发电机差动保护分析

(神华国能重庆发电厂，重庆 400053)

1 比率差动保护基本原理

差动保护是比较各侧电流的大小和相位，目前国内绝大多数发电机都采用比率制动特性的差动保护作为定子绕组相间短路的主保护。

动作判据：

(1)

2 差动回路中的不平衡电流

2.1 区外短路时的最大不平衡电流

理论计算公式为

(2)

式中：Kaper为非周期分量系数，一般取1.5～2；Kst为TA同型系数，同型取0.5，不同型取1；fi为两侧TA的幅值之间误差10%；Ik.out.max指外部最大短路电流的工频分良。

在发电机机端差动保护区外发生短路，发电机两侧一次电流完全一样，经过电流互感器变换以后，两侧TA特性和饱和程度的不同造成二次电流也不一样，而且短路电流越大，TA饱和越严重，不平衡电流越大。

在此短路电流下，两侧电流互感器各自都要产生负误差，即如果一侧TA误差按0%计算，另外一侧TA误差按-10%计算，那么它们误差之差的最大值就是10%，这里的fi不能理解成电流互感器误差为10%。另外考虑到发电机两侧TA是否同型，还要引入同型系数Kst。

区外短路产生的短路电流在暂态过程中一定会包含有非周期分量的，也就是衰减的直流分量，这些谐波分量也会使互感器饱和，也要产生误差，因此我们还要考虑非周期分量系数。

通过分析可知，在外部短路时差动回路中有很大的不平衡电流，要使差动保护不误动，动作值应大于此不平衡电流，以前的差动保护就是按照这样整定的，灵敏度就很低，所以现在都采用比率制动特性的差动保护。

2.2 正常运行时的不平衡电流

国标规定，正常运行时，5P级电流互感器误差不得超过±1%，10P级电流互感器误差不得超过±3%，如果超出了这个范围，这种互感器绝对不能使用，因此发电机正常运行时两侧TA误差之差不会大于6%，这个误差是由TA二次侧匝数在制造时的不精确造成的。另外考虑到保护装置采样通道的误差之差为2%，所以发电机正常运行时差动回路的不平衡电流理论上最大为8%Ige左右。

3 关于整定计算的问题

多数继电保护专业人员认为，只要保护整定值在国家颁发的大型发电机变压器继电保护整定计算导则(DL/T 684—2012)范围之内就可以了，这是一种不负责任的工作态度，国家颁发的导则只是适用大多数情况下的基本标准，必须要结合到现场实际来灵活处理。

3.1 门槛值(最小动作电流)

DL/T 684—2012整定导则要求，差动保护门槛值躲过发电机正常运行时的最大不平衡电流，取0.2～0.3倍的额定电流。但绝大多数电厂为了防止区外短路保护误动，门槛值都取0.3 Ige甚至更大。经不完全统计，实际上发电机在正常运行时差动不平衡电流都不超过0.05 Ige，再考虑可靠系数2倍以后才只有0.1 Ige,这是其一；其次，前面分析过正常运行时的不平衡电流为0.08 Ige左右，再考虑可靠系数2倍以后才只有0.16 Ige。因此，现在很多电厂把门槛值都整定为0.3 Ige。

国内某电厂专业人员在整定计算时为了防止区外短路误动，错误地认为只要在机端差动保护区内发生两相短路时满足灵敏度就可以了，把门槛值取为高限值0.4 Ige，片面强调不误动而忽略了保护灵敏度。2004年5月该厂一台发电机在满负荷运行时因差动保护动作停机，事后检查时发现，在发电机中性点附近发生了匝数很少的相间短路，定子绕组和铁芯损坏非常严重，差动保护动作速度如此快，可为什么还会产生这么严重的后果？分析发现，由于相间短路匝数少，故障初期差动电流不是很大，而门槛值整定太高，保护的灵敏度不高，所以故障就只有发展到差动保护能够动作为止，这时发电机定子绕组已经严重损坏，修复十分困难。

从以上分析可以看出，发电机差动保护门槛值一定要根据发电机正常运行时差动不平衡电流的实测数据来确定，在确保正常时不误动的情况下，尽可能提高保护灵敏度，门槛值无根据的增大是完全没有必要的，毕竟发电机差动保护主要作用是能快速地对故障产生反应，而不是防止误动，整定时不能完全照搬导则上规定的0.2～0.3 Ige。

3.2 拐点值(最小制动电流)

比率制动的差动保护不但可以提高保护灵敏度，而且还可以很好地防止在区外短路时保护的误动。拐点值表示的意思就是当区外短路制动电流(即穿越性电流)较大时，电流互感器可能要饱和(并且穿越性电流越大，差动不平衡电流就越大)，要产生较大的不平衡电流，保护可能要误动，为防止保护误动，差动电流动作值自动按照比率增大。

实际上，最小制动电流应该是按照保护用的电流互感器额定电流来确定(因为只有电流超过了其额定值时电流互感器才可能饱和)，但是为了防止区外故障保护误动，把拐点提前了，一般都是按照发电机的额定电流Ige来确定(电流互感器额定电流比发电机大)，现在整定导则要求最小制动电流范围取0.7～1 Ige，更可以保证在区外故障时保护不误动，随着拐点电流的减小，动作区也减少了，保护的灵敏度也降低了。

那么最小制动电流是该怎么取才合适呢？目前发电机差动保护所用TA有两种：P级和TP级。TP级电流互感器铁芯中有气隙，暂态饱和能力强，在外部短路的暂态过程中不饱和或者基本不饱和，所产生的不平衡电流小，对于采用TP级TA的发电机差动保护最小制动电流就应该取大一点，比如1 Ige，而对于采用P级TA的就相对取小一点，比如0.8 Ige。

3.3 制动系数

工程中一般通过计算得到的制动系数S都小于0.3，为防止误动，大型发电机变压器继电保护整定计算导则(DL/T 684—2012)要求S=0.3～0.5，制动系数可以适当提高，一般整定成0.4为宜。

4 调试检修中的主要事项

绝大多数的发电机差动保护误动是由工作人员的“三误”造成的。

4.1 电流互感器极性问题

极性接反造成差动保护误动的事情时常发生，很多工作人员只是把二次侧接线对调，根本不去考虑是什么原因造成差动保护误动，这是我们继电保护人员的大忌，否则今后还要出问题。差动保护所用TA二次侧接线究竟是正引出还是反引出，必须要结合保护装置差动计算公式和TA一次设备的安装方向来确定，离开这两个条件来谈极性接线是否正确是没有用的，提高技能是解决问题的关键所在。

4.2 电流互感器中性点重复接地问题

反事故措施要求差动保护所用TA二次只允许一点接地。对于微机保护，接地点可以在保护室，也可以在就地端子箱，经常会出现在两侧都接地的情况下。在正常情况下可能安然无事，一旦发生一次系统接地故障或者雷击产生地电流造成两接地点有电位差，将引起差动保护误动。因此，这类问题的检查在每次隐患排查时必须认真执行，采用对电流回路绝缘检查的方法能够很好发现是否有重复接地现象。

4.3 误整定

误整定是继保人员的大忌。每次保护校验整定时经常会出现某整定值或者控制字输入错误，造成该保护功能失效。严格执行继电保护复核制度，是杜绝误整定的重要措施。

4.4 TA断线闭锁差动保护问题

以前基本上都采用断线后闭锁差动保护，现在随着发电机机组容量越来越大，其额定电流最大达到20 000 A甚至以上，加上所用TA变比非常大，二次侧开路除了产生上万伏电压烧坏TA以外，甚至会引起主厂房电缆着火的恶性事故，除了差动保护能够反应以外，其他保护都不能反应。因此现在已有一个共识，整定时TA二次断线都采取不再闭锁差动保护，继电保护反措也是这样规定的。

4.5 误接线问题

2014年8月，河南某电厂曾经发生过这样一件事：该厂双机正常运行时，某线路发生单相接地故障，引起其中一台发电机差动保护(A柜)动作造成非停。事后工作人员对保护装置、二次控制回路、电流回路、定值做了全面的检查，都没有发现问题，最后通过对故障录波采集的数据进行详细的分析后得出中性点侧TA有饱和情况的发生，进一步检查发现B相TA保护级和测量级接反了，这造成区外短路中性点侧测量级TA饱和差动电流增大而误动。如果没有发生区外故障，这种接线错位可能永远不会被发现。工程中，如果保护和测量的TA用反了，在正常运行时将会造成计量不准，区外故障保护误动以及区内故障保护灵敏度降低。因此，继电保护工作必须认真仔细，兢兢业业，来不得半点马虎。

5 结语

要想发电机差动保护正确动作，除了让发电机具有高品质的保护装置以外，更重要的是工作人员要对其进行精心运维和正确的整定计算，在防止误动的前提下提高保护灵敏度是我们专业人员必须具有的基本技能，只有加强对保护理论的学习和提高实际操作技能，才能杜绝继电保护“三误”事件的发生，才能确保机组安全稳定地运行。