第七章 发电机变压器保护的整定计算

183第七章发电机变压器保护的整定计算目前，国内对大型发电机变压器保护的整定计算，大多数参考或按照DL/T684－1999大型发电机变压器继电保护整定计算导则。通过实践表明：大型发电机变压器继电保护整定计算导则的内容，在理论上基本上是正确的。但在实践中存在一些不足，主要的不足之处是：可操作性差，即对现场装置实际整定的指导性较差。本章，将着重阐述一般类型的发电机变压器保护的整定计算依据、整定计算方法以及如何灵活取值。而不叙述短路电流的计算方法及计算过程。第一节发电机及变压器内部短路故障主保护的整定计算一发电机纵差保护目前，国内生产的微机型发电机差动保护，若按照接入电流来分类有：有完全纵差保护、不完全纵差保护；若按动作特性分类，则有比率制动式纵差保护、标积制动式纵差保护及故障分量比率制动式纵差保护。而应用最多的是比率制动式纵差保护，其次是标积制动式纵差保护。完全纵差和不完全纵差的区别，是接入发电机中性点的电流不同。完全纵差保护接入发电机中性点的全部电流，而不完全纵差保护则引入中性点的n1（n—每相定子绕组支路数）电流。因此，完全纵差和不完全纵差的实质不同处是：当不通过软件修正差动两侧的平衡系数时，前者两侧差动TA的型号、变比可完全相同，而后者两侧差动TA的型号、变比不可能完全相同。完全纵差和不完全纵差的构成框图完全相同，均可采用具有比率制动特性的保护装置或具有标积制动特性的保护装置，也有采用反应故障分量的比率制动式保护装置的。1比率制动式发电机纵差保护国内生产及应用较多的具有比率制动特性的差动保护，其动作特性如图7－1所示。图7－1差动保护的比率制动特性由图7－1可以看出：具有比率制动特性的差动保护的动作特性，实质上可由A、B、C三点决定。A点或B点的纵坐标电流Idzo为差动保护的初始动作电流。B点的横坐标电流Izdo称之为拐点电流，它等于差动保护开始出现制动作用的最小电流。直线BC与横坐标夹角α的正切（即tgα）称之为动作特性曲线的斜率，近似称之为比率制动系数Kz。184Idzo、Izdo及Kz为具有比率制动特性差动保护的三要素。对该型差动保护的整定计算，实质上就是对Idzo、Izdo及Kz的整定计算。⑴初始动作电流Idzo的整定初始动作电流Idzo的整定原则，是躲过发电机额定工况下差动保护差动回路中的最大不平衡电流。在发电机额定工况下，在差动回路中产生不平衡电流的原因，主要有差动保护两侧TA的变比误差、两侧通道回路的调整误差。发电机纵差保护通常采用10P级电流互感器，在一次额定电流和额定二次负载的条件下，变比误差为±3％。因此，在额定工况下，由于两侧差动TA的差异，在差动回路形成的最大不平衡电流为0.06Ie（Ie—发电机额定工况时差动TA的二次电流）。差动保护两侧TA二次电流分别通过装置的辅助小TA等回路进入差动回路。由于两侧辅助TA、通道回路的差异及调整误差，也会在差动回路中产生差流。该误差通常称为通道变换及调整误差。按照有关规程规定，通道变换及调整的综合误差不应大于5％Ie。由于差动保护两侧均有通道，因此，在额定工况下，由于通道变换及调整误差在差动回路中产生的不平衡电流最大为10％Ie。综上所述，初始动作电流可按下式计算：21HeHeHdzoIIKI………………………………………………………………（7－1）式（7－1）中：KH—可靠系数，取1.5～2；IHe1—两侧TA变比不同产生的差流，取0.06Ie；IHe2—由于通道变换及调整误差产生的差流，取0.1Ie。代入上式得：Idzo＝（0.24～0.32）Ie通常取0.3Ie。对于不完全纵差保护，尚需考虑发电机每相各分支电流的差异，当两侧TA的型号及变比不同时，尚应考虑由此产生的误差。因此，应适当提高Idzo的整定值。⑵拐点电流Izdo拐点电流Izdo的大小，决定保护开始产生制动作用的电流的大小。由图7－1可以看出：在初始动作电流Idzo及动作特性曲线的斜率Kz相同的情况下，Izdo越小，差动保护的动作区越小，而制动区增大；反之亦反。因此，拐点电流的大小，直接影响差动保护的动作灵敏度。在大型发电机变压器保护整定计算导则中，建议Izdo取（0.8～1.0）Ie，其理由是：当发电机的电流小于或等于额定电流时，差动保护不必具有制动特性。运行实践表明：当故障点距离发电机较远时，发电机提供的短路电流可能小于或等于额定电流。但在远处故障或近处故障切除后的暂态过程中，由于差动保护两侧TA及回路的暂态特性差异，可能在差动保护中短时出现较大的差流，致使差动保护误动。对于不完全差动保护，由于两侧TA变比、型号的不同，由上述原因产生的不平衡电流将更大。基于上述原因，建议减小拐点电流，整定为：Izdo＝（0.6～0.8）Ie。目前，在国内运行的某些国外生产的具有比率制动特性的差动保护，其拐点电流通常等于零。⑶比率制动系数Kz发电机差动保护的比率制动系数，决定于图7－1中的夹角α。可以看出，当拐点电流（即图中B点的横坐标）确定后，夹角α决定于C点。而特性曲线上的C点近似决定于发电机外部故障时最大短路电流Ikmax与差动回路中的最大不平衡电流Iubmax的比值。即185maxmaxkubZIIK………………………………………………………………………（7－2）外部短路故障时，差动回路中的最大不平衡电流，除与差动TA的10％误差（最大为10%）及调整误差有关外，尚与差动两侧TA暂态特性有关。考虑到上述情况，外部故障时，为躲过差动回路中的最大不平衡电流，C点的纵坐标电流应为：maxmax1.01.0kfHdzIKKI…………………………………………………（7－3）在式（7－3）中：KH—可靠系数，取1.3～1.5；Kf—暂态特性系数，当两侧TA变比、型号及其二次负载完全相同时，Kf≈0。而当两侧TA变比、型号不相同或二次负载有差异时，Kf可取0.05～0.1；Idzmax—最大动作电流。将以上数据代入式（7－3）得：Idzmax≈（0.26～0.45）Ikmax将Idzmax代入式（7－2），可得：Kz≈（0.26～0.45）因此，对于发电机完全纵差保护，Kz可取0.3；而对于不完全纵差保护，Kz可取0.3～0.4。⑷关于具有比率制动特性差动保护的动作灵敏度以往，我们有一个不正确的概念，认为提高差动保护的动作灵敏度，可以通过降低其初始动作电流或减小其比率制动系数实现。实际上，拐点电流的大小对保护的动作灵敏度也有影响。以下举一实例加以说明。某一发电机的纵差保护整定值如下：初始动作电流Idzo＝0.3Ie；拐点电流Izdo＝Ie；比率制动系数Kz=0.3。另一发电机的纵差保护整定值为：初始动作电流Idzo＝0.1Ie；拐点电流Izdo＝0；比率制动系数Kz=0.3。其他条件（包括所在系统条件）完全相同。试问：哪一台发电机差动保护的动作灵敏度高？以下，用比较它们的动作特性加以说明。在同一坐标系中，画出上述两套差动保护的动作特性如图7－2所示。图7－2两套差动保护的动作特性在图7－2中：曲线（1）的初始动作电流等于0.1Ie，拐点电流等于零；曲线（2）的初始动作电流等于0.3Ie，而拐点电流等于Ie。186比较二者可知，当Izd＞0.7Ie之后，Idzo＝0.1Ie的保护的动作灵敏度反而低于Idzo＝0.3Ie的保护的动作灵敏度。总之，对具有比率制动特性的差动保护，仅用其初始动作电流来说明其动作灵敏度是不完全的。2标积制动式发电机纵差保护标积制动式纵差保护的动作方程为：cos2NSZNSIIKII…………………………………………………………（7－4）式（7－4）中：IS—机端差动TA二次电流；IN—中性点差动TA二次电流；φ—IS与IN之间的夹角。实质上，标积制动原理差动保护的动作量与比率制动差动保护一样。在区外故障时，由于1cos,故标积制动与比率制动的动作特性基本相同。两者不同的是区内故障。在区内故障时，标积制动式差动保护的制动量反应发电机中性点电流与机端电流之间相角差的余弦。当两者之间的相位大于90度时，制动量变成负值。因此，在区内故障时，标积制动式差动保护的动作灵敏度高。在正常运行及区外故障时，为使保护不误动，标积制动式差动保护的动作特性与图7－1应完全相同。因此，对标积制动式差动保护的整定，也是确定初始动作电流Idzo、拐点电流Izdo及比率制动系数Kz。上述各量的整定原则及取值与比率制动式差动保护相同。但Kz可适当取大一些。综上所述，对于完全纵差保护（不管是比率制动式还是标积制动式），建议：Idzo取0.3Ie；Izdo取（0.5～0.7）Ie；Kz取0.3～0.4。二发电机横差保护目前，应用较多的发电机横差保护，有单元件横差保护和裂相横差保护。1单元件横差保护该类保护适用于定子绕组具有多分支且有两个以上中性点引出端子的发电机。该保护能反应定子绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内绕组相间短路。对单元件横差保护的整定原则是：能可靠躲过外部故障或不正常运行工况（例如发电机失磁运行）时，流过发电机中性点的最大不平衡电流。⑴发电机不同中性点之间产生电流的原因发电机不同中性点之间产生电流的原因可能有：（I）定子绕组同相而不同分支绕组的参数不完全相同，致使两端的电势及支路电流有差异；（II）发电机定子气隙磁场不完全均匀，例如转子偏心时，在不同定子绕组中产生的感应电势不同；（III）系统发生不对称故障或发电机异常运行时（例如失磁失步运行）造成转子偏心，在不同的定子绕组中产生不同电势。⑵单元件横差保护动作电流的整定单元件横差保护的动作电流应按下式计算：321HeHeHeHopIIIKI………………………………………………（7－5）式（7－5）中：IHeδ1—额定工况下，同相不同分支绕组由于绕组之间参数的差异产生的不平衡电流。由187于是三相之和，取3×2％Ie；IHeδ2—磁场气隙不平衡产生的不平衡电流，取5％Ie；IHeδ3—异常工况下转子偏心产生的不平衡电流，取10％Ie；KH—可靠系数，取1.2～1.5。将各参数代入式（7－5）中，得：Iop=（0.25～0.31）Ie。可取0.3Ie。⑶动作延时发电机横差保护作为发电机的主保护，动作应无延时。但是，当在发电机励磁绕组回路发生两点接地或部分励磁绕组短路时，发电机转子将发生剧烈振动。由于发电机转子发生严重偏心，从而使单元件横差保护动作。因此，为避免其抢先于转子两点接地保护动作，有利于故障定位及故障分析，应在发现转子一点接地保护动作后，将横差保护自动切换带0.3~0.5秒的延时动作于切机。微机型单元件横差保护均具有性能良好的三次谐波滤过器。因此，在对微机型单元件横差保护进行整定计算时，不需考虑三次谐波电流的影响。2裂相横差保护裂相横差保护的构成原理，是将发电机各相定子绕组并联分支数一分为二。分别配以电流互感器TA1及TA2。将TA1与TA2二次电流之差引入过电流元件而构成。以每相定子绕组有两分支的发电机为例，其一相裂相横差保护的构成原理如图7－3所示。图7－3一相裂相横差保护原理接线图对于每相具有二分支以上的多分支发电机，图7－3中的TA1及TA2分别代表多个TA并联后的等效回路。当发电机每相定子绕组的并联支路数为偶数时，则并联电流回路TA1与TA2所匝链的支路数应相等。即∑分支1＝∑分支2。但当发电机每相定子绕组的并联支路数为奇数时，TA1与TA2所匝链的支路数不相等。此时，要靠软件调平衡。⑴不平衡电流产生的原因（I）正常工况下，由于各电流互感器的变比不同产生的不平衡电流，取6％Ie；（II）由于磁场不均匀（定子与转子之间气隙不均匀）及各支路参数不完全相同产生的不平衡电流，取6％Ie；（III）发电机外部不对称故障及异常工况下由于转子偏心产生的不平衡电流，取10％Ie。⑵裂相横差保护的整定裂相横差保护，通常采用具有比率制动的差动保护。此时，该保护与发电机纵差保护相同，构成比率制动特性的三要素是：初始动作电流Idzo；拐点电流Izdo；比率制动系数Kz。188（I）初始动作电流Idzo按躲过额定工况