新聞主題	發(fā)電機定子繞組匝間的短路保護原理

 

短路故障的統計數據表明，發(fā)電機及其機端引出線(xiàn)的故障中相間短路是最多的，雖然定子繞組匝間短路發(fā)生的概率相對較少，但也有發(fā)生的可能性，需要配置保護。在大容量發(fā)電機中，由于額定電流很大，其每相一般都是由兩個(gè)或兩個(gè)以上并聯(lián)分支繞組組成的，且采用雙層繞組。定子繞組的匝間短路故障主要是指同屬一分支的位于同槽上下層線(xiàn)棒間發(fā)生的短路或同相但不同分支的位于同槽上下層線(xiàn)棒間發(fā)生的短路。此外，定子相同繞組端部?jì)牲c(diǎn)接地也可形成匝間短路。匝間短路回路的阻抗較小，短路電流很大，會(huì )使局部繞組和鐵芯遭到嚴重損傷。因而定子繞組匝間短路是發(fā)電機的一種嚴重故障。但由于短路發(fā)生在同一相繞組內，故縱差動(dòng)保護不能反應匝間短路。因此，發(fā)電機應專(zhuān)門(mén)裝設高靈敏度的定子繞組匝間短路保護，并兼顧反應定子繞組開(kāi)焊故障，瞬時(shí)動(dòng)作于停機。根據發(fā)電機中性點(diǎn)引出分支線(xiàn)的不同，匝間短路保護的方式主要有以下兩種。

 

一、發(fā)電機單元件橫差動(dòng)保護

 

單元件橫差動(dòng)保護適用于具有多分支的定子繞組，且有兩個(gè)以上中性點(diǎn)引出端子的發(fā)電機，能反應定子繞組匝間短路、分支線(xiàn)棒開(kāi)焊及機內繞組相間短路。

 

對于定子繞組每相具有兩個(gè)并聯(lián)分支繞組，采用雙星形接線(xiàn)，中性點(diǎn)有六或四個(gè)引出端的發(fā)電機，單元件橫差動(dòng)保護的原理接線(xiàn)可由圖2-7來(lái)說(shuō)明。在正常運行的時(shí)候，各繞組中的電動(dòng)勢相等，且三相對稱(chēng)，兩個(gè)星形接線(xiàn)中性點(diǎn)等電位，中性點(diǎn)連線(xiàn)中無(wú)電流流過(guò)。當同相內非等電位點(diǎn)發(fā)生匝間短路等不對稱(chēng)故障時(shí)，各短路繞組中的電動(dòng)勢就不再相等。由于兩星形繞組間電動(dòng)勢平衡遭到破壞，在中性點(diǎn)連線(xiàn)上將引起故障環(huán)流，中性點(diǎn)連線(xiàn)中會(huì )有電流流過(guò)，利用測量這種環(huán)流可構成反應匝間短路故障的單元件橫差動(dòng)保護。

 

圖1中保護所用電流互感器TA接在兩中性點(diǎn)連線(xiàn)上。正常運行及外部短路時(shí)，兩星形繞組三相基波電動(dòng)勢對稱(chēng)，兩中性點(diǎn)連線(xiàn)上主要存在由發(fā)電機電動(dòng)勢中高次諧波產(chǎn)生的不平衡電流，其中以三次諧波幅值最大。橫差保護元件的動(dòng)作電流必須要大于最大不平衡電流。為減小不平衡電流影響，降低動(dòng)作電流，提高保護靈敏度，橫差保護中應濾除三次諧波。

 

單元件橫差保護具有接線(xiàn)簡(jiǎn)單、靈敏度較高，能反應匝間短路、繞組相間短路及分支開(kāi)焊故障等優(yōu)點(diǎn)。對于中性點(diǎn)有六個(gè)引出端子的發(fā)電機，裝設單元件橫差動(dòng)保護是一種最簡(jiǎn)單可靠且靈敏度較高的發(fā)電機內部保護方案。但大型機組由于一些技術(shù)上和經(jīng)濟上的考慮，發(fā)電機中性點(diǎn)側常常只引出三個(gè)端子，更大的機組甚至只引出一個(gè)中性點(diǎn)，這就不可能裝設單元件橫差動(dòng)保護。對此應考慮下述縱向零序電壓原理的匝間短路保護。

 

發(fā)電機單元件橫差動(dòng)保護接線(xiàn)原理圖

 

二、縱向零序電壓發(fā)電機匝間短路保護

 

1．縱向零序電壓定子繞組匝間短路保護基本原理

 

發(fā)電機定子繞組在其同一分支匝間或同相不同分支間發(fā)生匝間短路故障或開(kāi)焊時(shí)，由于三相電動(dòng)勢出現縱向不對稱(chēng)（即機端相對于中性點(diǎn)出現不對稱(chēng)），從而產(chǎn)生所謂的縱向零序電壓。該電壓由專(zhuān)用電壓互感器（互感器一次中性點(diǎn)與發(fā)電機中性點(diǎn)通過(guò)高壓電纜連接起來(lái)，而不允許接地）的開(kāi)口三角形繞組兩端取得。利用反應縱向零序電壓超過(guò)定值時(shí)保護動(dòng)作可構成零序電壓匝間短路保護。

 

零序電壓式匝間短路保護主要由零序電壓元件、負序功率方向閉鎖元件和TV斷線(xiàn)閉鎖元件組成。零序電壓元件由專(zhuān)用電壓互感器取得縱向零序電壓，專(zhuān)用電壓互感器原理接線(xiàn)如圖2所示。為取得縱向零序電壓，而不受單相接地產(chǎn)生的零序電壓影響，專(zhuān)用電壓互感器的一次側中性點(diǎn)直接與發(fā)電機中性點(diǎn)相連接，并與地絕緣。

 

發(fā)電機匝間短路保護電壓互感器接線(xiàn)原理圖

 

當發(fā)電機定子繞組一相（設A相）發(fā)生匝間短路，且短路匝數比α不大時(shí)，可認為三相電動(dòng)勢仍存在120°相位差，此時(shí)機端三相電壓為

 

 

式中?——故障前A相電動(dòng)勢。

發(fā)電機三相對中性點(diǎn)N出現縱向零序電壓

 

 

由于電壓互感器一次繞組中性點(diǎn)n與發(fā)電機中性點(diǎn)N直接相連，故電壓互感器開(kāi)口三角形繞組輸出的零序電壓為

 

 

當發(fā)電機一相定子繞組開(kāi)焊時(shí)，發(fā)電機三相繞組對中性點(diǎn)也將出現縱向零序電壓。同理，電壓互感器開(kāi)口三角繞組亦有零序電壓輸出。當發(fā)電機定子繞組單相接地時(shí)，雖然發(fā)電機定子三相繞組對地出現零序電壓，但由于發(fā)電機中性點(diǎn)不直接接地，其定子三相對中性點(diǎn)N仍保持對稱(chēng)。因此，一次側與發(fā)電機三相繞組并聯(lián)的電壓互感器開(kāi)口三角繞組無(wú)零序電壓輸出。

 

顯然，當發(fā)電機正常運行或外部發(fā)生相間短路時(shí)，電壓互感器開(kāi)口三角繞組也無(wú)零序電壓輸出。實(shí)際上，由于發(fā)電機氣隙磁通的非正弦分布及磁飽和等影響，正常運行時(shí)電壓互感器開(kāi)口三角繞組仍有不平衡電壓，其中主要是三次諧波電壓，其值隨定子電流的增大而增大。為此，應有效地濾去不平衡電壓中的三次諧波分量，以提高保護靈敏度、減小死區。

 

2．負序功率方向閉鎖

 

當發(fā)電機區外短路電流較大時(shí)，往往濾除三次諧波后，仍有較大的不平衡電壓值。為防止匝間短路保護誤動(dòng)，且不增大保護的動(dòng)作值，可設置負序功率方向元件用以測量機端負序功率方向。不同故障情況下，機端的負序功率方向可由圖3所示的定子回路的負序等值電路進(jìn)行分析，圖中Z_S2為系統負序阻抗，其阻抗角為φ_S2?？梢?jiàn)，利用負序功率方向元件可正確區分匝間短路和區外短路，在區外短時(shí)閉鎖保護。這樣，保護的動(dòng)作值可僅按躲過(guò)正常運行時(shí)的不平衡電壓整定。當三次諧波過(guò)濾器的過(guò)濾比大于80時(shí)，保護的動(dòng)作電壓可取額定電壓的0.03～0.04倍。若電壓互感器開(kāi)口三角側額定電壓為100V，則電壓元件的動(dòng)作電壓為3～4V。

 

為防止專(zhuān)用電壓互感器TV1斷線(xiàn)，在開(kāi)口三角繞組側出現很大的零序電壓導致保護誤動(dòng)，保護裝置中要增設電壓回路斷線(xiàn)閉鎖元件。斷線(xiàn)閉鎖元件是利用比較專(zhuān)用電壓互感器TV1和機端測量電壓互感器TV2的二次正序電壓原理工作的。正常運行時(shí)，TV1與TV2二次正序電壓相等，斷線(xiàn)閉鎖元件不動(dòng)作。當任一電壓互感器斷線(xiàn)時(shí)，其正序電壓低于另一正常電壓互感器的正序電壓，斷線(xiàn)閉鎖元件動(dòng)作，閉鎖保護裝置?？梢?jiàn)，負序功率方向閉鎖零序電壓匝間短路保護的靈敏度較高，死區較小，在大型發(fā)電機中得到廣泛應用。

 

發(fā)電機定子回路的負序等值電路圖

 

3．發(fā)電機縱向零序電壓匝間短路保護動(dòng)作邏輯

 

微機型匝間短路保護常采用零序電壓原理構成，為提高保護靈敏度，引入三次諧波電壓變化量進(jìn)行制動(dòng)即構成三次諧波電壓變化量制動(dòng)的零序電壓匝間短路保護。三次諧波電壓變化量制動(dòng)的零序電壓匝間短路保護程序邏輯框圖如圖2-10所示，保護分為I、II兩段。

（1）I段為次靈敏段，由縱向零序電壓元件構成，其動(dòng)作判據為3U₀＞U_set，動(dòng)作電壓按躲過(guò)區外故障時(shí)出現的最大基波不平衡電壓整定，保護瞬時(shí)動(dòng)作出口。

（2）II段為靈敏段，由零序電壓變化量元件實(shí)現，靈敏段的動(dòng)作電壓應可靠躲過(guò)正常運行時(shí)出現的最大基波不平衡電壓，并引入三次諧波電壓變化量進(jìn)行制動(dòng)，以防止區外故障時(shí)出現的最大基波不平衡電壓引起保護的誤動(dòng)。其動(dòng)作判據為

 

3U₀-U_unb>K(U_3ω-U_3ωN)                                (2-6)

式中 3U₀——專(zhuān)用TV開(kāi)口繞組輸出電壓；

U_unb ——正常運行時(shí)出現的最大不平衡電壓；

U_3ω——專(zhuān)用TV開(kāi)口繞組輸出電壓的三次諧波分量；

U_3ωN ——發(fā)電機額定運行時(shí)，專(zhuān)用TV開(kāi)口繞組輸出電壓的三次諧波分量；

K ——制動(dòng)特性曲線(xiàn)的斜率。

令3U₀-U_unb＝ΔU_ω，U_3ω-U_3mN＝ΔU_3ω，則式（2-6）可表示為

ΔU_ω > KΔU_3ω                                                 (2-7)

II段靈敏段可帶0.1～0.5s延時(shí)動(dòng)作出口，以躲過(guò)外部故障暫態(tài)過(guò)程的影響。用零序電壓中的三次諧波分量來(lái)閉鎖匝間保護，使得匝間保護的安全性得以大大提高。需要說(shuō)明，600MW發(fā)電機定子繞組都是單匝線(xiàn)棒，不存在匝間絕緣。同相同一槽內的上下線(xiàn)棒之間絕緣則是兩倍的對地主絕緣，匝間短路故障幾率極小。

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