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【摘要】简要介绍了比率制动式发电机纵差保护工作原理和正确的整定计算方法，针对以往整定计算中一些不恰当的方法和对有关概念的模糊认识，诸如：将不平衡电流与外部短路电流间的关系视为线性关系；认为制动系数是常数；将制动特性曲线的斜率与制动系数混淆；毫无依据地选取制动系数、制动特性曲线的斜率、最小动作电流等，提出了计算中应注意的有关问题。本文详细的分析了这种保护的工作原理及在丰满电厂水轮发电机保护上的使用情况。
【关键词】纵差保护；比率制动；循环闭锁
1. 引言
比率制动式纵差保护与带速饱和变流器的纵差保护相比，具有较高的灵敏性和快速性，大型发电机相间短路保护广泛采用整流型或晶体管型比率制动式纵差保护。在过去的一些教科书和设计手册中，由于对制动特性曲线等问题的理解不同，造成对整定计算方法众说不一，甚至由于理解上的错误，造成整定计算方法不正确，致使保护的灵敏度无必要地降低。笔者认为，只有一种是科学正确的整定计算方法，有必要进行推广运用，并用以纠正以往不正确的整定计算方法，充分发挥比率制动式纵差保护的作用。
2. 发电机的纵联差动保护
2.1 纵差保护的基本工作原理
由于纵联差动保护只在保护区内短路时才动作，不存在与系统中相邻元件保护的选择性配合问题，因而可以快速切除整个保护区内任何一点的短路，这是它的可贵优点。但是，为了构成纵联差动保护装置，必须在被保护元件各端装设电流互感器，并将它们的二次线圈用辅助导线连接起来，接差动继电器。由于受辅助导线条件的限制，纵向连接的差动保护仅限于用在短线路上，对于发电机、变压器及母线等，则可广泛采用纵联差动保护实现主保护。
如图所示，在发电机两侧装设性能和变比完全相同的电流互感器，两侧电流互感器一次回路的正极性均远离发电机的绕组侧，二次回路用电缆将同级性端相连，差动继电器的线圈并接于电流互感器二次回路的闭环回路上。
2.2 传统纵差保护存在的一些问题
纵联差动保护能快速切除保护范围内的故障，不受负荷及系统震荡的影响，灵敏度高，动作迅速，构成原理相对简单。但它也存在两个缺陷：一是它的二次线路构成的保护回路接线较长，极易造成二次线路断线和短路，从而使保护误动或拒动。为了避免这种情况发生，差动保护的动作电流值要大于最大负荷电流值，这样就使得保护的灵敏性下降。二是当发电机外部发生穿越性短路故障时，电流互感器的一次电流急剧增大，靠近发电机定子出口端的电流互感器严重饱和，这时侯两个差动用的电流互感器励磁电流急剧增大，电流互感器的误差也非常大，使流过差动继电器的不平衡电流变得很大，很有可能超过保护的整定值，造成差动保护误动作。为了避免这种情况发生，就必须提高保护的动作电流的整定值，从而也降低了差动保护的灵敏度。
3 比率制动式纵差保护
发电机比率制动纵联差动保护简称比率纵差保护，是一种比较发电机两端电流大小和方向的保护，它能很灵敏的反应并切除发电机绕组及引出线相间短路故障，是发电机相间短路的主保护。
基本原理及特点：
将发电机两端流过方向相同、大小相等的电流称为穿越性电流，而方向相反的电流称为非穿越性电流。作为主保护，发电机比率制动差动保护是以非穿越性电流作为动作量、以穿越性电流作为制动量，来区分被保护元件的正常状态，故障状态和非正常运行状态的。
（1）正常运行状态，穿越性电流即为负荷电流，非穿越性电流理论为零。
（2）内部相间短路状态，非穿越性电流剧增。
（3）当外部故障时，穿越性电流剧增。
该保护采用机端电流If作为制动电流，动作电流随外部短路电流的增大而增大，即可保证外部短路时不误动，同时内部短路又有较高的灵敏度。
按照传统的纵联差动保护整定方法，为防止纵差保护在外部短路时误动，继电器动作电流? d 应躲过最大不平衡电流Iunb，这样一来，差动保护的动作电流整定值Iset将比较大，降低了保护的灵敏度，甚至有可能在发电机内部相间短路时拒动。为了解决这个问题，考虑到不平衡电流随着流过电流互感器电流的增加而增加的因素，提出了比率制动式的纵差保护，使动作值随着外部短路电流的增大而自动增大。
由式3可以看出，在它的动作方程中引入了启动电流和拐点电流，制动线AB一般不再经过原点，从而可以更好地拟合电流互感器的误差特性，进一步提高差动保护的灵敏度。
当发电机正常运行，或区外较远的地方发生短路故障时，由于?'1和?'2 的电流相位相反，所以差动电流很小，接近为零，而制动电流却很大，差动保护不会误动作。若发电机发生穿越性故障，故障点距离发电机出口很近，机端电流互感器勵磁电流急剧增大，CT饱和使差动继电器中的不平和电流增大，最终导致Id变大。但由于制动电流IZ的存在，通过合理的选择制动系数K，仍可将保护闭锁住，使保护不会误动作。而当发电机内部发生相间短路故障时，差动电流明显增大，?'1和?'2 的电流相位接近相同，减小了制动量，从而可以灵敏的动作。当发电机内部发生轻微的故障时，虽然有负荷电流制动，但制动量很小，保护一般也能可靠的动作。
当发电机内部发生了严重的短路故障，差动电流大于差动速断电流的整定值，即Id>Isd，这时保护不再利用制动电流IZ进行制动，直接作用于跳闸，灭磁，停机。这就是差动速断保护的动作过程。
综上所述，比率制动特性的差动保护就是使差动保护的动作电流定值随制动电流的增大而成某一比率的提高。使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用。而在内部故障时，制动作用最小。从而提高了差动保护的灵敏性和选择性。
4 循环闭锁式差动保护
1.发电机比率制动式差动保护（3取2的循环闭锁方式）
比率制动式差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护，各侧电流的方向都以指向发电机为正方向。
2.比率制动式差动保护中的斜率为基波制动斜率，当区外故障时短路电流中含有大量的非周期分量，制动Izdo增大，当动作电流Idzo大于启动电流时，制动电流和动作电流的交点必落在制动区。
3.当区内故障时，差电流即动作电流为全部短路电流，制动电流则为流过非电源侧的短路电流，数值较小，平行于纵、横轴的二直线交点必落在动作区内，差动保护可靠动作。
4.TA接线极性图
5.发电机比率制动式差动保护动作逻辑图
5 总结
我国电力系统继电保护技术经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段后，现在发展到了微机保护阶段。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步， 微机保护技术面临着进一步发展的趋势。微机保护技术发展的趋势为： 计算机化， 网络化， 保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化， 这对微机保护工作者提出了更艰巨的任务，也开辟了活动的广阔天地。发电机微机保护对发电机组来说是至关重要的组成部分之一，通过前文介绍的几种针对主要故障而采取的保护配置方案如针对相间短路采取的纵差保护或者横差保护，还有针对接地短路时采用的乒乓式保护法我们可以有效地将发电机组故障危害降低到最小值，为生产生活带来我巨大的保障。
参考文献
[1]毛俊喜. 大型发电机内部故障仿真与保护配置分析通用软件设计[D].华中科技大学，2007.
[2]蔡振华.大型水电厂保护整定计算及其软件的研究[D].华中科技大学，2008.
[3]安绍军.发电机比率制动循环闭锁式纵差保护原理[J].东北电力技术，2010，11：16-18.
[4]裴海芳.发电机绕组电气故障分析[J].城市建设理论研究（电子版），2013，（14）.
[5]张玉.基于DSP的变压器保护装置设计[D].南京理工大学，2005.
作者简介：孙晓武（1973-），男，大学本科学历，工程师。目前在丰满发电厂丰满大坝重建工作协调办公室任副主任科员，从事过水轮发电机组的运行、维护及企业安全生产管理工作。
【关键词】纵差保护；比率制动；循环闭锁
1. 引言
比率制动式纵差保护与带速饱和变流器的纵差保护相比，具有较高的灵敏性和快速性，大型发电机相间短路保护广泛采用整流型或晶体管型比率制动式纵差保护。在过去的一些教科书和设计手册中，由于对制动特性曲线等问题的理解不同，造成对整定计算方法众说不一，甚至由于理解上的错误，造成整定计算方法不正确，致使保护的灵敏度无必要地降低。笔者认为，只有一种是科学正确的整定计算方法，有必要进行推广运用，并用以纠正以往不正确的整定计算方法，充分发挥比率制动式纵差保护的作用。
2. 发电机的纵联差动保护
2.1 纵差保护的基本工作原理
由于纵联差动保护只在保护区内短路时才动作，不存在与系统中相邻元件保护的选择性配合问题，因而可以快速切除整个保护区内任何一点的短路，这是它的可贵优点。但是，为了构成纵联差动保护装置，必须在被保护元件各端装设电流互感器，并将它们的二次线圈用辅助导线连接起来，接差动继电器。由于受辅助导线条件的限制，纵向连接的差动保护仅限于用在短线路上，对于发电机、变压器及母线等，则可广泛采用纵联差动保护实现主保护。
如图所示，在发电机两侧装设性能和变比完全相同的电流互感器，两侧电流互感器一次回路的正极性均远离发电机的绕组侧，二次回路用电缆将同级性端相连，差动继电器的线圈并接于电流互感器二次回路的闭环回路上。
2.2 传统纵差保护存在的一些问题
纵联差动保护能快速切除保护范围内的故障，不受负荷及系统震荡的影响，灵敏度高，动作迅速，构成原理相对简单。但它也存在两个缺陷：一是它的二次线路构成的保护回路接线较长，极易造成二次线路断线和短路，从而使保护误动或拒动。为了避免这种情况发生，差动保护的动作电流值要大于最大负荷电流值，这样就使得保护的灵敏性下降。二是当发电机外部发生穿越性短路故障时，电流互感器的一次电流急剧增大，靠近发电机定子出口端的电流互感器严重饱和，这时侯两个差动用的电流互感器励磁电流急剧增大，电流互感器的误差也非常大，使流过差动继电器的不平衡电流变得很大，很有可能超过保护的整定值，造成差动保护误动作。为了避免这种情况发生，就必须提高保护的动作电流的整定值，从而也降低了差动保护的灵敏度。
3 比率制动式纵差保护
发电机比率制动纵联差动保护简称比率纵差保护，是一种比较发电机两端电流大小和方向的保护，它能很灵敏的反应并切除发电机绕组及引出线相间短路故障，是发电机相间短路的主保护。
基本原理及特点：
将发电机两端流过方向相同、大小相等的电流称为穿越性电流，而方向相反的电流称为非穿越性电流。作为主保护，发电机比率制动差动保护是以非穿越性电流作为动作量、以穿越性电流作为制动量，来区分被保护元件的正常状态，故障状态和非正常运行状态的。
（1）正常运行状态，穿越性电流即为负荷电流，非穿越性电流理论为零。
（2）内部相间短路状态，非穿越性电流剧增。
（3）当外部故障时，穿越性电流剧增。
该保护采用机端电流If作为制动电流，动作电流随外部短路电流的增大而增大，即可保证外部短路时不误动，同时内部短路又有较高的灵敏度。
按照传统的纵联差动保护整定方法，为防止纵差保护在外部短路时误动，继电器动作电流? d 应躲过最大不平衡电流Iunb，这样一来，差动保护的动作电流整定值Iset将比较大，降低了保护的灵敏度，甚至有可能在发电机内部相间短路时拒动。为了解决这个问题，考虑到不平衡电流随着流过电流互感器电流的增加而增加的因素，提出了比率制动式的纵差保护，使动作值随着外部短路电流的增大而自动增大。
由式3可以看出，在它的动作方程中引入了启动电流和拐点电流，制动线AB一般不再经过原点，从而可以更好地拟合电流互感器的误差特性，进一步提高差动保护的灵敏度。
当发电机正常运行，或区外较远的地方发生短路故障时，由于?'1和?'2 的电流相位相反，所以差动电流很小，接近为零，而制动电流却很大，差动保护不会误动作。若发电机发生穿越性故障，故障点距离发电机出口很近，机端电流互感器勵磁电流急剧增大，CT饱和使差动继电器中的不平和电流增大，最终导致Id变大。但由于制动电流IZ的存在，通过合理的选择制动系数K，仍可将保护闭锁住，使保护不会误动作。而当发电机内部发生相间短路故障时，差动电流明显增大，?'1和?'2 的电流相位接近相同，减小了制动量，从而可以灵敏的动作。当发电机内部发生轻微的故障时，虽然有负荷电流制动，但制动量很小，保护一般也能可靠的动作。
当发电机内部发生了严重的短路故障，差动电流大于差动速断电流的整定值，即Id>Isd，这时保护不再利用制动电流IZ进行制动，直接作用于跳闸，灭磁，停机。这就是差动速断保护的动作过程。
综上所述，比率制动特性的差动保护就是使差动保护的动作电流定值随制动电流的增大而成某一比率的提高。使制动电流在不平衡电流较大的外部故障时有制动作用。而在内部故障时，制动作用最小。从而提高了差动保护的灵敏性和选择性。
4 循环闭锁式差动保护
1.发电机比率制动式差动保护（3取2的循环闭锁方式）
比率制动式差动保护是发电机内部相间短路故障的主保护，各侧电流的方向都以指向发电机为正方向。
2.比率制动式差动保护中的斜率为基波制动斜率，当区外故障时短路电流中含有大量的非周期分量，制动Izdo增大，当动作电流Idzo大于启动电流时，制动电流和动作电流的交点必落在制动区。
3.当区内故障时，差电流即动作电流为全部短路电流，制动电流则为流过非电源侧的短路电流，数值较小，平行于纵、横轴的二直线交点必落在动作区内，差动保护可靠动作。
4.TA接线极性图
5.发电机比率制动式差动保护动作逻辑图
5 总结
我国电力系统继电保护技术经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段后，现在发展到了微机保护阶段。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步， 微机保护技术面临着进一步发展的趋势。微机保护技术发展的趋势为： 计算机化， 网络化， 保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化， 这对微机保护工作者提出了更艰巨的任务，也开辟了活动的广阔天地。发电机微机保护对发电机组来说是至关重要的组成部分之一，通过前文介绍的几种针对主要故障而采取的保护配置方案如针对相间短路采取的纵差保护或者横差保护，还有针对接地短路时采用的乒乓式保护法我们可以有效地将发电机组故障危害降低到最小值，为生产生活带来我巨大的保障。
参考文献
[1]毛俊喜. 大型发电机内部故障仿真与保护配置分析通用软件设计[D].华中科技大学，2007.
[2]蔡振华.大型水电厂保护整定计算及其软件的研究[D].华中科技大学，2008.
[3]安绍军.发电机比率制动循环闭锁式纵差保护原理[J].东北电力技术，2010，11：16-18.
[4]裴海芳.发电机绕组电气故障分析[J].城市建设理论研究（电子版），2013，（14）.
[5]张玉.基于DSP的变压器保护装置设计[D].南京理工大学，2005.
作者简介：孙晓武（1973-），男，大学本科学历，工程师。目前在丰满发电厂丰满大坝重建工作协调办公室任副主任科员，从事过水轮发电机组的运行、维护及企业安全生产管理工作。