故障分量负序功率方向保护优化方案

现代大型汽轮发电机很多采用两分支结构，各相各支路引线线棒经并联连接线在机内并联，发电机中性点侧没有常规的分相引出排线，因而无法装设常规的发电机不完全纵差保护和横差保护，需要其他保护方案的配合。如图74所示，故障分量负序功率方向（ΔP2）保护主要装在发电机端，不仅可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，也可装设于主变高压侧使保护范围扩大到整个发变组。

系统发生不对称故障时，利用叠加原理可以在故障点上接入一个附加故障分量电源，它将产生故障分量负序电压和故障分量负序电流。对于内部故障，在各测量点上故障分量的负序功率ΔP 2均从保护区内部流向外部，而外部故障时则不满足这个条件，这就是负序功率方向保护的理论基础。故障分量原理的采用避免了正常时系统不对称产生的负序功率的影响。此保护不仅可以反应相间、匝间短路等各种不对称故障，对机端两相短路也能动作，是横差保护的可靠后备。但当发电机并网以前发生内部短路时，由于发电机断路器未合闸，定子电流为零（实际有升压变压器的励磁电流，但很小），发电机内部故障（短路或断线）时均只有，而，ΔP2恒为0，保护拒动，这是故障分量功率方向保护的固有缺点，即在发电机启动过程中该保护失去作用。因此，故障分量功率方向保护应和其他主保护方案配合使用；另一方面，为了使其在发电机启动过程中能起到一定的保护功能，应增设（）的第二判据。故障分量功率方向的启动元件由负序电压故障分量和负序电流故障分量组成，它们有两种启动方式，即“与”启动方式和“或”启动方式。不考虑PT和CT同时断线时，“与”启动方式不存在PT和CT断线的误启动问题，利用和之间的不对应关系，与启动方式还可以方便地实现CT或PT的断线检测。但当发电机与系统解列时，因定子电流恒为零，即，内部故障时启动元件会拒启动。“或”启动不存在发电机解列运行时内部故障的拒启动问题，另一方面，由于系统负序阻抗通常随运行方式而变化，当系统负序阻抗较小时，增大而减小，系统负序阻抗增大时，减小而增大。只要两个启动元件中有一个存在较大的分量，“或”启动方式就能可靠启动，因此灵敏度比“与”启动有所提高。唯一的缺点就是在PT（或CT）断线时会引起误启动。但这并不影响保护动作的可靠性，此时（或0），ΔP2≡0，因此不会导致误发跳闸指令。

负序功率故障分量ΔS2按下式计算

式中　——机端负序电压故障分量；

——机端负序电流故障分量的共轭相量；

φ2——负序方向元件的灵敏角，一般为70°～80°。

考虑发电机与系统解列运行和并列运行时都要能正确动作于内部故障，故构成以下动作判据：

（1）判据一：发电机与系统并列时

式中：εP2表示负序方向元件的动作阈值，εP2由发电机正常运行的ΔP2不平衡值决定。当系统外部不对称短路、不对称负荷、切除外部不对称时，ΔP2均反向且ΔP2＜εP2，保护不误动；机内短路时，ΔP2＞εP2，保护灵敏动作。

（2）判据二：发电机与系统解列运行时

启动元件动作后，立即计算判据一，若判据一成立，则保护动作。否则运行判据二，确定是否外部故障或孤立发电机内部故障。应该指出，即使增设了判据二，对孤立运行的大型发电机，其动作灵敏度也有可能不是很高。

另外，由于不对称故障产生的负序电流，将在转子回路中感应出二次谐波电流If2，故该方案亦可采用附加转子二次谐波电流的判据实现：发电机正常运行时，无负序功率输出，内部非接地不对称故障时，发电机一定是三相不对称的，将产生故障负序电流，并在转子回路中感应出二次谐波电流，同时有负序功率输出。同样，负序功率的流向是判别发电机内部是否故障的依据。因此，为了避免正常时系统不对称产生的负序功率的影响，仍然采用故障分量负序功率分量作为方向元件。

故障分量的转子二次谐波电流ΔIf 2的动作判据为

式中　Cf2——门槛值。(www.xing528.com)

启动元件与方向元件的两种组合方式如下所述。

（1）允许式，当满足下述条件时允许出口

式中　εP——门槛值。

（2）闭锁式，当满足下述条件时闭锁出口

式中　εN——门槛值。

在允许式判据中，转子二次谐波电流继电器纯粹是启动元件，这时保护的灵敏度完全由负序方向元件决定，不误动的可靠性提高了，但它的灵敏度受系统负序阻抗影响，内部短路时，外送功率小，灵敏度可能不够。相对而言，式（714）的闭锁式保护判据性能却可以不受此影响，该方案具有以下优点：

（1）从转子回路测得的二次谐波电流与从机端三相电流互感器二次侧测出的负序电流不同，它在发电机解列运行时仍能提供有效的保护功能。此时，不管发电机内部发生何种严重的不对称故障，由于机端三相电流为零，当然也就不存在机端互感器二次侧的负序电流，但这时电机气隙磁场中却存在负序旋转磁通，转子回路中一定有二次谐波电流。因此与系统解列运行的发电机发生内部故障后，定子负序电流保护不起作用，而以转子二次谐波电流为参量的保护仍对发电机内部故障提供有效的保护功能。

（2）CT安装在中性点或机端对负序电流保护的影响是不一样的。当CT接于发电机机端时，保护方案将能反映除机端三相对称短路以外的各种不对称内部故障，但是当CT接于发电机中性点侧时，它只反映匝间故障。

（3）它对发电机中性点的引出方式没有特殊要求。

闭锁式判据在应用中必须保证做到：方向元件的动作速度应比启动元件快，以确保外部不对称短路时不误动，方向元件的返回速度应比启动元件慢，避免在切除外部不对称短路时误动作。同时还应注意使负序方向继电器的灵敏度高于转子二次谐波电流继电器，否则在外部不对称故障时不能实现可靠闭锁。

在早期的运行过程中，负序闭锁式转子二次谐波电流保护发生了一些误动情况。事后经详细分析发现，其原因均是由于继电器制造和调试工作的疏忽，没有注意负序方向元件应比转子二次谐波电流元件动作快而返回慢导致。微机型继电保护则不存在上述问题，利用软件编程就能很好地解决闭锁元件和动作元件之间的时间配合，因此，负序闭锁式转子二次谐波电流保护将是一种可靠的发电机主保护。此外，在转子二次谐波电流难以获取的情况下，可以采用机端三次谐波正序电压取代转子二次谐波电流判据作为保护方案，同样能取得较高的灵敏度和可靠性。

故障分量负序功率方向保护适用于各种绕组结构的发电机，能同时反映各种不对称故障，使发电机匝间短路保护实现双重化。另外，微机型负序方向闭锁式转子二次谐波电流保护由于能很好地解决闭锁元件和动作元件之间的时间配合，将能有效避免外部短路时的误动作，同时它在发电机起、停过程中也能提供保护功能，因此是一种性能可靠的发电机主保护方案。