1、1概 述n電力工業的發展，促進了發電機-變壓器組單機容量的迅速增大，從電力系統安全生產的客觀需要出發，對大型機組繼電保護提出了更高的要求。計算機和微電子學的飛速發展，為大機組保護技術的不斷創新提供了物質條件。發電機、變壓器內部故障的分析計算新方法更為大機組繼電保護奠定了堅實的理論基礎。2大型發電機-變壓器組的電氣特性分析n有效材料利用率提高n慣性常數相對降低n熱容量與銅損鐵損之比顯著下降n 、 、 參數普遍增大n短路電流水平和靜穩儲備系數減小n平均異步轉矩大大降低n電機的冷卻方式和相應的結構復雜，檢修困難dxdxdx3n與保護配置相關的主要特點是： （1）發電機出口除支接高壓廠用變壓器外無其他

2、機端負荷 （2）發電機出口與支接高壓廠用變壓器高壓側均不裝設斷路器 （3）升壓變壓器高壓側中性點直接接地或經放電間隙接地運行 4（4）發電機中性點一般可經消弧線圈（欠補償）或經接地變壓器二次電阻（高阻）接地運行 （5）支接高壓廠用變壓器的低壓側一般為高阻或中阻接地系統 （6）汽輪發電機三相繞組中性點側引出方式可為6、4、2或3個引出端5大型發-變組主要故障及異常工況類型一、主要故障類型1、發電機n定子繞組相間短路n定子繞組單相匝間短路n定子繞組單相接地n轉子勵磁回路故障n低勵或失磁、失步等62、變壓器n油箱內故障：包括繞組的相間短路、接地短路、匝間短路及鐵芯的燒損等n油箱外故障：包括套管和引出

3、線上發生相間短路和接地短路71、發電機n由外部短路引起的定子繞組過電流n三相對稱過負荷n由外部不對稱短路或不對稱負荷引起的發電機負序過電流和過負荷n由突然甩負荷引起的定子繞組過電壓n由勵磁回路故障或強勵時間過長引起的轉子繞組過負荷n由汽輪機主氣門突然關閉引起的發電機逆功率等二、主要異常工況類型82、變壓器n由變壓器外部相間短路引起的過電流和外部接地短路引起的過電流和中性點過電壓n由負荷超過額定容量引起的過負荷n由漏油引起的油面降低等9大型發電機-變壓器組繼電保護總體配置的原則及要求一、大機組繼電保護總體配置的原則意見n加強主保護。保證在保護范圍內任一點發生各種故障時均有雙重或多重主保護，有選擇

4、性地、快速地、靈敏地切除故障，最大限度地保證機組安全和縮小故障破壞范圍，盡可能避免不必要的突然停機，特別要避免保護裝置誤動和拒動。10n簡化后備保護。發電機側即主變壓器低壓側不再裝設后備保護，僅在主變壓器高壓側配置反映相間短路和單相接地的后備保護，作為主變壓器高壓母線故障和主變引線部分故障的后備。11n在電機設計制造之前，繼電保護工作者應主動向電機專業人員介紹有關大機組保護對發電機設計制造的要求，具體反映在發電機招標文件中應表明發電機中性點側引出方式和中性點接地方式、電流互感器配置要求等。應該改變過去那種繼電保護人員不過問主設備設計制造，直到發電機運到電廠才發現繼電保護技術性能難以完善的局面。

5、12n“二次服從和服務于一次”不是最高原則，過份強調不利于工作，一次專業和二次專業工作人員、制造和運行人員應以“保證大型機組的安全運行”為大家遵循的原則，從電機制造到保護配置等環節保證設備的最大安全性。n應裝設必要的異常工況保護和有足夠靈敏度的長延時遠后備保護，但應力求簡化。13n為了慎重選定發-變組內部故障主保護方案，繼電保護設計人員應確切了解主設備內部故障時的電氣特征，為此電機生產廠家應向繼電保護設計或運行部門提供發電機的電磁設計資料，在充分分析計算內部故障的基礎上，提出發電機變壓器組的主保護方案和發電機中性點側引出方式、電流互感器安裝位置及其型號。14n主變高壓側相間短路后備保護以高壓母

6、線兩相金屬性短路的靈敏系數大于或等于1.2為整定條件。首先考慮過電流保護，如靈敏度不夠，改用一般簡易阻抗保護。不設振蕩閉鎖環節，以0.5-1.0s取得選擇性和避越振蕩，應用電壓回路斷線閉鎖和電流啟動元件。對自并勵發電機，應校核短路電流衰減對過電流或低阻抗保護的影響并采取相應技術措施。例如低電壓自保持的過電流保護、電壓控制的過電流保護或精確工作電流足夠小的低阻抗保護。15n微機型主保護與后備保護綜合在一起。對300MW及以上發電機和220KV及以上變壓器宜裝設包括主保護、后備保護和異常運行保護的兩套微機繼電保護裝置。每套各有單獨的直流電源和電流互感器、獨立的跳閘線圈出口，且在每套內實現輸入信息的

7、資源共享。16二、發電機三相定子繞組的結構對主保護配置的影響2TA1TAGTTU2TA1TAGT3TA3TA2TA1TA3TA1TATU2QU1QU2o1o1o2o1a2a1b2b1c2c1aan1b1cbncn接TU接TU(a)(c)(b)(d)圖1 大型發電機三相繞組結構(a)、(b)、(d) 汽輪發電機；(c) 水輪發電機17 三相定子繞組的結構問題，在這里主要是指發電機中性點側的引出方式，因為它與發-變組內部短路主保護方案密切相關，同時也與定子繞組每相并聯分支數有關。 目前國內300MW及以上的汽輪發電機大多為每相兩并聯分支，中性點僅引出三相的三個端子。作為發-變組內部短路主保護，普遍

8、采用發電機傳統縱差保護和發-變組縱差保護，這兩種保護方案對發電機定子繞組同相的匝間或層間短路和開焊（斷線）故障均無保護作用，更不要說大機組主保護的雙重化要求了。這種主保護的不安全、不完善狀況必須改進。圖1(a)即目前大機組的中性點側引出方式。 18 一種可能的改進方案是改變發電機中性點側的引出方式，如圖1(b)所示，將三相六個分支繞組分成兩組，其中一組（例如a1、b1、c1）僅將中性點o1引出，另一組（a2、b2、c2）三相端子同時引出，在機外接成第二中性點o2，o1與o2連接以便裝設單元件零序電流性橫差保護（互感器TA3），互感器TA1與TA2構成發電機不完全縱差保護。19 理論研究和實踐經

9、驗均已證明：高靈敏單元件零序電流型橫差保護具有發電機相間短路、匝間短路和定子繞組開焊的保護功能、構成簡單、靈敏度高，可作為各類發電機的第一主保護。不完全縱差保護改變了傳統縱差保護不反映定子繞組匝間短路和開焊故障的不足，成為發電機內部各種故障的第二主保護，方便地實現了大機組主保護的雙重化要求，大大提高了短路保護的技術性能，應予以推廣應用。必要前提是發電機中性點側應有四個引出端子，其中三個端子的電流僅為圖1(a)的一半，另一個為中性點，電機制造廠可以做到。20 300MW及以上水輪發電機每相并聯分支數有310個，國內外均已有在機內裝設中性點側所有分支繞組的電流互感器TA2和中性點o1、o2間的互感

10、器TA3的實例，如圖1(c)所示，相應的內部故障主保護完全實現了雙重化或更高的冗余度要求，這些主保護是：高靈敏零序電流型橫差、三元件裂相橫差、不完全縱差和傳統完全縱差。 21 某些大型機組保護的采用，不僅提高了保護性能還減少了對發電機組中性點引出端子的要求。如圖1(d)，由于保護方案的變更，完全不需要在發電機中性點側安裝各相或各分支電流互感器圖1(a)、(b)、(c)中的TA2，只裝設機端的TA1，這時發電機定子繞組內部短路主保護是：n第一主保護為高靈敏單元件零序電流型橫差保護；22n第二主保護為負序增量方向保護和縱向零序電壓保護。以上兩套主保護，除了發電機不與電力系統并列運行的孤立狀態下、機

11、端引線相間短路失去主保護外（尚有后備保護），其它工況下均有雙重主保護。實際上，所謂“失去主保護”的幾率是微乎其微的。 23 圖1(d)中在發電機與變壓器間增設了斷路器QF2，它有利于加快切斷QF1與QF2之間的短路電流，而且在發電機停機時保留廠用電源。此時，不應裝設發-變組縱差保護，否則發電機短路時將誤切QF1，失去選擇性。合理的設計應該是發電機和變壓器分別設置各自的短路主保護。24n國內已有500MW汽輪發電機（俄國進口）中性點側引出6個端子，它的最佳主保護方案是將圖1(b)的高靈敏單元件零序電流型橫差、三元件裂相橫差或不 完全縱差和發-變組不完全大縱差（發電機所有6個分支中性點側裝互感器）

12、以及變壓器的傳統縱差，由此構成發電機和變壓器（包括其間引線）內部故障的完善的多重主保護。25（三）關于定子繞組同相匝間或層間短路保護問題 近年來，從國外引進的大型發電機定子繞組大都不裝設匝間短路保護，只有俄羅斯的機組例外，但亦絕非歐美諸國均持統一意見，英國長期不裝設匝間短路保護，但根據運行經驗，70年代要求增設該保護（由原瑞士BBC提供縱向零序過電壓原理的匝間短路保護）。從日本進口的多臺發電機沒有匝間短路保護，但日本植木久之在其專著中卻據理說明發電機定子繞組裝設匝間短路保護的必要性。可見定子繞組不設匝間短路保護并非統一定論，26 只是因為國內匝間短路保護誤動作率太高，正確動作率太低（很少發生匝

13、間短路），暫時又沒有完善的匝間短路保護新方案和新裝置，才產生不用或取消此保護的想法。其實高靈敏零序電流型橫差保護、裂相橫差保護和不完全縱差保護就是很好的方案。 當有了完善的相間短路和匝間短路保護后，為定子單相接地保護不作用于緊急跳閘創造了有利條件，減少了汽輪發電機組非必要的保護動作停機，有利于大機組的安全。27（四）定子繞組單相接地保護問題 為解決好定子單相接地故障的保護問題，首先應注意發電機中性點的接地方式，使之滿足單相接地電流小于GB14285-93繼電保護和安全自動裝置技術規程2.2.4條規定的故障電流允許值（即安全電流） 100MW及以上的發電機，應裝設保護區為100%的基波和三次諧波

14、零序電壓型定子接地保護。當單相接地電流小于安全電流時，保護裝置帶時限動作于信號，反之則應動作于跳閘。如果發電機絕緣狀況不良或超期服役絕緣老化嚴重，保護可帶時限作用于跳閘停機。 28n對于特大型發電機，要求在啟、停機過程中至少保持有定子接地保護功能，可裝設外加20Hz或12.5Hz的100%定子接地保護裝置和基波零序電壓保護裝置。29（五）汽輪發電機轉子繞組兩點接地保護問題 一臺汽輪發電機的勵磁回路兩點接地故障，即使兩點接地保護正確動作并跳閘，也可能發生軸系和汽機部件的磁化現象，給機組盡快恢復正常運行帶來很大困難。對于轉子水內冷的汽輪發電機，由于轉子繞組漏水，造成勵磁回路的接地故障，不再是從一點

15、接地開始，隨后繼發第二點接地，而是一開始就是多點或一片勵磁繞組接地。對于這種形式的接地故障目前尚無成熟的保護裝置。 30n300MW及以上的汽輪發電機，應裝設一點接地保護。當一點接地保護動作后，應及時發出警報信號，盡快轉移負荷，實現機組的平穩停機，切勿認為一點接地無甚危害，不加處理，一旦再發生第二點接地故障，釀成大患，對大型汽輪發電機組極為不利。基于這種考慮，兩點接地保護就不再是必要的了。31（六）大型汽輪發電機變壓器組繼電保護配置方案的特點（根據三相繞組中性點側引出方式）n6個引出端。可裝設發電機不完全縱差保護、發-變組不完全縱差保護和高靈敏零序電流型橫差保護。這些保護對發電機定子繞組相間和

16、匝間短路均有保護作用，還可兼顧定子繞組分支開焊故障。32n4個引出端。即定子繞組為雙星形接線，其中一個星形接線繞組的三相端子引出機外，另一個星形繞組只引出它的中性點。它也可裝設發電機和發-變組不完全縱差保護，但兩套保護的中性點側電流互感器均在同一個星形接線的三相分支繞組中，其性能略低于中性點側6個引出端的方案。同時裝設高靈敏單元件零序電流型橫差保護。n2個引出端。即兩個星形接線繞組的中性點引出機外各相分支繞組均不引出，33 發電機主保護裝設高靈敏單元件零序電流型橫差保護和故障分量負序方向保護（微機型）或縱向零序電壓保護等。不能裝設發電機和發-變組的完全或不完全縱差保護。n3個引出端。即發電機三

17、相中性點側引出機外，不能裝設高靈敏單元件零序電流型橫差保護、裂相橫差保護和不完全縱差保護，只能裝設傳統的完全縱差保護反映相間短路，因此對匝間短路和分支開焊故障必須另設保護，對模擬式保護而言后者是比較困難的，一種可能的方案是增設微機型故障分量負序方向保護和/或縱向零序電壓保護。34（七）大型水輪發電機變壓器組 繼電保護配置方案的特點n水輪發電機的機內空間大，發電機中性點側的各分支互感器可以裝設在機殼內部或外部，可實現兩套不完全縱差保護、裂相橫差和高靈敏零序電流型橫差保護，國內外已有若干大型水電廠實現了這種保護配置方案，但近年來的發展是有目的地減少互感器數目。n沒有低頻保護。35n由于水輪發電機比同容量的汽輪發電機體積大，熱容量較大，轉子本體的