发电机纵差保护机制优化分析

发电机定子绕组相间短路是发电机内部的严重故障，要求装设快速动作的保护装置，装设分相纵联差动保护作为发电机定子绕组及其引出线相间短路的主保护。同为电流差动保护，与线路纵差、变压器纵差保护一样，发电机纵差保护的理论基础仍是基尔霍夫电流定律；同样采用比率制动技术防止外部故障时差动保护误动、提高内部故障时差动保护的动作灵敏度。发电机纵差保护电流分别取机端TA 和中性点TA，如图7-14所示。

大型发电机常采用“发电机—变压器组”(简称“发变组”)接线，如图7-15所示，发变组范围内发生故障时，保护跳开变压器高压侧断路器QF2，整个发变组停运，发电机与变压器之间可不装设断路器QF1。发变组纵差保护配置如图7-15所示，图中(a)方案将发电机、变压器纵差保护合并为发变组纵差保护，简化了保护配置；图中(b)方案同时配有发变组大差以及发电机小差，发电机实现了主保护双重化；图中(c)方案配置了发变组大差以及发电机小差、变压器小差，各元件均实现了主保护双重化。

图7-14　发电机纵差保护原理示意图

图7-15　发变组纵差保护配置图

(a)发变组配一套差动；(b)配置一套大差、一套小差；(c)配置一套大差、两套小差

注意，发电机有高压厂用变压器、励磁变压器分支时，高厂变、励磁变分支的电流也应接入发电机差动保护以及发变组差动保护电流回路，另外高厂变也可配置高厂变差动保护。

与变压器纵差保护相比，发电机中性点与机端TA 励磁特性相近、计算不平衡电流时TA 同型系数取0.5；两侧TA 变比相同、没有TA 变比标准化形成的不平衡电流；不存在励磁涌流；没有电压分接头调整形成的不平衡电流，发电机纵差保护不平衡电流计算公式如下

式中　10%——电流互感器允许的最大相对误差；

Kss——电流互感器的同型系数，取为0.5；

Kap——非周期分量系数，根据保护抗非周期分量能力取1～2。

由式(7-9)可见，发电机纵差保护当发生外部故障时不平衡电流小于变压器纵差保护，但是当在发电机中性点附近发生故障时，故障电流很小，发电机纵差保护存在 “死区”，采用比率制动技术提高发电机纵差保护灵敏度后可以减小 “死区”范围。发电机纵差保护差动电流启动值按照躲过负荷电流形成的不平衡电流整定，一般建议取 (0.2～0.3)IN.G。(www.xing528.com)

图7-16　发电机不完全纵差保护单相原理示意图

发电机纵差保护以机端两相短路校验灵敏度系数，要求灵敏系数不低于2。

大型发电机由于定子电流很大，往往定子绕组有两个或更多的分支，如图7-16所示为定子绕组分支数a=2的情况。如果发电机纵差保护中性点侧电流仅取一个分支的，称为不完全纵差保护；前面介绍的中性点侧电流全部接入的纵差保护 (如图7-14、图7-15所示)，又称为发电机完全纵差保护。

注意，采用不完全纵差保护时，差动电流为

式中　Kb——分支系数，如图7-16所示情况下Kb=2。

如果发电机发生定子绕组相间短路时，不完全纵差保护动作；若发电机内部匝间短路及分支开焊故障(匝间短路及分支开焊故障详见7.2.3)时，故障相两个分支的电流不相等，不完全纵差保护也会动作。不完全纵联差动保护，适用于每相定子绕组为多分支的大型发电机，除了能反应于发电机相间短路故障，还能反应于定子线棒开焊及分支匝间短路。

标积制动是一种先进的比率制动方式，外部故障时制动电流较大、内部故障时制动电流较小，可以进一步提高差动保护灵敏度。标积制动方式下制动量为

式中　IT、IN——发电机机端、中性点电流；

θ——IT、IN之间的相位角。

当发电机区内故障时，由于θ≈0°，cos(180°-θ)≈-1，此时无制动量，提高了差动保护的灵敏度；区外故障时，由于θ≈180°，cos(180°-θ)≈1，此时有很大的制动量，提高了躲避区外故障差动保护不平衡电流的能力。