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发电机定子绕组匝间的短路保护原理 |
短路故障的统计数据表明，发电机及其机端引出线的故障中相间短路是最多的，虽然定子绕组匝间短路发生的概率相对较少，但也有发生的可能性，需要配置保护。在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相一般都是由两个或两个以上并联分支绕组组成的，且采用双层绕组。定子绕组的匝间短路故障主要是指同属一分支的位于同槽上下层线棒间发生的短路或同相但不同分支的位于同槽上下层线棒间发生的短路。此外，定子相同绕组端部两点接地也可形成匝间短路。匝间短路回路的阻抗较小，短路电流很大，会使局部绕组和铁芯遭到严重损伤。因而定子绕组匝间短路是发电机的一种严重故障。但由于短路发生在同一相绕组内，故纵差动保护不能反应匝间短路。因此，发电机应专门装设高灵敏度的定子绕组匝间短路保护，并兼顾反应定子绕组开焊故障，瞬时动作于停机。根据发电机中性点引出分支线的不同，匝间短路保护的方式主要有以下两种。
一、发电机单元件横差动保护
单元件横差动保护适用于具有多分支的定子绕组，且有两个以上中性点引出端子的发电机，能反应定子绕组匝间短路、分支线棒开焊及机内绕组相间短路。
对于定子绕组每相具有两个并联分支绕组，采用双星形接线，中性点有六或四个引出端的发电机，单元件横差动保护的原理接线可由图2-7来说明。在正常运行的时候，各绕组中的电动势相等，且三相对称，两个星形接线中性点等电位，中性点连线中无电流流过。当同相内非等电位点发生匝间短路等不对称故障时，各短路绕组中的电动势就不再相等。由于两星形绕组间电动势平衡遭到破坏，在中性点连线上将引起故障环流，中性点连线中会有电流流过，利用测量这种环流可构成反应匝间短路故障的单元件横差动保护。
图1中保护所用电流互感器TA接在两中性点连线上。正常运行及外部短路时，两星形绕组三相基波电动势对称，两中性点连线上主要存在由发电机电动势中高次谐波产生的不平衡电流，其中以三次谐波幅值最大。横差保护元件的动作电流必须要大于最大不平衡电流。为减小不平衡电流影响，降低动作电流，提高保护灵敏度，横差保护中应滤除三次谐波。
单元件横差保护具有接线简单、灵敏度较高，能反应匝间短路、绕组相间短路及分支开焊故障等优点。对于中性点有六个引出端子的发电机，装设单元件横差动保护是一种最简单可靠且灵敏度较高的发电机内部保护方案。但大型机组由于一些技术上和经济上的考虑，发电机中性点侧常常只引出三个端子，更大的机组甚至只引出一个中性点，这就不可能装设单元件横差动保护。对此应考虑下述纵向零序电压原理的匝间短路保护。
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发电机单元件横差动保护接线原理图 |
二、纵向零序电压发电机匝间短路保护
1．纵向零序电压定子绕组匝间短路保护基本原理
发电机定子绕组在其同一分支匝间或同相不同分支间发生匝间短路故障或开焊时，由于三相电动势出现纵向不对称（即机端相对于中性点出现不对称），从而产生所谓的纵向零序电压。该电压由专用电压互感器（互感器一次中性点与发电机中性点通过高压电缆连接起来，而不允许接地）的开口三角形绕组两端取得。利用反应纵向零序电压超过定值时保护动作可构成零序电压匝间短路保护。
零序电压式匝间短路保护主要由零序电压元件、负序功率方向闭锁元件和TV断线闭锁元件组成。零序电压元件由专用电压互感器取得纵向零序电压，专用电压互感器原理接线如图2所示。为取得纵向零序电压，而不受单相接地产生的零序电压影响，专用电压互感器的一次侧中性点直接与发电机中性点相连接，并与地绝缘。
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发电机匝间短路保护电压互感器接线原理图 |
当发电机定子绕组一相（设A相）发生匝间短路，且短路匝数比α不大时，可认为三相电动势仍存在120°相位差，此时机端三相电压为
式中Ė——故障前A相电动势。
发电机三相对中性点N出现纵向零序电压
由于电压互感器一次绕组中性点n与发电机中性点N直接相连，故电压互感器开口三角形绕组输出的零序电压为
当发电机一相定子绕组开焊时，发电机三相绕组对中性点也将出现纵向零序电压。同理，电压互感器开口三角绕组亦有零序电压输出。当发电机定子绕组单相接地时，虽然发电机定子三相绕组对地出现零序电压，但由于发电机中性点不直接接地，其定子三相对中性点N仍保持对称。因此，一次侧与发电机三相绕组并联的电压互感器开口三角绕组无零序电压输出。
显然，当发电机正常运行或外部发生相间短路时，电压互感器开口三角绕组也无零序电压输出。实际上，由于发电机气隙磁通的非正弦分布及磁饱和等影响，正常运行时电压互感器开口三角绕组仍有不平衡电压，其中主要是三次谐波电压，其值随定子电流的增大而增大。为此，应有效地滤去不平衡电压中的三次谐波分量，以提高保护灵敏度、减小死区。
2．负序功率方向闭锁
当发电机区外短路电流较大时，往往滤除三次谐波后，仍有较大的不平衡电压值。为防止匝间短路保护误动，且不增大保护的动作值，可设置负序功率方向元件用以测量机端负序功率方向。不同故障情况下，机端的负序功率方向可由图3所示的定子回路的负序等值电路进行分析，图中ZS2为系统负序阻抗，其阻抗角为φS2。可见，利用负序功率方向元件可正确区分匝间短路和区外短路，在区外短时闭锁保护。这样，保护的动作值可仅按躲过正常运行时的不平衡电压整定。当三次谐波过滤器的过滤比大于80时，保护的动作电压可取额定电压的0.03～0.04倍。若电压互感器开口三角侧额定电压为100V，则电压元件的动作电压为3～4V。
为防止专用电压互感器TV1断线，在开口三角绕组侧出现很大的零序电压导致保护误动，保护装置中要增设电压回路断线闭锁元件。断线闭锁元件是利用比较专用电压互感器TV1和机端测量电压互感器TV2的二次正序电压原理工作的。正常运行时，TV1与TV2二次正序电压相等，断线闭锁元件不动作。当任一电压互感器断线时，其正序电压低于另一正常电压互感器的正序电压，断线闭锁元件动作，闭锁保护装置。可见，负序功率方向闭锁零序电压匝间短路保护的灵敏度较高，死区较小，在大型发电机中得到广泛应用。
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发电机定子回路的负序等值电路图 |
3．发电机纵向零序电压匝间短路保护动作逻辑
微机型匝间短路保护常采用零序电压原理构成，为提高保护灵敏度，引入三次谐波电压变化量进行制动即构成三次谐波电压变化量制动的零序电压匝间短路保护。三次谐波电压变化量制动的零序电压匝间短路保护程序逻辑框图如图2-10所示，保护分为I、II两段。
（1）I段为次灵敏段，由纵向零序电压元件构成，其动作判据为3U0＞Uset，动作电压按躲过区外故障时出现的最大基波不平衡电压整定，保护瞬时动作出口。
（2）II段为灵敏段，由零序电压变化量元件实现，灵敏段的动作电压应可靠躲过正常运行时出现的最大基波不平衡电压，并引入三次谐波电压变化量进行制动，以防止区外故障时出现的最大基波不平衡电压引起保护的误动。其动作判据为
3U0-Uunb>K(U3ω-U3ωN) (2-6)
式中 3U0——专用TV开口绕组输出电压；
Uunb ——正常运行时出现的最大不平衡电压；
U3ω——专用TV开口绕组输出电压的三次谐波分量；
U3ωN ——发电机额定运行时，专用TV开口绕组输出电压的三次谐波分量；
K ——制动特性曲线的斜率。
令3U0-Uunb＝ΔUω，U3ω-U3mN＝ΔU3ω，则式（2-6）可表示为
ΔUω > KΔU3ω (2-7)
II段灵敏段可带0.1～0.5s延时动作出口，以躲过外部故障暂态过程的影响。用零序电压中的三次谐波分量来闭锁匝间保护，使得匝间保护的安全性得以大大提高。需要说明，600MW发电机定子绕组都是单匝线棒，不存在匝间绝缘。同相同一槽内的上下线棒之间绝缘则是两倍的对地主绝缘，匝间短路故障几率极小。
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