纵差保护电路

近年来，随着电力系统规模的扩大，电压等级的升高，由于结构和制造上的 原因，发电机、变压器这些重要设备发生事故的次数也随之增加。

根据国家电力调度通信中心和中国电力科学研究院的全国调查脚，我国1995 —2002年IOOMW及以上发电机完全纵差保护在1998．2002年运行中共动作55次， 正确动作率仅为70．91％(39次)。误动的原因有运行维护不良、误接线，误整定和制造质量问题。

长期的运行经验表明差动保护是能灵敏区分区内和区外的故障的，当前其主 要矛盾仍集中在非故障情况下的电磁干扰如励磁涌流和内部故障的鉴别上。国内 外大量的科技工作者都在积极探索完善目前的差动保护原理，同时也探索和提出 了一些新的原理应用到差动保护中。

二、发电机纵差保护

1. 发电机故障和不正常运行状态

1）发电机定子绕组相间短路： 定子绕组相间短路会产生很大的短路电流，严重损坏发电机。应装设纵联差动保护。

2）发电机定子绕组匝间短路：匝间短路将出现很大的环流，使绝缘老化，甚至击穿绝缘发展为单相接地或相间短路，扩大发电机损坏范围。

3）发电机定子绕组单相接地：定子绕组单相接地是易发生的一种故障。单相接地后，其电容电流流过故障点的定子铁芯，当此电流较大或持续时间较长时，会使铁芯局部熔化。因此，应装设灵敏的反应全部绕组任一点接地故障的100%定子绕组单相接地保护。

4）发电机转子绕组一点接地和两点接地：转子绕组一点接地，由于没有构成通路，对发电机没有直接危害。再发生另一点接地，则转子绕组一部分被短接，会烧毁转子绕组，由于部分绕组短接，破坏磁路的对称性，造成磁势不平衡而引 起机组剧烈振动，产生严重后果。应装设转子绕组一点接地保护和两点接地保护。

5）发电机失磁：由转子绕组断线、励磁回路故障或灭磁开关误动等原因造成。这种故障不仅对发电机造成危害，而且对电力系统安全也会造成严重影响。应装设失磁保护。

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2.发电机纵差保护原理

纵差保护作用：反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。

纵差保护原理：比较发电机两侧的电流的大小和相位，它是反映发电机及其引出线的相间故障。发电机纵联差动保护的构成的两侧电流互感器同变比、同型号。

由BCH—2型继电器构成的发电机纵差动保护，其原理接线图如下：

发电机纵差保护原理接线图

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当发电机正常运行且发生外部故障时如图所示：

外部故障时电流流向

由图可知当发生外部短路时流经继电器的两个短路电流差接近为零（其实是不平衡电流，但是在设计继电器时会将不平衡电流躲过），所以继电器不动作。由线路上其它的继电保护装置动作切除故障。

当发电机发生保护区内故障时如图所示：

内部故障时电流流向

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由图可知当发生内部短路时流经继电器的电流为两个短路的和其值远大于继电器的整定电流，故继电器动作立即切除故障。 其中

——最大不平衡电流 ——为电流互感器的变比

3.发电机纵差动保护的整定计算

（1）动作电流的整定：纵差动保护的动作电流应按下面两个条件进行整定，取其中较大者作为差动保护的动作电流。 ①躲过外部短路电流时的最大不平衡电流，即

IactKrelIunb.max10%KrelKapKssIk.max/nTA

式中：10%——电流互感器的误差； Krel——可靠系数，取1.3

Kap——非同期分量系数，采用BCH—2型差动继电器时，取1；

Kss——同型系数，两侧电流互感器同型时，取0.5；

Ik.max——外部故障时由发电机供给的最大短路电流；

nTA——电流互感器的变比。

②为避免电流互感器二次回路断线时误动作，保护的动作电流应大于发电机的额定电流，即

IactKrelIN

（2）灵敏度校验：按单机运行时，发电机出口两相短路来校验差动保护的灵敏度，即

Ik.minKsen2 Iact式中：

Ik.min——发电机出口两相短路时，流经保护的最小两相短路电流。

（3）断线监视部分的整定：断线监视继电器KMN的动作电流，应按躲过正常运行的不平衡电流整定。根据运行经验，一般取

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Iact0.2IN的最大动作时限。

为防止外部故障时断线监视继电器误发信号，其动作时限应大于发电机后备保护

4、微机比率制动式纵联差动保护原理

微机比率制动式纵差保护仅反应相间短路故障。具有比率制动特性的差动保护的二次接线如图2所示。当差动线圈匝数Wd与制动线圈匝数Wres的关系为

时：差动电流：

制动电流： 式中：

， ，

——一次电流；

——二次电流；

na——电流互感器变比。

图 2 比率制动式差动保护原理接线图

差动保护的制动特性如图3中的折线ABC所示。图中，纵坐标为差动电流

Id，横坐标为制动电流Ires。

为了正确进行整定计算，首先应了解纵差保护的不平衡电流与负荷电流和外部短路电流间的关系。

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发电机纵差保护用的10P级电流互感器，在额定一次电流和额定二次负荷条件下的比误差为±3%。因此，纵差保护在正常负荷状态下的最大不平衡电流不大于6%。但随着外部短路电流的增大和非周期暂态电流的影响，电流互感器饱和，不平衡电流将急剧增大，实际的不平衡电流与短路电流的关系曲线如图3中的曲线OED所示。

图 3 比率制动式差动保护的制动特性

5、微机比率制动式纵联差动保护整定计算

发电机外部短路时，差动保护的最大不平衡电流由式(1)进行估算

(1)

式中：Kap——非周期分量系数，取1.5～2.0；

Kcc——互感器同型系数，取0.5； Ker——互感器比误差系数，取0.1；

——最大外部三相短路电流周期分量。

比率制动特性纵差保护需要整定计算以下三个参数：

1)确定差动保护的最小动作电流，即确定图3中A点的纵座标Iop.0为

(2)

式中：Krel——可靠系数，取1.5； Ign——发电机额定电流；

Iunb.0——发电机额定负荷状态下，实测差动保护中的不平衡电流。

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实际可取Iop.0＝(0.10～0.30)Ign／na，一般宜选用(0.10～0.20)Ign／na。如果实测Iunb.0较大，则应尽快查清Iunb.0增大的原因，并予消除，避免因Iop.0过大而掩盖一、二次设备的缺陷或隐患。

发电机内部短路时，特别是靠近中性点经过渡电阻短路时，机端或中性点侧的三相电流可能不大，为保证内部短路时的灵敏度，最小动作电流Iop.0不应无根据地增大。

2)确定制动特性的拐点B。定子电流等于或小于额定电流时，差动保护不必具有制动特性，因此，B点横坐标

Ires.0＝(0.8～1.0)Ign／na (3) 当Ires.0＞Ign／na时，应调整保护内部参数，使其满足式(3) 。

3)按最大外部短路电流下差动保护不误动的条件，确定制动特性的C点，并计算最大制动系数。

设C点对应的最大动作电流为Iop.max，其值为

Iop.max＝KrelIunb.max (4) 式中：Krel——可靠系数，取1.3～1.5。

C点对应的最大短路电流

动系数Kres.max按下式计算

与最大制动电流Ires.max相对应。C点的最大制

Kres.max＝Iop.max／Ires.max＝KrelKapKccKer (5) 式(5)的计算值为Kres.max＝0.15，可确保在最大外部短路时差动保护不误动。但考虑到电流互感器的饱和或其暂态特性畸变的影响，为安全计，宜适当提高制动系数值。图3中，取C点的Kres.max≈0.30。

该比率制动特性的斜率S为

(6)

根据上述计算，由A、B、C三点确定的制动特性，确保在负荷状态和最大外部短路暂态过程中可靠不误动。

按上述原则整定的比率制动特性，当发电机机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数一定满足Ksen≥2.0的要求，不必进行灵敏度校验。

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三、发电机纵差保护实例

发电机参数表一

厂、站名称 额定容量 额定功率 制造厂 次暂态电抗暂态电抗同步电抗xd 负序电抗x2 零序电抗x0 备注 XF*Xd\"Sb=0.14*100/158.8=0.88 Sn热电厂 158.8MVA 135MW 机号 型式 功率因数 #1、#2发电机 QF-135-2-13.8 0.85 投产日期 14% 23% 221% 15% 6.1% Sb－取系统最大阻容量为100MVA，Sn=158.8MVA。

1、保护所用互感器：

发电机机端TA： 6LH 8000/5A Y接线 5P20 发电机中性点TA： 1LH 8000/5A Y接线 5P20 2、发电机出口二次额定电流Ign.2f

发电机一次额定电流Ign=(Pn/COSø)/√3Uf1n

=13500/(0.85×1.732×13.8)=6645（A）

式中：Pn为发电机额定容量；COSø为发电机功率因数；Uf1n为发电机机端额定电压。

Ign.2f＝Ign/na=6645/（8000/5）=4.153（A）

3、基 本 整 定：

1）按照发电机外部短路时差动保护的最大不平衡电流整定：

式中：Kap——非周期分量系数，取1.5～2.0；

Kcc——互感器同型系数，取0.5； Ker——互感器比误差系数，取0.1；

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——最大外部三相短路电流周期分量。 na —互感器变比

发电机出口最大短路电流的计算，取系统最大运行方式，同时有另一台机组在运行：a、为了简化计算,网络化简,求综合正序阻抗X1∑2

阻抗变换如下图4：

b、求各电源的转移阻抗：

系统对d2点转移阻抗为Xczy=0.0150.0830.0830.015=0.1053

0.0880.083F1对d2点转移阻抗为Xf1zy=0.088

F2对d2点转移阻抗为Xf2zy=(0.0880.083)0.083(0.0880.083)0.088=1.257

0.015c、由转移电抗求各电源的计算电抗：

100＝0.1053 1001350.85Xf1js=0.088×=0.14

1001350.85Xf2js =1.257×=1.996

100Xcjs =0.1053×

d、周期分量的有效值如下：

d2点三相短路各电源供给的短路电流周期分量有效值（Iz）表二 发电机F1 发电机F2

额定电流（kA） 计算式 158.8/（3×13.8） 158.8/（3×13.8） - 9 -

短路电流Iz（kA） 计算式 6.645×I*=6.645×0.14 电流值 47.46 电流值 6.645 6.645 6.645×I*=6.645×1.996 79.57 系统Sc 100/（3×13.8） 4.184 合计（kA） 4.184×I*=6.645×4.184 39.74 166.77 最大不平衡电流:依整定计算导则, Iunb.max=Kap·Kcc·Ker·I (3)k.max/n,许继厂家建议最大不平衡电流不考虑同型系数:

Iunb.max=Kap×Ker×Ik.max

=2×0.1×79.57KA=15.91（KA） 4、差动电流起动定值Id.op.min的整定：

(1)、Id.op.min为差动保护最小动作电流值；应按躲过正常发电机额定负载时的最大不平衡电流整定（二次），即:

Id.op.min =Krel×2×0.03×If2n=1.5×2×0.03×4.153=0.37（A） （2）、依整定计算导则:实际可取(0.1～0.3)If2n, 许继厂家建议取：0.2～0.3；

当一次电流小于1.2倍互感器额定电流时,误差不超过±3%,因此按工程经验取为0.3If2n；

则: Id.op.min =0.3×If2n=0.3×4.153=1.25（A） 取：1.0A； 式中：If2n—发电机二次额定电流；

Krel—可靠系数取：1.5；

5、最小制动电流或拐点电流Ires.0

Ires.0＝(0.8～1.0)Ign／na

＝0.8×4.153=3.32(A) 取:2A

6、比率制动系数的整定

(1)、最大的动作电流Id.0P.max计算。按躲过区外短路时最大动作电流的计算 Id.0P.max≥Iop.max／Ires.max＝KrelKapKccKer ×IK.max/nTA =1.5×2×0.5×0.1×IK.max/nTA

=0.15×1.05×Ign.2f/ xd”

=0.15×1.05×4.15/0.14=4.67(A)

IK.max==1.05/ xd”=7.5, xd”=0.14

(2)制动系数斜率S的理论值计算。区外最大短路电流的相对值为

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IRes..max = IK.max* =7.5 斜率比率差动最大斜率：

=(0.15×7.5-0.37)/(7.5-3.32)=0.181 厂家建议取:S=0.5，故取：S=0.5。 7、灵敏度校验

按上述原则整定的比率制动特性，当发电机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数一定满足Ksen≥2,即：

按发电机端两相金属性短路时计算,根据计算最小短路电流(d2点) I (2)d.min和相应的制动电流Ir,在动作特性曲线上查得对应的动作电流Id,则灵敏系数为：

Ksen=I (2)d.min/Id.op=25.67/5.42=4.736>2 灵敏度满足要求。 式中:

I (2)d.min=√3/2×1/ xd”=0.866×1/0.14×4.153=25.67(A) Id.op=S(Ires- Ires.0)+ Id.op.min=S(0.5I (2)d.min- Ires.0)+ Id.op.min =0.5(0.5I (2)d.min- Ires.0 )+ Id.op.min =0.5(0.5×25.67-2)+1=5.42(A)

四、变压器纵差保护

1.变压器纵差保护原理

变压器的纵联差动保护原理同发电机的纵差保护原理是一样的，是通过比较变压器各侧的电流的大小和相位而构成的保护。不同的是变压器纵差动保护具有一些特点：

（1）由于变压器两侧的额定电压不同、两侧电流互感器的型号不同、饱和特性和励磁电流也不同使得两侧电流互感器型号不同产生的不平衡电流所以在进行整定计算时，引入同型系数。

（2）由于电流互感器选用的是标准化变比，电流互感器的计算变比与实际变比不同使得计算变比与标准变比不同产生的不平衡电流，所以要采用自耦变流器，或利用差动继电器的平衡线圈予以补偿。

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（3）由于调整分接头实际上就是改变变压器的变比，其结果破坏了电流互感

器二次电流的平衡关系，产生了新的不平衡电流。所以要提高保护动作电流，即在整定计算时，引入调压系数。因为变压器有如此纵联差动保护特点，所以变压器的纵联差动保护原理接线图如下：

当变压器正常运行且发生外部故障时如图所示：

由图可知当发生外部短路时流经继电器的两个短路电流差接近为零（其实是不平衡电流，但是在设计继电器时会将不平衡电流躲过），所以继电器不动作。

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由线路上其它的继电保护装置动作切除故障。

当变压器发生保护区内故障时如图所示：

由图可知当发生内部短路时流经继电器的电流为两个短路的和其值远大于继电器的整定电流，故继电器动作立即切除故障。且当内部短路时，无论是单电源，还是双电源，保护都能正确测量到短路点电流。

2.变压器的纵差保护的整定计算

（1）纵差动保护起动电流的整定

①躲开电流互感器二次回路断线时差动回路的电流。在正常运行的情况下，如果某一侧电流互感器的二次回路发生断线故障，差动回路中将有负荷电流流过，为防止保护误动作，其启动电流应大于变压器的最大负荷电流ILmax。当负荷电流不能确定时，可采用变压器的额定电流IN。引入可靠系数Krel（一般取1.3）则保护装置的起动电流为

IactKrelIL.max

②躲开保护范围外部短路时的最大不平衡电流Iunb.max，即保护装置的起动电流应为

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IactKrelIunb.max

③躲开变压器的励磁涌流。当变压器的纵差保护采用波形鉴别或二次谐波制动的原理构成时，它本身就具有躲开变压器的励磁涌流的性能，所以无需再另做考虑；当采用具有饱和铁芯的差动继电器时，虽然可利用励磁涌流中的非周期分量使铁芯饱和来避越励磁涌流的影响，但根据运行经验，差动保护的起动电流仍需躲过变压器的额定电流，即

IactKrelIN

上述计算中最大者作为变压器纵差保护的起动电流。 （2）纵差保护灵敏系数的校验

变压器的纵差保护的灵敏系数可按下式进行校验

Ik.minKsenIact

式中Ik.min应采用保护范围内部短路时，流过差动回路的最小短路电流。按照要求，灵敏系数不应低于2.当灵敏系数不能满足要求时，则需要采用具有制动特性的差动继电器。

应当注意的是，即使灵敏系数能够满足要求，但对变压器内部的匝间短路、轻微故障等情况，纵差动保护往往也不能迅速二灵敏地动作。运行经验表明，在此情况下，常常都是瓦斯保护首先动作，然后待故障进一步发展，差动保护才动作。

四、变压器差动保护实例

一台双绕组降压变压器，容量为20MVA，电压比为11022.5%/11kv，Yd11接线，Uk=10.5%，归算到平均电压10.5kv的系统最大电抗和最小点抗分别为0.44和0.22,10kv侧最大负荷电流为900A。 1.确定基本侧电流

（1）变压器一次额定电流

1）110KV侧：

IN

201033110105A

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2）11KV侧：

IN201033111050A

[注:求额定电流应用变压器实际额定电压] （2）电流互感器变比：

1)110KV侧计算变比及选用变比

nTAcal3105250 ; 选用 nTA 55[注：3是由于变压器高压侧采用星形接线] 2）11KV侧： 10501250； 选用 nTA nTAcal55(3) 电流互感器二次电流 1）110KV侧：

I2N3105181.863.6A

250/550[注：3为接线系数] 2）11KV侧： 1050I2N4.2A

250名称 额定电压（KV） 额定电流（A） 变压器接线 电流互感器接线 电流互感器计算变比 电流互感器实际变比 二次电流(A) 一次侧数值 110 20000/(3110)105 二次侧数值 11 20000/(311)1050 Y △ 1053 5△ Y 1050 5250 531053.6 250/51250 510504.2 250所以，选用变压器低压侧作为基本侧 [注：选用二次电流大的一侧作为基本侧]

(4)求低压母线三相短路归算到基本侧的短路电流

Xsmax0.44

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Xsmin0.22

2Ud%UT10.510.52XT0.579

100SN10020I(3)dmax101033(0.220.579)7226A

2.基本侧动作电流计算值确定 （1）按躲过外部短路条件：

IOPKrel(Iunb.TAIunb.uIunb.ph)

IOP1.3(10.10.050.05)722618798A1880A Krel------可靠系数，取为1.3；

Iunb.TA-----两侧电流互感器电流误差引起的不平衡电流； Iunb.u-----变压器调分接头引起的不平衡电流；

（2）按躲过励磁涌流：

IOPKrelIN.T

IOP1.310501365A

（3）按CT二次短线条件：

IOPcal1.39001170A

选一次计算动作电流：

IOPcal1880A

[注：计算动作电流应取条件的最大值。] 3.校验灵敏度：

在6.6KV侧两相短路最小短路电流为：

I(2)dminE33101034907A 23(XsmaxXT)23(0.440.579)归算至110KV侧的短路电流为： 100005Idmax435A

115[注：因电源在高压侧，所以单电源变压器求灵敏度系数时，应归算至电源侧。] 110KV侧流入继电器的电流为

IT

343515.07A15.1A 50- 16 -

11KV侧继电器动作电流：

60IOPr7.5A

8保护的灵敏度为

Ksen15.1/7.52.01>2

满足要求。

五、参考文献

[1].高春如.大型发电机组继电保护整定计算与运行技术（第二版）中国电力出版社.2010

[2].李火元.电力系统继电保护(非继电专业适用).高等教育出版社 .2009 [3].张保会，尹项根. 电力系统继电保护(第二版).中国电力出版社.2010 [4].陈珩. 电力系统稳态分析(第二版).中国电力出版社.2010

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