必须增设机端的负序方向元件作闭锁。负序功率方向元件采用动合触点。当发电机内部短路时，负序功率由发电机流入系统，方向元件动合触点闭合。为防止外部短路暂态过程中此保护瞬时误动，保护应增设0.10.2s延时。4.1.9故障分量负序方向保护利用故障分量负序电压和电流(和)，构成故障分量负序方向保护，其动作判据为(17)式中：的共

27、轭相量；sen.2负序方向灵敏角，一般取75。故障分量负序方向继电器是一种方向元件，其阈值p2很小，具体数值由继电器制造厂家供给，一般不作整定计算。故障分量负序方向保护无需装设TV或TA的断线闭锁元件，但TV断线应发信号，保护较简单；但当发电机未并网前，因I20，保护失效，为此还应增设各种辅助判据，其原理和定值整定随各制造厂家而异，详见厂家技术说明书。4.2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

28、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。4.2.1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，一般按下式整定(18)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，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(19)式中：主变压器高压侧母线金属性两

29、相短路时，流过保护的最小负序电流。要求灵敏系数Ksen1.5。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(20)式中：Krel可靠系数，取1.31.5；Kr返回系数，取0.850.95。灵敏系数按主变压器高压侧母线两相短路的条件校验(21)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Ksen1.2。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(22)式中：Ugn发电机额定电压；nv电压互感器变比。对于水轮发电机(23)灵敏系数按主变压器高压侧母线三相短路的条件校验(24)式中：主变高压侧母线金属性三相短路时

30、的最大短路电流；Xt主变压器电抗，取XtZt。要求灵敏系数Ksen1.2。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。当整定时限与保证发电机安全所允许时限（例如，转子负序过负荷允许时限)有予盾且没有负序电流反时限保护时，应以发电机安全的允许时限为准。4.2.2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。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4.2.1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，

31、一般取(25)灵敏系数按主变压器高压侧母线两相短路的条件校验(26)式中：U2.min主变高压侧母线二相短路时，保护安装处的最小负序电压。要求灵敏系数Ksen1.5。保护动作时间同4.2.1。当以上保护不满足要求时，采用低阻抗保护。4.2.3低阻抗保护见5.5.7。4.3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。发电机单相接地电流允许值见附录A。当机端单相金属性接地电容电流IC小于允许值时，发电机

32、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IC，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。4.3.1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UopKrelUunb.max(27)式中：Krel可

33、靠系数，取1.21.3。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Uop5V，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7。图7传递电压计算用近似简化电路图7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，UHn为系统额定线电压。Cg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

34、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。4.3.2三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和，三次谐波电压单相接地保护可采用以下两种原理：a)(28)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(1.0

35、51.15)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。b)(29)式中分子为动作量，调整系数，使发电机正常运行时动作量最小。然后调整系数，使制动量在正常运行时恒大于动作量，一般取0.20.3。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。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8发电机三

36、次谐波电压分析计算用等值电路4.3.3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(30)式中：Cg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4.3.1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4.3.2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(31)式中：Ker电流互感器比误差系数，取为3%；U%机端电压变化百分

37、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；Ier保护继电器误差，取为5%。保护经0.5s延时动作于停机。4.3.4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。4.4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阻不小于1M，直接水冷却的励磁绕组，其冷态绝缘电阻不小于2k。水轮发电机通用技术条

38、件规定：绕组的绝缘电阻在任何情况下都不应低于0.5M。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。4.4.1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

39、成的转子一点接地保护，由图9可知正常运行时流过继电器KA的电流为TVM中间电压互感器(32)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(33)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Rtr20k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(34)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

40、而励磁绕组并不接地时流过继电器KA的电流整定。IopKrelIad.max(35)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.max2Ufdn,Ufdn为正常额定励磁电压)(36)式中：RaRinsRi(Rins+Ri)。(37)图9叠加直流电压一点接地保护原理图4.4.2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10)中除Rins和

41、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11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10测量对地导纳式一点接地保护的等值电路图11中，横坐标右侧端点表示励磁绕组发生金属性接地故障(Rins0，gins)，输入端对地导纳为gb1Rb。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Rins2k为例)如图11中的阴影整圆，它与等电导圆(Rins2k)完全重合，表明该保护的动作特性与Ce无关，只要Rin

42、s2k，保护就动作。图11等电导圆和整定圆继电器的动作判据如图12所示，为YgmgNgm(38)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；gngm继电器整定圆半径。图12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gins1Rins)时动作，且已知Rb值(制造厂家供给，相应有参考电导gb1Rb)，则需要整定计算的对地导纳整定圆圆心为gm(位于g轴上)(39)整定圆半径为gngm，由图12知，gngb，所以半径为(40)由图11可清楚见到，Rins的整定值不能取得太大(例如大于10k)，因为当Rins从8k变到无穷大时，等电导圆十分密

43、集，极易产生定值变异。一般Rins的整定值宜取5k左右，这是这种保护的原理所决定的。在实际工作中应注意以下几点：a)励磁回路发生金属性一点接地故障时，Rins0,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。b)电刷与大轴间的接触电阻，严重影响保护的动作定值，为此必须加大电刷的压力，减小其接触电阻值。4.4.3切换采样式一点接地保护图13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S1S3轮流接通和断开，如图13，对电流I1I3采样。(41)(42)(43)式中：K1、K2选定的常数；故障点将Ufd分为U1和U2。保护的动

44、作判据为I1+I3I2(44)保护动作时的过渡电阻Rtr为(45)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。(46)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Rset10k以上。当RtrRset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14。图14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UfdUfd1)(47)式中：R0保护的固定电阻；Rtr励磁回路对地绝缘电阻。

45、S2闭合，S1打开时(此时有UfdUfd2)(48)电导为(49)(50)因S1、S2切换前后接地点E为同一点，故K1+K21。保护的动作判据为GsetG1+G2或RsetRtr+R0(51)整定范围Rset040k。4.4.4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0.51.0s。4.5发电机过

46、负荷保护4.5.1定子绕组对称过负荷保护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。a)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(52)式中：Krel可靠系数，取1.05；Kr返回系数，取0.850.95，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。b)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

47、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(53)式中：Ktc定子绕组热容量常数，机组容量Sn1200MVA时，Ktc37.5(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。定子绕组允许过电流曲线见图15。图15定子绕组允许过电流曲线(即反时限过电流保护的动作特性)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(54)式中：Ign发电机额定电流，A；Ksat饱和系数，取0.8；发电机次暂态电抗(非饱和

48、值)，标么值；naTA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4.5.1知(55)则Iop.minKc0IopKc0Krel(56)式中：Kc0配合系数，取1.05。不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。4.5.2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。a)定时限过负荷保护。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4.5.1a)(额定励磁电流Ifd应变换至交流侧的有效值I

49、，对于采用桥式不可控整流装置的情况，I0.816Ifd)。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。b)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，其表达式为式中：C转子绕组过热常数；Ifd*强行励磁倍数。图16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

50、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。对于无刷励磁系统，在整定计算时，应根据发电机的励磁电压与励磁机励磁电流的关系曲线，将发电机的额定励磁电压及强励顶值电压分别折算到励磁机的励磁电流侧，再进行相应的计算。保护动作于解列灭磁。4.5.3转子表层负序过负荷保护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(57)式中：Krel可靠系数，取1.2

51、；Kr返回系数，取0.850.95，条件允许应取较大值；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。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。GB706486汽轮发电机通用技术条件规定的不同容量机组的转子负序过热允许值见附录D。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(58)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转子表层承受负序电流能力的常数(，附录D表D-1)。发电机允许的负序电流特性曲线见图17。图17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

52、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(59)式中：,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XtZt，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(60)如果保护上下限动作电流倍数不能满足要求，应根据实际情况予以协调，一般是在满足一定电流倍数的前提下，保留较小电流下的反时限特性。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

53、配合；保护动作于解列或程序跳闸。4.6发电机低励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(0.850.90)Uh.min(61)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：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

54、磁低电压元件；3)延时元件。4.6.1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(62)(63)式中：、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。4.6.2静稳极限阻抗继电器a)汽轮发电机。如图18中的圆2，其整定值为(64)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)，参见附录F。其他

55、符号同上。Xb由式(63)决定。鉴于阻抗圆2在第、象限的动作区易发生非失磁故障条件下的误动，为此在图18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、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。图18阻抗动作特性1异步边界圆；2汽轮发电机静稳边界圆

56、；3准静稳极限阻抗特性图b)水轮发电机(包括大型汽轮发电机)。水轮发电机(包括大型汽轮发电机)的XdXq，在低励失磁故障时，其静稳极限的机端阻抗轨迹不是图18中的圆2，而是图21中的滴状曲线(实线)。具体作图求解该静稳极限滴状阻抗曲线方法如图19和图20所示。1)首先作出在无穷大母线(Us恒定)处观察到的静稳极限导纳Ys的轨迹NH5H4H3H2H1。已知发电机参数Xd、Xq，联系电抗为Xcon，并令XdXd+Xcon，XqXq+Xcon。由1/Xq和1/Xd分别决定n点和A点，作ACOsN，并以NA为直径作半圆。自N点作诸直线NC1、NC2、NC3，交半圆于D1、D2、D3，交直线AC于C1、

57、C2、C3，截取H1C1ND1、H2C2ND2、H3C3ND3，由此得H1、H2、H3，连H1H2H3得一曲线，则自原点Os(无穷大母线处)到曲线上任一点H的直线就是发电机低励失磁故障时，由无穷大母线处看到的导纳Ys(图20)。2)用反演作图法求Zs1/Ys，Zs为由无穷大母线处看到的静稳极限阻抗轨迹。具体作法如图20所示。以Os为圆心，OsA为半径作单位圆AGD。任取Ys轨迹上一点H，连直线交单位圆于M点。作直线，使GOsBMOsG,交单位于B点。连HB直线，并作,与交于K点，则Zs1/Ys，即就是从无穷大母线处看到的静稳极限阻抗Zs。沿Ys轨迹取不同的H点，用上述反演作图法，求得不同的K点

58、；连接这些K点就获得静稳极限阻抗Zs的轨迹(即滴状曲线的右半侧)。3)平移横坐标Osr到Or，Xcon，则自原点O到滴状曲线(虚线)的直线就是发电机机端看到的静稳极限阻抗轨迹。考虑到此曲线过于复杂，模拟式继电器难以实现，同时考虑到第、第象限的动作区易引起保护误动，为此将滴状曲线近似改为苹果圆阻抗动作特性，具体作法如图21。图21求作XdXq时的准静稳极限阻抗苹果圆(虚线)取(Xd+Xq)/2定T点，作的垂直平分线；试选对称于X轴的两点O1和O2，以O1和O2为圆心，r1和r2(r1r2)为半径作圆弧，O1、O2和r1(r2）的选择应使圆弧尽量在第、象限接近滴状曲线。4.6.3静稳极限励磁低电压

59、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22和图23。图22汽轮发电机UfdP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23XdXq发电机的Ufd.opP关系曲线a)汽轮发电机。由可知，当静稳极限时90，有PE0Us/Xd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E0Ufd，故有标么值关系式UfdE0PXd/Us

60、PXD(Us1.0)Ufd以有名值表示时有Ufd(V)PXdUfdo(V)式中：XdXd+Xcon和P均为标么值。若P为有名值，则有式中：Sgn为有名值，MVA；P为有名值，MW；Xd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)KPUfd(65)式中：KXdUfdo/Sgn。在实际保护装置中，P和Ufd均经变换器得U1和U2，即U1K1P，U2K2Ufd式中：K1、K2分别为变换器的比例系数。设继电器动作条件为U1U2即UfdP调整K1、K2，使K1/K2K，即满足动作判据式(65)。该动作特性如图22，为过原点的直线，其倾角的整定值为arctgKarctgXdUfdo/Sgn(66)式中：XdXd+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。b)水轮发电机(包括XdXq的大型汽轮发电机)。由于XdXq，发电机输出的有功功率P为由上式导出dp/d0的静稳极限关系式比较复杂，对应不同的静稳极限功角sb，有相应一定P值的励磁电压动作值Ufd.op，见图23(a)，它是一条曲线。作为低励失磁保护的检测元件(Ufd.opP)见图23(b)，已将实际的曲线近似取作直线，横坐标O