摘要：由于发电机差动保护不能保护定子绕组匝间短故障，在发生匝间短路后，若不能及时处理，则可能发展成为相间故障，造成发电机重大损坏，因此在大型发电机组中都装设有发电机定子匝间短路保护，同时也可保护定子绕组断线故障。柴油发电机组的电球短路短延时保护电路是为了在发生短路故障时快速切断发电机输出，防止设备损坏和系统故障。本文主要为您分享的是匝间短路的特点、短路短延时保护电路的基本原理、功能和组成部分。
一、匝间短路的原因、特点与影响
匝间短路是一种常见的发电机绕组故障，会产生巨大的短路故障电流，导致绕组局部过热，造成严重的安全事故和连带损失。其电路和示意图分别如图1、图2所示。
1、发电机匝间短路的主要特点
（1）运行不稳定：
当发电机绕组中出现匝间短路时，发电机的运行会变得不稳定，表现为速度变化大，甚至可能出现停机现象。
（2）热量增加：
由于短路导致电阻值减小，电流增加，发电机绕组中的热量也会增加，通常在发电机运行一段时间后表现得尤为明显。
（3）噪音增大：
匝间短路会使绕组中的电流不稳定，导致磁场变化，从而产生噪音。随着故障的加重，噪音会逐渐变大，甚至超过正常范围。
（4）振动增大：
匝间短路会使发电机产生不稳定的运动，振动增大，严重时可能导致机组破坏。
2、匝间短路对发电机性能的影响
（1）发电机温度升高：
由于短路部分的电阻减小，电流增大，导致发电机内部热量增加，温度升高。
（2）发电机振动加剧：
短路部分产生的涡流和磁滞损耗增加，使得发电机铁心产生较大的振动。
（3）发电机噪声变大：
涡流和磁滞损耗的增加导致发电机内部产生额外的噪音。
（4）发电机输出功率下降：
短路部分电阻减小，导致发电机输出功率降低，影响电动机的正常运行。
（5）发电机转速不稳定：
短路部分产生的涡流和磁滞损耗影响电动机的稳定运行。
3、匝间短路的原因
（1）绕组材料品质不佳：
绕组材料的质量是影响发电机性能的重要因素之一，品质不佳易导致缺陷，从而引发短路。
（2）绕组绝缘老化：
发电机运行时，绕组受到电磁波影响，绝缘材料老化失去绝缘性能，导致匝间短路。
（3）运行环境不良：
高温、潮湿、高海拔等环境条件会影响发电机的绝缘性能，增加故障发生概率。
（4）维护保养不当：
未及时更换受损零件或使用不合适的电器设备会导致发电机损坏，引发匝间短路故障。
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图1 发电机匝间短路电路图 |
图2 发电机三相匝间短路示意图 |
二、短路延时保护原理
短路短延时保护主要通过电流监测来实现。当发电机组的输出电流超过设定阈值（通常是额定电流的几倍），系统会立即触发保护机制，快速断开发电机与负载的连接。延时保护是指在短路电流持续一段时间后，再进行切断，以防止因瞬时过载而误动作。
1、发电机短延时保护的作用
发电机的短延时保护是指一个用于检测发电机短路并在出现该故障时实现瞬时断开电源的机制。短路是指电气系统内部出现电路直接连接，从而使电流失控并可能导致电器设备的烧毁或者电压失稳。发电机短延时保护机制的设计是为了在电路短路或其他突发故障发生时立即切断电源，以避免电器设备损坏和安全事故的发生。
短延时保护采用的原理是电压或电流的比较检测。检测电压或电流变化时，会与设定的阈值进行比较，当电压或电流超出设定的阈值范围时，保护机制就会发出警报并在几毫秒内切断电源。这种短延时保护机制通常使用一些可编程逻辑控制器、微处理器或其他数字电路实现。
2、 启动和充电延时电路
（1）该保护电路由稳压管W2及三极管VT3、VT4构成的射极耦合触发器式的启动电路，由电容器C4、电阻R16、R32组成充电延时电路。
（2）短路短延时保护电路的控制信号从电阻R4、R5和电位器R27分压电路中的检测环节输出，经二极管VD14、稳压管W2及电阻R14加三极管VT3的基极上。
（3）短路短延时保护启动电流值的调整，可调整电位器R27/1，在（3～5）、范围内整定启动电流值。ILH·e为电流变换器的额定电流。延时的时间可调整电位器R32阻值的大小，可在（0.2~0.6）s范围内整定延时时限。
3、短路短延时保护的控制过程
发电机输出的电流在正常情况下，由于正常输出的电流小于短路延时的启动电流，因此，分压器R4、R5、R32输出的信号电压U2低于稳压管W2的击穿电压，故W2截止，三极管VT3无基极电流而截止，三极管VT4饱和导通，电容器C4的电压很低，二极管VD19截止，出口电路不工作，短路短延时保护不起作用。
当发电机供电系统发生短路时，其系统中的电流增大，整流电路VD1～VD12输出的电压升高，第2组分压电路中电位器R27整定输出的直流控制电压U2使稳压管W2击穿，经二极管VD14和电阻R14，将检测信号U2加到三极管VT3的基极，使其导通，三极管VT4截止，于是工作电源经电阻R16、R32对电容C4进行充电，随着C4充电其电压使二极管VD19正向导通后，C4和C7被并联充电。电容C4、C7的电压达到单结晶体管BT的峰点电压时间，即为时限电路的延时时间，一般为（0.2~0.6）s。当C4、C7充电到管的峰点电压时，班管导通，电容C4、C7经BT管对电阻R33进行放电，输出尖脉冲电压UR33，使可控硅SCR导通，使脱扣器线圈S失压，开关自动跳闸。
4、短延时保护的具体实现方式
短延时保护通常包括电流保护、电压保护和间隙保护三种保护手段。电流保护和电压保护通常都只需要几毫秒的响应时间，而间隙保护的响应时间可能会更长一些。
（1）电流保护
电流保护是通过比较电路中的电流变化来检测电路短路。在检测到电流突然增大时，短延时保护机制会切断电源。其短路温度分布如图3所示。
（2）电压保护
电压保护是通过比较电路中的电压变化来检测电路短路。其工作方式与电流保护类似。电路控制如图4所示。
（3）间隙保护
间隙保护是指通过检测发电机绕组中的电势差来判断发生的故障类型。该方式响应较慢，但其可在一定程度上保护发电机免受瞬间电流冲击的危害。
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图3 发电机短路温度分布仿真图 |
图4 发电机短路短延时保护电路控制图 |
三、短路延时保护功能与设置
1、保护功能
（1）快速响应：
在短路发生时，系统能够迅速检测到异常电流并立即切断发电机输出。
（2）防止设备损坏：
通过及时切断电源，减少对发电机及其他设备的损害。
（3）减少电弧和火灾风险：
减少因短路引发的电弧和潜在火灾风险。
（4）恢复操作：
短路解除后，保护电路可以通过手动或自动方式恢复发电机的运行。
2、保护电路组成
（1）电流互感器（CT）：
用于监测发电机输出电流，将高电流转换为低电流信号，供后续电路处理。
（2）过流保护继电器：
监测来自电流互感器的信号，当电流超过设定值时，继电器将发送信号切断发电机输出。
（3）延时电路：
设置一个短延时，防止误动作。在短路电流持续超过设定时间后，才会切断电源。
（4）断路器或接触器：
用于切断发电机与负载之间的电源连接。可通过继电器控制其开关状态。
（5）指示灯和报警系统：
提供可视和听觉警报，以便操作人员及时了解短路保护的状态。
3、保护设置
（1）电流设定：
根据发电机组的额定电流和负载特性，设定合理的短路电流阈值。
（2）延时设置：
设置合适的延时时间，通常在几十毫秒到几百毫秒之间，以避免误动作。
（3）定期测试与维护：
定期测试短路保护电路的功能和灵敏度，确保其在故障发生时能够正常工作。
总结：
发电机短延时保护机制是一项重要的电气保护手段，可以有效避免电气故障所带来的损失和危害。在发电机系统运行中，保护机制的正确设置和调整同样也是非常重要的。短延时保护机制适用于发电机系统中的任何电气设备，尤其是那些电流变化频繁的设备。需要注意的是，短延时保护机制可能会对系统的稳定性产生一定影响。如果设置的阈值太低或过于敏感，可能会导致误切电源和假警报的发生。因此，在设置保护机制时需要特别谨慎，并根据实际需求进行相应的优化和调整。
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