第一章 概述
第一节 发变组的故障及异常状况
一、发电机可能发生的故障和异常运行状况及所需保护
由于发电机结构复杂，发生故障的可能性较大，同时系统故障的可能性也较大，系统故障甚至可能损伤发电机，按照各种故障对发电机可能造成的损坏程度的不同，发电机的故障一般可分为故障和异常运行两大工况，并各自设置相应的保护。大型发电机可能的故障和相应的保护综述如下：
（1）定子绕组相间短路故障。会引起巨大的短路电流，严重烧损发电机。需要装设瞬时动作的纵联差动保护。
（2）定子绕组匝间短路故障。故障时同样会引起巨大短路电流而烧毁发电机。要求装设瞬时动作的专用匝间短路保护。
（3）定子绕组单相接地故障。是常见的故障之一，通常因绝缘破坏使得绕组对铁心短路而引起，故障时的接地电流引起的电弧一方面灼伤铁心，另一方面会进一步破坏绝缘，导致严重的定子绕组两点接地，造成匝间或相间短路。因此对于大型发电机，规定装设能灵敏地反应全部绕组接地故障的100%定子绕组接地保护。
（4）发电机转子接地故障。又分为一点接地和两点接地。转子一点接地后可能诱发转子绕组两点接地，而两点接地会因磁场不平衡而引发机组剧烈震动，造成灾难性后果。因此大型汽轮发电机要求同时装设转子回路一点接地和两点接地保护。
（5）发电机失磁故障。发电机失磁或部分失磁是发电机常见故障之一，要求及时检测到失磁故障，并根据失磁过程的发展，采用不同的措施，来保证系统和发电机的安全，因此需要装设失磁保护。
除此之外，各种系统异常工况或调节装置故障也可能使发电机处在异常运行状态，从而危及发电机安全，因此也需要装设相应的保护装置。如：
（1）负荷不对称出现的负序电流可能引起发电机转子表层过热，需装反时限不对称过负荷保护。
（2）对于对称过负荷，需装反时限对称过负荷保护。
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发电机-变压器组保护设计
（3）对于励磁回路过负荷，需要装设反时限转子过负荷保护。 （4）与系统并列运行的发电机可能因机、炉保护动作等原因将汽门关闭而引起逆功率运行，为防止汽轮机叶片与残留尾气剧烈摩擦过热而损坏汽轮机，应装设逆功率保护。
（5）为防止过激磁而损坏铁心，应装设过激磁保护。
（6）其他异常运行的状态还有：定子绕组过电压、低频运行、非全相运行、失步运行等，也应装设相应的保护。
（7）当电压互感器或电流互感器发生断线故障时，会引起某些保护误动或拒动，因此需要装设相应的电压互感器或电流互感器断线检测和闭锁装置。 二、变压器可能发生的故障和异常运行状况及所需保护
变压器是电力系统中十分重要的元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。为了防止变压器发生各类故障和异常运行对电力系统安全运行造成不应有的损失，根据有关规程规定，应对变压器的故障和异常运行方式设立相应的继电保护。
（1）防止变压器绕组和引出线相间短路、直接接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的差动保护。
（2）防止变压器油箱内部各种短路或断线故障及油面降低的瓦斯保护。 （3）防止直接接地系统中变压器外部接地短路的接地中性点零序电流保护、零序电压保护及放电间隙的零序电流保护。
（4）防止变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护的后备的过电流保护或阻抗保护。
（5）防止对称过负荷的过负荷保护。
（6）反应变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障的相应保护。
第二节 发变组保护配置的原则
大型发变组结构复杂，有可能发生多种类型的故障和异常运行工况，因此需要设置几十种保护，并要求这些保护既有明确职责范围又能相互配合。目前国内已经形成各种不同的保护功能的配置方案，这些都大同小异，但又各具特点。遵循以下原则：1.各项保护功能配置完善； 2.选用的保护原理
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发电机-变压器组保护设计
性能优良，有成熟的运行经验，满足各项技术要求；3.实现双重化配置；4.组屏合理，双重化的两套保护系统应分屏设置，非电量保护和电气量保护也应分屏设置，以确保在发变组不停运状况下可以对其中任何一套保护系统进行检修、调整、调试，同时要求二次回路设计正确简明，接线安全可靠；5.保护系统应尽可能结构简单，具备友好的人机界面，合理的通信组网功能。各项保护功能投退和整定操作清晰简便，支持现场调试和调整功能，易于使用和维护；6.保护出口设计合理，配置灵活，以满足紧急状态下不同的动作要求和允许根据实际运行条件方便地进行调整。
发变组保护功能可按设备故障性质分故障保护和异常运行保护两大类；按输入量性质分为电气量保护和非电气量保护两大类；按保护对象分为电气设备故障和动力机械设备故障两大类。故障保护用以反映保护区域内发生的各种相间短路、匝间短路及接地短路等各种类型的短路故障。这些故障会对发变组造成直接破坏，这类保护构成发变组的保护主体，通常称为主保护。另外，还需要考虑发变组主保护失效，以及辅机和外部相连系统的故障对发变组的破坏问题，也需要配置保护，通常称为后备保护。因此故障保护可分为主保护和后备保护。
异常保护用以反映各种可能对发变组造成危害的异常运行工况，包括可能不利于动力机械设备的异常工况，不过这些工况可能不会很快或不会直接造成对机组的破坏，为异常工况配置的保护通常也归于后备保护的范畴。
第三节 大型发变组的继电保护的特点
发电机-变压器组的接线方式在电力系统中获得了广泛的应用。发电机和变压器在单独运行时可能出现的各种故障和异常运行状态，在发电机-变压器组中都可能发生。因此，发电机-变压器组的保护与发电机，变压器的类型基本相同。
由于发电机-变压器组相当于一个工作单元，故某些同类型的保护可以合并，例如全组公共的纵差动保护、后备保护和过负荷保护等，减少保护的总套数，提高了经济性。发电机-变压器组保护的特点如下： 一、纵差动保护的特点
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发电机-变压器组保护设计
当发电机和变压器之间无断路器时，一般共用一套纵差动保护，如图1-3-1（a）所示。该种接线方式适用于容量不大的机组或发电机装有横差动保护的机组，对于容量为100MW以上的机组或采用一套共用纵差动保护对发电机内部故障的灵敏性不满足要求时，应加装发电机纵差动保护，如图1-3-1（b）所示。
当发电机和变压器间有断路器时，发电机和变压器应分别装设纵差动保护，厂用分支线也应包括在变压器的纵差动保护范围内，如图1-3-1（c）所示。
二、后备保护的特点
发电机-变压器组的后备保护，同时兼作相邻元件的后备保护。当实现后备保护而使保护装置接线复杂时，可缩短对相邻线路后备作用范围，但对相邻母线上的三相短路应有足够的灵敏性。
发电机-变压器组后备保护的电流元件应接在发电机中性点侧的电流互感器上，电压元件接在发电机端的电压互感器上。当有厂用分支线时，后备保护应带两段时限；以第一段时限动作跳开变压器高压侧断路器，以第二段时限跳开各侧断路器及发电机的灭磁开关。
对于大型发电机-变压器组，为确保快速切除故障，可采用双重纵差动保护，在发电机-变压器组高压侧加装一套后备保护，作为相邻母线保护的后备，其接线图如图1-3-1（d）所示。
图1-3-1 发电机—变压器组纵差保护的配置
（a）公用一套纵差动保护 （b）发电机和变压器分别装设纵差动保护 （c）发电机和变压器间有断路器时的纵差动保护 （d）双重化纵差动保护
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发电机-变压器组保护设计
三、发电机侧接地保护的特点
在发电机-变压器组中，发电机单相接地时，由于发电机电压系统所连接元件不多，接地电容电流较小（小于5A）,因此接地保护可采用简单的零序电压保护或完善的100%定子接地保护，并动作于信号。
第二章30万汽轮发变组的保护配置 第一节30万汽轮发变组组一次接线图
对不同容量的机组和不同的接线方式，设计方案各有不同。这一章，以某300MW、220KV发变组保护的工程为例说明。图2-1-1为30万汽轮发电机-变压器组的一次接线图。
图2-1-1 30万汽轮发变机组的一次接线图
由上图可知，该发变组采用单元接线，发电机出口侧没有装设断路器，发电机中性点经TA16接地。
主变压器高压侧接入220kV系统，220kV侧采用双母线接线方式，主变
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发电机-变压器组保护设计
压器高压侧中性点直接接地或经放电间隙接地。
高压厂用工作变压器采用低压绕组变压器，其高压侧从发电机出口处引接，两个低压绕组分别接6kV高压厂用工作母线的A、B段上。
第二节30万汽轮发变组互感器的配置
一、电流互感器的配置
由于篇幅所限，本文仅列出本文所涉及的保护所需的互感器配置。（以下相应保护用简称，对应保护全称见下节1）发电机中性点侧装设了3组电流互感器（TA1～TA3），TA1用于大差，TA2用于发差，TA3用于定子过负荷、负序过负荷、复压过流；定子绕组两中性点上装设了零序电流互感器，TA01用于匝间保护；机端装设了3组电流互感器（TA4～TA6），TA4用于主变差，TA5用于匝间、逆功率、失磁、失步，TA6用于发差；励磁机两侧各装设了一组电流互感器，TA31用于励磁机过流，TA32用于励磁过负荷、转子接地、失磁。
主变压器高压侧并装设了3组电流互感器（TA7～TA9），TA7用于阻抗保护、非全相、启动失灵，TA8用于主变差，TA9用于大差；主变压器中性点侧共装设了2组零序电流互感器，TA16用于主变零序，TA17用于间隙零序。
高压厂用工作变压器高压侧装设了2组电流互感器（TA10、TA11），TA10用于厂变差，TA11用于主变差；低压侧两分支各装设了2组电流互感器（A段：TA12、TA13，B段：TA14、TA15），TA12、TA14用于厂变差，TA13、TA 15用于大差。
二、电压互感器的配置
发电机机端装设了2组电压互感器（TV1、TV2），TV1用于匝间保护，TV2用于匝间、逆功率、定子接地、失磁、失步、过压、低频、低压过流、起停机。保护所需的发电机中性点侧电压，从TV6取得；主变压器高压侧，从220KV母线电压互感器TV3取得；高压厂用变压器低压侧电压，从6KV高压厂用工作母线A、B段上装设的电压互感器（TV4、TV5）取得。
第三节30万发变组保护配置及动作行为
一、300MW汽轮发电机-变压器组继电保护配置
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发电机-变压器组保护设计
1.发－变组故障及异常保护 （1）发电机差动保护（发差）； （2）主变压器差动保护（主变差）； （3）发－变组差动保护（大差）； （4）高压厂用变压器差动保护（厂变差）； （5）匝间短路保护（匝间）；
（6）100%定子接地保护（定子接地）； （7）转子一点接地保护（转子接地）； （8）定子过负荷保护（定子过负荷）； （9）转子表面负序过负荷保护（负序过负荷）； （10）发电机复合电压起动的过电流保护（复压过流）； （11）励磁绕组过负荷保护（励磁过负荷）； （12）过电压保护（过压）；
（13）主变压器或发电机的过激磁保护（过激磁）； （14）发电机逆功率保护（逆功率）； （15）程序跳闸逆功率保护（程跳逆功率）； （16）失磁保护（失磁）； （17）失步保护（失步）； （18）低频保护（低频）； （19）起停机保护（起停机）； （20）误上电保护；
（21）主变压器阻抗保护（阻抗）； （22）主变压器间隙零序保护（间隙零序）； （23）主变压器零序过电流保护（主变零序）；
（24）高厂变压器高压侧复合电压起动的过电流保护（厂变过流）； （25）高厂变压器低压A、B分段过电流保护（厂变过流）； 2.非电量保护
（1）主变压器瓦斯保护；
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发电机-变压器组保护设计
（2）主变压器压力释放保护； （3）主变压器冷却器故障保护； （4）主变压器绕组温度； （5）主变压器油温； （6）主变压器油位； （7）高厂变压器瓦斯保护； （8）高厂变压器压力释放保护； （9）高厂变压器冷却器故障保护； （10）高厂变压器油温； （11）高厂变压器油位； 3.其他保护
（1）发电机断水保护；
（2）断路器非全相和断口闪络保护； （3）热工保护； （4）励磁系统故障保护； 二、保护装置的控制对象
各保护装置动作后所控制的对象，依保护装置的性质、选择性要求和故障处理方式的不同而不同。对于发电机双绕组变压器组通常有以下几种处理方式：
全停：停汽机、停锅炉、断开高压侧断路器、灭磁、断开高压厂用变压器低压侧断路器、使机炉及其辅机停止工作。
解列灭磁：断开高压侧断路器、灭磁、断开高压厂用变压器低压侧断路器。
解列：断开高压侧断路器。 减出力：减少原动机的输出功率。 发信号：发出声光信号或光信号。
母线解列：对双母线系统，断开母线联络断路器，缩小故障波及范围。
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发电机-变压器组保护设计
发变组保护配置及其部分动作行为表
序号 保护装置名称 保护动作行为 停机 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 程序信跳闸 号 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ - 9 -
增减 增减 出力 励磁 ▲ ▲ 说明 1 2 3 4 5 6 7 8 9 发电机差动保护 主变差动保护 发变组差动保护 发电机匝间短路保护 转子一点接地保护 转子两点接地保护 复合电压过电流保护 主变阻抗保护 发电机定子接地保护 基波零序电压保护 ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ 10 三次谐波电压保护 主变零序保护 定时限 反时限 定时限 反时限 定时限 母线解列 解列灭磁 正常停用，起停机时投入 11 定子对称过负荷保护 12 转子表层过负荷 13 转子过负荷 14 15 16 17 18 19 20 21 22 反时限 发电机失磁保护 发电机逆功率保护 发电机失步保护 发电机低频保护 发电机起停机保护 高压断路器非全相运行保护 发电机意外突加电压保护 ▲ 高压断路器断口闪络保护 高压断路器失灵保护 轻瓦斯 重瓦斯 灭磁 起动失灵装置 23 主变瓦斯保护 发电机-变压器组保护设计
第三章 发变组保护原理 第一节 反映短路故障的保护
一、发电机的差动保护
发电机纵联差动保护用来对付发电机定子绕组和引出线的相间短路故障这类对发电机危害极大的严重故障，是发电机的主保护之一，按照比较发电机机端侧和中性点侧电流大小和相位的原理构成，应瞬时作用于全停。 （一）发电机纵差保护的接线方式
由于发电机结构的特殊性，发电机纵差保护根据获取电流的方式不同，有完全纵差保护和不完全纵差保护两种。 1．发电机完全纵差保护
发电机完全纵差保护是利用比较发电机每相定子绕组首末两端全相电流的大小和相位的原理构成。
图3-1-1 发电机纵差保护原理接线示意图
●
●
G ●
图3-1-1所示为发电机完全纵差保护的单相原理接线示意图。将变比KTA
相同的两个电流互感器分别装设在发电机出口侧和中性点侧的同一相上，使流过差动保护装置的电流为每相定子绕组首末两端的全相电流。
完全纵差保护能灵敏地反应发电机定子绕组及引出线的相间短路，但对定子绕组的匝间短路和定子绕组的分支开焊故障却没有作用。 2．发电机不完全纵差保护
不完全纵差保护是一种同时反应发电机相间短路、匝间短路和分支开焊故障的新型发电机纵差保护。它是通过比较发电机机端每相定子的全相电流和中性点侧每相定子的部分相电流大小和相位而构成。
不完全纵差保护之所以能反应发电机内部各种短路和开焊故障，是由于
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发电机-变压器组保护设计
三相定子绕组分布在同一定子铁芯上，不同相间和不同匝间存在或大或小的 互感联系，当未装设互感器的定子分支绕组发生故障时，通过互感磁通可以 在装设互感器的非故障定子分支绕组中感受到故障的发生，使不完全纵差保 护动作。
(a)中性点侧引出6个端子 (b)中性点侧引出4个端子
TA2
TA1
TA2
TA1
图3-1-2 不完全纵差动保护原理接线图
两者的基本原理相同，只是在保护的整定值计算时有所不同。 （二）发电机纵差保护的原理
纵差保护的原理较多，现就常见的两种原理进行介绍。 1．比率制动式发电机纵差保护原理
比率制动式发电机纵差保护的原理与变压器比率制动纵差保护类似。电流参考方向：中性点侧电流的方向以指向发电机为正方向，机端侧电流以流出发电机为正方向。
Iop.min.
Ires.min图3-1－3 比率制动式发电机纵差保护的动作特性
Ires
动作区 K 制动区 IK
（1）动作电流和制动电流的定义：
为保证比率制动式发电机纵差保护正确工作，
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发电机-变压器组保护设计
1-KbI2| 动作电流为 Iop=|I1制动电流为 Ires=|I1+KbI2| 21——机端侧定子相电流； 式中I2——中性点侧定子全相电流或分支绕组相电流； I1／I2，Kb=1时为完全纵差保护接线方式，Kb＞1 Kb——平衡系数，Kb=I时为不完全纵差保护接线方式。 （2）纵差保护的动作判据及动作特性： 纵差保护的动作判据为
Iop≥Iop，min , Ires＜Ires，min
Iop≥Iop，min+Kres（Ires-Ires，min），Ires＞Ires，min
式中Iop——差动电流；
Iop，min——最小动作电流整定值，一般取（0.3～0.5）In（In为发电机额定电流）； Ires——制动电流；
Ires，min——最小制动电流整定值，一般取（0.8～1.0）In； Kres－比率制动系数，一般取0.3～0.5。 当以上两个方程任一满足时，差动元件动作。 2．标积制动式发电机纵差保护原理
标积制动式发电机纵差保护是利用基波电流相量的标量积构成的比率制动特性的差动保护，是相量幅值比率制动的另一种形式。电流参考方向同上。标积制动式纵差保护的动作电流、制动电流及其动作判据为
1-I2| 动作电流 IOP=|I1||I2|cosθ 制动电流 Ires=S|I1-I2|≥S|I1||I2|cosθ 动作判据 |I1和I2之间的相位差； 式中 θ——I S——标积制动系数，通常取1。
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发电机-变压器组保护设计
1=I2,θ=0，制动量最大，动当发电机正常运行或保护区外短路时，I作量最小，保护可靠不动。
1=﹣I2,θ=180°，当保护区内短路时，I制动量为负值，动作量最大，保护动作且灵敏。
（三）发电机纵差保护逻辑框图
采用循环闭锁方式动作逻辑的发电机纵差保护逻辑框图如图3-1-4所示。当发电机纵差保护的两相或三相差动元件同时动作时，纵差保护才出口跳闸。为防止一点在区内另一点在区外的两点接地故障发生，当有一相纵差元件动作且同时有负序电压时，纵差保护出口跳闸；若只有一相纵差元件动作而无负序电压时，判为TA断线；若负序电压长时间存在而无差电流时，判为TV断线。
图3-1-4 差动保护逻辑框图
二、变压器的纵联差动保护
& TA断线 U相差动 V相差动 W相差动 只一相差动元件动作 · · & ≥1 U2> U相差动 V相差动 W相差动 二相或三相差动元件动作 · 跳匝出口 t/0 TV断线 变压器的纵联差动保护（简称纵差保护）不但可以正确区分内、外的短路，而且能瞬时切除保护区域内的故障。因此，变压器纵差保护是变压器的
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发电机-变压器组保护设计
主保护之一。
（一）变压器纵差保护的原理
变压器纵差保护基本原理与发电机纵差保护原理相似，按比较被保护变压器各侧电流的大小和相位的原理构成。为了实现这一比较，在变压器各侧装设一组电流互感器TA，TA的一次电流回路的机性端节母线侧，将TA二次侧的同极性端子相连接。如图3-1-5所示双绕组变压器纵差保护单相原理接线图。显然，变压器纵差保护的范围为变压器各侧电流互感器TA所限定的全部区域，即变压器高低压绕组、套管、引出线等。下面就图3-1-5所示双绕组变压器为例，分析变压器纵差保护原理。 保护 保护 装置 装置 b a 图3-1-5 变压器纵差保护单相原理接线图
a变压器正常运行或外部故障时的电流分布 b变压器内部发生故障时电流分布 1．正常运行和外部发生故障时
I－I1rI22保护不动作；
KI1－I1IunbTA2. 变压器内部发生故障时
I1rII2I2KI1I1kTAkTA保护动作将故障切除。
（二）变压器纵差保护与发电机纵差保护的不同之处
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发电机-变压器组保护设计
不同之处有以下几点：
1.变压器各侧的额定电压和额定电流各不相同，因各侧TA的型号不同，而且各侧三相接线方式不尽相同，所以各侧相电流的相位也可能不一致。这将使外部短路时不平衡电流增大，所以变压器纵差保护的最大制动系数比发电机的大，灵敏度相对较低。
2.变压器高压绕组有调压分接头，有的还要求带负荷调节，使变压器纵差保护已调整平衡的二次电流又被破坏，不平衡电流增大，这将使变压器纵差保护的最小动作电流和制动系数都相应增大。
3.对于定子绕组的匝间短路，发电机纵差保护完全没有作用，变压器各侧绕组的匝间短路通过变压器铁心磁路的耦合改变了各侧电流的大小和相位，使变压器纵差保护对匝间短路保护作用。
4.无论变压器绕组还是发电机定子绕组的开焊故障，它们的完全纵差保护均不能动作，但变压器还可以依靠瓦斯保护或压力保护。
5.变压器纵差保护范围除包括各侧绕组外，还包括变压器的铁心，即变压器综合差保护区域内不仅有电路还有磁路。
三、发电机匝间短路保护
由于大容量发电机的额定电流很大，其每相定子绕组都有两个并联的分支绕组构成。每个分支的匝间或分支之间的短路，就称为发电机定子绕组的匝间短路故障。当定子绕组匝间短路时，被短接的部分绕组内将产生大的环流，引起故障处温度升高，绝缘损坏，并转换为单相接地故障或相间短路故障，损坏发电机。因此在发电机上应装设定子匝间短路保护。根据发电机匝间短路时的特点，可以提出各种不同原理的匝间短路保护方案。 （一）单元件式横联差动保护
发电机正常运行情况下，每相定子绕组的两个分支上电势相等，各供出一半负荷电流；当任一相绕组中发生匝间短路时，两个绕组中的电势不相等，因而在两个分支绕组中产生环流。根据这特点，构成了发电机的匝间短路保护—单元件式横联差动保护。
1.保护的接线及其特点
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发电机-变压器组保护设计
如图3-1-6所示，单元件式横联差动保护采用一只电流互感器，装于两分支绕组中性点的连线上，利用分支绕组中性点之间连线上流过的零序电流来实现保护。且该保护由于只采用一只电流互感器，不存在电流互感器特性不同引起的不平衡电流，所以保护接线简单，灵敏度高。通常又称该保护为高灵敏的单元件式横联差动保护。
机壳 U V W
U V W
· 纵差 TA · 纵差 TA · 纵差 TA 横差 TA · 机壳 纵差 TA · 纵差 TA · 纵差 TA 横差 TA · a
· · · b
· · (a)中性点侧有6个引出端子
(b)中性点侧有4个引出端子
图3-1-6 单元件式横差保护原理接线示意图
该保护实质上是把定子三相绕组的一半绕组中的三相电流之和与三相绕组的另一半绕组中的三相电流之和进行比较，利用发生各种匝间短路时中性点连线上的环流而实现的。因此该保护只适合于： （1）定子绕组中性点侧引出6个或4个端子的发电机; （2）中性点侧引出端子较多的水轮发电机;
2.保护原理分析
该保护原理接线如图3-1-7所示 （1）正常运行或外部故障时:
保护装置装设了三次谐波滤过器1，以消除三 次谐波电流的影响，提高灵敏度。所以，正常运行 或外部故障时，三次谐波滤过器1滤除了三次谐波
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图3-1-7 单元件式横联差保护原理接线图
1-三次谐波滤过器；2－带有延时的保护装置
2 发电机-变压器组保护设计
产生的不平衡电流Iunb，通过带有延迟的保护装置2的电流小于其整定值，即I0＜Iset，保护不动作。
（2）当定子绕组的同分支匝间短路时:
当同分支匝间短路时，由于故障支路和非故障支路电动势不等，有环流I0产生，中性点连线上的电流互感器有故障电流Ik流过当Ik电流大于保护的动作电流整定值时，保护动作于跳闸。 （3）定子绕组同相不同分支之间发生短路时:
当同相的两个分支绕组间发生匝间短路，且a1a2时，由于两个支路的电动势差，分别产生两个环流I'0和I0\"。此时中性点连线上流过的电流Ik=I0\"，当Ik电流大于保护的动作电流整定值时，横联差动保护动作于跳闸。 （4）保护存在死区
由上述分析可知，单元件式横联差动保护有一定的死区。当定子绕组同分支短路且短路匝数a很小时或者同相不同分支间的短路匝数相同及差别较小时，保护不能动作。
（二）纵向零序电压原理的匝间短路保护
零序电压原理的匝间保护是匝间短路保护的另一种方案。该保护利用发电机定子绕组发生匝间短路时，机端三相对发电机中性点出现的零序电压而构成。
1.保护的构成原理
在发电机机端侧装设专用的电压互感器TV0，且TV0一次绕组的中性点与发电机的中性点相连而不直接接地，保护利用的零序电压取自TV0的第三绕组（开口三角接线），如图3-1-8所示。
（1）当发电机正常运行时，由于大、中型发电机采用高阻抗接地或中性点不接地，所以理论上说TV0的第三绕组没有输出电压，保护不动作。
（2）当发电机内部或外部发生单相接地故障时，虽然一次系统出现了零
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发电机-变压器组保护设计
0，序电压，即一次侧三相对地电压不再平衡，中性点电位升高3U但由于TV0
图3-1-8 零序电压匝间短路保护原理接线图
一次侧中性点并不接地，所以即使它的中性点电位升高，而三相对中性点的电压仍是对称的，第三绕组输出的电压仍为0，保护不会动作。同理，当发电机出现外部相间短路或内部匝数相等的匝间短路时，TV0开口三角形绕组也不会出现零序电压，保护不会动作。
（3）当发电机定子绕组发生匝间短路或匝数不等的相间短路时，三相一
0输出，即3U0≠0，使次对中性点的电压不再平衡，开口三角形绕组有3U零序电压匝间短路保护动作。
图3-1-9为负序功率闭锁的零序电压匝间保护原理方框图。由于发电机在制造上的原因，正常运行时会出现三次谐波电动势，使正常运行或外部故障时，TV0开口三角绕组上出现较大的零序电压。因此，在构成零序电压匝间短路保护时，需设置三次谐波过滤器，以提高保护的灵敏度。当发电机外部短路电流较大时，电枢反应磁通的波形严重畸变，出现三次谐波，经过三次谐波滤过器后还有相当高的值。为此，可采用负序功率方向闭锁方式，在外部短路时，以保护退出工作，从而进一步提高保护的灵敏度。为了防止专用TV0断线在开口三角形绕组输出侧出现较大的零序电压以保护误动作，还
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需装设断线闭锁元件。
图3-1-9 负序功率闭锁的零序电压匝间保护原理方框图
1——三次谐波滤过器；2——断线闭锁保护
四、转子接地保护
转子接地故障分转子一点接地和转子两点接地，一点接地是接地故障，两点接地是短路故障，因为两点接地与一点接地共用一个测量系统，故将一点接地放在这里讲述。 （一）转子一点接地保护原理
采用乒乓式开关切换原理，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻值和接地位置。原理图见图3-1-10所示。其中：S1、S2为由微机控制的电子开关，Rg为接地电阻，为接地点位置（转子电压负端为0，转子电压正端为100％），E为转子电压，R1为测量电阻。
计算接地位置并记忆，为判断转子两点接地作准备。
αEK(1-α)ERgS1I1D1R1RU1，U2RI2D2S2图3-1-10 转子一点接地保护切换采样原理接线图
当Rg小于或等于接地电阻高定值时，经延时发转子一点接地信号，当Rg小于或等于接地电阻低定值时，经延时作用于发信或跳闸。 （二）转子两点接地保护原理
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发电机励磁回路一点接地故障，对发电机并未造成危害，但若再相继发生第二点接地故障，则将严重威胁发电机的安全。
一点接地保护原理同前所述，但在这里的一点接地电阻定值只有一段，通过延时发信。
在一点接地故障后，保护装置继续测量接地电阻和接地位置，此后若再发生转子另一点接地故障，则已测得的值变化，当其变化值超过整定值时，保护装置就确认为已发生转子两点接地故障，保护跳闸。保护判据为：
| | > set set为转子两点接地位置变化整定值。 对于汽轮发电机组，励磁绕组发生两点接地故障时，气隙磁场的对称性被破坏，定子绕组必产生二次谐波电压，取大于正常运行时最大的二次谐波电压值作为转子两点接地保护的闭锁判据，一般该电压取0.5V。
二次谐波电压动作判据：
U2w0.5V，其中U2w为发电机定子电压二次谐波值。
（三）转子接地保护逻辑框图
转子接地保护逻辑如图3-1-11所示：
转子接地硬压板投入转子接地软压板投入高定值投退控制为“1”高定值启动元件动作转子接地高定值元件动作低定值投退控制为“1”低定值启动元件动作转子接地低定值元件动作两点接地投退控制字为“1”两点接地保护启动元件动作接地位置变化Δα(%)大于定值&t2≥1&t3转子两点接地跳闸出口&t1转子接地高定值信号出口转子接地低定值信号(跳闸)出口U2w0.5V
图3-1-11转子接地逻辑框图
发电机转子一点接地启动条件：当转子接地电阻小于高定值整定值时，转子接地高定值保护启动，经延时后动作于信号；当转子接地电阻小于低定值整定值时，转子接地低定值保护启动，经延时后发信号或跳闸。
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发电机转子两点接地启动条件：当转子接地位置变化大于整定值时，启动元件动作，经延时后跳闸。
五、发电机复合电压起动的过电流保护
发电机差动保护范围外发生故障，而故障设备的保护或断路器拒绝动作时，将引起发电机过电流。为此发电机装设了反映外部故障的过电流保护。同时，该保护也作为发电机的后备保护。复合电压起动的过电流保护由过电流元件、复合电压元件和TV断线闭锁元件组成，对于自并励的发电机组还需要增加记忆元件，作为后备保护。复合电压起动的过电流保护需加延时动作，在动作时限上与相邻后备保护相配合。
复合电压起动元件由一个过滤式负序电压继电器和一个低电压继电器组成。低电压继电器经负序电压继电器的常闭触点接于相间电压上，以保证保护装置在对称三相短路时可靠地动作，并能够提高低电压继电器对三相短路的灵敏度。因为在发生三相短路开始时将会短时出现负序电压，使负序电压继电器动作，待负序消失后，负序电压继电器返回，低电压继电器又接在相间电压上。若使低电压继电器返回，则要求发电机母线的残压必须大于继电器的返回电压。由于三相短路时三相电压均降低，故低电压继电器仍然处于动作状态，此时保护的工作情况即相当于低电压起动的过电流保护。
1.复合电压起动的过电流保护整定原则
(1)电流元件的动作电流按躲过发电机额定电流整定即：
IDZKkIe.F Kf式中 Kk——可靠系数，取1.2 Kf——返回系数，取0.85
(2)负序电压继电器的动作电压，按躲过正常运行时出现的最大不平衡电压整定。根据运行经验通常取
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UDZ.20.06Ue.F
(3)低电压元件的动作电压按躲过电动机自起动的电压确定，此外还应躲过发电机失磁运行时的最低运行电压。一般取：
UDZ(0.6)Ue.F 2．复合电压起动的过电流保护特点
(1)由于负序电压继电器的整定值小，在后备保护范围内发生不对称短路故障时，电压元件有较高的灵敏度；
(2)三相短路时，由于瞬时出现负序电压，负序电压继电器动作后低电压继电器由于失压一定能动作。待负序电压消失后负序电压继电器返回，低电压继电器又接于相间电压上，这时只要不返回就可以切除故障。
复合过流软连接投入 机端TV三相断线 低电压起动元件投入 ＆ 》 低电压起动元件动作 记忆功能投入 1 ＆ ＆ 》1 ＆ ＆ 相电流过电流元件动作 ＆ t 跳闸 负序过电流元件动作 后备保护硬连接片投入
图3-1-12 复合过电流保护逻辑框图
复合过电流保护逻辑框图如图3-1-12所示。当复合电压元件及过流元件均满足时，启动元件动作，经延时后跳闸。
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六、阻抗保护
对于升压变压器，当采用复合电压起动的过电流保护和负序电流及单项式低电压起动的过电流保护时不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。
变压器阻抗保护通常作为220KV及以上大型变压器相间短路的后备保护，由起动元件、相间阻抗测量元件、时间元件、TV断线检测元件等组成。
当阻抗保护的起动元件和阻抗元件均动作、阻抗保护的压板投入、TV断线检测元件不动作，且经过预定的延时后，保护动作于跳闸。 1.起动元件
起动元件由由相电流差突变量起动元件和负序电流起动元件两部分组成，相电流差突变量起动反应对称短路故障，负序电流起动元件反应不对称短路故障。起动元件动作判据为：
i ≥Iset或I2 >I(set,2)
式中：i为相电流突变量；I2为负序电流；Iset、I(set,2)分别为相电流突变量起动元件和负序电流起动元件的动作整定值，通常均取电流互感器二次额定电流的0.2倍。 2.阻抗元件
阻抗元件是变压器阻抗保护的测量元件，用于测量相间短路阻抗值，构成变压器相间短路的后备保护。阻抗元件采用0°接线方式，其动作特性可根据需要整定为全阻抗圆特性或偏移阻抗圆特性，动作的正方向可以指向变压器，也可以指向母线，由保护的控制字控制。 3.TV断线检测元件
TV断线检测元件的作用是防止TV断线时，变压器阻抗保护误动作。当该元件检测到TV二次回路断线时，将阻抗保护闭锁，并发出告警信号。
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第二节 反映接地故障的保护
一、定子接地保护
根据安全要求，发电机的外壳都是接地的。因此，发电机定子绕组与铁芯间的绝缘在某一点上遭到破坏，就有可能发生单相接地故障。当接地电流较大在故障点引起电弧时，将破坏定子绕组的绝缘及烧坏铁心，严重时烧伤发电机。所以把不产生电弧的单相接地电流称为安全电流，其大小与发电机额定电压有关。发电机额定电压越高，其安全电流越小，反之亦然。发电机中性点一般不接地或经消弧线圈接地，当发电机内部单相接地时，流经接地点的电流为发电机和与发电机有直接电联系的各元件的对地电容电流之和。根据规程规定，当发电机的接地电容电流等于或大于其安全电流时，应装设动作于跳闸的接地保护；当接地电流小于安全电流时，一般装设作用于信号的接地保护。下面介绍由基波零序电压和三次谐波电压构成的100%定子接地保护。
（一）保护的原理分析
基波零序电压和三次谐波构成的100%定子接地保护由两部分组成：一部分是基波电压保护，另一部分是三次谐波电压保护，即基波零序电压保护来反应发电机85%～95%的定子绕组单相接地，由三次谐波电压保护来反应发电机中性点附近定子绕组的单相接地。为提高可靠性，两部分的保护区应重叠。无论发电机中性点有无消弧线圈，正常运行时机端三次谐波电压Us3比中性点侧的三次谐波电压UN3小；而在距中性点50%范围内接地时，Us3>UN3。
基波零序电压和三次谐波构成的100%定子接地保护的动作判据为：
3U0>U0,set Us3／UN3>K3,set
US3 3U0为发电机机端零序电压；式中： U0,set 为基波零序电压整定值；
和UN3 分别为机端TV和中性点TV开口三角形开口绕组输出的三次谐波分量；K3,set为三次谐波比例整定值。
零序电压判据和三次谐波判据各有的出口回路，以满足不同配置的要求。利用三次谐波构成的接地保护，由于反应中性点侧附近定子绕组的单相接地故障，在该保护范围内定子绕组单相接地时，零序电压较小，该保护动作于信号；由于反应机端零序电压的接地保护范围内发生接地故障时，零序电压较大，该保护可动作于跳闸或信号。
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（二）保护的整定原则 1.三次谐波电压保护：
设正常运行时，三次谐波电压比值为K3（实测最大值），则取 K3,set(1.051.15)K3 2. 基波零序电压保护
该保护的动作电压按躲过正常运行时中性点侧但想电压互感器或机端电压互感器开口三角形绕组的最大不平衡电压整定，即：
Uop,0KrelUnub,max
式中 Uop,0——基波零序电压保护整定值
Krel——可靠系数，取1.2～1.3 Unub,max——实测基波不平衡电压
当Uop,0﹤10V时，应校验高压系统接地短路时传递到机端的基波零序电压，以避免保护误动作。 三、保护动作逻辑框图
中性点TV US3/UN3K3,set t1 信号
机端TV 3U0U0,set t2 信号或跳闸
图3-2-1 100%定子接地保护逻辑框图
当机端TV和中性点TV开口三角形开口绕组输出的三次谐波分量之比大于三次谐波比例整定值时，经延时动作于信号；当发电机机端零序电压大于基波零序电压整定值时保护经延时可动作于信号或跳闸
二、转子回路一点接地保护
发电机正常运行时，转子回路对地之间有一定的绝缘电容和分布电阻。当转子回路发生一点接地故障时，由于没有形成电流回路，对发电机运行没
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有直接影响；一旦发电机发生转子两点接地后，励磁绕组将形成短路，使转子磁场畸变，引起机体强烈震动，严重损坏发电机。因此，有关规程要求发电机必须装有转子回路一点接地保护，动作于信号；装设转子回路两点接地保护，动作于跳闸。
具体见上节转子接地保护部分。
三、主变压器接地保护
变压器的接地保护（又称变压器的零序保护）用于中性点直接接地系统中的电力变压器，以反应变压器高压绕组、引出线上的接地短路，并作为变压器主保护和相邻母线、线路接地故障的后备保护。电力变压器的接地保护通常由主变压器零序电压3U0元件、主变压器零序电流3I0元件、主变压器间隙零序电流3I0元件及时间元件构成，根据变压器中性点的接地方式进行选择配置。本论文所选变压器为中性点可能接地也可能不接地运行的变压器。
对于中性点可能接地也可能不接地运行的每台变压器，其接地保护需配两套，一套作为中性点接地运行方式时的接地保护，另一套用于中性点不接地运行方式时的接地保护。中性点接地运行方式时的接地保护通常采用两段式零序过电流保护，而中性点不接地运行方式时的接地保护通常采用零序过电压保护。这种保护的整定计算、动作时限等与变压器中性绝缘水平、过电压保护方式及并联运行的变压器台数有关。本论文中选用分级绝缘且中性点装设放电间隙的变压器。
根据分级绝缘变压器接地保护动作行为的要求，对于分级绝缘且中性点装设放电间隙的变压器接地保护的配置为：两段式零序过电流保护用于中性点直接接地运行；放电间隙零序过电流及零序过电压保护，用于变压器中性点经放电间隙接地运行方式。当系统发生单相接地故障时，中性点经放电间隙接地运行的变压器以无时限的间隙零序过电流跳开母线联络断路器或高压侧断路器；若放电间隙零序过电流保护未动作，则以带时限的零序过电压保护跳开母线联络断路器或高压侧断路器；中性点直接接地变压器仍以较短时限跳开母线联络断路器，以较长时限跳开直接接地变压器高压侧断路器。其原理图见图3-2-2。
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图3-2-2 分级绝缘变压器零序保护原理框图
第三节反映异常运行的保护
一、发电机定子对称过负荷保护
发电机对称过负荷保护用于大中型发电机组作为对称过流和对称过负荷保护，接成三相式，取其中的最大相电流判别。主要保护发电机定子绕组的过负荷或外部故障引起的定子绕组过电流，由定时限过负荷和反时限过流两部分组成；定时限部分，经延时动作于信号，有条件时可作用于自动减负荷；反时限部分按反时限特性动作于跳闸。
定时限过负荷按发电机长期允许的负荷电流能可靠返回的条件整定。反时限过流按定子绕组允许的过流能力整定。发电机定子绕组承受的短时过电流倍数与允许持续时间的关系为：
tK
I*2(1a)式中：K——定子绕组过负荷常数
I*——定子额定电流为基准的标幺值
a——与定子绕组温升特性和温度裕度有关，一般为0.01～0.02。
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保护特性曲线见图3-3-1，逻辑框图见图图3-3-2 。
图3-3-1 定子对称过负荷保护特性曲线
图3-3-2 定子过负荷保护逻辑框图
二、发电机转子表层过负荷保护原理
当发电机三相负荷不对称或系统发生不对称短路时，定子绕组中的负序电流产生旋转磁场，该磁场旋转的方向与转子运动方向相反，以两倍同步速度切割转子，转子中感应出100HZ交变电流，该电流使转子本体、端部、护环内表面等处因电流密度过大而过热灼伤，甚至引起护环松脱导致发生重大事故。另外，在定子转子之间产生的100HZ交变电磁力矩的作用下，机组会发生振动。为防止以上事故的发生，发电机应装设转子表层负序过负荷保护，即反时限负序电流保护。同时，该保护还可以兼作系统不对称故障的后备保护。
大型发电机组转子表层负序过负荷保护，一般由定时限负序电流保护反时限负序电流保护两部分组成。定时限负序电流保护动作于信号，反时限负序电流保护动作于跳闸。定时限负序电流保护的动作电流，按在发电机长期
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允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定。反时限负序电流保护的动作电流应与发电机承受负序电流的能力相配合。
三、转子过负荷保护
转子过负荷保护用于大型发电机组作为转子励磁回路过流和过负荷保护，兼作交流励磁机的后备保护，接成三相式。由定时限过负荷和反时限过流两部分组成，定时限部分经延时动作于信号，反时限部分动作于解列灭磁。
定时限过负荷保护的电流元件按正常运行额定励磁电流下能可靠返回的条件整定；反时限过流按转子绕组允许的过热条件决定，其关系式为：
Kt2I*(1a)
式中： K——转子绕组过负荷常数，整定范围1～100；
I*——发电机励磁回路整流器交流侧电流的标么值；
a——与转子绕组温升特性和温度裕度有关，一般为0.01～0.02。
保护逻辑框图见图3-3-4。
图3-3-4 转子过负荷保护逻辑框图
四、失磁保护
发电机失磁通常是指发电机励磁异常下降或励磁完全消失的故障。励磁异常下降指发电机励磁电流的降低超过了静态稳定极限所允许的程度，使发电机稳定运行遭到破坏。造成励磁异常下降的原因通常是由于主励磁机故障；误操作的过量调整等。完全励磁消失就是发电机失去励磁电源，通常由于自
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动灭磁开关误跳闸、励磁调节器整流装置中自动开关误跳闸、励磁绕组断线或端口短路等原因引起。对于不允许失磁后继续运行的发电机，失磁保护应动作于跳闸。当发电机允许失磁运行时保护可动作于信号，并要求失磁保护与切换励磁、自动减负荷等自动控制相结合，以取得发电机失磁后的最好处理效果。
发电机失磁对发电机本身的影响主要有: 1、由于发动机失磁后出现转差,在发电机转子回路中出现差频电流,差频电流在转子回路中产生损耗,如果超出允许值,将使转子过热。特别是直接冷却的高力率大型机组,其热容量裕度相对降低,转子更容易过热。而转子表层的差频电流,还可能使转子本体槽楔、护环的接触面上发生严重的局部过热甚至灼伤； 2、失磁发电机进入异步运行之后,发电机的等效电抗降低,从电力系统中吸收无功功率,失磁前带的有功功率越大,转差就越大,等效电抗就越小,所吸收的无功功率就越大。在重负荷下失磁后,由于过电流,将使发电机定子过热；3、对于直接冷却高力率的大型汽轮发电机,其平均异步转矩的最大值较小,惯性常数也相对降低,转子在纵轴和横轴方面,也呈较明显的不对称。由于这些原因, 在重负荷下失磁后,这种发电机转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动，将有很大甚至超过额定值的电机转矩周期性地作用到发电机的轴系上,并通过定子传递到机座上。此时,转差也作周期性变化,其最大值可能达到4%～5%, 发电机周期性地严重超速。这些情况,都直接威胁着机组的安全；4、失磁运行时,定子端部漏磁增强,将使端部的部件和边段铁芯过热。逻辑框图如下：
图3-3-5 失磁保护逻辑框图
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五、逆功率保护
在发电机与系统并列运行的情况下，若汽轮机主汽门突然关闭（即汽轮机处于断汽运行状态），而发电机出口断路器未断开时，发电机将变为同步电动机运行，这种情况下对发电机并无危险，但由于尾部残留的蒸汽与叶片的摩擦产生鼓风损失，将使尾部叶片过热。当发电机转为电动机后，将从系统中吸收有功功率（即逆功率），其大小将随机组转动轴系储存动能的下降而逐渐增大。逆功率的大小主要取决于发电机的损耗、摩擦损耗及鼓风损耗，其值约为发电机额定功率的3～5%。因此，装设了发电机逆功率保护。
逆功率保护主要由功率继电器、逆功率测量元件、闭锁电路、时间电路等组成。由于逆功率的数值很小，因此要求逆功率继电器应具有较高的灵敏性，动作功率可在1～5%额定功率范围内调整。一般按照比较绝对值原理构成功率方向继电器交流测量回路，其交流电压形成回路采用和差接线方式以获得两个比较电量即：和电压相量、差电压相量，保护通过对两电量的比较来鉴别发电机功率方向。
当发电机正常运行时：差电压相量小于和电压相量（即动作量小于制动量），继电器不动作；汽轮机主汽门突然关闭时：差电压相量大于和电压相量（即动作量大于制动量），继电器动作，经一定延时切除发电机。逆功率保护设两段延时，以1～1.5s短时延时动作于信号；以2～3分钟的延时动作于断路器跳闸。
发电机各种保护动作于停机时，通常是同时给汽门和出口断路器发出跳闸信号。因此，除短路事故保护和可能造成机组严重破坏的故障保护除外，其他动作于跳闸的保护都可用逆功率保护闭锁，这时先关闭主汽门，逆功率后再断开出口断路器。
测 信号 t1 当逆向有功功率达到 整定值后，测量元件和闭 锁元件动作，Ⅰ段短延时 动作于信号；Ⅱ段长延时 动作于逆功率跳闸。
U I 电压 形成 信号 量 & 逆功率信号 跳闸
跳闸信号
t2 闭 锁 & 信号 图3-3-6 逆功率保护逻辑框图 - 31 -
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六、失步保护
随着电力系统容量不断增加，大型发电厂高压母线的系统阻抗较小，一旦发生系统非稳定性振荡，其振荡中心很容易进入失步发电机变压器组内部，这将严重威胁失步的发电机和系统的安全运行。所以发电机组均加装有失步保护，并有多种不同类型判据的失步保护。
失步保护的基本原理主要是通过测量阻抗的轨迹变化情况来检测是否失步。其主要指标有三点:一是测量阻抗轨迹为自左向右或自右向左依次穿越整定阻抗区域，穿越一次则记录为滑极次数加一；二是每穿越一个区域都大于一定延时，以区别于故障以及区分失步振荡和稳定振荡；三是滑极次数达到一定值时，则动作出口。
失步保护要求在短路故障、系统振荡、电压回路断线等情况下，保护不误动作。失步保护反应发电机失步振荡引起的异步运行，失步保护阻抗元件计算采用发电机正序电压、正序电流，阻抗轨迹在各种故障下均能正确反映。国内失步保护主要采用三阻抗元件失步保护动作特性或双遮挡器失步保护动作特性。保护采用三阻抗元件失步继电器动作特性, 如图3-3-7。
图3-3-7 透镜特性原理图
第一部分是透镜特性，图中①，它把阻抗平面分成透镜内的部分I和透
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镜外的部分O。
第二部分是遮挡器特性，图中②，它把阻抗平面分成左半部分L和右半部分R。
两种特性的结合，把阻抗平面分成四个区OL、IL、IR、OR，阻抗轨迹顺序穿过四个区（OL→IL→IR→OR或OR→IR→IL→OL），并在每个区停留时间大于一时限，则保护判为发电机失步振荡。每顺序穿过一次，保护的滑极计数加1，到达整定次数，保护动作。
第三部分特性是电抗线，图中③，它把动作区一分为二，电抗线以上为I段（U），电抗线以下为II段（D）。阻抗轨迹顺序穿过四个区时位于电抗线以下，则认为振荡中心位于发变组内，位于电抗线以上，则认为振荡中心位于发变组外，两种情况下滑极次数可分别整定，当滑极次数大于整定值时，启动元件动作。保护可动作于报警信号, 也可动作于跳闸。逻辑框图如图3-3-8所示。
图3-3-8 失步保护逻辑框图
七、发电机低频保护
大型汽轮发电机运行中允许其频率变化的范围为48.5～50.5Hz,低于48.5Hz 时,累计运行时间和每次持续运行时间达到定值,保护动作于信号或
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跳闸。
汽轮机叶片有自己的自振频率。并网运行的发电机，当系统频率异常时，汽轮机叶片可能产生共振，从而使叶片发生疲劳，长久下去可能损坏汽轮机的叶片。
发电机频率异常保护，是保护汽轮机安全的。
保护通过四个低频定值f1、f2、f3、f4将频率范围分为四个频率段，且f4 图3-3-9 低频保护逻辑框图 F＜F4 t4 跳闸 出口 低频保护启动：当发电机频率低于低频整定值时，启动元件延时动作。 八、发电机起停机保护原理 发电机启动或停机过程中，频率低，转速也低。若在启停机过程中发电机发生故障，反映工频的主设备保护可能不能正确动作，因此应设置能反映在启停机过程中发生定子接地故障和相间短路故障的启停机保护，即：反映发电机低速运行时的定子接地故障的零序电压式启停机保护，及反映发电机 - 34 - 发电机-变压器组保护设计 低速运行时的相间故障的低频过电流保护。 保护的输入电压为取自机端TV 开口三角形绕组的零序电压或中性点TV（或消弧线圈或配电变压器）二次电压，采用专用的测量回路，其工作频率范围：5HZ～55HZ，误差不大于±5%。 该保护只作为发电机启停机过程中的辅助保护，它由断路器辅助接点控制，待发电机并网后可自动退出运行。 动作方程 3U03U0g 式中：3U0 ——机端TV 开口三角电压或中性点TV（配电变压器或消弧线圈）二次电压； 3U0g——动作电压整定值。 图3-3-10 起停机保护逻辑框图 九、发电机意外突加电压保护原理 突加电压保护作为发电机盘车状态下，主断路器误合闸时的保护。 发电机在盘车或静止时，发生出口断路器误合闸，系统三相工频电压突然加在机端，使同步发电机处于异步启动工况，由系统向发电机定子绕组倒送的电流（正序电流）在气隙中产生的旋转磁场在转子本体中感应工频或接近工频的电流，从而引起转子过热而损伤，还可能由于润滑油油压不足使旋转轴承磨损。 当停机、盘车或起动升速但磁场开关未闭合时误合闸，过流元件快速动作于跳闸，同时，由于发电机处于同步电机的异步起动过程，阻抗元件延时动作于跳闸，构成双重化保护；当并网前，机组启动，断路器断开，而磁场 - 35 - 发电机-变压器组保护设计 图3-3-11 意外突加电压保护 开关闭合时，过流元件退出工作，此时，若正常并网，阻抗元件不动作，误合闸保护不会动作，若发生误合闸，阻抗元件动作于跳闸。逻辑图如图3-3-11。 十、高压断路器非全相保护 当只有一相或两相断路器触头在合位，且有负序电流时，保护动作。作用于跳闸、解除失灵保护复合电压闭锁及启动失灵保护。逻辑图如图3-3-12。 保护由三相断路器位置不对应辅助接点与负序电流组成的与门构成，其动作后经延时作用于出口。 保护的输入电流为断路器侧TA二次三相电流。 图3-3-12 非全相保护逻辑框图 十一、高压断路器断口闪落保护 大型发-变组在与系统进行并列过程中，断路器两主触点断口之间 - 36 - 发电机-变压器组保护设计 可能承受两侧电动势绝对值之和的高电压，有时会造成断口闪络事故。在发-变组高压断路器刚跳开不久的一段时间内，断口之间也可能短时承受高电压而引起闪络。 为尽快清除闪络故障，在大机组上装设断口闪络保护。图3-3-13是利用不会三相同时闪络这一特点，用比较三相电流的方法构成的闪络保护。其动作条件是：三相断路器都处于断开状态，有任一相或两相中流过电流。此时，电流元件IA、IB和IC中相应的元件动作，其肯定端输出1，否定（图中涂黑端）端输出0，没有流过电流的元件相反；这样两个或门（H1和H2）的输出都是1，QFA、QFB和QFC又都是闭合的，则与门Y输出1.使出口元件动作。在正常运行时。或门H2和辅助触点支路输出都是0；断路器跳闸后，或门H1输出0，因而都不会动作。 图3-3-13 用比较三相电流的方法构成的断口闪络保护 断口闪络保护首先使发电机灭磁。以降低断口电压，使之停止闪络，无效时，再启动失灵保护。 十二、失灵保护原理 断路器失灵保护是指故障电气设备的继电保护动作发出跳闸命令而断路器拒动时，利用故障设备的保护动作信息与拒动断路器的电流信息构成对断路器失灵的判别，能够以较短的时限切除同一厂站内其他有关的断路器，使停电范围在最小，从而保证整个电网的稳定运行，避免造成发电机、变压器等故障元件的严重烧损和电网的崩溃瓦解事故。在现代高压和超高压电网中，断路器失灵保护作为一种近后备保护方式得到了普遍采用。 - 37 - 发电机-变压器组保护设计 失灵保护由电庄闭锁元件、保护动作与电流判别构成的启动回路、时间元件及跳闸出口回路组成。启动回路是保证整套保护正确工作的关键之一，必须安全可靠，应实现双重判别，防止单一条件判断断路器失灵，以及因保护触点卡涩不返回或误碰、误通电等造成的误启动。启动回路包括启动元件和判别元件；两个元件构成“与”逻辑。 启动元件通常利用断路器自动跳闸出口回路本身，可直接用瞬时返回的出口跳闸继电器触点，也可与出口跳闸继电器并联的、瞬时返回的辅助中间继电器触点，触点动作不复归表示断路器失灵。判别元件以不同的方式鉴别故障确未消除。现有运行设备采用相电流（线路）、零序电流（变压器）的“有流”判别方式。保护动作后，回路中仍有电流，说明故障确未消除。时间元件是断路器失灵保护的中间环节，为了防止单一时间元件故障造成失灵保护误动，时间元件应与启动回路构成“与”逻辑后，再启动出口继电器。失灵保护的电压闭锁一般由母线低电压、负序电压和零序龟压继电器构成。当失灵保护与母差保护共用出口跳闸回路时，它们也共用电压闭锁元件。断路器失灵保护逻辑框图见图3-3-14。 图3-3-14 断路器失灵保护逻辑框图 第四节 非电量保护 发电机-变压器组非电量保护,主要有变压器的瓦斯保护、压力释放保护、绕组温度保护、油温和油位保护，发电机的断水保护等，下面主要介绍变压器的瓦斯保护。 一、变压器瓦斯保护的作用及原理 变压器的瓦斯保护可用来反应油浸式变压器油箱内的各种故障。当变压 - 38 - 发电机-变压器组保护设计 器油箱内故障时，瓦斯保护有着独特的、其他保护所不具备的优点。如变压器发生严重漏油、绕组断线故障或绕组匝间短路产生的短路电流值不足以使其他保护动作时，只有瓦斯保护能够灵敏的动作发出信号或跳闸。所以变压器的瓦斯保护是大型变压器内部故障的重要保护。 当变压器油箱内发生故障时，在故障点电流和电弧的作用下，变压器油及其他绝缘材料因局部受热而分解产生气体，这些气体将从油箱流向油枕的上部。当故障严重时，变压器油会迅速膨胀并产生大量的气体，此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。根据油箱内部故障的这一特点，构成变压器的瓦斯保护。 变压器的瓦斯保护分为重瓦斯保护和轻瓦斯保护两部分。当变压器油箱内轻微故障或严重漏油时，轻瓦斯保护动作延时作用于信号；当变压器内部发生严重故障时，重瓦斯保护动作，瞬时动作跳开变压器的各侧断路器。 二、气体继电器 气体继电器是变压器瓦斯保护的主要元件。它安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道上。为使气体能顺利进入气体继电器和油枕，变压器安装时，应使顶盖与水平面之间有1％~1.5％的坡度，连接管有2％~4％的升高坡度。我国电力系统中应用的气体继电器大多是开口杯挡板式，其内部结构图如图3-4-1所示。 1.轻瓦斯保护的原理 当变压器内部发生轻微故障时，变压器油分解产生的气体汇集在气体继电器上部迫使继电器内的油面下降，开口杯露出油面，因其受到的浮力减小失去平衡而下沉，带动永久磁铁4下降，当永久磁铁4靠近干簧触点15时，干簧触点15接通，发出轻瓦斯动作信号。当变压器漏油严重时，同样由于油面下降而发出轻瓦斯信号。 2.轻瓦斯保护的整定 气体继电器使用时，通过移动重锤6的位置，可调整轻瓦斯保护的动作值。其动作值采用气体容积的大小表示，整定范围通常为250～300 。气 体继电器安装完毕，从排气口17打进空气，检查轻瓦斯保护动作的可靠性。 - 39 - 发电机-变压器组保护设计 3.重瓦斯保护的原理 当变压器内部发生严重故障时，油箱内产生大量气体，强大的气体伴随着油流冲击挡板10，当油流的速度达到整定值时，挡板10克服弹簧的反作用力向前移动，带动永久磁铁11靠近干簧触点13，使干簧触点13闭合，发出重瓦斯跳闸脉冲，断开变压器各侧的断路器。 图3-4-1 开口杯挡板式气体继电器结构图 4.重瓦斯保护的整定 气体继电器使用时，通过调整调节螺杆14，改变弹簧9的松紧程度，调整重瓦斯的动作值，其动作值采用油流速度的大小表示，整定范围通常为0.6～1.5 m/s。通过探针7检查重瓦斯保护动作的可靠性。 第四章 微机保护装置的配置 一、 配置原则 GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》中4.2.21规定，对于100MW及以上容量的发电机变压器组装设数字式保护时，除非电量保护外，应双重化配置。 100MW及以上的汽轮发电机，宜装设过电压保护；100MW及以上A值小于10的发电机，应装设由定时限和反时限两部分组成的转子表层过负荷保护。200MW及以上容量发电机宜装设起停机保护。300MW及以上发电机，应装设过励磁保护、失步保护、误上电保护等。 二、配置方案 - 40 - 发电机-变压器组保护设计 基于双重化配置的要求，本设计决定采用两个不同厂家不同原理的保护，以使保护更加的安全可靠。 一套采用南京南瑞的RCS-985型发变组成套保护装置，一套采用许继的WFB-800A微机型发变组成套保护装置。 RCS-985型保护装置所装设的发电机保护包括发电机纵差保护、高灵敏横差保护、纵向零序电压匝间保护、工频变化量方向匝间保护、发电机相间阻抗保护、发电机复合电压过流保护、机端大电流闭锁功能、定子接地基波零序电压保护、定子接地三次谐波电压保护、转子一点接地保护、转子两点接地保护、定、反时限定子过负荷保护、定、反时限转子表层负序过负荷保护、失磁保护、失步保护、过电压保护、定时限过励磁保护、反时限过励磁保护、逆功率保护、程序跳闸逆功率、低频保护、过频保护、起停机保护、误上电保护、TV断线判别、TA断线判别。所装设的主变的保护包括发变组差动保护、主变差动保护、主变高压侧阻抗保护、主变高压侧复合电压过流保护、主变高压侧零序过流保护、主变高压侧间隙零序电压保护、主变高压侧间隙零序电流保护、主变低压侧接地零序报警、主变定、反时限过励磁保护、主变过负荷信号、主变起动风冷、TV断线、TA断线。 WFB-800A型保护装置所装设的发电机保护包括发电机差动、发电机不完全差、高灵敏单元件横差、故障分量负序功率方向、纵向零序过电压、发电机复合电压过流、定子接地基波零序电压、定子接地三次谐波电压、转子一点接地、转子两点接地、发电机对称过负荷、发电机负序过负荷、失磁、失步、发电机过电压、发电机过激磁、逆功率、程跳逆功率、低频累加、过频、起停机定子接地、外加20Hz电源定子接地、误上电、TV异常、TA异常等保护。所装设的主变的保护有主变差动、主变零序差动、主变高压侧阻抗、主变高压侧复合电压过流、主变高压侧方向过流、主变高压侧零序过流、主变高压侧零序电压、主变高压侧间隙零序电流、主变高压侧过负荷、主变高压侧调压闭锁、主变高压侧通风启动、TV异常、TA异常、主变过激磁、断路器失灵启动、断路器非全相、断路器断口闪络、主变瓦斯、主变压力释放、主变冷却器全停、主变油温、主变绕组温度、主变油位(异常)。 - 41 - 发电机-变压器组保护设计 结束语 毕业设计是大学生涯中的一个重要环节，其目的主要是我们对在校三年所学的专业理论知识的一个总结，同时又提高了我们的自学能力。通过毕业设计我们对实际的工程设计有了初步的了解，对所学的知识有了全面系统的认识。更重要是提高了我们地分析和解决问题的能力。 本设计题目是大型发电机-变压器组继电保护设计，其主要内容包括大型发电机和变压器的故障、异常运行及其保护方式的阐述，大型发电机组的特点及对继电保护的要求，大型发电机-变压器组继电保护的特点及配置原则以及对300MW汽轮发电机-变压器组继电保护总体配置情况的介绍和微机保护装置的选择，并且叙述了发变组配置的保护的原理和相应的逻辑框图。 此次保护设计,使我将三年来学过的专业知识进行了一次全面的复习，并且学习到一些新的知识。在此期间,学校图书馆借书、上网搜集资料、同学之间交流以及老师的辅导帮助等, 使我的自学能力有了很大提高。在本次设计中，杨晓敏老师给了我很大的帮助，在她精心的辅导下，我顺利地完成了毕业设计的任务。在此，我对杨晓敏老师表示由衷的感谢。另外，我也要感谢同学们对我的帮助。 由于我的水平有限，时间仓促，书中难免存在缺点、错误，敬请各位老师给予指正。 - 42 - 发电机-变压器组保护设计 参考文献 王维俭、侯炳蘊 编 大型机组继电保护基础（第二版）北京：水利电力出版社，19 史世文 编 大机组继电保护 北京：水利电力出版社，1987 刘学军 编 继电保护原理（第二版） 北京：中国电力出版社，2005 王维俭 编 发电机变压器继电保护应用（第二版） 北京：中国电力出版社 杨晓敏 编 电力系统继电保护原理及应用 北京：中国电力出版社，2006 - 43 -
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