淺談同步發電機縱差保護

【摘 要】同步發電機經過多年運行，特別是在潮濕、高溫環境運行的發電機，其定子繞組絕緣降低，容易造成定子繞組短路故障，嚴重時可造成定子繞組相間短路，甚至使發電機著火。縱差保護可以保護同步發電機定子繞組內部短路故障，其動作的準確性，對發電機安全運行十分重要。下面介紹縱差保護的構成原理，分析實際應用中存在不平衡電流的影響，并舉例分析其工作過程。

【關鍵詞】同步發電機；縱差保護

1 縱差保護構成原理

同步發電機縱差保護是根據比較被保護發電機兩端電流的相位和大小而工作的。為了構成縱差保護，發電機的中性點側每相應有引出線，并且在該側以及發電機出線側均裝設型號和變比完全相同的兩組電流互感器，電流互感器的二次回路按環流法接線，略去不平衡電流，則在發電機正常運行及外部短路時，電流互感器的二次電流僅在其二次繞組回路內環流，接于差動回路的繼電器線圈內并無電流流過；而內部短路時差動繼電器內將通過很大的短路電流（二次值），使繼電器動作。由于差動保護不反應外部短路，故它不必與相鄰元件保護作時限上的配合，可以實現在全部保護范圍內的瞬時動作；但它也因此而不能同時作為下一元件的后備保護。同步發電機通常均裝設縱差動保護作為內部相間短路的主保護。

2 縱差保護存在的不平衡電流

在實際應用中，電流互感器的特性不可能完全一致，由于兩側電流互感器特性的不同，將在差動回路產生不平衡電流。這種特性上的差別主要表現在勵磁特性及勵磁電流不同。當一次電流較小時，這個差別的表現不明顯。當一次電流較大時，電流互感器的鐵芯開始飽和，于是勵磁電流開始急劇上升。由于兩電流互感器的特性不同，使鐵芯的飽和程度不同，所以勵磁電流上升的程度也就不同，這樣就會造成兩個二次電流的較大差別，于是在差動回路的繼電器中就有電流流過，這個電流就稱為不平衡電流。一次電流愈大，鐵芯愈飽和，這種特性差異造成影響就愈嚴重，差動回路中的不平衡電流也愈大。

暫態過程中的不平衡電流。由于差動保護是瞬時動作的，因此還需考慮在外部差動回路里出現的不平衡電流。在短路后的暫態過程中，短路電流中除周期性分量外，還含有按指數規律衰減的非周期性分量。非周期性分量的大小與短路瞬間電壓的相位有關，在最嚴重的情況下，即當電壓經過零值的瞬間短路時，短路電流周期性分量正好達到最大值（按系統的阻抗角為90°來考慮），這時出現的非周期性分量將最大，其最大值等于周期性分量的幅值。由于非周期性分量是一個逐漸衰減的直流分量，所以它很難傳變到二次側，而主要作為互感器的勵磁電流，使鐵芯進一步飽和，從而使差動回路不平衡電流大大增加，在最嚴重時鐵芯飽和得最利害，因而不平衡電流也最大。但是由于磁系統具有慣性，不平衡電流的最大值，將出現在短路時刻稍后的一瞬間。

綜上所述，在縱差動保護的差動回路中，出現不平衡電流是不可避免的，特別在外部短路時的暫態過程中，這種不平衡電流的數值可能會很大，為了保證保護動作的選擇性，差動繼電器的動作電流就必須躲開最大不平衡電流。目前除了采用型號、變比相同的D級鐵芯（差動保護專用）電流互感器外，主要是采用具有中間速飽和變流器的BCH型差動繼電器，這類繼電器能有效地躲開不平衡電流的影響。因而在發電機保護中得到廣泛應用。

3 BCH-2型發電機縱差保護簡介

BCH-2型繼電器是由一個具有三柱鐵芯的速飽和變流器，和一個由DL-11/0.2型電流繼電器構成的執行元件所組成。BCH-2型繼電器內采用了中間速飽和變流器，主要用以躲過不平衡電流中非周期性分量的影響。這種變流器的鐵芯截面小，容易飽和，故稱為速飽和變流器。當發生外部短路時，差動回路中的不平衡電流含有很大的非周期性分量。該非周期性分量變化緩慢，很難傳變到速飽和變流器的二次側，它所起的完全是直流助磁的作用。在外部短路時，不平衡電流中幾乎所有的非周期性分量及部分周期性分量電流從速飽和變流器一次繞組通過，此時由于變流器的鐵芯處于飽和狀態，不平衡電流的周期性分量也很少傳變到二次側繞組。所以在二次繞組中產生的感應電勢和電流都很小，繼電器不會動作。當發電機內部短路時，在差動回路亦即速飽和變流器一次繞組中流過的是短路電流（二次值），這個短路電流中雖也含有一定的非周期性分量，但它衰減得很快，一般經1.5~2周波即衰減完畢。此時，速飽和變流器的一次繞組中通過的完全是周期性的穩態短路電流，在這個周期性的短路電流的作用下，鐵芯中磁感應強度的變化量很大，于是在二次繞組中產生很大的感應電勢，通過繼電器線圈的相應電流也較大，從而使繼電器靈敏地動作。

BCH-2型發電機縱差保護的動作電流，應根據以下兩個條件來計算。

3.1 差動保護的動作電流應大于發電機的額定電流，以防止在二次回路斷線時保護的誤動作。即：Id .b=KKIF .e （Id .b—保護的動作電流[一次值]；IF .e—發電機的額定電流；KK—可靠系數）。

3.2 差動保護的動作電流應躲過外部故障時的最大不平衡電流。即：Id .b=KKIbp. zzzd （式中KK—可靠系數；Ibp. zzzd—外部故障時的最大不平衡電流)。最大不平衡電流可按下式算出：Ibp. zzzd=KfzqKtxfiIdl. zzzd （式中Kfzq—考慮非周期分量影響的系數，數值在1~2之間，對BCH-2型繼電器構成的差動保護，取Kfzq=1；Ktx—電流互感器的同型系數，其值為0.5~1，當兩側電流互感器的型號相同時，取Ktx=0.5；fi—電流互感器的最大相對誤差，按10%誤差的要求，取fi=0.1；Idl. zzzd—發電機外部三相短路時，流過保護的最大短路電流[周期分量]）。

差動保護的動作電流，應按式Id .b=KKIF .e 和Id .b=KKIbp. zzzd的計算結果中較大的一個值來整定。將保護的動作電流Id .b除以電流互感器的變比，便可求得差動繼電器的動作電流Id.f為： Id.f=Id .b/ni 。再根據繼電器的動作安匝數和計算出來的動作電流調整差動繞組Wc.d的匝數。Wc.d 的匝數可按下式計算： Wc.d=Awo/Id.f 式中Awo為BCH-2型繼電器的動作安匝數，其值應根據短路繞組抽頭的位置確定。差動保護的靈敏度，應按發電機出口短路時最小短路電流進行校驗，即其靈敏系數Kl=Idl. zzzx/(ni. Id.f ) 式中Idl. zzzx為發電機出口兩相短路時，流經差動繼電器的最小周期性短路電流。根據要求，差動保護的靈敏系數應不小于2。

4 結束語：

發電機縱差保護是發電機最常用的主保護。微機保護大量在現場運用，為保護不同動作特性和出口方式提供了有利條件，我們可根據自己的實際情況，以及靈敏度要求的側重點進行選擇。確保同步發電機運行安全。

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