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【摘 要】同步发电机经过多年运行，特别是在潮湿、高温环境运行的发电机，其定子绕组绝缘降低，容易造成定子绕组短路故障，严重时可造成定子绕组相间短路，甚至使发电机着火。纵差保护可以保护同步发电机定子绕组内部短路故障，其动作的准确性，对发电机安全运行十分重要。下面介绍纵差保护的构成原理，分析实际应用中存在不平衡电流的影响，并举例分析其工作过程。
【关键词】同步发电机；纵差保护
1 纵差保护构成原理
同步发电机纵差保护是根据比较被保护发电机两端电流的相位和大小而工作的。为了构成纵差保护，发电机的中性点侧每相应有引出线，并且在该侧以及发电机出线侧均装设型号和变比完全相同的两组电流互感器，电流互感器的二次回路按环流法接线，略去不平衡电流，则在发电机正常运行及外部短路时，电流互感器的二次电流仅在其二次绕组回路内环流，接于差动回路的继电器线圈内并无电流流过；而内部短路时差动继电器内将通过很大的短路电流（二次值），使继电器动作。由于差动保护不反应外部短路，故它不必与相邻元件保护作时限上的配合，可以实现在全部保护范围内的瞬时动作；但它也因此而不能同时作为下一元件的后备保护。同步发电机通常均装设纵差动保护作为内部相间短路的主保护。
2 纵差保护存在的不平衡电流
在实际应用中，电流互感器的特性不可能完全一致，由于两侧电流互感器特性的不同，将在差动回路产生不平衡电流。这种特性上的差别主要表现在励磁特性及励磁电流不同。当一次电流较小时，这个差别的表现不明显。当一次电流较大时，电流互感器的铁芯开始饱和，于是励磁电流开始急剧上升。由于两电流互感器的特性不同，使铁芯的饱和程度不同，所以励磁电流上升的程度也就不同，这样就会造成两个二次电流的较大差别，于是在差动回路的继电器中就有电流流过，这个电流就称为不平衡电流。一次电流愈大，铁芯愈饱和，这种特性差异造成影响就愈严重，差动回路中的不平衡电流也愈大。
暂态过程中的不平衡电流。由于差动保护是瞬时动作的，因此还需考虑在外部差动回路里出现的不平衡电流。在短路后的暂态过程中，短路电流中除周期性分量外，还含有按指数规律衰减的非周期性分量。非周期性分量的大小与短路瞬间电压的相位有关，在最严重的情况下，即当电压经过零值的瞬间短路时，短路电流周期性分量正好达到最大值（按系统的阻抗角为90°来考虑），这时出现的非周期性分量将最大，其最大值等于周期性分量的幅值。由于非周期性分量是一个逐渐衰减的直流分量，所以它很难传变到二次侧，而主要作为互感器的励磁电流，使铁芯进一步饱和，从而使差动回路不平衡电流大大增加，在最严重时铁芯饱和得最利害，因而不平衡电流也最大。但是由于磁系统具有惯性，不平衡电流的最大值，将出现在短路时刻稍后的一瞬间。
综上所述，在纵差动保护的差动回路中，出现不平衡电流是不可避免的，特别在外部短路时的暂态过程中，这种不平衡电流的数值可能会很大，为了保证保护动作的选择性，差动继电器的动作电流就必须躲开最大不平衡电流。目前除了采用型号、变比相同的D级铁芯（差动保护专用）电流互感器外，主要是采用具有中间速饱和变流器的BCH型差动继电器，这类继电器能有效地躲开不平衡电流的影响。因而在发电机保护中得到广泛应用。
3 BCH-2型发电机纵差保护简介
BCH-2型继电器是由一个具有三柱铁芯的速饱和变流器，和一个由DL-11/0.2型电流继电器构成的执行元件所组成。BCH-2型继电器内采用了中间速饱和变流器，主要用以躲过不平衡电流中非周期性分量的影响。这种变流器的铁芯截面小，容易饱和，故称为速饱和变流器。当发生外部短路时，差动回路中的不平衡电流含有很大的非周期性分量。该非周期性分量变化缓慢，很难传变到速飽和变流器的二次侧，它所起的完全是直流助磁的作用。在外部短路时，不平衡电流中几乎所有的非周期性分量及部分周期性分量电流从速饱和变流器一次绕组通过，此时由于变流器的铁芯处于饱和状态，不平衡电流的周期性分量也很少传变到二次侧绕组。所以在二次绕组中产生的感应电势和电流都很小，继电器不会动作。当发电机内部短路时，在差动回路亦即速饱和变流器一次绕组中流过的是短路电流（二次值），这个短路电流中虽也含有一定的非周期性分量，但它衰减得很快，一般经1.5~2周波即衰减完毕。此时，速饱和变流器的一次绕组中通过的完全是周期性的稳态短路电流，在这个周期性的短路电流的作用下，铁芯中磁感应强度的变化量很大，于是在二次绕组中产生很大的感应电势，通过继电器线圈的相应电流也较大，从而使继电器灵敏地动作。
BCH-2型发电机纵差保护的动作电流，应根据以下两个条件来计算。
3.1 差动保护的动作电流应大于发电机的额定电流，以防止在二次回路断线时保护的误动作。即：Id .b=KKIF .e （Id .b—保护的动作电流[一次值]；IF .e—发电机的额定电流；KK—可靠系数）。
3.2 差动保护的动作电流应躲过外部故障时的最大不平衡电流。即：Id .b=KKIbp. zzzd （式中KK—可靠系数；Ibp. zzzd—外部故障时的最大不平衡电流)。最大不平衡电流可按下式算出：Ibp. zzzd=KfzqKtxfiIdl. zzzd （式中Kfzq—考虑非周期分量影响的系数，数值在1~2之间，对BCH-2型继电器构成的差动保护，取Kfzq=1；Ktx—电流互感器的同型系数，其值为0.5~1，当两侧电流互感器的型号相同时，取Ktx=0.5；fi—电流互感器的最大相对误差，按10%误差的要求，取fi=0.1；Idl. zzzd—发电机外部三相短路时，流过保护的最大短路电流[周期分量]）。
差动保护的动作电流，应按式Id .b=KKIF .e 和Id .b=KKIbp. zzzd的计算结果中较大的一个值来整定。将保护的动作电流Id .b除以电流互感器的变比，便可求得差动继电器的动作电流Id.f为： Id.f=Id .b/ni 。再根据继电器的动作安匝数和计算出来的动作电流调整差动绕组Wc.d的匝数。Wc.d 的匝数可按下式计算： Wc.d=Awo/Id.f 式中Awo为BCH-2型继电器的动作安匝数，其值应根据短路绕组抽头的位置确定。差动保护的灵敏度，应按发电机出口短路时最小短路电流进行校验，即其灵敏系数Kl=Idl. zzzx/(ni. Id.f ) 式中Idl. zzzx为发电机出口两相短路时，流经差动继电器的最小周期性短路电流。根据要求，差动保护的灵敏系数应不小于2。
4 结束语：
发电机纵差保护是发电机最常用的主保护。微机保护大量在现场运用，为保护不同动作特性和出口方式提供了有利条件，我们可根据自己的实际情况，以及灵敏度要求的侧重点进行选择。确保同步发电机运行安全。
参考文献：
[1]《电力系统继电保护》 中国水利水电出版社 2005-7-1。
[2]陈增田. 《发电机保护》 水利电力出版社 1984-10。
[3]贺家李. 《电力系统继电保护原理》 中国电力出版社 2010-8-1。
[4]詹红霞. 《电力系统继电保护原理及新技术应用》 人民邮电出版社 2011-9-1。
[5]杨晓敏 杨光 王杰. 《电力系统继电保护原理及应用》 中国电力出版社 2006-08。
【关键词】同步发电机；纵差保护
1 纵差保护构成原理
同步发电机纵差保护是根据比较被保护发电机两端电流的相位和大小而工作的。为了构成纵差保护，发电机的中性点侧每相应有引出线，并且在该侧以及发电机出线侧均装设型号和变比完全相同的两组电流互感器，电流互感器的二次回路按环流法接线，略去不平衡电流，则在发电机正常运行及外部短路时，电流互感器的二次电流仅在其二次绕组回路内环流，接于差动回路的继电器线圈内并无电流流过；而内部短路时差动继电器内将通过很大的短路电流（二次值），使继电器动作。由于差动保护不反应外部短路，故它不必与相邻元件保护作时限上的配合，可以实现在全部保护范围内的瞬时动作；但它也因此而不能同时作为下一元件的后备保护。同步发电机通常均装设纵差动保护作为内部相间短路的主保护。
2 纵差保护存在的不平衡电流
在实际应用中，电流互感器的特性不可能完全一致，由于两侧电流互感器特性的不同，将在差动回路产生不平衡电流。这种特性上的差别主要表现在励磁特性及励磁电流不同。当一次电流较小时，这个差别的表现不明显。当一次电流较大时，电流互感器的铁芯开始饱和，于是励磁电流开始急剧上升。由于两电流互感器的特性不同，使铁芯的饱和程度不同，所以励磁电流上升的程度也就不同，这样就会造成两个二次电流的较大差别，于是在差动回路的继电器中就有电流流过，这个电流就称为不平衡电流。一次电流愈大，铁芯愈饱和，这种特性差异造成影响就愈严重，差动回路中的不平衡电流也愈大。
暂态过程中的不平衡电流。由于差动保护是瞬时动作的，因此还需考虑在外部差动回路里出现的不平衡电流。在短路后的暂态过程中，短路电流中除周期性分量外，还含有按指数规律衰减的非周期性分量。非周期性分量的大小与短路瞬间电压的相位有关，在最严重的情况下，即当电压经过零值的瞬间短路时，短路电流周期性分量正好达到最大值（按系统的阻抗角为90°来考虑），这时出现的非周期性分量将最大，其最大值等于周期性分量的幅值。由于非周期性分量是一个逐渐衰减的直流分量，所以它很难传变到二次侧，而主要作为互感器的励磁电流，使铁芯进一步饱和，从而使差动回路不平衡电流大大增加，在最严重时铁芯饱和得最利害，因而不平衡电流也最大。但是由于磁系统具有惯性，不平衡电流的最大值，将出现在短路时刻稍后的一瞬间。
综上所述，在纵差动保护的差动回路中，出现不平衡电流是不可避免的，特别在外部短路时的暂态过程中，这种不平衡电流的数值可能会很大，为了保证保护动作的选择性，差动继电器的动作电流就必须躲开最大不平衡电流。目前除了采用型号、变比相同的D级铁芯（差动保护专用）电流互感器外，主要是采用具有中间速饱和变流器的BCH型差动继电器，这类继电器能有效地躲开不平衡电流的影响。因而在发电机保护中得到广泛应用。
3 BCH-2型发电机纵差保护简介
BCH-2型继电器是由一个具有三柱铁芯的速饱和变流器，和一个由DL-11/0.2型电流继电器构成的执行元件所组成。BCH-2型继电器内采用了中间速饱和变流器，主要用以躲过不平衡电流中非周期性分量的影响。这种变流器的铁芯截面小，容易饱和，故称为速饱和变流器。当发生外部短路时，差动回路中的不平衡电流含有很大的非周期性分量。该非周期性分量变化缓慢，很难传变到速飽和变流器的二次侧，它所起的完全是直流助磁的作用。在外部短路时，不平衡电流中几乎所有的非周期性分量及部分周期性分量电流从速饱和变流器一次绕组通过，此时由于变流器的铁芯处于饱和状态，不平衡电流的周期性分量也很少传变到二次侧绕组。所以在二次绕组中产生的感应电势和电流都很小，继电器不会动作。当发电机内部短路时，在差动回路亦即速饱和变流器一次绕组中流过的是短路电流（二次值），这个短路电流中虽也含有一定的非周期性分量，但它衰减得很快，一般经1.5~2周波即衰减完毕。此时，速饱和变流器的一次绕组中通过的完全是周期性的稳态短路电流，在这个周期性的短路电流的作用下，铁芯中磁感应强度的变化量很大，于是在二次绕组中产生很大的感应电势，通过继电器线圈的相应电流也较大，从而使继电器灵敏地动作。
BCH-2型发电机纵差保护的动作电流，应根据以下两个条件来计算。
3.1 差动保护的动作电流应大于发电机的额定电流，以防止在二次回路断线时保护的误动作。即：Id .b=KKIF .e （Id .b—保护的动作电流[一次值]；IF .e—发电机的额定电流；KK—可靠系数）。
3.2 差动保护的动作电流应躲过外部故障时的最大不平衡电流。即：Id .b=KKIbp. zzzd （式中KK—可靠系数；Ibp. zzzd—外部故障时的最大不平衡电流)。最大不平衡电流可按下式算出：Ibp. zzzd=KfzqKtxfiIdl. zzzd （式中Kfzq—考虑非周期分量影响的系数，数值在1~2之间，对BCH-2型继电器构成的差动保护，取Kfzq=1；Ktx—电流互感器的同型系数，其值为0.5~1，当两侧电流互感器的型号相同时，取Ktx=0.5；fi—电流互感器的最大相对误差，按10%误差的要求，取fi=0.1；Idl. zzzd—发电机外部三相短路时，流过保护的最大短路电流[周期分量]）。
差动保护的动作电流，应按式Id .b=KKIF .e 和Id .b=KKIbp. zzzd的计算结果中较大的一个值来整定。将保护的动作电流Id .b除以电流互感器的变比，便可求得差动继电器的动作电流Id.f为： Id.f=Id .b/ni 。再根据继电器的动作安匝数和计算出来的动作电流调整差动绕组Wc.d的匝数。Wc.d 的匝数可按下式计算： Wc.d=Awo/Id.f 式中Awo为BCH-2型继电器的动作安匝数，其值应根据短路绕组抽头的位置确定。差动保护的灵敏度，应按发电机出口短路时最小短路电流进行校验，即其灵敏系数Kl=Idl. zzzx/(ni. Id.f ) 式中Idl. zzzx为发电机出口两相短路时，流经差动继电器的最小周期性短路电流。根据要求，差动保护的灵敏系数应不小于2。
4 结束语：
发电机纵差保护是发电机最常用的主保护。微机保护大量在现场运用，为保护不同动作特性和出口方式提供了有利条件，我们可根据自己的实际情况，以及灵敏度要求的侧重点进行选择。确保同步发电机运行安全。
参考文献：
[1]《电力系统继电保护》 中国水利水电出版社 2005-7-1。
[2]陈增田. 《发电机保护》 水利电力出版社 1984-10。
[3]贺家李. 《电力系统继电保护原理》 中国电力出版社 2010-8-1。
[4]詹红霞. 《电力系统继电保护原理及新技术应用》 人民邮电出版社 2011-9-1。
[5]杨晓敏 杨光 王杰. 《电力系统继电保护原理及应用》 中国电力出版社 2006-08。