发电机匝间短路保护

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。定子绕组的保护的工作原理和构成：1、双星形接线的横查保护;2、定子绕组零序电压原理;3、负序功率方向闭锁转子二次谐波电流匝间短路保护;本厂1、2号发动机匝间短路是由负序过流保护动作完成的。负序过流保护是发电机运行时发生不对称短路、发电机匝间短路引起发电机三相电势不平衡，而产生发电机定子负序电流过流，引起转子表面发热。本厂1、2号发动机负粗电流不得大于8℅IN。同步发电机的匝间短路保护山于纵差动保护不反应发电机定子绕组一相匝间短路，因此，发电机定子绕组一相匝间短路后，如不能及时处理故障，则可能发展成为相间故障，造成发电机的严重损坏。因此，在发电机上(尤其是大型发电机)应装设定子匝间短路保护。一、匝简短路的特点(1)发电机定子绕组一相匝间短路时，在短路电流中有正序、负序和零序分量且各序电流相等，同时短路初瞬也出现非周期分量。(2)发电机不同相匝间短路时，必将出现环流的短路电流。(3)发电机定子绕组的线圈匝间短路时，由于破坏了发电机A、B、C三相对中性点之间的电动势平衡，三相不平衡电动势中的零序分量反映到电压互感器时，开口三角形绕组的输出端就有3Uo，而一次回路中产生的零序电流则会在并联分支绕组两个中点之间的连线形成环流。(4)由于一相匝间短路时，出现负序分量，它产生反向旋转磁场，因而在转子回路中感应出二倍频率的电流，转子中的电流反过来又在定子中感应出其他次谐波分量，这样，定子和转子反复互相影响，就在定子和转子回路中产生一系列谐波分量。而且由于一相中一部分线圈被短接，就可能使得在不同极性下的电枢反应不对称，也将在转子回路中产生谐波分量。(5)一相匝间短路时的负序功率的方向与发电机其他内部及外部不对称短路时的负序功率方向相反。大型汽轮发电机匝间短路保护必要性探讨1发电机故障之一陡河发电厂7号发电机为哈尔滨电机厂产品，型号为QFSN—200—2，额定容量为235MVA，定子额定电压为15.75kV，定子额定电流为8625A，冷却方式为水氢氢，该机于1986年11月22日正式投运。1.1故障情况1987年1月8日5时8分，7号发电机差动保护装置、发电机—变压器组差动保护装置动作，跳开主开关，发电机解列。停机后检查定子绕组发现：a.第40槽下线棒励磁侧(简称励侧)A相分支引出线全部烧断(实心24股、空心6股)，与之短路的B相分支引出线(19槽上线棒)烧断20股;b.励侧第3，7两槽上端部线棒水接头烧断，第2，4，5，6，8槽励侧上端部线棒水接头烧成洞，以上7槽均属C相;c.励侧第11，12，13，14，15槽上端部线棒水接头绝缘开裂，上述线棒均属A相。1.2故障分析从定子绕组的损坏状况分析，此次事故是机端相间短路和匝间短路同时出现，动作于掉闸的是差动保护。匝间保护由于有0.5s的延时，无法判断其是否启动。从这次事故看，发电机定子绕组一旦出现故障，很可能伴随出现几种类型的故障，任何延时动作都将使损坏程度严重扩大，而有延时的保护在其它保护先动作的情况下，就不能判断其是否动作，这不利于分析故障和避免发电机受损，所以应针对各种类型的故障装设各种类型的主保护。2发电机故障之二1990年12月6日2时29分，7号机又发生定子绕组短路事故(参见图2)。2.1事故后检查试验情况a.所有风筒内均有积油，定子端部表面有油迹。b.励侧22号绝缘盒引水管锥形绝缘根部与涤玻绳间有30mm长的放电痕迹，25号绝缘盒与引水管锥形绝缘间存在约2mm的缝隙，可见铜导线，且有爬电痕迹，38号、39号绝缘盒与引水管锥形绝缘间有明显的放电痕迹。c.端部引线V6和W2固定夹板的3个螺丝松动，绝缘已被磨损，在其周围有如腻子状的磨粉，发生引线绝缘磨损共有6处。d.引水管锥形绝缘处电位外移的试验情况：外加直流7875V励侧接头有外移的12个，汽轮机侧(简称汽侧)接头有外移的6个，外移电压最大值为6600V，最小值为3300V。e.检查汽侧2号、53号绝缘盒之间的涤玻绳后表明，系绳内烧穿，已越过1号、54号接头，通过绳内部形成导电通路。f.端部固有振动频率测量情况为：线圈位置用时钟表示，励侧1点处外引线固有频率106.25Hz，7点处外引线固有频率为112.5Hz;汽侧5号引水管接头固有频率为111.24Hz，其它各测点的固有频率均远离倍频。g.接头锥形绝缘耐压试验结果为：励侧30号、32号接头电位外移严重，交流耐压试验时分别在4800V和4000V击穿，打开接头绝缘后，发现引水管的手包锥形绝缘只有两层深入到绝缘盒内。h.涤玻绳绑扎耐压试验最低12kV，270s即冒烟击穿。2.2事故原因以上试验说明此次发电机定子短路事故主要由以下3个方面造成：a.制造工艺不好。引水管绝缘检查时，82个中有75个没有深入到绝缘盒内，它们之间无搭接长度，手包锥体绝缘分层或松散，绝缘盒内填充不实，致使在两者之间的接缝处产生严重的电位外移;b.绑扎绝缘盒的涤玻绳绝缘强度低，导致烧穿和闪络;c.发电机密封瓦在运行中产生油雾进入发电机内部，加重了电位外移。从这次事故可以看出，发电机制造工艺及安装设计方面的原因，都有可能造成发电机线棒端部绝缘强度下降以及振动造成的绝缘介质磨损。这将导致发电机定子绕组的各种故障，虽然接地故障、相间故障的几率较大，但匝间短路也是很可能的。3发电机故障之三1991年6月14日2时，图3中6号发电机定子接地信号报警，定子接地保护只发信号不掉闸，停机检查发现，A相出线箱处对地短路，经处理后高压试验时泄漏电流仍很大，于是1991年7月20日将该机组转入大修，并对定子绕组作耐压试验，试验时发现汽侧(T侧)18号线棒的上线棒出槽口的直线部位与渐开线部位的交接处击穿，对地放电。具体部位为T侧铁心槽口外200mm处，内有一长25mm的放电烧黑痕迹。此次两处定子接地故障均发生在A相，如果未及时发现，必将造成匝间短路故障，对发电机造成损坏，可见匝间短路保护的装设还是非常必要的。4发电机故障之四1996年2月15日14时57分，7号发电机运行中，发电机差动、发电机—变压器组差动等保护装置又突然发出动作信号，机组事故掉闸。事故原因分析如下：A相40号槽端部线圈鼻端外观检查，6根空心导线全部烧断，实心导线17根烧断，绝缘盒一侧崩开，并对内端盖有放电痕迹，由此推断是鼻端连线焊接不良，接头较长时间过热，使环氧胶泥过热，再加充填不实有空隙，形成碳化物;B，C，Y，X连线压板松动，将B，Y，X连线绝缘磨损严重，绝缘强度大幅度下降，同时B相、C相电压升高，碳化物绝缘不好，造成B，Y及B，Y，X短路。正是因为定子绕组会发生相间与匝间短路和分支开焊故障，就应根据这种状态配置相应的主设备保护装置。尤其是随着系统容量的不断增大，大型发电机保护越来越强调安全性，误动不会对系统造成多大的影响，而拒动或延时动作将对系统造成大的冲击，威胁系统的稳定运行，特别是对发电机本身将造成更大的破坏。5结论通过以上几次发电机定子绕组短路故障的分析，大致可得出如下结论：a.发电机定子绕组的同槽同相为匝间短路提供了可能性;b.由于制造工艺及材料使用等方面的原因，使发电机的定子绕组短路故障几率增大，相应匝间短路的几率也增大了;c.由于振动的原因，加速了发电机定子线棒外包绝缘的老化，甚至破坏其绝缘，这样使同槽内的上下层线棒之间，尤其在端部，很容易短路，所以匝间短路也是不能排除的。鉴于以上分析，我们的观点是：发电机除了装设纵差保护、定子接地保护等外，还应装设匝间短路保护，使发电机遭到破坏的几率降至最低。当然，多一套保护就增加误动的几率，但发电机定子短路故障后，修复发电机定子绕组的工作量非常大，直接经济损失大，工期至少需一个月，间接的经济损失将更大，而发电机保护误动一次的损失是很小的。所以，从经济、安全方面考虑，大型发电机应装设匝间保护。