72发电机定子绕组短路故障的保护

7.2发电机定子绕组短路故障的保护——发电机定子绕组短路故障的特点——比率制动式纵差动保护——标积制动式纵差动保护——发电机纵差动保护的接线方式——发电机纵差动保护整定与灵敏度——发电机横差动保护——纵向零序电压式定子绕组匝间短路保护发电机内部短路故障——主要是指定子的各种相间和匝间短路故障，短路故障时在发电机被短接的绕组中将会出现很大的短路电流，严重损伤发电机本体，甚至使发电机报废，危害十分严重，发电机恢复的费用也非常高。7.2.1发电机定子绕组短路故障的特点发电机定子单相接地不会引起大的短路电流，不属于严重短路性故障。发电机定子的短路性故障归纳起来主要有五种情况：1单相接地，再由电弧引发故障点处相间短路；2直接发生线棒间绝缘击穿形成相间短路；3发生单相接地，再由于电位变化引发其他地点发生另一点的接地，从而构成两点接地短路；4发电机端部放电构成相间短路；5定子绕组同一相的匝间短路故障。7.2.2比率制动式纵差动保护如图所示，图中以一相为例，规定一次电流以流入发电机为正方向：当正常运行以及发生保护区外故障时——流入差动继电器的差动电流为零，继电器不动作；当发生发电机内部故障时——流入差动继电器的差动电流较大，当其超过整定值时，继电器判为发生了发电机内部故障而作用于跳闸。按照传统的纵差动保护整定方法，为防止纵差动保护在外部短路时误动，继电器动作电流应躲过最大不平衡电流，这样一来，纵差动保护动作电流将比较大，降低了保护的灵敏度，甚至有可能在发电机内部相间短路时拒动。为了解决这个问题，考虑到不平衡电流随着流过TA电流的增加而增加的因素，提出了比率制动式纵差动保护，使动作值随着外部短路电流的增大而自动增大。2,'2'1'2'1IIIIIIresd设比率制动方程为：min.min.min.min.min.,,)(resresddresresdresresdIIIIIIIIIKI根据比率制动特性曲线分析：当发电机正常运行，或区外较远的地方发生短路时，差动电流接近为零，差动保护不会误动。而在发电机内部发生短路故障时，差动电流明显增大，两侧电流相位接近相同，减小了制动量，从而可灵敏动作。当发生发电机内部轻微故障时，虽然有负荷电流制动，但制动量比较小，保护一般也能可靠动作。min.dIαABCmin.resI故障特性曲线2KdIresI以上动作方程可用如图所示的比率制动特性图表示，它在动作方程中引入了启动电流和拐点电流，制动线BC一般已不再经过原点，从而能够更好地拟合TA的误差特性，进一步提高差动保护的灵敏度。0)180cos(,00)180cos(,)180cos('2'1'2'1IIIIIIresd仍以电流流入发电机为正方向，令：动作判据为：min.ddressdIIIKI7.2.3标积制动式纵差保护原理1发电机纵差动保护的动作逻辑7.2.4发电机纵差动保护的接线方式发电机内部相间短路发电机中性点非直接接地有二相或三相继电器同时动作当两相或两相以上差动保护动作时判定为发电机内部发生短路故障当仅有一相差动保护动作时判定为TA断线1发电机纵差动保护的动作逻辑7.2.4发电机纵差动保护的接线方式为了对付发生一点在区内而另外一点在区外接地引起的同相短路故障，当有一相差动继电器动作且同时有负序电压时也判定为发电机内部短路故障。这种动作逻辑的特点：单相TA断线时不会误动，因此可省去专用的TA断线闭锁环节，且保护安全可靠。2发电机不完全纵差动保护接线常规纵差动保护引入发电机定子机端和中性点的全部相电流，在定子绕组发生同相匝间短路时两电流仍然相等，保护将不能动作。通常大型的汽轮或水轮发电机每相定子绕组均为两个或者多个并联分支，如图所示。2发电机不完全纵差动保护接线不完全纵联差动保护——仅引入发电机的中性点侧部分分支电流来构成差动保护，行及外部故障状态时无差流，而发电机发生相间与匝间短路时会形成差流，当超过定值时可切除故障。2发电机不完全纵差动保护接线不完全纵差保护可按此原则选择配置中性点TA的个数：1)2/(2/aNaN——中性点侧每相接入纵差动保护的分支数；a——发电机每相的并联的支路数。由于发电机不完全纵差动保护仅引入了中性点的部分分支电流，因此在应用时要注意以下问题：（1）TA的误差。发电机机端和中性点TA的变比不再相等，不可能再使用同一型号的TA，因此TA引起的不平衡电流将会增加。（2）误差源增加。除了通常的误差以外，不完全差动还会存在一些特别的误差源：如各分支之间的参数的一些微小差异（气隙不对称，电机振动等引起的不平衡）。（3）整定值。相对于发电机完全纵差保护而言，由于不完全差动保护的误差增加，在整定时应该考虑适当提高纵差保护的动作门槛和比率制动系数。（4）灵敏度。不完全差动保护的灵敏度与发电机中性点分支上TA的布置位置及TA的多少有密切的关系。在应用不完全差动前应考虑进行必要的发电机内部短路故障灵敏度分析与计算。1差动保护灵敏度系数的定义与校验7.2.5发电机纵差动保护整定与灵敏度根据规程规定，发电机差动保护的灵敏度是在发电机机端发生两相金属性短路情况下差动电流和动作电流的比值，要求Ksen≥1.5。2纵差动保护的整定由图可见，具有比率制动特性的差动保护的动作特性可由A、B、C三点决定。对差动保护的整定计算实质上就是对Id.min、Ires.min及K的整定计算。min.dIαABCmin.resI故障特性曲线2KdIresI（1）启动电流Id.min的整定整定原则—躲过发电机额定工况下差动回路中的最大不平衡电流。对于不完全纵差保护，考虑到发电机每相各分支电流差异，应适当提高启动电流的整定值)(21min.ererreldIIKIrelK—可靠系数，取1.5~1.21erI—保护两侧TA变比误差产生的差流，取0.6Ign1erI—保护两侧的二次误差，取0.1Ign（2）拐点电流Ires.min的整定拐点电流的大小，决定保护开始产生制动作用的电流的大小。由图可知，在启动电流及动作特性曲线的斜率保持不变的情况下，拐点电流越小，差动保护的动作区越小，而制动区增大；反之亦然。因此，拐点电流的大小直接影响差动保护的动作灵敏度。通常拐点电流整定计算式为：gnresII)5.0~1.0(min.（3）比率制动特性的制动系数和制动线斜率的整定发电机差动保护比率制动特性的制动线斜率K决定于图中夹角α。拐点电流确定后，夹角α决定于C点。而特性曲线上的C点又可近似由发电机外部故障时最大短路电流与差动回路中的最大不平衡电流确定。由此制动系数（即OC的斜率）可以用下式表示：max.max.kunbresIIK（3）比率制动特性的制动系数和制动线斜率的整定制动线线斜率可以用下式表示：min.max.min.max.reskdunbresIIIIK影响差动回路中的最大不平衡电流的因素：1总差动保护用两侧TA的10%误差；max.max.)1.01.0(kfreldIKKI2二次回路参数差异及差动保护测量误差；3总差动保护两侧TA暂态特性。可靠系数，取1.3~1.5；暂态特性系数，取0或0.05~0.1；最大动作电流1发电机裂相横差保护基本原理7.2.6发电机横差动保护裂相横差保护——大容量发电机每相都由两个或两个以上并联分支绕组组成，正常运行时各绕组中电势相等，流过相等的负荷电流；当同相内非等电位点匝间短路时，各绕组中电势不再相等，出现因电势差而在各绕组间产生的环流。利用这个环流可以实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，构成裂相横差保护的原理。以一个每相具有两个并联分支绕组的发电机为例，发生不同性质的同相内部短路时，裂相横差动保护的原理可由下图表示。setTAdrdInII2.动作dI当环流大于启动电流时，保护可靠动作，但是当短路匝数α较小时，环流也较小，有可能小于启动电流，所以保护有死区。以一个每相具有两个并联分支绕组的发电机为例，发生不同性质的同相内部短路时，裂相横差动保护的原理可由下图表示。setTAdrdInII'.2动作'dI1只要有两个分支绕组短路点存在电势差（α1≠α2），就会分别产生环流，保护动作。''dI27.2.6发电机横差动保护2单元件横差动保护基本原理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。gNrdII)3.0~2.0(.动作7.2.6发电机横差动保护理想发电机正常时中性点连接线上不会有电流产生，实际上发电机有不同中性点之间存在不平衡电流，可能的原因有:（1）定子同相而不同分支的绕组参数不完全相同，致使两端的电势及支路电流有差异；（2）发电机定子气隙磁场不完全均匀，在不同定子绕组中产生的感应电势不同；（3）转子偏心，在不同的定子绕组中产生不同电势；（4）存在三次谐波电流。7.2.6发电机横差动保护因此，单元件横差动保护动作电流必须克服这些不平衡电流，整定式为：gNrdII)3.0~2.0(.)(321.unbunbunbrelrdIIIKI1纵向零序电压式定子绕组匝间短路保护基本原理7.2.7纵向零序电压式定子绕组匝间短路保护纵向零序电压——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短路故障时，均会出现纵向不对称（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。当测量到纵向零序电压超过定值时，保护动作。2纵向零序电压的整定对纵向零序电压式匝间短路保护进行整定计算的步骤：1）对发电机定子的结构进行研究，并估算发生最少匝数匝间短路时的最小纵向零序电压值；2）据此进行整定和灵敏度校核；3）考虑躲开各种因素引起的不平衡电压。实用中，纵向零序电压式匝间短路保护的动作电压可按下式进行整定：max.0.0UKUrelset运行经验表明，纵向零序电压式匝间短路保护动作电压一般可取2.5～3V。需要指出，纵向零序电压式匝间短路保护也需要具有性能良好的滤除三次谐波的滤波器。3负序功率方向元件为防止区外故障时匝间短路保护误动作，可以增设负序功率方向元件。同样，负序功率方向元件的动作方向，应根据不同发电机的定子绕组结构来加以确定。对于定子绕组匝间短路时能产生较大负序功率的发电机（例如，定子绕组呈单Y型连接的125MW汽轮发电机）：负序功率方向元件的动作方向应指向发电机。此时，负序功率方向元件为允许式，即发电机内部故障时方向元件动作，其接点闭合允许匝间保护动作。3负序功率方向元件对灵敏度不满足要求的发电机：可采用闭锁方式，即方向元件采用常闭接点方式。当区外发生故障时，接点打开，闭锁保护，可防止保护误动。