发电机纵联差动保护对相间短路的影响

　　发电机定子绕组内部损坏是一种常见的、破坏性很强的损坏，对电厂发电机乃至电网的安全运行带来一系列严重的影响，为此必须装设内部损坏保护装置。发电机纵联差动保护已有成熟的运转经验，通常作为内部相间短路的主保护。但是对于纵差动保护灵敏度是以发电机机端发生两相金属性短路时短路电流与保护动作电流比值来衡量的，此时短路电流较大，几乎所有的发电机纵差动保护都能满足灵敏度要求，这种校核形同虚设。因此，对于大型发电机，必须详细解析在定子绕组内部各种相间短路情况下差动电流以及灵敏系数的变化规律，以便全面评价纵差保护对内部相间短路的保护能力，这就是本文所要介绍的内容。

　　电机绕组内部损坏属于内部电气不对称故障的范畴。当电机绕组内部不对称时，其气隙磁场的空间谐波分量就很强，这些谐波磁场的转速各不相同，转向也有正有反，因此在绕组中感应出的电势谐波很多。长期以来，诸多学者对电机不对称损坏作了介绍，对此类故障的解读提出了许多有效的方法。

　　对称分量法是发电机内部短路解读中常用的方式之一，该方式通常只考虑气隙磁场基波和定子电流的时间基波。而当绕组内部损坏时，谐波分量很大，此时会遇到电抗修正及相序网络之间的耦合问题。提出了以单个线圈元件为基础简述电机基本电磁关系的交流电机多回路理论，它可以考虑谐波影响以及绕组内部故障时影响重大的缘由，如故障空间位置和绕组型式等缘由，从而可以比较准确地获得绕组损坏后的内部电磁关系和绕组电流分布，对发电机定子绕组内部损坏保护装置的设计、制造和运行起到了积极推动作用。

　　在多回路理论的基础上，建立了求解发电机定子绕组内部损坏稳态电量的通用数学模型，探讨了定子绕组各种内部损坏规律。该文所建立的模型精确，结果准确，适用于各种内部损坏的分析与计算。其基本思路是：首先从定子绕组单个线圈出发，列写发电机定转子初始回路的电压、磁链、功率以及外部系统的连接方程，根据损坏后回路绕组的实际连接方式组成新的定子回路。当回路电感和电阻数据已知时，就得到了一组以回路电感和电阻为系数的非线性变系数微分方程组。根据稳态电量计算的需要，可以假设定转子回路稳态电量的表达式，将它代入微分方程组，利用同频率量相等的原则，把非线性变系数微分方程组转换为等效的非线性常系数代数方程组，通过求解这些方程，即可得各回路稳态电量值。这些代数方程组中回路参数的计算是关键。文献［5］中采用电磁场数值计算方法进行了数据求解，即按照发电机的实际运转工况和铁心磁阻的实际情况，计算某一线圈通直流电流之后在其他所有线圈或回路中的磁链，从而得出单个线圈和各个回路的电感系数。由于该方式能考虑铁心磁阻的非线性、齿槽效应和气隙谐波等因素，因而有助于增强发电机定子绕组内部损坏后回路参数的计算精度，相应的定子绕组内部损坏电流仿真结果也更加合理。同时，作者还编制了“大型发电机定子绕组内部损坏电量计算与保护方案灵敏度解读”软件包，能灵活地模拟各种内部故障并能对多种内部损坏保护方案如单元件横差、不完全差动、裂相横差保护等方案的灵敏度进行分析。本文在此基础上对纵差保护在各种内部相间短路情况下的差动电流和灵敏度规律进行探讨。

 

　　为了探讨内部相间短路时差动电流的短路匝比规律，模拟B1支路对A1支路中性点发生金属性相间短路，对应图3中即损坏点k在中性点O，B1支路损坏点j可移动，过渡电阻Rg=0。图4为纵差一次侧差流基波幅值Icd(以下同)与短路匝比的关系曲线，α为短路匝比(j点到中性点的匝数与相匝数Wa的百分比)。由图4可知，随着短路匝比的增大，差流先减小然后再逐渐增大，即有一个小点。这是由于差流反映的是短路回路电流，当短路匝比α较小时，回路电势增大的幅度不及回路电感增大的幅度，所以短路电流呈减小趋势；当α较大时，短路回路电势增大较快，而回路电感增大反而减慢，于是短路回路电流又呈现增大趋势。从图4中可看出，当α=22.73%时，Icd小，为11 745.9 A，即1.39 IN；α=77.27%时，Icd=21 104.5 A，即2.50 IN，为额定。图中曲线在局部范围内出现的“振荡现象”，这是由于分数槽绕组N-S极交错连接所造成的。

　

　　从以上计算可见，比率制动式纵差保护对发电机内部相间短路有较高灵敏度，可以对绝大多数内部相间短路起到保护作用。若不考虑过渡电阻，则任何相间故障都能使保护可靠动作，Iop0取稍大也无妨。若考虑过渡电阻，则Iop0取较小可增加保护灵敏度，或者说保护可以反应经较大过渡电阻短路的损坏。同时可见，过渡电阻对纵差差流和灵敏度也有较大影响，尤其当位于中性点附近短路匝数较少时。所以，比率制动式纵差动保护的死区一般是位于靠近中性点附近经过渡电阻短路的情况，死区长宽高既与短路匝比有关，也与过渡电阻的尺寸有关系，具体解读要通过内部损坏的详细计算才能进行。

 

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