发电机定子绕组内部故障保护方案的动态模拟试

发电机定子绕组内部故障保护方案的动态模型试验比较作者：匿名2008/1/16 12:053:09

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目前，发电机内部故障的计算对发电机保护的运行、整定和发展起着越来越重要的指导作用，对重大工程(如三峡水电站)发电机和保护方案的选择具有重要的参考价值。根据已发表的一些发电机内部故障的计算数据和结果，针对很多文章中提到的方案，如完全纵联差动保护、不完全纵联差动保护、单机横联差动保护、分相差动保护、纵联零序电压保护等。在动态模型机组上进行了实验对比：先先，验证了发电机内部故障计算得出的一些结论；二是寻求更实用的新判据和方案，提高发电机内部匝间故障保护的灵敏度，改进发电机内部故障保护的配置方案。

1动态模型

1.1发电机-干式变压器及系统接线图发电机-干式变压器及系统在动态模拟试验中的接线图如图1所示。

图1发电机-干式变压器及动态模型试验系统接线图图1发电机-干式变压器故障试验物理模型

1.2参数试验中的模拟发电机是一台双y绕组三极凸极发电机，额定容量为30kVA，额定电压为400V，额定电流为43.2A。机器端和中性点的电流互感器(ta)之比为305，横向差TA之比为105，因此发电机机器端的二次额定电流为Ie=7.22A，在中性点侧。干式变压器是YN d11型三相干式变压器组，额定容量为45kVA。1.3故障点k表示动态模拟试验时发电机故障点k设置在发电机内部，符号定义如下：A11、A12、A13、A14、A15分别为发电机a相较好分支中性点2.5、5、10、20、40的抽头位置；A21、A22、A23、A24、A25分别为发电机A相第二支路中性点2.5、5、10、20、40的抽头位置；B11、B12、B13、B14和B15分别是发电机B相较好支路的中性点2.5、5、10、20和40的抽头位置。故障点设置选择了几种典型的故障类型，如同支路匝间短路、同相不同支路匝间短路、不同相支路间短路、机端两相短路、机端三相短路等。

2测试标准

在动态模型试验中，不仅试验了几种常见的保护方案，而且试验了几种新的保护方案。各种保护的整定值按整定指南[2]所示方法整定，如全纵联差动保护、不全纵联差动保护、分裂差动保护的整定值均设为额定电流的0.1倍，比率制动系数为0.3；横向差动保护和纵向零序电压保护定值整定，可保证区内故障在区外故障和系统振荡时灵敏动作，不会误动作。2.1完成纵向差动保护(方案一)时

(1)

什么时候

(2)

其中IT为发电机端电流；IN为发电机中性点电流；Icdzd1为全纵联差动保护的差动电流整定值，整定0.1 IE=0.72 A；Kb11为比率制动系数，设定为0.3。2.2不完全纵向差动保护(方案2)当 #p#分页标题#e#

(3)

什么时候

(4)

其中IT为发电机端电流；IN2为发电机中性点第二支路电流；Icdzd2为不完全纵联差动保护的差动电流整定值，整定0.10 IE=0.72 A；Kfz为分支系数，取2；Kb12为比率制动系数，设定为0.3。2.3裂纹相位差保护(方案3)当

(5)

什么时候

(6)

其中IN1为中性点较好支路电流；IN2为中性点第二支路电流；Icdzd3是裂纹相位差差动保护的差动电流整定值

其中Id是横向差TA中电流；Imax为较大相电流值；Ie是发电机的二次额定电流；Idzd2是比率制动横差保护电流的定值，是根据避免发电机正常运行时TA0的较大不平衡电流设定的。动模试验发电机正常运行时测得的TA0较大不平衡电流为0.22A，可靠性系数为2，设为0.44A，相当于0.02Ie；Khc是相电流比的制动系数，为0.5。2.6纵向零序电压保护(方案6)

U0>U0zd1

(10)

U0为纵向零序电压；U0zd1是纵联零序电压保护的定值，是在避免发电机出口两相短路时，根据TV2开三角形中较大不平衡电压的基波分量设定的。试验测得发电机出口两相短路时TV2开三角形较大不平衡电压的基波分量为1.1V，可靠性系数为1.3，设定为1.43V。2.7相电流比制动纵联零序电压保护(方案7

)

U0＞U0zd2 Iz≤Ie

(11)

(12)

其中 U0为纵向零序电压；Ie为发电机二次额定电流；Iz为制动电流，试验时取发电机较大相电流；U0zd2为纵向零序电压保护定值，按躲过发电机正常运行时TV2开口三角中较大不平衡电压基波分量整定，试验测得动模发电机正常运行时TV2开口三角较大不平衡电压基波分量为0.22V，取可靠系数2，整定为0.5V；Ku0为相电流比率制动系数，取1.0。

3 动模试验结果比较

分空载、50的额定负载两种情况进行以下各种故障试验，试验结果如表1。空载、负载情况下保护动作特性一致。

表1 发电机故障各保护方案动作情况Table1 Behaviorofseveralprotectionschemesforgeneratorfault

短路故障类型方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七机端AB√√×××××机端ABC√√×××××A11—A12×××××××A12—A21×√√√√×√A13—A21×√√√√√√A14—A21×√√√√√√B11—B12×××××××B12—B13×√√×√××B11—B13×√√√√×√A15—A22×√√√√√√A15—A23×√√√√√√A22—A23×√√×√××A11—B11√×√√√××A11—B15√√√√√√√B11—B15√√√√√√√区外×××××××振荡×××××××注：表示保护动作；×表示保护未动作。4 结果分析

4.1 发电机定子绕组同相同分支匝间短路 当同相同分支匝间短路匝小于2.5时，所有保护方案都不能动作。图2为发电机运行时B11—B12(B相第1分支2.5对第1分支5)匝间短路，发电机中性点侧6个分支电流录波图，故障开始时间为0.12s。从图2看，几乎没有办法能区分正常运行和匝间短路，较大相差电流仅为0.33A，因此，负序功率方向纵向零序电压保护存在死区，灵敏度较低。#p#分页标题#e#

图2 发电机B11—B12匝间短路录波图Fig.2 CurrentwaveformsofgeneratorinternalfaultonB11—B12

4.2 匝间短路对非故障分支的影响 匝间短路对非故障分支电流有互感的影响，匝间短路越严重，互感影响越大。在发电机带负荷运行的情况下，如短路匝数较小，因互感引起的电流与非故障分支可比时，根据互感与负荷电流方向不同，将导致某些非故障分支电流增大，而有一些非故障分支电流减小。图3为A13—A21(A相第1分支的10对第2分支的2.5)匝间短路故障录波图。如短路匝数很大，将导致所有非故障分支电流均增大。

图3 发电机A13—A21匝间短路录波图Fig.3 CurrentwaveformsofgeneratorinternalfaultonA13—A21

图4 发电机A11—B11相间短路录波图Fig.4 CurrentwaveformsofgeneratorinternalfaultonA11—B11

4.3 发电机相间短路 图4为发电机A11—B11相间短路录波图(A相第1分支的2.5对B相第1分支的2.5)，故障分支电流急剧增加，而非故障分支电流基本上无变化，不完全纵差保护如中性点侧TA接的是第1分支TA1，则保护能正确动作，如接TA2，保护不能动作，完全差动保护对相间短路均能反应。由此可见，配置一套不完全纵差保护是不完善的，中性点侧两组TA配置在两套不完全纵差保护中显得比较合理，如中性点第1分支TA接入发电机不完全差动保护电流回路中，第2分支TA接入发电机—干式变压器组不完全纵差保护回路中。对于A11—B11相间短路，横差保护灵敏度不够，不能动作，但完全纵差保护能正确动作。4.4 几种保护方案的比较 裂相差动保护除了机端相间短路以外，对其他的发电机内部短路都能正确动作，完全纵差保护对每一种相间短路都能正确反应。但由于发电机正常运行时，不完全纵差、裂相差动的差电流回路不平衡电流大于完全差动的不平衡电流，如表2，不完全纵差、裂相差动保护的定值实际整定时要大于完全差动保护的定值，因此，传统的完全纵差保护对相间故障的灵敏度相对高一些。

表2 正常运行时各种保护方案的不平衡电流Table2 Unbalancecurrentofseveralprotectionschemesundernormaloperationcondition

承载情况不平衡电流/A纵向零序电压/V完全纵差不完全差动裂相差动横差空载0.040.220.180.210.1750额定负载0.060.160.170.180.2080额定负载0.100.170.220.200.20 纵向零序电压保护方案灵敏度低于横差保护的灵敏度，尤其对于同相异分支的匝间故障，如图5为A12—A21(A相第1分支的5对第2分支的2.5)匝间短路，横差电流已经达到10.88A，而纵向零序电压只有0.63V，纵向零序保护不能动作。表3为发电机各种内部匝间短路时横差TA0中电流与纵向零序电压基波分量对照表。

图5 发电机A12—A21匝间短路录波图Fig.5 CurrentwaveformsofgeneratorinternalfaultonA12—A21

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表3 匝间短路时横差电流、纵向零序电压对照表Table3 Comparisonoftransversedifferentialcurrentandzerosequencevoltageundersomegeneratorsinternalfault

匝间短路

横差电流/A

零序电压/VB12—B130.950.24B11—B132.180.52B11—B1516.764.00A12—A2110.880.63A13-A2127.581.59A15—A2269.373.99A11—B1515.673.34 由图5和表3可知，纵向零序电压保护如按整定导则整定为2V～3V，则保护在很多匝间故障时不能动作。由此，建议大型发电机中性点一定要引出6个头，才能使发电机在内部故障时得到多重灵敏的保护。4.5 结论 a.完全纵差保护对相间故障的灵敏度较高，发电机一定要配置此类保护。 b.横差保护接线简单，能反应所有匝间短路和部分相间短路，因此，应包括在发电机保护方案中。 c.完全纵差保护、横差保护一起组成了对发电机内部短路故障的较好重主保护。 d.裂相差动保护基本上能反应除了发电机出口以外所有发电机内部短路故障。由于发电机机端相间短路时由发电机纵差保护、发电机—干式变压器组纵差保护实现了双重保护，因此，裂相差动保护可以担任发电机内部短路故障时的第二重主保护。 e.一套不完全差动保护不能反应发电机所有内部故障，两套不完全纵差保护可以完成发电机内部短路故障时的第二重主保护。 f.由于在发电机正常运行时，横差TA中不平衡电流不同机组差别较大，如发电机横差TA中不平衡电流比较大，则单元件横差保护的灵敏度不高，而相电流比率制动横差电流保护大大提高了发电机内部匝间短路故障时保护的灵敏度。

5 保护新方案

5.1 相电流比率制动横差保护 单元件横差保护为了使保护在发电机外部故障、振荡等情况下不误动，整定值要由正常运行时较大不平衡电流线性外推至发电机机端三相短路时较大不平衡电流，因而，定值较高，横差保护对许多匝间短路的灵敏度不够。图6、图7分别为发电机出口三相短路、失步振荡时的录波图。相电流比率制动横差保护引进了相电流较大值作为制动量，定值只需按躲过正常运行时较大不平衡电流整定，大大提高了横差电流保护的灵敏度。比率制动横差保护在区外故障时可靠制动，在发电机内部发生轻微匝间故障时，制动几乎不起作用，保护能灵敏动作，而在发电机内部发生严重匝间故障时，尽管相电流有较大的增加，但横差电流大大增加，保护能可靠动作。

图6 发电机机端出口三相短路录波图Fig.6 WaveformsofgeneratorABCfault

图7 发电机失步振荡时录波图Fig.7 Waveformsofgeneratorout-of-steposcillation

5.2 相电流比率制动纵向零序电压保护 图8为发电机机端出口BC两相短路时录波图，图中纵向零序电压明显增大。

图8 发电机机端出口BC两相短路录波图Fig.8 WaveformsofgeneratorBCfault#p#分页标题#e#

从图6可见，发电机机端三相短路时，纵向零序电压不平衡分量也有所增大，同时可以看到区外故障时零序电压中3次谐波电压分量增加很大。 发电机小匝间故障时三相电流中负序分量很小，图5中负序电流仅为0.08A，达不到负序功率方向可靠动作的负序电流门槛，因此，负序功率方向纵向零序电压保护不能动作。而采用了相电流比率制动的纵向零序电压保护，其零序电压定值只需按躲过发电机正常运行时的不平衡电压基波分量整定，大大提高了匝间保护的灵敏度。比率制动零序电压保护在区外故障时可靠制动，在发电机内部发生轻微匝间故障时，制动几乎不起作用，保护能灵敏动作，而在发电机内部发生严重匝间故障时，尽管相电流有较大的增加，但纵向零序电压增加更大，合理选取Ku0定值，保护能可靠动作。 从图5录波图上可见，发电机内部匝间短路时，3次谐波分量增加不大，而从图6、图8可见，发电机出口、外部短路故障时，3次谐波分量大大增加。因此，也可考虑采用纵向零序电压中3次谐波分量作为制动分量。但实际发电机出口、外部短路时3次谐波分量增加的数值难以取得，而发电机内部故障时3次谐波分量的变化也没有理论计算值，因此，3次谐波分量作为纵向零序电压保护的制动量的方案还不能实用。 公式(12)中的制动电流可以取负序电流，因为发电机匝间短路时，发电机全电流中负序分量相对于零序电压的上升速度慢，而发电机区外短路故障时负序电流分量相对于零序电压上升速度快得多。制动电流也可以是正负序电流的加权平均值，这几种判据有待于更详细的动模试验、理论分析以及经验积累。

参考文献

［1］周 强，汪祖禄.三峡左岸电站发电机-干式变压器组继电保护的配置.继电器，1998(5)［2］大型发电机干式变压器继电保护整定计算导则(报批稿).中华人民共和电力行业标准.1998