刘婧芳
（1.五凌电力有限公司，湖南 长沙 410004；
2.湖南省水电智慧化工程技术研究中心，湖南 长沙 410004）
发电机纵联差动保护作为发电机主保护，能反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，其动作后果往往体现为跳出口断路器、停机、灭磁、闭锁电气制动等，保护的正确整定和可靠动作对发电机安全稳定运行具有重大意义。
在整定计算和校验准确的基础上，发电机中性点及机端CT作为纵联差动保护用的主要元件，要求能够正确传递一次侧电流，其型式和参数选择、两侧特性匹配直接决定了差动保护动作可靠性。近年来电力系统不断发展，在部分设备改造后，在同一套保护中可能存在不同特性电流互感器混用的情况，给实际应用增加了不确定因素。
2.1 工程背景
某电厂共3台水轮发电机组，1号机组与1号主变组成单元接线接入110 kV母线，2号、3号机组与2号主变组成扩大单元接线接入110 kV母线，110 kV母线采用单母线分段形式，通过两条出线与系统相连，其中A线路经过甲、乙、丙3个变电站，B线路直接接入甲变电站，其接线简图如图1所示。
图1 电厂接线简图
2.2 系统参数
2.2.1 系统阻抗
在实际运行过程中，最大方式为：3台机组全开，X1=0.329 7X0=0.318 9；
最小方式为：1台机组运行，X1=0.158 4X0=0.774 7。
2.2.2 发电机额定参数
以2号机组为例的发电机额定参数见表1所示。
表1 2号发电机额定参数
2.2.3 变压器额定参数（见表2）
表2 变压器额定参数
2.2.4 发电机纵差保护用CT参数（见表3）
表3 发电机纵差保护用CT参数
2.2.5 标幺值计算
2号发电机（1号、3号发电机相同）：
1号主变压器
2号主变压器：
2号励磁变压器（1号、3号励磁变相同）：
根据一次设备阻抗标么值绘制电厂机组综合阻抗图如图2所示。
图2 电厂综合阻抗图
2.3 纵联差动保护参数计算
该电厂机组采用的纵差保护特性如图3所示，为变斜率比率差动保护，其需整定的典型参数有：启动电流Icdqd、速断电流Isd、差流报警、起始斜率Kbl1、最大斜率Kbl2。
图3 变斜率比率差动保护制动特性
计算过程中所采用基准数值如表4所示。
表4 整定计算基准数值
2.3.1 启动电流Icdqd整定
发电机二次额定电流：
式中：Ief：发电机一次侧额定电流；
n：发电机纵差保护用电流互感器变比。
依据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》，启动电流Icdqd整定，应躲过发电机正常额定负载运行时的最大不平衡电流，即
式中：Ie：发电机二次侧额定电流；
Krel：可靠系数，对于10P型电流互感器取1.5。
理论上差流Id＞0.09Ie即可启动，所以取差流报警0.1Ie。
为确保发电机在正常负荷运行时，保护不因不平衡电流而产生误动作，在实际运用中必须适当提高启动电流。发电机内部短路时，机端或中性点的三相短路电流可能不大，为确保内部短路的灵敏度，启动电流也不能无根据地增大。考虑保护装置通道调整误差，同一母线上其他机组投运冲击以及区外故障切除后制动电流减小，两侧CT特性差异等原因，依整定计算导则及厂家推荐值，实际可取(0.2～0.3)Ie，则取Icdqd=0.2Ie=0.893 6 A。
经发电机投运带额定负荷实测纵差保护中的不平衡电流较小，满足Icdqd＞Krel×2×0.03Ie，无需再对定值进行修正。
2.3.2 比率制动斜率Ks整定
（1）变斜率比率差动起始斜率Kbl1
式中：Krel：发电机可靠系数，取1.5；
Kcc：互感器同型系数，取0.5；
Ker：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系数，实际选取通常以电流互感器的10%误差曲线为依据，取0.1；
Kbl1起始比率差动斜率定值范围0～0.1，取：Kbl1=0.1。
（2）变斜率比率差动最大斜率Kbl2
最大不平衡电流Iunb.max计算：
式中：I(3)K.max：发电机最大外部三相短路电流周期分量二次值，小于4倍额定电流时取4倍额定电流值；
Kap：非周期分量系数，一般取不小于2.0；
Ker：互感器比误差系数，取0.1。
由上述计算可知，在外部最大短路电流下，发电机的最大不平衡电流较小，在斜率为0.2就可以制动，为保证可靠性，根据厂家说明书推荐整定为Kbl2=0.5。
灵敏系数校验: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。
2.3.3 速断电流Isd整定
按躲过机组非同期合闸产生的最大不平衡电流整定，最大不平衡电流Iunb.max为：
当设备内部发生严重故障时，会产生很大的短路电流，需要采用速断保护加速出口跳闸。数字式保护装置的差动速断电流通常整定为额定电流一定倍数,根据厂家说明书推荐整定为Isd=4Ie。
灵敏系数校验：按发电机正常运行机端两相金属性短路进行校验。
灵敏系数不满足要求，故取Isd=3Ie。
灵敏系数校验：按发电机正常运行机端两相金属性短路进行校验。
灵敏系数满足要求。
至此，2号机组纵联差动保护关键参数可确定为：启动电流Icdqd=0.2Ie、速断电流Isd=3Ie、差流报警=0.1Ie、起始斜率Kbl1=0.1、最大斜率Kbl2=0.5。
3.1 事件经过
事件发生前，电厂主设备运行方式为：1号机组备用、2号机组运行、3号机组检修，1号、2号主变运行，110 kV母线联络运行，110 kV两条出线A线热备用、B线运行，厂用10.5 kV、厂用400 V分段运行正常。各类保护、监控、自动装置等二次设备运行正常。
与发电厂110 kV送出线路B线相联络的甲变电站，某条10 kV送电线路电流Ⅰ段保护动作，重合不成功跳三相，发电厂2号机组差动保护动作，导致一般事故停机，各类辅机出现电源消失动作信号、随后复归，事后查明故障根本原因为该10 kV线路002号杆C相跳线烧断。
调取故障录波信息查看发现，在2号发电机差动保护动作前，系统电压由116 kV突降至76 kV，机组励磁系统检测到电压降低后，启动强励，系统电压突降，因此机组辅机系统报电源消失。
10 kV线路一般采用电流速断、过电流及三相一次重合闸构成，单相断线时，没有对应的保护可以直接动作出口将线路切除。本次故障在机组停机解列前可分为两个阶段：①系统侧某10 kV线路C相单相断线故障；
②该线路电流I段保护动作，重合不成功，引起三相跳闸。由此两阶段可能对应产生的异常信号有：①C相单相断线故障，引起C相相电压一相升高，其他两相电压降低，C相电流降为零，产生负序电流，启动过电流保护；
②110 kV甲变电站某10 kV线路断开，10 kV侧阻抗增加，导致110 kV系统电压降低。因此，发电厂2号机组不应该由于外部故障差动保护动作出口停机。
3.2 机组差动保护动作原因分析
3.2.1 排查经过
2号机组差动保护动作停机后，现场初步检查机组停机正常，无明显故障点，灯泡头内无烧焦异味等异常现象。专业人员确认2号机组差动保护动作电流为1.33Ie，大于保护动作定值，排除监控、通信方面信号异常的可能。完成机组差动保护补充检验、二次控制回路试验，完成发电机定子耐压、直阻测量试验，完成励磁变耐压、直阻测量试验，数据均无异常。
继电保护专业人员开始进行2号发电机差动保护用两组CT伏安特性试验，见表5、表6所示，对比历史数据，未发现明显异常。
表5 发电机机端CT励磁特性数据
表6 发电机中性点CT励磁特性数据
3.2.2 差动保护动作原因分析
咨询调度得知，与电厂110 kV系统直接联络的甲变电站某10 kV线路C相断线。由于系统冲击，发电厂110 kV母线电压发生波动。
由图4可以看出，发电机差动保护装置启动时，穿越故障电流较正常运行电流大，虽然故障录波信息不能直接反应出直流分量变化，但从发电机差流波形可以合理推测，外部故障的暂态过程中一次侧电流中含有非周期分量及谐波等暂态分量。差动保护区外故障引起发电机电流的直流分量迅速增加且较慢衰减，从表5、表6可以看出，发电厂2号机组中性点侧CT受故障电流直流分量影响，导致 CT发生暂态饱和，测值与机端CT测值产生差流，保护两侧CT特性不一致增大了不平衡电流，两侧饱和程度不同步，导致差动电流逐渐增加，制动电流逐渐减少，在56.666 ms后达到保护动作定值出口，差动保护动作停机，从而造成外部故障时差动保护误动的情况。尽管该机组采用比率制动差动保护，能够在一定程度上消除不平衡电流的影响，但主要是用来应对稳态不平衡电流，对于暂态饱和引起的不平衡电流制动能力相对较弱。
图4 2号发电机差动保护启动时故障录波信息
进行发电机变斜率比率差动保护的定值整定，一方面要结合继电保护、电流互感器相关规程，参照厂家建议及设备装置说明书，另一方面也应考虑实际系统运行中，正常情况下可能出现的最大不平衡电流，按照保护整定计算导则，准确考虑问题分析计算，对关键参数科学整定、合理校验，才能明确动作区、速断动作区、制动区的划分。
随着用电负荷增加与电网结构变化，对于早期投产的机组来说，其所在网络系统阻抗可能发生变化，最大不平衡电流也随之改变。所以在设备改造项目中，除了对差动保护关键参数进行修订，其重要元件电流互感器也应慎重选择。
保护用电流互感器应采用具有适当特征和参数的互感器，对于差动保护应考虑选用相同型号和相同参数的，使发电机两侧差动保护用电流互感器励磁特性匹配。在实际应用时，影响电流互感器饱和的因素很多，包括一次系统短路容量、运行工况和二次回路阻抗等，不同类型的电流互感器也因材料特性和结构设计等差异表现出不同的饱和特性。对于电流互感器饱和造成的差动误动问题，目前主要有两种解决思路：一是改进电流互感器暂态性能或合理选择其类型，二是改进算法识别二次电流的饱和特征，并采取相应措施。进而确保实现发电机内部相间故障时，纵差保护能可靠动作；
而保护区外部故障时，差动保护不会误动作。