第五章 继电保护的配置及整定计算
5.1发电机保护装置及整定计算
5.1.1初步分析
发电机的安全运行对电力系统和火电厂供电系统的稳定运行起着决定性的作用。发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着确定性的作用。因此，在发电机上必须装设比较完善的机电保护装置，根据有关规程，应对吧下列故障及异常运行方式设置继电保护装置。 发电机的不正常运行状态主要有：由于外部短路引起的定子绕组过电流由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由于外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷，非全相运行）而引起的发电机负序过电流；由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子而引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率等。 发电机的故障类型主要有以下几种 1>定子绕组相间短路
2>定子一相绕组内的匝间短路 3>定子绕组单相接地短路
4>转子绕组一点接地或两点接地 5>转子励磁回路励磁电流消失 通过对原始资料及参数的分析，周围环境的考虑，现对该厂发电机设置下列保护：
纵差保护 横差保护 过负荷保护 定子单相接地保护 励磁回路两点接地保护 专用失磁保护 主保护 定子绕组匝间短路 异常运行延时动作 防御定子单相接地的保护 转子一点或两点接地，投入保护装置 防止励磁消失故障的保护装置 跳闸 跳闸 发出信号 跳闸 跳闸 跳闸 5.1.2纵差保护原理
发电机纵差保护是保护发电机定子绕组及其引出线相同短路的主保护，它应能快速而灵敏的切断内部所发生的故障。同时，在正常运行及外部故障时，有应能保证动作的选择性和工作的可靠性，在保护范围内发生相间短路时，应瞬间断开发电机断路器和自动灭磁开关。
定子绕组相间短路时，由于短路电流大，故障点的电弧会破坏绝缘，烧毁绕组和铁芯，甚至引起火灾，这是发电机内部最严重的故障，发电机定子绕组不同地点发生相间短路时，由于定子绕组各个点感应电势不同，短路回路阻抗也不同，所以短路电流大小就不一样。定子一相绕组发生匝间短路时，绕组两端的电流都相同，流入差动继电器的差动回路电流只有不平衡的电流，差动继电器不会动作，故它不能反应匝间短路。
定子绕组相间短路时，由于短路电流大，故障点的电弧会破坏绝缘，烧毁绕组和铁芯，甚至引起火灾，这是发电机内部最严重的故障，发电机定子绕组不同地点发生相间短路时，由于定子绕组各个点感应电势不同，短路回路阻抗也不同，所以短路电流大小就不一样，定子一相绕组发生匝间短路时，绕组两端的电流都
10
相同，流入差动继电器的差动回路电流只有不平衡电流差动继电器不会动作，故它不能反应匝间短路。
对于大容量的发电机（100MW），为了减少故障发生于发电机中性点附近而出现的纵差保护的死区，要求将纵差保护的动作电流降低，提高保护动作的灵敏性，并要保证在区外短路时保护可靠不误动，考虑到不平衡电流随着流过电流互感器TA电流的增加而增加，往往采用性能更好的比率制动式纵差保护，使其动作值随外部电流的增加而增加（即利用外部故障时的穿越电流实现制动），其原理接线如图5-1所示。
在正常负荷状态下，电流互感器的误差是很小的，因此这时的差动回路不平衡电流很小，随着外部故障电流的增大，当超过保护动作电流时，纵差保护就要误动，如果将纵差继电器做成这样的特性,即他的动作电流时随外部短路电流的增大而自动增大,而且动作电流的增大比不平衡电流的增大还要快,则上述误动就不会发生,实现这种动作特性的纵差继电器,最简单的方法是继电器除了以差动电流为动作电流外,还引入外部短路电流为制动电流.这样,当外部短路电流增大时,制动电流随之增大,使继电器启动的动作电流必然要相应加大,这种继电器被称之为比率制动式卷动继电器. 2.整定计算原则
保护刚能启动的动作电流Iact随制动电流的变化的曲线如图所示
考虑发电机在外部故障时，差动保护的最大不平衡电流为
Iact.max=KopKssKerIkmaxnTA(3)
式中：
Kop----非周期分量系数，考虑外部短路暂态非周期分量电流对电流互感器的
11
影响，一般取为1.5-2.0
Kss----电流互感器同型系数，发电机纵差保护用互感器是同型号的，取
Kss=0.5
Ik.max----外部三相短路的最大短路电流 制动动作特性曲线有下述三个定值需要整定 1>差动保护的最小动作电流Iact2max(A点)
A点整定原则是保护最大负荷状态下保护不误动，对于5P级电流互感器（比值误差为±1%），负荷状态下最大误差小于2%，考虑可靠系数Krel=2，则Iact2min=232%I2n;对于10P级电流互感器（比值误差为±5%）,负荷状态下最大误差小于
（0.1-0.3）ING 6%.则Iact2min=
（3）nTA式中ING----发电机的额定电流
制动特性的拐点电流Ires2min（B点）
（0.8-1.0）ING可取Ires2min=
nTA
2>制动系数
最大制动系数Kres2max应按照最大外部短路电流情况下差动保护不误动的条件
(3)下整定，其值为Iact2max=KrelIunb2max=KrelKopKssKerIkmax
nTAIkmax(3) 外部故障最大短路电流情况下的最大制动电流Ires2max=因此，可得对
nTA应C点的最大制动系数，即原点与C点连接的斜率Krel2max为Krel2max=Iactmax=
KrelKopKssKer
Irelmax一般制动系数Kres=0.2～0.4.可考虑选择Kres.max≈0.3,Krel为可靠系数，按规程规定选取。
根据以上计算确定的比率制动特性折线ABC可确保在负荷状态和最大外部短路暂态过程中可靠不误动
根据发电机内部短路时的最小短路电流Ik2min和相应的制动电流Ires，在动作特性折线上查的对应的动作电流Iact，则灵敏系数为 Ksen=
Ikmin,要求Ksen?2.0 Iact1. 整定计算
对发电机G1，G2,G3 ① 最小动作电流Iactmin=0.2ING/nTA=0.2Ie=0.234.415=0.883A ② 拐点电流Iresmin=0.9 ING/nTA=0.9Ie=0.934.415=3.9735A
I③ 最大制动电流Iresmax=KmaxnTA(3)=41.793103/1000=41.79A
最大动作电流Iactmax=KresmaxIresmax=0.3*41.79=12.537A
12
④ 灵敏系数校验Ksen=
Ikmax=41.79/12.537=3.33＞2,满足要求 IactnTA5.1.3横联差动保护
由于发电机纵差保护不反应定子绕组一相匝间短路，当发电机定子绕组一相匝间短路时，如不及时处理，故障温度就会升高，使绝缘破坏，很可能发展为相间短路或单相接地故障，造成发电机严重损坏。因此，在发电机上（尤其是大型发电机）应装设定子匝间短路保护，对于双星型接线且中性点引出六个端子的发电机，通常装设单元件式的横联差动保护。
最简单的单元件横差保护如下图5-3所示
在定子绕组每相分裂成两部分的情况下，可以只用一个电流互感器装于发电机两绕组的星形中性点的连线上。由于一台发电机只装一个电流互感器TA和电流继电器，所以该保护称为“单元件横差动保护”。
3次谐波滤过比不小于10时，其电流继电器动作电流为
（0.2-0。3）INGIact=
nTA
对发电机G1，G2,G3
（0.2-0.3）ING①动作电流Iact==(0.2-0.3)*Ie=0.883-1.3245A
nTA②灵敏系数校验：灵敏系数是以保护动作动作死区占整个绕组的百分比表示的，由下式可求出保护动作死区占得百分比3I0=a/xf0 式中3I0---等于Iact
Xf0---发电机零序电抗
a---表示发电机动作死区占得百分比
常用DL-11/b继电器整定电流范围时串联为2-4A,并联为4-8A
保护动作整定值越高，保护死区越大，为了减小保护死区，应经三次谐波滤过器，尽量减小三次谐波不平衡电流
13
③ 动作时间：在励磁回路未发生接地故障的情况下，横联差动保护瞬时动
作于跳闸。当励磁回路发生一点接地时，应将横联差动保护切换到带0.5-1.0s时限跳闸，以防励磁回路发生偶然性的瞬间两点接地时而误动
5.1.4过负荷保护
过负荷保护为发电机长时间超过额定负荷运行时动作于信号的保护，中小型发电机只装设定子过负荷保护；大型发电机应分别装设定子过负荷和励磁绕组过负荷保护。
过负荷保护为发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护，中小型发电机只装设过负荷保护；大型发电机应分别装设定子过负荷和励磁绕组过负荷保护。
过负荷保护动作于信号，考虑到过负荷的对称性，该保护只有一相中装设，并与过电流保护公用一组互感器，保护由电流继电器挤时间继电器组成。
动作电流（二次值）按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定为Iact=
KrelIngKresnTA
式中 Krel—可靠系数，取1.05； Kres—返回系数，取0.85-0.95； ING —发电机的额定电流； nTA —电流互感器变比。
过负荷保护动作时限比过电流保护长，一般为9-10s。 对发电机G1，G2,G3
动作电流 Iact=
KrelINGKresnTA=1.05Ie?4.415A
0.855.1.5 定子绕组单相接地保护
发电机的外壳、铁芯是接地的，因此定子绕组因绝缘损坏而引起的单相接地是较常见的故障，当接地电流较大，故障点电弧将扩大绕组绝缘损坏的范围，并烧坏定子铁芯，甚至引起匝间短路和相间短路。
发电机定子绕组单相接地故障电流允许值取制造厂的规定值，无规定时，可参照下表中所列的数据 发电机的额定电压（KV） 6.3 10.5 13.8-15.75 汽轮发电机 水轮发电机 汽轮发电机 水轮发电机 14
发电机的额定容量（MW） ≤50 50-100 10-100 125-200 40-225 故障电流允许值（A） 4 3 2