发电机并网后的纵向零序保护应用及其规定

（一）发电机比率制动式差动保护

比率制动式差动保护是发电机定子绕组及其引出线相间短路故障的主保护。该保护在发电机中性点侧和出口侧装设同一型号和电流比的CT，保护范围即为这两组互感器之间的定子绕组及其引出线。根据比较两组CT的相位和幅值，通过三相差动元件运算，采用工频变化量比率制动原理，当发电机内部故障时，差动元件动作。当保护区内发生故障时，保护能够躲过暂态不平衡电流，不会误动。另外，为了防止在CT断线时保护误动作，保护装置设置有CT断线闭锁，CT断线闭锁保护可以通过控制字进行投退。

工频变化量比率差动保护完全反映差动电流及制动电流的变化量，不受正常运行时负载电流的影响，可以灵敏地检测发电机内部的轻微故障。同时工频变化量比率差动的制动系数取得较高，其耐受CT饱和的能力较强。

发电机差动保护动作方程为

式中 I_op——差动电流；

I_op.0——差动最小动作电流整定值；

I_res——制动电流；

I_res.0——最小制动电流整定值；

S——比率制动特性的斜率。

各侧电流的方向都以指向发电机为正方向，见图3-1。

差动电流：

制动电流：

I_T，I_N分别为机端、中性点CT二次侧的电流，CT的极性见图3-1。

CT断线判别：

当任一相差动电流大于0.15倍的额定电流时启动CT断线判别程序，满足下列条件即认为CT断线：

1）本侧三相电流中至少一相电流为零；

2）本侧三相电流中至少一相电流不变；

3）最大相电流小于1.2倍的额定电流。

保护逻辑框图见图3-2。

（二）发电机定子匝间保护

图3-1 电流极性接线示意图

发电机定子匝间保护不仅作为发电机内部匝间短路的主保护，还可作为发电机内部相间短路及定子绕组开焊的保护。保护范围为发电机定子绕组。

图3-2 发电机差动保护逻辑框图

发电机定子绕组发生内部短路，三相机端对中性点的电压不再平衡，因为机端PT中性点与发电机中性点直接相连且不接地，所以互感器开口三角绕组输出纵向3U_o，保护判据为

式中 U_set——保护的整定值。

当发电机正常运行时，机端不平衡基波零序电压很小，但可能有较大的三次谐波电压，为降低保护定值和提高灵敏度，保护装置中增设三次谐波阻波功能。

为保证匝间保护的动作灵敏度，纵向零序电压的动作值一般整定较小，为防止外部短路时纵向零序不平衡电压增大造成保护误动作，须增设故障分量负序方向元件为选择元件，用于判别发电机发生了内部短路故障还是外部短路故障。

发电机并网后运行时，纵向零序电压元件及故障分量负序方向元件组成“与”门实现匝间保护。在并网前，因ΔI₂=0，则故障分量负序方向元件失效，仅由纵向零序电压元件经短延时t₁实现匝间保护。并网后不允许纵向零序电压元件单独出口，为此以过电流I＞I_set闭锁为判据，设定I_set=0.06I_n。

保护逻辑框图见图3-3。

图3-3 发电机定子匝间短路保护逻辑框图

（三）发电机100％定子接地保护

发电机定子接地保护是发电机定子回路单相接地故障的保护，当发电机定子绕组任一点发生单相接地故障时，该保护按要求的时限动作于跳闸或信号。该保护由反映基波的零序过电压保护以及反映三次谐波的过电压保护组成。

《防止电力生产重大事故的二十五项反措》中规定，200MW及以上容量的发电机定子接地保护应投入跳闸。但必须将零序基波段保护与零序三次谐波段保护的出口分开，零序基波段保护投跳闸，零序三次谐波段保护投信号。

基波零序电压保护范围：发电机从机端算起的85％～95％的定子绕组。

三次谐波电压保护范围：发电机中性点附近的定子绕组。

基波零序电压动作判据为

三次谐波电压动作判据为

方案1：

方案2：

式中 3U_o——机端零序电压，保护设置PT断线闭锁；

U_op——基波零序电压整定值；

U_3s——发电机机端PT开口三角输出的三次谐波分量；

U_3n——中性点PT输出的三次谐波分量；

K′——方案1的制动系数；

K″——方案2的制动系数。

保护逻辑框图见图3-4。

图3-4 定子接地保护逻辑框图

（四）发电机转子一点、两点接地保护

发电机励磁回路一点接地故障是常见的故障形式之一，励磁回路一点接地故障对发电机并未造成危害，但相继发生第二点接地，即转子两点接地时，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体，励磁绕组的电流增大有可能导致过热而被烧伤。

发电机转子一点、两点接地保护范围：发电机转子回路和励磁回路。

1.发电机转子一点接地保护

保护原理：采用乒乓式开关切换原理，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻阻值R_g和接地点位置a。在发电机运行时轮流测量转子绕组正极、负极的对地电流，并根据测得的结果计算出转子绕组或励磁回路的对地电阻，从而判断出接地故障的位置及接地电阻的阻值。

图3-5 转子一点接地保护切换采样原理接线图

如其中图3-5所示，S₁、S₂为自动控制的电子开关；R_g为接地电阻；a为接地点位置；E为转子电压；R为两个测量电阻。

如果出现发电机转子一点接地故障，对发电机并未造成危害，但若再相继发生第二点接地故障，则将严重威胁发电机的安全。

2.发电机转子两点接地保护

发电机转子两点接地保护原理：在一点接地故障后，保护装置继续测量接地电阻和接地位置，此后若再发生转子另一点接地故障，则已测得的a值变化，当其变化值Δa超过整定值时，保护装置就确认为已发生转子两点接地故障，发电机经转子两点接地保护延时跳闸。

发电机转子两点接地保护判据为

｜Δa｜＞a_set （3-9）

式中 a_set——转子两点接地位置变化整定值。

保护逻辑框图见图3-6。

图3-6 转子接地保护逻辑框图

目前转子接地保护大多采用注入式和乒乓式，由于保护原理的要求，这两种保护均不能双套化，否则会相互影响造成保护误动作。因此发变组保护中，转子一点、两点接地保护只能投一套。另外，为不影响保护装置的测量，励磁柜中的励磁回路接地保护也是退出的。

（五）发电机低压记忆过电流保护

低压记忆过电流保护是发电机发生外部相间短路及内部故障时的后备保护，电流带记忆功能。发电机外部故障时，流过发电机的稳态短路电流不大，有时甚至接近发电机的额定负载电流，所以发电机的过电流保护一般采用低电压起动过电流继电器接于发电机中性点侧的CT上，低电压继电器接在机端PT的相间电压上，在发电机并网前发生故障时，保护装置也能动作。当发电机发生过载时，过电流继电器可能动作，但因这时低电压继电器不动作，保护被闭锁。

保护范围：发电机定子绕组及引出线。

保护原理：当满足以下两个条件，起动发电机低压记忆过电流保护。

1.低电压元件动作

U＜U_op

式中 U_op——低电压整定值；

U——三个线电压中最小的一个。

2.过电流元件动作

接于CT二次三相回路中，保护可有多段定值，每段电流和时限均可单独整定。当任一相电流满足下列条件时，保护动作。

I＞I_op

式中 I_op——动作电流整定值。

保护逻辑框图见图3-7。

图3-7 低压记忆过电流保护逻辑框图

（六）发电机定子对称过载保护(www.xing528.com)

大型发电机组的定子、转子绕组的热容量和铜损的比值都较小，因而承受过载的能力比较差，容易导致过载的损害。而装于定子绕组内的热偶元件由于与铜导线隔着绝缘并且它本身就具有一定的热时间常数，且不能迅速反应负载变化，因此当热偶元件动作时过载损害已经形成，为此需要专门配置过载保护。

发电机定子对称过载保护是防止发电机定子绕组的过载或外部故障引起的定子绕组过电流，它由定时限过载和反时限过电流两部分组成。

定时限过载按发电机长期允许的负载电流能可靠返回的条件整定。反时限过电流按定子绕组允许的过电流能力整定。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

式中 K——定子绕组过载常数；

I^∗——定子额定电流为基准的标幺值；

α——与定子绕组温升特性和温度裕度有关，一般为0.01～0.02。

定子对称过载保护逻辑框图见图3-8。

图3-8 定子对称过载保护逻辑框图

（七）发电机定子负序过载保护

发电机定子负序（不对称）过载保护作为发电机不对称故障和不对称运行时，负序电流引起发电机转子表面过热的保护，也可兼作系统发生不对称故障的后备保护。

该保护由负序过载（定时限）和负序过电流（反时限）两部分组成。负序过载（定时限）按发电机长期允许的负序电流下能可靠返回的条件整定；负序过电流（反时限）由发电机转子表层允许的负序过电流能力确定。

发电机短时承受负序过电流倍数与允许持续时间的关系式为

式中 I_2∗——发电机负序电流标么值；

I_2∞——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时间常数。

保护逻辑框图见图3-9。

（八）发电机逆功率保护

发电机在正常运行过程中，可能会出现燃气截止阀和汽轮机主汽门突然关闭的情况，此后随着燃气轮机和汽轮机驱动力的消失，发电机将迅速转变为电动机运行，即由向系统输出有功功率转变为从系统吸取有功功率，此即为逆功率。逆功率的运行，对发电机并无危害，但由于汽轮机的尾部叶片与残留蒸汽急速摩擦而可能产生过热现象，可能造成汽轮机事故。逆功率分为两个部分：一是作为保护装置程序跳闸的起动元件；二是作为逆功率保护元件。

图3-9 定子负序过载保护逻辑框图

发电机有功功率根据电压、电流正序量计算，与无功功率大小无关，当功率小于逆功率定值时，保护动作。发电机在过载、过激磁、失磁等各种异常运行保护动作后，需要程序跳闸时，保护先关闭燃气截止门和主汽门，由程序逆功率保护延时动作于跳闸。逆功率保护电压取自发电机机端PT，电流取自发电机机端CT，保护按三相接线。发电机有功功率的计算公式为

P=U_a·I_a·cosϕ_a＋U_b·I_b·cosϕ_b＋U_c·I_c·cosϕ_c （3-12）

式中 ϕ——功率因数角。

保护动作判据为

｜P｜＞P_set

式中 P_set——逆功率保护动作整定值。

保护设有2段延时，短延时t₁（15s）用于发信号，延时t₂（80s）用于跳闸。

逆功率保护逻辑框图见图3-10。

图3-10 逆功率保护逻辑框图

程跳逆功率保护逻辑框图见图3-11。

（九）发电机定子过电压保护

发电机定子过电压保护是防止发电机在起动或并网过程中由于电压升高而损坏发电机的绝缘。发电机过电压保护所用电压值的计算不受频率变化的影响。过电压保护反映机端线电压，动作于跳闸。过电压保护可作为过电压起动、闭锁及延时元件。保护取三相线电压，当任一线电压大于整定值，保护即动作于跳闸。

保护逻辑框图见图3-12。

图3-11 程跳逆功率保护逻辑框图

图3-12 定子过电压保护逻辑框图

（十）发电机定子及主变过激磁保护

过激磁保护防止发电机及主变过激磁，即当电压升高或频率降低时工作磁通密度过高引起绝缘过热老化的保护装置。发电机的工作磁密很接近饱和磁密。过激磁的危害之一是铁心饱和，谐波磁密增强，使附加损耗加大，引起局部过热；另一个危害是铁心漏磁通增强，使定位筋和铁心中的电流急剧增加，引起局部过热。当过激磁保护作用于发电机时，电压取自发电机机端，当过激磁保护用于主变时，电压取自主变高压侧。过激磁保护的动作值应按发电机与主变压器的过激磁特性低值的磁密整定，通过计算电压标幺值跟频率标幺值的比值确定铁心磁通密度情况，对发电机和主变压器都能起到保护作用。

保护逻辑框图见图3-13。

（十一）发电机失磁保护

发电机励磁系统故障使励磁降低或全部失磁，从而导致发电机与系统失步，对机组本身及电力系统的安全造成重大危害，因此发电机组必须要装设失磁保护。发电机失磁时失磁保护一般不瞬时动作，这是因为失磁故障的危害毕竟不像内部短路得表现得那样迅速，而且突然跳闸不仅对于发电机会造成巨大冲击，而且还会对系统加重扰动，因此比较合理的方法是增加辅助鉴别判据，如监视母线电压，只要其不低于允许安全运行电压（一般为85％～90％额定电压），即表明失磁尚不致严重危及系统稳定运行，此时可考虑采取自动迅速降低出力，在进一步缩小机组失磁危害的基础上，维持机组稳定异步运行，以便于运行人员消除失磁故障，减少不必要的事故停机。如果母线电压已降低至允许限度，系统稳定运行受到威胁，保护应立即动作使机组跳闸。

发电机失磁保护主要判据包括：静稳极限励磁电压U_fd（P）主判据，静稳边界阻抗主判据。

发电机失磁保护的辅助判据包括：励磁低电压、稳态异步边界阻抗、主变高压侧三相同时低电压判据，机端低电压判据。

保护逻辑框图见图3-14。

图3-13 定子过激磁保护逻辑框图

图3-14 失磁保护逻辑框图

（十二）发电机失步保护

当发电机在与系统发生失步时，将出现发电机的机械量和电气量与系统之间的振荡，这种持续的振荡对发电机组和电力系统产生很大影响：发电机机端电压严重下降，使厂用辅机工作稳定性遭到破坏，甚至导致全厂停机；发电机失步运行时，当发电机电势与系统等效电势的相位相差180°的瞬间，振荡电流的幅值接近机端三相短路时流经发电机的电流，且振荡电流在较长的时间内反复出现，会使定子绕组遭受热损伤或定子端部遭受机械损伤；振荡过程中产生对轴系的周期性扭力，可能造成大轴机械性损伤；振荡过程中在转子绕组中产生附加感应电流，引起转子绕组发热；有可能导致电力系统解列甚至系统崩溃事故。因此，在发电机运行过程中，必须投入失步保护。当系统发生非稳定性振荡并危及机组或系统安全时，该保护动作于跳闸。

发电机失步保护采用三阻抗元件，利用发电机正序电流、正序电压计算，可靠区分发生了稳定振荡还是与系统失步，通过阻抗的轨迹变化来检测滑级次数并确定振荡中心的位置。

保护逻辑框图见图3-15。

图3-15 失步保护逻辑框图

（十三）发电机频率保护

汽轮机的叶片都有自振频率。当发电机运行时，若频率接近或等于汽轮机叶片的自振频率时，就会产生共振，使汽轮机的叶片受到疲劳损伤，这种不可逆的疲劳损伤累计到一定限度会使叶片断裂，造成严重故障。因此，大型汽轮机有必要装设频率保护。

发电机频率保护分低频部分和高频部分。低频部分和高频部分各分为两段，当发电机并网运行时，低频一段（48Hz）短延时发信，长延时跳闸发电机组，低频二段（47.5Hz）延时跳闸发电机组；高频一段（50.8Hz）短延时发信，高频二段（51.3Hz）延时跳闸发电机组。

保护逻辑框图见图3-16。

（十四）发电机突加电压保护

发电机在盘车过程中发生出口断路器误合闸，系统三相工频电压突然加在发电机的机端，使同步发电机处于异步起动工况，由系统向发电机定子绕组倒送的电流（正序电流）在气隙中产生的旋转磁场在转子本体中感应工频或接近工频的电流，从而引起转子过热而损伤。

发电机突加电压保护是由一个阻抗元件和一个过电流元件组成的，保护经发电机出口断路器位置触点闭锁，且当误合电流过大，跳闸易造成断路器损坏时，闭锁跳闸发电机出口断路器。

当发电机停机或在盘车状态下，灭磁开关未合闸时发电机出口断路器误合闸，过电流元件快速动作于跳闸，同时，由于发电机处于同步电机的异步起动过程，阻抗元件延时动作于跳闸，构成双重化保护；当机组并网前出口断路器断开，而灭磁开关闭合时，过电流元件退出工作，此时，若正常并网，阻抗元件不动作，突加电压保护不会动作，若发生误合闸，阻抗元件则动作于跳闸。

图3-16 频率保护逻辑框图

保护逻辑框图见图3-17。

图3-17 突加电压保护逻辑框图

图中LK为灭磁开关的位置触点，GCB为发电机出口断路器位置触点。

（十五）发电机起停机保护

发电机起停机保护是发电机在起动过程中尚未并网前，用以反应相间故障和定子接地故障的保护。起停机保护采用基波零序电压原理，取自发电机机端PT。该保护由零序过电压元件构成，采用了不受频率影响的算法，保证了起停机过程对发电机的保护。

在发电机并网前，出口断路器位置触点闭合，保护投入，发电机并网后保护自动退出运行。

保护逻辑框图见图3-18。

（十六）发电机低频过电流保护

当SFC起动发电机时的保护，SFC投入运行期间虽然发电机的机端电压只有3.4kV，仅为发电机额定电压的17％左右，但由于其运行频率较低，对应的交流电抗也较小，若此时发电机发生相间短路，故障电流可能会严重烧毁发电机。因此，SFC投入运行期间有必要装设低频过电流保护。该保护经SFC起动隔离开关辅助触点控制，在SFC投入运行时，保护投入，SFC退出运行时，保护退出。

保护采集发电机机端A相电压及中性点侧三相电流，当电压值低于设定值并且电流值大于设定值时，保护动作使SFC隔离变高压侧开关及起动励磁变高压侧开关跳闸。

保护逻辑框图见图3-19。

图3-18 起停机保护逻辑框图

图3-19 低频过电流保护逻辑框图

（十七）发电机电压回路断线

电压回路断线判别：通过比较两组PT二次侧的电压，当某一PT失去电压时继电器动作，瞬时发出电压回路断线信号。本判据可用于闭锁相关保护。

保护逻辑框图见图3-20。