各种微机发电机差动保护原理

先进的保护原理不能等同于先进的保护装置。在继电保护的发展过程中，许许多多的保护新原理没有得到推广，个中原因值得思考。事实上，同样的保护原理（如比率差动原理），不同的保护装置，其性能也不会完全相同。那么如何评价保护的性能更合理？

（8）CT断线的处理方法

CT断线究竟是闭锁差动还是允许差动直接跳闸？

（9）发电机的安全性和可靠性问题

电力系统在不断发展，继电保护的观念也必须能跟上形势，有许多观念可能已过时或值得进一步商讨。那么在电力系统发展的今天，对机组保护的安全性和可靠性应如何看待？

以上这些问题是发电机差动保护中长期争论的焦点，也是值得进一步思考的问题。本文一并提出来讨论，供继电保护人员参考。

1发电机的定子短路故障

发电机是电力系统中非常贵重和重要的电气设备，发电机定子绕组可能由于老化绝缘降低、或者过电压冲击、或者机械震动等原因发生相间或匝间短路。一旦发生短路，给发电机造成的危害十分严重，修复的费用非常高。

发电机定子的短路性故障形成比较复杂，大体归纳起来主要有4种。

（1）发生单相接地，然后由于电弧引发故障点处相间短路

发电机内部短路故障绝大部分是这样发生的：首先发生单相接地故障（由于发电机中性点不直接接地，因此单相接地故障不属短路性故障），在故障点，由于电弧的作用，将故障点位置处其他健全的绝缘也烧损或由于过热使故障部位绝缘下降从而引起短路性故障。显然这种故障只能发生在同一槽内的各绕组之间。对于不同的发电机组，由于绕组分布不相同，短路的情况也不同。

（2）直接发生相间绝缘击穿构成相间短路

发电机绕组与绕组之间的直接绝缘击穿也形成短路。但这种故障的可能性和绕组与定子铁芯之间的绝缘破坏的可能性相比要小得多，因为发电机绕组采用的都是全绝缘，因此绕组与绕组之间的绝缘强度是绕组和定子铁芯之间的绝缘强度的两倍；另外在同一槽中上下绕组之间的电压差也不太高，所以这种直接发生短路的可能性是较小的。

（3）发生单相接地，由于电位的变化引发其他非故障点处发生另一点的接地构成两点接地短路

当发生单相接地故障后，由于发电机中性点的电压发生偏移，产生了相电压的不平衡，会引起发电机定子其他位置电位发生变化。正常情况下这种变化对发电机定子绕组而言是能够承受的，因为发电机是全绝缘。但发电机由于长期运行，绝缘可能老化或磨损，有些部位就可能出现绝缘薄弱的现象。在发电机没有发生单相接地时，这些部位勉强能够正常运行，但当发生单相接地后，由于这些部位承受不了电位的提高而发生绝缘击穿，形成两点接地短路。

（4）发电机端部放电构成相间短路

发电机的定子绕组的端部，有时会由于接头松动等原因形成放电从而引起端部的短路。

这种故障在发电机中发生的可能性也是非常之小。

由此可见，发电机定子短路故障，简单地认为只可能发生在同槽内是不够全面的。但由于绝大部分的短路故障是由定子单相接地未及时处理引发的。因此在实现完善的差动保护原理的同时，完善和强化定子接地保护尤其重要。如果定子接地保护比较完善，就可以将大部分短路故障隐患消除在定子接地状态。

2比率制动式微机差动保护

比率制动式微机差动保护的原理众所共知，其动作方程是：

I N－I T≥K ZI N＋I T/2

（1）微机保护实际实现的动作方程是：

其中I res．0为曲线的拐点电流，图1中B点；I pickup为曲线的启动电流，图1中A点；K s为曲线的斜率，图1中BC直线；K z为制动系数。

事实上，除了曲线①以外，微机比率制动特性还存在其他两种应用的主要形式。其一是简单化的比率制动特性，如图1的特性曲线③，该特性曲线显然是曲线①的简化，它实现起来方便，但灵敏度会受到一些影响。其二是带折线的比率制动特性，如图1的特性曲线②，该特性曲线对拟合不平衡电流更精确，它的灵敏度会高一些，但现在也有一种看法。由于电流互感器误差特性的不确定性和离散性，因此，折线应凹进去多少比较难确定，会存在冒进的可能，所以使用应比较慎重，至少必须作一些理论分析。目前国内用得最多的特性依然是如图1所示的曲线①。

在比率制动原理差动保护上值得商讨以下问题：

图1比率制动特性曲线

（1）比率制动特性的拐点电流I res

．0

在流过CT的电流小于CT的额定电流的情况下，CT的误差非常小，差动保护只要躲过很小的不平衡电流即可，在曲线①上表现为没有制动的一部分。当CT电流超过额定电流并增加时，CT的误差也开始增加，由于两侧CT误差不一致而导致的不平衡电流也将增加，因此从拐点开始，曲线表现出制动特性，以克服不平衡电流的增加。根据原理分析可以知道，拐点电流宜取CT的额定电流。这样既能保证保护灵敏度，也能保证可靠性，因为实际上

CT要在电流超过额定电流一定倍数时才开始出现较大误差。

I res．0＝I ct．n

（4）为发电机差动CT的二次额定电流。

其中I ct

．n

有时为了保护更可靠，I res

也可按发电机的额定电流I gn来整定。

．0

I res．0＝I gn/n a

（5）其中n a为CT变比。

显然（5）式仅是为了考虑安全性的因素。因为（5）整定的数值一般都比（4）小。因此，对机组是安全的。但灵敏度也相应地受到一些影响。

（2）制动曲线的斜率K s

制动系数和斜率是两个完全不同的概念。

斜率K s就是图1中直线BC的斜率。要确定K s，显然只要确定B和C点的坐标即可。

，I pickup)，下面我们来求C点坐标。

现在B点的坐标已经求出为（I res

．0

D点是在区外发生故障时流过发电机最大的短路电流所形成的最大不平衡差流

I unb．max。

I unb．max＝K ap K cc K er I k．max（3）/n a

（6）

C点应保证差动保护在区外最严重的情况下不误动，因此C点的差电流I op．max为

I op．max＝K rel I unb．max＝

K rel K ap K cc K er I k．max（3）/n a

（7）

C点坐标为（I max，I op．max），因此

K s＝（I op．max－I pickup）/（I max－I res．0)（8）

需要说明的是，在传统式保护上经常用到制动系数K z的概念，

K z＝I op．max/I max

（9）

从数学意义上K s和K z是完全不能等同的两个概念，并且K s始终大于K z。它们之间的关系为

K s＝K z［1＋（I res．0－I pickup/K z）/（I max－I res．0）］

（10）

应用时，应具体问题具体分析，不可简单地取K s=K z。

＝1，I pickup＝0．1～0．3，I max＝5～8，则当K z＝0．2～0．3根据式（10），如取I res

．0

时有K s＝0．25～0．35。

3标积制动式微机差动保护

3．1原理

为了提高差动保护的灵敏度，提出了标积制动式微机差动保护原理，即将比率制动原理中和制动量改进成标积制动量（I N I T cosθ）。这一方案的最大优点就是在不降低差动保护可靠性的前提下，大大地提高差动保护的灵敏度。

I N－I T≥K bz I N I T cosθ

（11）其中θ为I N和I T之间的夹角；I N I T cosθ为标积量；K bz为标积制动系数。

下面分两种情况将标积制动原理和比率制动原理作一比较。

(1)区外发生短路

在区外发生短路时，有I N=I T，因此制动量分别为

比率制动原理：I N+I T/2=I N(12)

标积制动原理：(13)

将式(12)，(13)分别代入式(1)，(11)后作比较，可以看出两者完全一样。因此可以得出结论，标积制动原理和比率制动原理在区外故障时具有相同的可靠性。简单地说，就是标积制动原理包含了比率制动原理的优点。

(2)区内发生短路由分析可知，比率制动原理的制动量总是正值。而标积制动原理制动量当θ>90°时，就变成了负值。负值的制动量在数学上就是动作量，更有助于保护动作。所以，从这一点上看，标积制动原理反应区内短路故障的灵敏度比比率制动原理更高。

标积制动原理和比率制动原理有何关系呢?

从数学上分析可知，标积原理和比率原理是相互可推导的。

重写(1)，(11)式如下：

I N-I T≥K z I N+I T/2

(14)

I N-I T2≥K bz I N I T cosθ

(15)

K z和K bz之间的关系为

(16)

现证明如下：

选择I N刚好与x轴重合(见图2)，I T和I N相量夹角为θ，I T在x和y轴上投影分别为I T x 和I T y。其他相量见图。

图2两相量和、差示意图

则有：I N I T cosθ=I Tx I N

而

I N-I T2-I N+I T2=

I Ty2+(I N-I Tx)2-［I Ty2+(I N+I Tx)2］=

-4I N I Tx=-4I N I T cosθ

将上式整理后得