过负荷

3.5.1发电机定子绕组过负荷保护（对称过负荷）

3.5.1.1保护原理

对于发电机因过负荷或外部故障引起的定子绕组过电流，装设定子绕组对称过负荷保护。发电机定子绕组过负荷保护由定时限和反时限两部分组成，定时限分为过负荷I段延时减出力或发信、过负荷II段延时跳闸、过负荷III速断短延时跳闸，反时限部分动作于跳闸。电流取自中性点侧TA三相电流的最大值。跳闸部分动作于解列或程序跳闸。

定子绕组过负荷保护定时限部分动作判据为：

ImaxMAXIa,Ib,IcIdz （3-9-1）

定子绕组过负荷保护反时限部分动作判据为：

ImaxI1Q （3-9-2）

tImaxIeA2K1 （3-9-3）

1式中：t—保护动作延时；

I1Q─反时限保护的起动电流；

Ie─发电机额定电流；

A1—散热效应系数；

K1—发电机定子绕组发热时间常数。

其它

【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】 反时限定子过负荷保护

II二次值

22tKszd Ksrzdezd式中：Kszd：发电机发热时间常数；Ksrzd：发电机散热效应系数；Iezd：发电机额定电流

【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】

【NARI-SIMENS微机发电机成套保护系统】 定子过载保护（ANSI 49）

过载保护是为了避免定子线圈因长时间过负荷所形成大电流而受损。通过一个数学模型对所有负载回路进行评估。电流的热效应测量值的形成是计算的基础。周围环境温度或冷却剂温度可以比例电压的形式输入，从而改变通风条件。否则环境温度将被设定。线路突变在温度输入伤可以通过对最低电压的监视而检测出来。若输入便于连接，4mA至20mA变换器可用来获得温度

技术数据 定子过载保护 （ANSI 49） 因子K（按IEC 255-8-2） 热时间常数τ 报警温度（参考排风装置过湿） 额定电流下过温 冷却剂温度（不可设置） 温度比例电压 【NARI-SIMENS微机发电机成套保护系统】

【IEEE STD C37.102-1995：交流发电机保护的IEEE标准】

绝大部分发电机有一些温度感应器在监视定子绕组，这些感应器一般是电阻型温度探测器（RTDs）和热偶（TCs），正如名字所暗示的，RTD通过感应器上电阻的变化来反应温度的变化，而TC则是检测热偶接点处温差产生的电压变化量来反应温度的变化。

这些感应器实时监测定子绕组，在值班电厂里，感应器可以连接到一个数字查询系统，用于录波或者报警；在无人值班电厂，感应器接继电器报警，去触发调整装置动作，如果超过预先整定值，触发跳开此工作单元。

对于传统定子绕组（不直接冷却）的发电机，RTD安装在杆的顶部和底部间来监视绕组；对于内部冷却（直接冷却）定子绕组，利用定子冷却液释放的温度帮助RTD监视绕组温度。发电机制造商应该参考专家倾向的建议，更好地监测感应器以及确定报警或跳闸的温度极限。

在某些情况下，发电机的过负荷保护由一个转矩控制式过流继电器实现，继电器根据ANSI C50.13-1989短时过负荷能力（图4.1.1所示）整定的。此继电器包括一个瞬时过流单元和一个定时过流单元，两者有着完全相反的特性。瞬时单元整定在115％满负荷电流时动作(pick up)，触发转矩控制定时过流单元。瞬时单元返回值应该是动作值的95％或更高一点

定时单元整定在75~100％满负荷电流动作，时间整定：226％满负荷电流时继电器动作时间为7s。采用这种方法，可防止继电器在过负荷低于115％满负荷电流时跳闸，而又为超过115％满负荷电流时跳闸预设一个时间。

过负荷报警应该给运行人员在常规的运行方式下有机会减负荷，不应在外部故障时错误报警，如果发电机有过负荷保护的话，要跟它进行配合。 【IEEE STD C37.102-1995：交流发电机保护的IEEE标准】

0.5到2.5 30到32000s 70到100％θ/θoff 40到1000C 40 0C 0到10V DC 3.5.1.2逻辑框图

Imax>I11>I12>I13T11&相电流辅助启动元件启动T12T13+减出力或发信&跳闸>I1Q图3-5-1-a 发电机定子绕组过负荷保护逻辑图

其它

【南自：DGT801数字式发电机变压器保护装置技术说明书】

保护原理与CSG300A类似，反时限曲线特性由三个部分组成：上限定时限；反时限；下限定时限。如果发电机电流大于上限整定值，则按上限定时限动作；如果发电机电流大于下限整定值，但不足以使反时限部分动作时，则按下限定时限动作；电流在此之间则按反时限规律动作

动作逻辑

I>IupI>Ims tup&∫ t1+发信或跳闸I>Im

ts发信

【南自：DGT801数字式发电机变压器保护装置技术说明书】

【许继：WFB-100微机型发变组成套保护装置技术说明书】

保护原理与CSG300A类似，由定时限和反时限两部分组成，逻辑框图：

IaIbIc过负荷启动t1信号I/V反时限启动t2&t

跳闸

【许继：WFB-100微机型发变组成套保护装置技术说明书】

3.5.1.3定子绕组过负荷反时限特性曲线

II1Qt1t(s)图3-5-1-b 定子绕组过负荷反时限特性曲线

反时限特性能模拟定子的热积累过程和散热过程，即发热后电流消失，热积累并不立即消失，而有一散热过程，若此时电流再增大，则上一次的热积累成为该次的初使值。

3.5.1.4整定内容

（1）对称过负荷保护定时限I段电流定值I11（单位A） （2）对称过负荷保护定时限I段时间定值T11（电位s） （3）对称过负荷保护定时限II段电流定值I12（单位A） （4）对称过负荷保护定时限II段时间定值T12（单位s） （5）对称过负荷保护定时限III段电流定值I13（单位A） （6）对称过负荷保护定时限III段时间定值T13（单位s） （7）对称过负荷保护反时限启动电流定值I1Q（单位A） （8）发电机发热同时的散热效应系数A1 （9）发电机定子绕组发热时间常数K1

3.5.1.5保护的整定计算

（1）对称过负荷保护定时限I段电流定值I11（单位A）和时间定值T11（电位s） 动作电流按发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定：

I11KrelIe （3-9-4） Kr式中：Krel－可靠系数，取1.05；

Kr－返回系数，取0.85～0.95，条件允许应取较大值。

保护延时（躲过后备保护的最大延时）动作于信号或动作于自动减负荷。

（2）对称过负荷保护定时限II段电流定值I12（单位A）和时间定值T12（单位s）

I12KcoI11 （3-9-5）

式中：Kc0－配合系数，取1.05。

时间定值按与反时限特性配合。

（3）对称过负荷保护定时限III段电流定值I13（单位A）和时间定值T13（单位s） 速断电流定值按机端三相金属性短路的条件整定：

I13Ie （3-9-6） KsatXd式中：Ksat－饱和系数，取0.8；

－发电机次暂态电抗（非饱和值），标么值。 Xd时间定值按与反时限特性配合。

（4）对称过负荷保护反时限启动电流定值I1Q（单位A） 一般按与I12相同整定。

（5）发电机发热同时的散热效应系数A1 一般整定为1。

（6）发电机定子绕组热容量常数K1

机组容量Sn1200MVA时，K1整定为37.5（当有制造厂家提供的参数时，以厂家参数为准）。

3.5.2发电机转子表层负序过负荷保护（不对称过负荷）

3.5.2.1保护原理

发电机转子表层负序过负荷保护反应定子绕组的负序电流大小，保护发电机转子以防表

面过热。保护分三段定时限，低定值段(过负荷I段)延时发信号，高定值段（过负荷II段）延时跳闸和速断段短延时跳闸；反时限部分动作于跳闸。电流取自中性点侧TA。

转子表层负序过负荷保护定时限部分动作判据为：

I2 > I2dz （3-10-1）

转子表层负序过负荷保护反时限部分动作判据为：

I2 > I2Q （3-10-2）

I式中：t—保护延时元件；

2IeA2tK2 （3-10-3）

2I2—定子绕组的负序电流；

I2dz—定时限（I段、II段或III段）负序过负荷电流定值；

I2Q—负序反时限保护的起动电流；

Ie—发电机额定电流；

A2—发电机发热同时的散热效应；

K2—决定于转子温升的常数，借以考虑散热影响。

保护可受TA断线闭锁，其判据为：每相电流小于6A，且零序电流大于0.3A。 其它

【NARI-SIMENS微机发电机成套保护系统】 不平衡负荷保护

发电机三相不平衡负荷电流会产生一个反转的磁场从而使转子的温度升高。

保护可以检测三相电机中的不平衡负荷，它以对称分量为基础并且评估负序相电流分量。热效应由一个数学模型来显现。报警段、触发段可以独立设定，根据设定值与保护计算的测定值作出反应。另外，不平衡负荷的测量由一有时间延时元件的独立段来完成 【NARI-SIMENS微机发电机成套保护系统】

【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】 反时限负序过负荷保护

I2IezdI2ltA

22式中：I2：励磁回路电流；Ijzzd：励磁绕组热容量系数定值；KLzd：励磁绕组热容量系数定值；

【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】

3.5.2.2逻辑框图

I2>&>I21>I22CT断线>I23>I2QT23+负序电流辅助启动元件启动T21发信T22&跳闸图3-5-2-a 发电机转子表层负序过负荷保护逻辑图

3.5.2.3发电机转子表层负序过负荷反时限特性曲线

I2I2Q

图3-5-2-b 发电机转子表层负序过负荷反时限特性曲线

t1t(s)

反时限特性能模拟转子的热积累过程和散热过程，即发热后负序电流消失，热积累并不立即消失，而有一散热过程，若此时负序电流再增大，则上一次的热积累成为该次的初使值。

3.5.2.4整定内容

（1）负序过负荷保护定时限I段电流定值I21（单位A） （2）负序过负荷保护定时限I段时间定值T21（电位s） （3）负序过负荷保护定时限II段电流定值I22（单位A） （4）负序过负荷保护定时限II段时间定值T22（单位s） （5）负序过负荷保护定时限III段电流定值I23（单位A） （6）负序过负荷保护定时限III段时间定值T23（单位s） （7）负序过负荷保护反时限启动电流定值I2Q（单位A） （8）发电机发热同时的散热效应系数A2 （9）发电机转子绕组发热时间常数K2

3.5.2.5保护的整定计算

以上各定值整定参考导则。

3.5.2.6说明

汽轮发电机三相负载不对称且每相电流均不超过额定电流Ie时，负序电流I2与额定电流之比I2Ie符合表3-10-1规定时，应能连续运行。发生不对称故障时，故障运行时最大的I2Ie和时间t（s）的乘积，应符合表3-10-1的规定。

2表3-5-2 汽轮发电机连续运行时I2Ie最大值及故障运行时I2Iet最大值

2转子直接冷却的 发电机功率 ≤350MVA

连续运行时的I2Ie最大值

0.08

故障运行时的I2Iet最大值

28

>350~900MVA 0.08Se350 4310Se350 80.005455 5

>900~1250MVA >1250~1600MVA

同上 0.05

注：Se为发电机额定视在功率，MVA。

3.5.3发电机励磁绕组过负荷保护

3.5.3.1保护原理

发电机励磁绕组过负荷保护由三段定时限和反时限组成。定时限低定值部分用于延时发信或减励磁，长延时部分用于跳闸，速断短延时用于跳闸；反时限部分用于跳闸。反时限部分的动作特性，按式（3-9-3）确定。

保护引入整流前三相交流量（可为50Hz或100Hz）作为输入量，用于保护整个励磁绕组。

其它

【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】 转子过负荷保护

励磁绕组过负荷保护反应励磁绕组的平均发热状况。保护动作量可以取励磁电流、励磁机电流，也可以直接反应发电机转子电流。对于励磁机，电流频率可以整定为100Hz 反时限保护动作方程：

I1Ijzzd1tKLzd

2式中：I1：励磁回路电流；Ijzzd：励磁回路反时限基准电流；KLzd：励磁绕组热容量系数定值

【NARI RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书－2001】

3.5.3.2逻辑框图

Imax>IL1>IL2>IL3>ILQ

图3-5-3-a 发电机励磁绕组过负荷保护逻辑框图

TL1减励磁或发信TL2TL3+跳闸3.5.3.3励磁绕组过负荷反时限特性曲线

IILQt1t(s)

图3-5-3-b 发电机励磁绕组过负荷反时限特性曲线

反时限特性能模拟励磁绕组的热积累过程和散热过程，即发热后电流消失，热积累并不立即消失，而有一散热过程，若此时电流再增大，则上一次的热积累成为该次的初使值。

3.5.3.4整定内容

（10） 励磁绕组过负荷保护定时限I段电流定值IL1（单位A） （11） 励磁绕组过负荷保护定时限I段时间定值TL1（电位S） （12） 励磁绕组过负荷保护定时限II段电流定值IL2（单位A） （13） 励磁绕组过负荷保护定时限II段时间定值TL2（单位S） （14） 励磁绕组过负荷保护定时限III段电流定值IL3（单位A） （15） 励磁绕组过负荷保护定时限III段时间定值TL3（单位S） （16） 励磁绕组过负荷保护反时限启动电流定值ILQ（单位A） （17） 发电机励磁绕组发热同时的散热效应系数AL （18） 发电机励磁绕组发热时间常数KL

3.5.3.4保护的整定计算

以上各定值整定参考导则。

附录：

【IEEE STD C37.102-1995：交流发电机保护的IEEE标准】 转子表层负序过负荷保护

有几种系统情况可以导致发电机中三相不对称电流。最为普遍的原因是系统不对称（线路没有换位）、不对称负荷、不对称系统故障、断线。这些系统情况产生负序电流分量，其在发电机转子表面产生倍频分量在固定环、槽靴、在励磁绕组中，程度小一些。这些转子电流可能在短时产生很高的甚至是有害的高温。

在可能损坏发电机的外部不对称运行状况下，一般为发电机提供保护，包括：一个反映负序电流的反时限时间继电器，如图4.5.2-2所示。有两种继电器适合于这种保护：一种是电动型反时限过流继电器，其反时限特性为极端反时限特性；一种是静态继电器，其过流特

2性与发电机I2t能力曲线相匹配的。

电动型继电器主要被用来为发电机在没有被清除的不对称故障下提供保护。负序电流的启动值通常是额定电流的0.6倍。因此没必要检测断线和严重的负荷不对称状况。这个继电器的典型特性示于图4.5.2-3a

静态继电器通常很灵敏能够反应超出发电机持续负序电流承受能力的情况并且跳闸。这种继电器的典型特性示于图4.5.2-3b它的复归特性接近在流过断续不对称电流下发电机的冷却特性。

一些继电器可能会提供灵敏的告警单元（i2启动值在0.02-0.03额定值）这一单元当超过发电机持续过流能力时可以用来提前向运行人员告警。在一些静态继电器当中，有一个表计可以用来显示发电机中的i2。

通常不采用单独的继电器来为负序过流提供后备。因为在大多数应用场合，它本身就是提供后备功能。在2.6中讨论的系统后备保护（相对地）将对发电机不对称电流提供某种程度的后备。

励磁绕组过负荷

励磁绕组可以持续运行在额定或低于额定励磁电流状态下，而保证额定功率因素和额定电压下的额定功率。如果功率因素低于额定值，必须减少发电机输出以保证励磁电流保持在限定范围内。

把温度感应器直接置于励磁绕组处是不实际的，仅仅是间接地监测励磁绕组的温度一般说来是可能的。对于采用主励磁磁场滑环的励磁系统，就能够通过读取励磁电流和励磁电压，计算励磁电阻来估算。电阻参照于冷电阻来测量其温度励磁绕组的平均温度。IEEE Std 67-1990有给出的这种方法，仅仅只是描述总个励磁绕组的平均温度，而不是更重要的过热点的温度。

另外，这种方法也不适用于无刷励磁系统，因为主励磁电压和电流是不可测量的。

如果发电机装设了4.1.3所讲的铁芯监测器，它也能检测出励磁绕组过热。

是用励磁电压和时间的关系来表征的。励磁系统的过负荷能力决定于它的设计，总的来说它的过负荷能力比发电机励磁回路过负荷能力强。

在过电流保护的设计中还要考虑一个问题,即发生故障后为了保持系统稳定而施行强行励磁，这时励磁系统中短时流过很大的感应励磁电流，电压调节器不应该由于电流过大而动作于减小励磁电压。过电流保护不得动作，励磁系统可以继续运行。如果过电流的时间超过规定值，则可发跳闸信号切除励磁系统。

【IEEE STD C37.102-1995：交流发电机保护的IEEE标准】

【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】 不对称过负荷（转子表层负序过负荷保护）

电力系统中发生不对称短路，或三相负荷不对称（例如有电气机车、电弧炉等单相负荷）时，将有负序电流流过发电机的定子绕组，并在发电机中产生对转子以两倍同步转速的磁场，从而在转子中产生倍频电流

对于汽轮发电机上述倍频电流由于集肤效应的作用，主要在转子表层流通，并经转子本体、槽锲和阻尼条，在转子的端部附近10％～30％的区域内沿周边

构成闭合回路。这一周向电流有很大的数值，可能烧伤转子，使转子的平均温度升高，形成局部高温，从而导致转子表层金属材料的强度下降，危及机组的安全。此外，转子本体与护环的温差超过允许限度，将导致护环松脱，造成严重的破坏。

因此为了防止发电机的转子遭受负序电流的损坏，大型汽轮发电机都要求装设比较完善的负序电流保护。它由定时限和反时限两部分组成

发电机有一定的承受负序电流的能力，流过发电机定子绕组的负序电流，只要不超过额定的限度，转子就不会遭到损伤。因此，发电机承受负序电流的能力，就是构成和整定负序电流保护的依据

对于水轮发电机，转子各极都由叠片构成，在相同的负序电流作用下，其附加损耗要比汽轮发电机小的多。因此，对水轮发电机的负序电流保护的构成方式，将与汽轮发电机不同。

对称过负荷（定子绕组过负荷和励磁绕组过负荷）

对于大型发电机，定子和转子的材料利用率很高，其热容量与铜损的比值较小，因而热时间常数也比较小。通常在发电机定子绕组内总是装有热偶元件，反应定子绕组过负荷，但热偶元件不能迅速反应发电机的负荷变化。在转子励磁绕组内，就连这样的热偶元件也没有。因此，为了防止受到过负荷的损害，大型发电机都要装设反应定子绕组和励磁绕组平均发热状况的过负荷保护装置 定子绕组过负荷

大型发电机定子绕组的过负荷保护，一般由定时限和反时限两部分组成，保护装置的构成形式与负序电流保护类似

定时限部分的动作电流，按在发电机长期允许的负荷电流下能可靠返回的条件整定，经延时动作于信号

反时限部分的动作特性，按式tK(I2)1In K*C，保护动作于解列或程序P0跳闸

定子绕组过负荷保护，可以采用三相式，引入三相电流，电压形成回路的输出电压决定于三相中最大的一相电流。这样，保护装置可以反应盘碎不对称短路之后发电机最严重的发热状况。（但实际上，常为了简化而采用单相式接线）

负荷电流波动，振荡过程电流的变化，以及短路切除后电压恢复过程中，流过发电机的电流不是恒定数值，定子绕组将出现发热和散热的交替过程。为了正确反应发电机定子绕组的温升，保护装置都要设置模拟热积累过程的环节

励磁绕组过负荷

励磁绕组的过负荷保护，与定子绕组过负荷类似，也由定时限和反时限两部分组成。定时限部分的动作电流，按在正常励磁电流下能可靠返回的条件整定。反时限部分的动作特性按式tK(I2)1In K*C来确定。 P0大型发电机的励磁系统，有的用交流励磁电源经可控或不可控整流装置组成。对这种励磁系统，发电机励磁绕组的过负荷保护，可以配置在直流侧，也可以配置在交流侧。当有备用励磁机时，保护装置配置在直流侧的好处是用备用励磁机时励磁绕组不失去保护，但此时需要比较昂贵的直流变换设备（直流互感器或大型分流器）。为了使励磁绕组过负荷电流保护能兼作励磁机、整流装置及其引出线的短路保护，常把它配置在励磁机中性点侧，当中性点没有引出端子时，则配置在励磁机的机端。此时，保护装置的动作电流要计及整流系数，换算到交流侧

【王维俭编著，电气主设备保护的原理与应用，1996】

【宋斌，具有不同特性的微机反时限过流继电器的实现，电力系统自动化，2001.9】 反时限元件

长期以来，各种不同特性的反时限继电器得到了广泛的应用，传统的感应型继电器国内有GL—10系列，北美洲有CO和IAC系列等。目前有关反时限继电器的标准有2种：IEC255—3(1989—05)和IEEE Std C37.112—1996。前者国内应用较多，后者是针对北美洲已广泛应用的CO，IAC系列反时限继电器的特性来实现相应的微机保护，特别注重其返回特性，主要考虑与传统继电器的匹配、重合闸的配合等[1]。本文阐述了基于IEC标准的3种典型特性反时限继电器的微机保护实现方法，并在此基础上提出了一种可灵活运用的反时限继电器，该继电器可针对设备的特殊要求实现保护。

IEC有关反时限继电器的标准IEC255—3规定了以下反时限标准方程： 一般反时限的标准方程为：

t0.14Tp(I/IP)0.021

非常反时限的标准方程为: t13.5TpI/IP1

极端反时限的标准方程为: t80Tp(I/IP)12

式中 t为继电器的动作时间

Tp为继电器延时整定系数 I为加入继电器的实际电流值 Ip为继电器的整定电流值。

反时限继电器的实现

根据被保护设备提供的反时限特性曲线，实现与其相应的保护。本继电器要求整定的项目有:电流启动定值及与其对应的动作延时。考虑到曲线的复杂性和便于实现，以下参数事先以表格形式存储于EPROM中：即从1.1倍至2.0倍启动电流对应的时延（级差0.1倍），从2.0倍至10.0倍启动电流对应的时延（级差1.0倍），若精度等有特殊要求可调整级差和电流倍数范围。这些点选定后由保护装置用线性插值进行曲线拟合，级差较小时拟合的曲线将更为光滑。

考虑实时计算中电流的变化（继电器的动态特性），定义一个综合过流倍数nM[3]，它不仅能反映当前的过流程度，也能计及从故障起始整个过程的过流程度，其定义为：

nMnt/t2kkk1k1MMk 或 nMnt/tkkk1k1MMk

式中 nk为k时刻过流倍数

tk为与nk相对应的持续时间

k=1，2，…,M M为累计计算次数 前者反映的是过流倍数的方均根值，而后者反映的是加权平均值，可分别应用于不同场合。由于微机保护实现时是等间隔计算，故可分别简化为

nM1M1 或 nnMMK12kMnK1Mk

继电器实时计算中，当电流大于启动电流后，每次均计算得到一个nM。设nM落在事先输入的数据表格，x1，x2内，得到对应的y1，y2，如图1所示。应用线性插值得到动作延时：

yy1y2y1(nMx1)

x2x1继电器开始计时后，只要计数器设定值未到就反复计算nM，并根据给定的特性曲线(已输入的数据表格)不断地用新的综合过流倍数得到允许的时延tM，再减去现已达到的时延，即得到还需要的时延：

ttMMtj

式中 tj为计算间隔；tM为第M次计算的综合过流倍数决定的时延。用该方法实现的可

灵活运用的反时限继电器，经试验，精度完全可以满足要求，且应用灵活，不受固有数学模型的限制