发电机定子绕组匝间的短路保护原理

　　短路事故的统计参数表明，发电机及其机端引出线的损坏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，但也有产生的可能性，需要配置保护。在大功率发电机中，因为额定电流很大，其每相一般都是由两个或两个以上并机分支绕组结构的，且选取双层绕组。定子绕组的匝间短路故障具体是指同属一分支的位于同槽上下层线棒间出现的短路或同相但不同分支的位于同槽上下层线棒间出现的短路。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磨耗。因而定子绕组匝间短路是发电机的一种严重事故。但因为短路发生在同一相绕组内，故纵差动保护无法反应匝间短路。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损坏，瞬时动作于停机。

　　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内蒙古康明斯发电机，选取双星形接线，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产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广东发电机厂家。由于两星形绕组间电动势平衡遭到破坏，在中性点连线上将导致损坏环流，中性点连线中会有电流流过，利用检测这种环流可构成反应匝间短路损坏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出现的不平衡电流，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。为减轻不平衡电流影响，减小动作电流，增强保护灵敏度，横差保护中应滤除三次谐波。

　　单元件横差保护具有接线大概、灵敏度偏高，能反应匝间短路、绕组相间短路及分支开焊损坏等优点。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大概可靠且灵敏度偏高的发电机内部保护手段。但大型机组因为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。

　　发电机定子绕组在其同一分支匝间或同相不同分支间产生匝间短路损坏或开焊时，因为三相电动势产生纵向不对称（即机端相对于中性点出现不对称），从而发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偏高压电缆连接起来，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组成零序电压匝间短路保护。

　　零序电压式匝间短路保护具体由零序电压元件、负序容量方向闭锁元件和TV断线闭锁元件构造。零序电压元件由专用电压互感器取得纵向零序电压，专用电压互感器机理接线所示。为取得纵向零序电压，而不受单相接地发生的零序电压危害，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。

　　当发电机定子绕组一相（设A相）出现匝间短路，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

　　因为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产生纵向零序电压。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产生零序电压，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车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产生相间短路时，电压互感器开口三角绕组也无零序电压输出。实际上，因为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、降低死区。

　　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。为预防匝间短路保护误动，且不增大保护的动作值，可设置负序功率方向元件用以检测机端负序容量方向。不一样故障情况下，机端的负序容量方向可由图3所示的定子回路的负序等值电路进行解析，图中ZS2为机构负序阻抗，其阻抗角为φS2。可见，利用负序容量方向元件可准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转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和机端测定电压互感器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运用。

　　微机型匝间短路保护常采取零序电压原理构成，为提高保护灵敏度，引入三次谐波电压变化量进行制动即结构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步骤逻辑框图如图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结构，其动作判据为3U0＞Uset，动作电压按躲过区外事故时发生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转时产生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，以避免区外故障时产生的最大基波不平衡电压引起保护的误动。其动作判据为

　　3U0-UunbK(U3ω-U3ωN)                                (2-6)

　　 KΔU3ω                                                 (2-7)II段灵敏段可带0.1～0.5s延时动作出口山东康明斯发电机，以躲过外部事故暂态程序的影响。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，600KW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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