发电机定子绕组匝间的短路保护原理

短路故障的统计参数表明，发电机及其机端引出线的损坏中相间短路是较多的，虽然定子绕组匝间短路产生的概率相对较少，但也有发生的可能性康明斯发电机中国官网，需要配置保护。在大容量发电机中，由于额定电流很大，其每相通常都是由两个或两个以上并车分支绕组组成的，且采用双层绕组。定子绕组的匝间短路故障详细是指同属一分支的位于同槽上下层线棒间发生的短路或同相但不一样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损坏。但由于短路产生在同一相绕组内，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。

单元件横差动保护实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机分支绕组，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机理接线来说明。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出现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。因为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故障环流，中性点连线中会有电流流过，利用测定这种环流可构造反应匝间短路故障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。正常运转及外部短路时，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较大。横差保护元件的动作电流必须要大于较大不平衡电流。为减小不平衡电流影响，减少动作电流，提高保护灵敏度，横差保护中应滤除三次谐波。

单元件横差保护具有接线简易、灵敏度过高，能反应匝间短路、绕组相间短路及分支开焊损坏等亮点。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较简易可靠且灵敏度较高的发电机内部保护措施。但大型机组由于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一样分支间产生匝间短路故障或开焊时，由于三相电动势出现纵向不对称（即机端相对于中性点发生不对称），从而出现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。利用反应纵向零序电压超过定值时保护动作可结构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断线闭锁元件结构。零序电压元件由专用电压互感器取得纵向零序电压，专用电压互感器原理接线所示。为取得纵向零序电压，而不受单相接地出现的零序电压影响，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）产生匝间短路，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出现纵向零序电压。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发生零序电压，但因为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出现相间短路时，电压互感器开口三角绕组也无零序电压输出。实际上，由于发电机气隙磁通的非正弦分布及磁饱和等危害，正常运转时电压互感器开口三角绕组仍有不平衡电压，其中具体是三次谐波电压，其值随定子电流的增大而增大。为此，应高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。为避免匝间短路保护误动，且不增大保护的动作值，可设置负序容量方向元件用以测定机端负序容量方向。不一样损坏情况下，机端的负序功率方向可由图3所示的定子回路的负序等值电路进行阐明，图中ZS2为系统负序阻抗，其阻抗角为φS2。可见，利用负序容量方向元件可正确区分匝间短路和区外短路，在区外短时闭锁保护。这样重庆康明斯官网，保护的动作值可仅按躲过正常运转时的不平衡电压整定。当三次谐波滤清器的过滤比大于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。

为避免专用电压互感器TV1断线，在开口三角绕组侧产生很大的零序电压引起保护误动，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和机端测量电压互感器TV2的二次正序电压机理作业的。正常运转时，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康明斯发电机组厂家排名，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，闭锁保护系统。可见，负序功率方向闭锁零序电压匝间短路保护的灵敏度过高，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选用零序电压机理组成，为提升保护灵敏度，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方式逻辑框图如图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组成，其动作判据为3U0＞Uset，动作电压按躲过区外损坏时出现的较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行时出现的较大基波不平衡电压，并引入三次谐波电压变化量进行制动，以预防区外损坏时产生的较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，以躲过外部事故暂态过程的危害。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升。需要说明，600MW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，匝间短路损坏几率极小。