發電機定子繞組匝間的短路保護原理
發布時間：2024-03-08 點擊：140
發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，發電機及其機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生的概率相對較少，但也有發生的可能性，需要配置保護。在大容量發電機中，由于額定電流很大，其每相一般都是由兩個或兩個以上并聯分支繞組組成的，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生的短路或同相但不同分支的位于同槽上下層線棒間發生的短路。此外，定子相同繞組端部兩點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電機的一種嚴重故障。但由于短路發生在同一相繞組內，故縱差動保護不能反應匝間短路。因此，發電機應專門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焊故障，瞬時動作于停機。根據發電機中性點引出分支線的不同，匝間短路保護的方式主要有以下兩種。
一、發電機單元件橫差動保護
單元件橫差動保護適用于具有多分支的定子繞組，且有兩個以上中性點引出端子的發電機，能反應定子繞組匝間短路、分支線棒開焊及機內繞組相間短路。
對于定子繞組每相具有兩個并聯分支繞組，采用雙星形接線，中性點有六或四個引出端的發電機，單元件橫差動保護的原理接線可由圖2-7來說明。在正常運行的時候，各繞組中的電動勢相等，且三相對稱，兩個星形接線中性點等電位，中性點連線中無電流流過。當同相內非等電位點發生匝間短路等不對稱故障時，各短路繞組中的電動勢就不再相等。由于兩星形繞組間電動勢平衡遭到破壞，在中性點連線上將引起故障環流，中性點連線中會有電流流過，利用測量這種環流可構成反應匝間短路故障的單元件橫差動保護。
圖1中保護所用電流互感器ta接在兩中性點連線上。正常運行及外部短路時，兩星形繞組三相基波電動勢對稱，兩中性點連線上主要存在由發電機電動勢中高次諧波產生的不平衡電流，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簡單、靈敏度較高，能反應匝間短路、繞組相間短路及分支開焊故障等優點。對于中性點有六個引出端子的發電機，裝設單元件橫差動保護是一種最簡單可靠且靈敏度較高的發電機內部保護方案。但大型機組由于一些技術上和經濟上的考慮，發電機中性點側常常只引出三個端子，更大的機組甚至只引出一個中性點，這就不可能裝設單元件橫差動保護。對此應考慮下述縱向零序電壓原理的匝間短路保護。
發電機單元件橫差動保護接線原理圖
二、縱向零序電壓發電機匝間短路保護
1．縱向零序電壓定子繞組匝間短路保護基本原理
發電機定子繞組在其同一分支匝間或同相不同分支間發生匝間短路故障或開焊時，由于三相電動勢出現縱向不對稱（即機端相對于中性點出現不對稱），從而產生所謂的縱向零序電壓。該電壓由專用電壓互感器（互感器一次中性點與發電機中性點通過高壓電纜連接起來，而不允許接地）的開口三角形繞組兩端取得。利用反應縱向零序電壓超過定值時保護動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，而不受單相接地產生的零序電壓影響，專用電壓互感器的一次側中性點直接與發電機中性點相連接，并與地絕緣。
發電機匝間短路保護電壓互感器接線原理圖
當發電機定子繞組一相（設a相）發生匝間短路，且短路匝數比α不大時，可認為三相電動勢仍存在120°相位差，此時機端三相電壓為
式中?——故障前a相電動勢。
發電機三相對中性點n出現縱向零序電壓
由于電壓互感器一次繞組中性點n與發電機中性點n直接相連，故電壓互感器開口三角形繞組輸出的零序電壓為
當發電機一相定子繞組開焊時，發電機三相繞組對中性點也將出現縱向零序電壓。同理，電壓互感器開口三角繞組亦有零序電壓輸出。當發電機定子繞組單相接地時，雖然發電機定子三相繞組對地出現零序電壓，但由于發電機中性點不直接接地，其定子三相對中性點n仍保持對稱。因此，一次側與發電機三相繞組并聯的電壓互感器開口三角繞組無零序電壓輸出。
顯然，當發電機正常運行或外部發生相間短路時，電壓互感器開口三角繞組也無零序電壓輸出。實際上，由于發電機氣隙磁通的非正弦分布及磁飽和等影響，正常運行時電壓互感器開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
當發電機區外短路電流較大時，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，且不增大保護的動作值，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行分析，圖中zs2為系統負序阻抗，其阻抗角為φs2。可見，利用負序功率方向元件可正確區分匝間短路和區外短路，在區外短時閉鎖保護。這樣，保護的動作值可僅按躲過正常運行時的不平衡電壓整定。當三次諧波過濾器的過濾比大于80時，保護的動作電壓可取額定電壓的0.03～0.04倍。若電壓互感器開口三角側額定電壓為100v，則電壓元件的動作電壓為3～4v。
為防止專用電壓互感器tv1斷線，在開口三角繞組側出現很大的零序電壓導致保護誤動，保護裝置中要增設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，tv1與tv2二次正序電壓相等，斷線閉鎖元件不動作。當任一電壓互感器斷線時，其正序電壓低于另一正常電壓互感器的正序電壓，斷線閉鎖元件動作，閉鎖保護裝置。可見，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，在大型發電機中得到廣泛應用。
發電機定子回路的負序等值電路圖
3．發電機縱向零序電壓匝間短路保護動作邏輯
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行制動即構成三次諧波電壓變化量制動的零序電壓匝間短路保護。三次諧波電壓變化量制動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，其動作判據為3u0＞uset，動作電壓按躲過區外故障時出現的最大基波不平衡電壓整定，保護瞬時動作出口。
（2）ii段為靈敏段，由零序電壓變化量元件實現，靈敏段的動作電壓應可靠躲過正常運行時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行制動，以防止區外故障時出現的最大基波不平衡電壓引起保護的誤動。其動作判據為
3u0-uunb>k(u3ω-u3ωn)(2-6)
式中 3u0——專用tv開口繞組輸出電壓；
uunb——正常運行時出現的最大不平衡電壓；
u3ω——專用tv開口繞組輸出電壓的三次諧波分量；
u3ωn——發電機額定運行時，專用tv開口繞組輸出電壓的三次諧波分量；
k——制動特性曲線的斜率。
令3u0-uunb＝δuω，u3ω-u3mn＝δu3ω，則式（2-6）可表示為
δuω>kδu3ω(2-7)
ii段靈敏段可帶0.1～0.5s延時動作出口，以躲過外部故障暫態過程的影響。用零序電壓中的三次諧波分量來閉鎖匝間保護，使得匝間保護的安全性得以大大提高。需要說明，600mw發電機定子繞組都是單匝線棒，不存在匝間絕緣。同相同一槽內的上下線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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短路故障的統計數據表明，發電機及其機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生的概率相對較少，但也有發生的可能性，需要配置保護。在大容量發電機中，由于額定電流很大，其每相一般都是由兩個或兩個以上并聯分支繞組組成的，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生的短路或同相但不同分支的位于同槽上下層線棒間發生的短路。此外，定子相同繞組端部兩點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電機的一種嚴重故障。但由于短路發生在同一相繞組內，故縱差動保護不能反應匝間短路。因此，發電機應專門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焊故障，瞬時動作于停機。根據發電機中性點引出分支線的不同，匝間短路保護的方式主要有以下兩種。
一、發電機單元件橫差動保護
單元件橫差動保護適用于具有多分支的定子繞組，且有兩個以上中性點引出端子的發電機，能反應定子繞組匝間短路、分支線棒開焊及機內繞組相間短路。
對于定子繞組每相具有兩個并聯分支繞組，采用雙星形接線，中性點有六或四個引出端的發電機，單元件橫差動保護的原理接線可由圖2-7來說明。在正常運行的時候，各繞組中的電動勢相等，且三相對稱，兩個星形接線中性點等電位，中性點連線中無電流流過。當同相內非等電位點發生匝間短路等不對稱故障時，各短路繞組中的電動勢就不再相等。由于兩星形繞組間電動勢平衡遭到破壞，在中性點連線上將引起故障環流，中性點連線中會有電流流過，利用測量這種環流可構成反應匝間短路故障的單元件橫差動保護。
圖1中保護所用電流互感器ta接在兩中性點連線上。正常運行及外部短路時，兩星形繞組三相基波電動勢對稱，兩中性點連線上主要存在由發電機電動勢中高次諧波產生的不平衡電流，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簡單、靈敏度較高，能反應匝間短路、繞組相間短路及分支開焊故障等優點。對于中性點有六個引出端子的發電機，裝設單元件橫差動保護是一種最簡單可靠且靈敏度較高的發電機內部保護方案。但大型機組由于一些技術上和經濟上的考慮，發電機中性點側常常只引出三個端子，更大的機組甚至只引出一個中性點，這就不可能裝設單元件橫差動保護。對此應考慮下述縱向零序電壓原理的匝間短路保護。
發電機單元件橫差動保護接線原理圖
二、縱向零序電壓發電機匝間短路保護
1．縱向零序電壓定子繞組匝間短路保護基本原理
發電機定子繞組在其同一分支匝間或同相不同分支間發生匝間短路故障或開焊時，由于三相電動勢出現縱向不對稱（即機端相對于中性點出現不對稱），從而產生所謂的縱向零序電壓。該電壓由專用電壓互感器（互感器一次中性點與發電機中性點通過高壓電纜連接起來，而不允許接地）的開口三角形繞組兩端取得。利用反應縱向零序電壓超過定值時保護動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，而不受單相接地產生的零序電壓影響，專用電壓互感器的一次側中性點直接與發電機中性點相連接，并與地絕緣。
發電機匝間短路保護電壓互感器接線原理圖
當發電機定子繞組一相（設a相）發生匝間短路，且短路匝數比α不大時，可認為三相電動勢仍存在120°相位差，此時機端三相電壓為
式中?——故障前a相電動勢。
發電機三相對中性點n出現縱向零序電壓
由于電壓互感器一次繞組中性點n與發電機中性點n直接相連，故電壓互感器開口三角形繞組輸出的零序電壓為
當發電機一相定子繞組開焊時，發電機三相繞組對中性點也將出現縱向零序電壓。同理，電壓互感器開口三角繞組亦有零序電壓輸出。當發電機定子繞組單相接地時，雖然發電機定子三相繞組對地出現零序電壓，但由于發電機中性點不直接接地，其定子三相對中性點n仍保持對稱。因此，一次側與發電機三相繞組并聯的電壓互感器開口三角繞組無零序電壓輸出。
顯然，當發電機正常運行或外部發生相間短路時，電壓互感器開口三角繞組也無零序電壓輸出。實際上，由于發電機氣隙磁通的非正弦分布及磁飽和等影響，正常運行時電壓互感器開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
當發電機區外短路電流較大時，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，且不增大保護的動作值，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行分析，圖中zs2為系統負序阻抗，其阻抗角為φs2。可見，利用負序功率方向元件可正確區分匝間短路和區外短路，在區外短時閉鎖保護。這樣，保護的動作值可僅按躲過正常運行時的不平衡電壓整定。當三次諧波過濾器的過濾比大于80時，保護的動作電壓可取額定電壓的0.03～0.04倍。若電壓互感器開口三角側額定電壓為100v，則電壓元件的動作電壓為3～4v。
為防止專用電壓互感器tv1斷線，在開口三角繞組側出現很大的零序電壓導致保護誤動，保護裝置中要增設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，tv1與tv2二次正序電壓相等，斷線閉鎖元件不動作。當任一電壓互感器斷線時，其正序電壓低于另一正常電壓互感器的正序電壓，斷線閉鎖元件動作，閉鎖保護裝置。可見，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，在大型發電機中得到廣泛應用。
發電機定子回路的負序等值電路圖
3．發電機縱向零序電壓匝間短路保護動作邏輯
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行制動即構成三次諧波電壓變化量制動的零序電壓匝間短路保護。三次諧波電壓變化量制動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，其動作判據為3u0＞uset，動作電壓按躲過區外故障時出現的最大基波不平衡電壓整定，保護瞬時動作出口。
（2）ii段為靈敏段，由零序電壓變化量元件實現，靈敏段的動作電壓應可靠躲過正常運行時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行制動，以防止區外故障時出現的最大基波不平衡電壓引起保護的誤動。其動作判據為
3u0-uunb>k(u3ω-u3ωn)(2-6)
式中 3u0——專用tv開口繞組輸出電壓；
uunb——正常運行時出現的最大不平衡電壓；
u3ω——專用tv開口繞組輸出電壓的三次諧波分量；
u3ωn——發電機額定運行時，專用tv開口繞組輸出電壓的三次諧波分量；
k——制動特性曲線的斜率。
令3u0-uunb＝δuω，u3ω-u3mn＝δu3ω，則式（2-6）可表示為
δuω>kδu3ω(2-7)
ii段靈敏段可帶0.1～0.5s延時動作出口，以躲過外部故障暫態過程的影響。用零序電壓中的三次諧波分量來閉鎖匝間保護，使得匝間保護的安全性得以大大提高。需要說明，600mw發電機定子繞組都是單匝線棒，不存在匝間絕緣。同相同一槽內的上下線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。
柴油發電機組拉缸3個不同階段使用不同維修方法
120KW柴油發電機組上柴柴油機配套馬拉松發電機技術參數
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柴油發電機組機房選擇技巧
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