新聞主題	發(fā)電機(jī)定子繞組匝間的短路保護(hù)原理

 

短路故障的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，發(fā)電機(jī)及其機(jī)端引出線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(duì)較少，但也有發(fā)生的可能性，需要配置保護(hù)。在大容量發(fā)電機(jī)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棒間發(fā)生的短路。此外，定子相同繞組端部?jī)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(yán)重?fù)p傷。因而定子繞組匝間短路是發(fā)電機(jī)的一種嚴(yán)重故障。但由于短路發(fā)生在同一相繞組內(nèi)，故縱差動(dòng)保護(hù)不能反應(yīng)匝間短路。因此，發(fā)電機(jī)應(yīng)專門裝設(shè)高靈敏度的定子繞組匝間短路保護(hù)，并兼顧反應(yīng)定子繞組開(kāi)焊故障，瞬時(shí)動(dòng)作于停機(jī)。根據(jù)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出分支線的不同，匝間短路保護(hù)的方式主要有以下兩種。

 

一、發(fā)電機(jī)單元件橫差動(dòng)保護(hù)

 

單元件橫差動(dòng)保護(hù)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(jī)，能反應(yīng)定子繞組匝間短路、分支線棒開(kāi)焊及機(jī)內(nèi)繞組相間短路。

 

對(duì)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，中性點(diǎn)有六或四個(gè)引出端的發(fā)電機(jī)，單元件橫差動(dòng)保護(hù)的原理接線可由圖2-7來(lái)說(shuō)明。在正常運(yùn)行的時(shí)候，各繞組中的電動(dòng)勢(shì)相等，且三相對(duì)稱，兩個(gè)星形接線中性點(diǎn)等電位，中性點(diǎn)連線中無(wú)電流流過(guò)。當(dāng)同相內(nèi)非等電位點(diǎn)發(fā)生匝間短路等不對(duì)稱故障時(shí)，各短路繞組中的電動(dòng)勢(shì)就不再相等。由于兩星形繞組間電動(dòng)勢(shì)平衡遭到破壞，在中性點(diǎn)連線上將引起故障環(huán)流，中性點(diǎn)連線中會(huì)有電流流過(guò)，利用測(cè)量這種環(huán)流可構(gòu)成反應(yīng)匝間短路故障的單元件橫差動(dòng)保護(hù)。

 

圖1中保護(hù)所用電流互感器TA接在兩中性點(diǎn)連線上。正常運(yùn)行及外部短路時(shí)，兩星形繞組三相基波電動(dòng)勢(shì)對(duì)稱，兩中性點(diǎn)連線上主要存在由發(fā)電機(jī)電動(dòng)勢(shì)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(hù)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(hù)靈敏度，橫差保護(hù)中應(yīng)濾除三次諧波。

 

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

 

發(fā)電機(jī)單元件橫差動(dòng)保護(hù)接線原理圖

 

二、縱向零序電壓發(fā)電機(jī)匝間短路保護(hù)

 

1．縱向零序電壓定子繞組匝間短路保護(hù)基本原理

 

發(fā)電機(jī)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(shì)出現(xiàn)縱向不對(duì)稱（即機(jī)端相對(duì)于中性點(diǎn)出現(xiàn)不對(duì)稱），從而產(chǎn)生所謂的縱向零序電壓。該電壓由專用電壓互感器（互感器一次中性點(diǎn)與發(fā)電機(jī)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(yīng)縱向零序電壓超過(guò)定值時(shí)保護(hù)動(dòng)作可構(gòu)成零序電壓匝間短路保護(hù)。

 

零序電壓式匝間短路保護(hù)主要由零序電壓元件、負(fù)序功率方向閉鎖元件和TV斷線閉鎖元件組成。零序電壓元件由專用電壓互感器取得縱向零序電壓，專用電壓互感器原理接線如圖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，專用電壓互感器的一次側(cè)中性點(diǎn)直接與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)相連接，并與地絕緣。

 

發(fā)電機(jī)匝間短路保護(hù)電壓互感器接線原理圖

 

當(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組一相（設(shè)A相）發(fā)生匝間短路，且短路匝數(shù)比α不大時(shí)，可認(rèn)為三相電動(dòng)勢(shì)仍存在120°相位差，此時(shí)機(jī)端三相電壓為

 

 

式中?——故障前A相電動(dòng)勢(shì)。

發(fā)電機(jī)三相對(duì)中性點(diǎn)N出現(xiàn)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(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)一相定子繞組開(kāi)焊時(shí)，發(fā)電機(jī)三相繞組對(duì)中性點(diǎn)也將出現(xiàn)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(dāng)發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地時(shí)，雖然發(fā)電機(jī)定子三相繞組對(duì)地出現(xiàn)零序電壓，但由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不直接接地，其定子三相對(duì)中性點(diǎn)N仍保持對(duì)稱。因此，一次側(cè)與發(fā)電機(jī)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(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)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(jī)氣隙磁通的非正弦分布及磁飽和等影響，正常運(yùn)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(yīng)有效地濾去不平衡電壓中的三次諧波分量，以提高保護(hù)靈敏度、減小死區(qū)。

 

2．負(fù)序功率方向閉鎖

 

當(dāng)發(fā)電機(jī)區(qū)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(hù)誤動(dòng)，且不增大保護(hù)的動(dòng)作值，可設(shè)置負(fù)序功率方向元件用以測(cè)量機(jī)端負(fù)序功率方向。不同故障情況下，機(jī)端的負(fù)序功率方向可由圖3所示的定子回路的負(fù)序等值電路進(jìn)行分析，圖中Z_S2為系統(tǒng)負(fù)序阻抗，其阻抗角為φ_S2。可見(jiàn)，利用負(fù)序功率方向元件可正確區(qū)分匝間短路和區(qū)外短路，在區(qū)外短時(shí)閉鎖保護(hù)。這樣，保護(hù)的動(dòng)作值可僅按躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)的不平衡電壓整定。當(dāng)三次諧波過(guò)濾器的過(guò)濾比大于80時(shí)，保護(hù)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(cè)額定電壓為100V，則電壓元件的動(dòng)作電壓為3～4V。

 

為防止專用電壓互感器TV1斷線，在開(kāi)口三角繞組側(cè)出現(xiàn)很大的零序電壓導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)，保護(hù)裝置中要增設(shè)電壓回路斷線閉鎖元件。斷線閉鎖元件是利用比較專用電壓互感器TV1和機(jī)端測(cè)量電壓互感器TV2的二次正序電壓原理工作的。正常運(yùn)行時(shí)，TV1與TV2二次正序電壓相等，斷線閉鎖元件不動(dòng)作。當(dāng)任一電壓互感器斷線時(shí)，其正序電壓低于另一正常電壓互感器的正序電壓，斷線閉鎖元件動(dòng)作，閉鎖保護(hù)裝置?？梢?jiàn)，負(fù)序功率方向閉鎖零序電壓匝間短路保護(hù)的靈敏度較高，死區(qū)較小，在大型發(fā)電機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。

 

發(fā)電機(jī)定子回路的負(fù)序等值電路圖

 

3．發(fā)電機(jī)縱向零序電壓匝間短路保護(hù)動(dòng)作邏輯

 

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

（1）I段為次靈敏段，由縱向零序電壓元件構(gòu)成，其動(dòng)作判據(jù)為3U₀＞U_set，動(dòng)作電壓按躲過(guò)區(qū)外故障時(shí)出現(xiàn)的最大基波不平衡電壓整定，保護(hù)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(xiàn)，靈敏段的動(dòng)作電壓應(yīng)可靠躲過(guò)正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)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(qū)外故障時(shí)出現(xiàn)的最大基波不平衡電壓引起保護(hù)的誤動(dòng)。其動(dòng)作判據(jù)為

 

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

式中 3U₀——專用TV開(kāi)口繞組輸出電壓；

U_unb ——正常運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)的最大不平衡電壓；

U_3ω——專用TV開(kāi)口繞組輸出電壓的三次諧波分量；

U_3ωN ——發(fā)電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，專用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(hù)，使得匝間保護(hù)的安全性得以大大提高。需要說(shuō)明，600MW發(fā)電機(jī)定子繞組都是單匝線棒，不存在匝間絕緣。同相同一槽內(nèi)的上下線棒之間絕緣則是兩倍的對(duì)地主絕緣，匝間短路故障幾率極小。

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