發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障保護方案的動態(tài)模型試驗比較作者：匿名2008/1/16 12:053:09

頻道：關(guān)鍵詞： 0簡介

目前，發(fā)電機內(nèi)部故障的計算對發(fā)電機保護的運行、整定和發(fā)展起著越來越重要的指導作用，對重大工程(如三峽水電站)發(fā)電機和保護方案的選擇具有重要的參考價值。根據(jù)已發(fā)表的一些發(fā)電機內(nèi)部故障的計算數(shù)據(jù)和結(jié)果，針對很多文章中提到的方案，如完全縱聯(lián)差動保護、不完全縱聯(lián)差動保護、單機橫聯(lián)差動保護、分相差動保護、縱聯(lián)零序電壓保護等。在動態(tài)模型機組上進行了實驗對比：先先，驗證了發(fā)電機內(nèi)部故障計算得出的一些結(jié)論；二是尋求更實用的新判據(jù)和方案，提高發(fā)電機內(nèi)部匝間故障保護的靈敏度，改進發(fā)電機內(nèi)部故障保護的配置方案。

1動態(tài)模型

1.1發(fā)電機-干式變壓器及系統(tǒng)接線圖發(fā)電機-干式變壓器及系統(tǒng)在動態(tài)模擬試驗中的接線圖如圖1所示。

圖1發(fā)電機-干式變壓器及動態(tài)模型試驗系統(tǒng)接線圖圖1發(fā)電機-干式變壓器故障試驗物理模型

1.2參數(shù)試驗中的模擬發(fā)電機是一臺雙y繞組三極凸極發(fā)電機，額定容量為30kVA，額定電壓為400V，額定電流為43.2A。機器端和中性點的電流互感器(ta)之比為305，橫向差TA之比為105，因此發(fā)電機機器端的二次額定電流為Ie=7.22A，在中性點側(cè)。干式變壓器是YN d11型三相干式變壓器組，額定容量為45kVA。1.3故障點k表示動態(tài)模擬試驗時發(fā)電機故障點k設(shè)置在發(fā)電機內(nèi)部，符號定義如下：A11、A12、A13、A14、A15分別為發(fā)電機a相較好分支中性點2.5、5、10、20、40的抽頭位置；A21、A22、A23、A24、A25分別為發(fā)電機A相第二支路中性點2.5、5、10、20、40的抽頭位置；B11、B12、B13、B14和B15分別是發(fā)電機B相較好支路的中性點2.5、5、10、20和40的抽頭位置。故障點設(shè)置選擇了幾種典型的故障類型，如同支路匝間短路、同相不同支路匝間短路、不同相支路間短路、機端兩相短路、機端三相短路等。

2測試標準

在動態(tài)模型試驗中，不僅試驗了幾種常見的保護方案，而且試驗了幾種新的保護方案。各種保護的整定值按整定指南[2]所示方法整定，如全縱聯(lián)差動保護、不全縱聯(lián)差動保護、分裂差動保護的整定值均設(shè)為額定電流的0.1倍，比率制動系數(shù)為0.3；橫向差動保護和縱向零序電壓保護定值整定，可保證區(qū)內(nèi)故障在區(qū)外故障和系統(tǒng)振蕩時靈敏動作，不會誤動作。2.1完成縱向差動保護(方案一)時

(1)

什么時候

(2)

其中IT為發(fā)電機端電流；IN為發(fā)電機中性點電流；Icdzd1為全縱聯(lián)差動保護的差動電流整定值，整定0.1 IE=0.72 A；Kb11為比率制動系數(shù)，設(shè)定為0.3。2.2不完全縱向差動保護(方案2)當 #p#分頁標題#e#

(3)

什么時候

(4)

其中IT為發(fā)電機端電流；IN2為發(fā)電機中性點第二支路電流；Icdzd2為不完全縱聯(lián)差動保護的差動電流整定值，整定0.10 IE=0.72 A；Kfz為分支系數(shù)，取2；Kb12為比率制動系數(shù)，設(shè)定為0.3。2.3裂紋相位差保護(方案3)當

(5)

什么時候

(6)

其中IN1為中性點較好支路電流；IN2為中性點第二支路電流；Icdzd3是裂紋相位差差動保護的差動電流整定值

其中Id是橫向差TA中電流；Imax為較大相電流值；Ie是發(fā)電機的二次額定電流；Idzd2是比率制動橫差保護電流的定值，是根據(jù)避免發(fā)電機正常運行時TA0的較大不平衡電流設(shè)定的。動模試驗發(fā)電機正常運行時測得的TA0較大不平衡電流為0.22A，可靠性系數(shù)為2，設(shè)為0.44A，相當于0.02Ie；Khc是相電流比的制動系數(shù)，為0.5。2.6縱向零序電壓保護(方案6)

U0>U0zd1

(10)

U0為縱向零序電壓；U0zd1是縱聯(lián)零序電壓保護的定值，是在避免發(fā)電機出口兩相短路時，根據(jù)TV2開三角形中較大不平衡電壓的基波分量設(shè)定的。試驗測得發(fā)電機出口兩相短路時TV2開三角形較大不平衡電壓的基波分量為1.1V，可靠性系數(shù)為1.3，設(shè)定為1.43V。2.7相電流比制動縱聯(lián)零序電壓保護(方案7

)

U0＞U0zd2 Iz≤Ie

(11)

(12)

其中 U0為縱向零序電壓；Ie為發(fā)電機二次額定電流；Iz為制動電流，試驗時取發(fā)電機較大相電流；U0zd2為縱向零序電壓保護定值，按躲過發(fā)電機正常運行時TV2開口三角中較大不平衡電壓基波分量整定，試驗測得動模發(fā)電機正常運行時TV2開口三角較大不平衡電壓基波分量為0.22V，取可靠系數(shù)2，整定為0.5V；Ku0為相電流比率制動系數(shù)，取1.0。

3 動模試驗結(jié)果比較

分空載、50的額定負載兩種情況進行以下各種故障試驗，試驗結(jié)果如表1。空載、負載情況下保護動作特性一致。

表1 發(fā)電機故障各保護方案動作情況Table1 Behaviorofseveralprotectionschemesforgeneratorfault

短路故障類型方案一方案二方案三方案四方案五方案六方案七機端AB√√×××××機端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√√√√√√√區(qū)外×××××××振蕩×××××××注：表示保護動作；×表示保護未動作。4 結(jié)果分析

4.1 發(fā)電機定子繞組同相同分支匝間短路 當同相同分支匝間短路匝小于2.5時，所有保護方案都不能動作。圖2為發(fā)電機運行時B11—B12(B相第1分支2.5對第1分支5)匝間短路，發(fā)電機中性點側(cè)6個分支電流錄波圖，故障開始時間為0.12s。從圖2看，幾乎沒有辦法能區(qū)分正常運行和匝間短路，較大相差電流僅為0.33A，因此，負序功率方向縱向零序電壓保護存在死區(qū)，靈敏度較低。#p#分頁標題#e#

圖2 發(fā)電機B11—B12匝間短路錄波圖Fig.2 CurrentwaveformsofgeneratorinternalfaultonB11—B12

4.2 匝間短路對非故障分支的影響 匝間短路對非故障分支電流有互感的影響，匝間短路越嚴重，互感影響越大。在發(fā)電機帶負荷運行的情況下，如短路匝數(shù)較小，因互感引起的電流與非故障分支可比時，根據(jù)互感與負荷電流方向不同，將導致某些非故障分支電流增大，而有一些非故障分支電流減小。圖3為A13—A21(A相第1分支的10對第2分支的2.5)匝間短路故障錄波圖。如短路匝數(shù)很大，將導致所有非故障分支電流均增大。

圖3 發(fā)電機A13—A21匝間短路錄波圖Fig.3 CurrentwaveformsofgeneratorinternalfaultonA13—A21

圖4 發(fā)電機A11—B11相間短路錄波圖Fig.4 CurrentwaveformsofgeneratorinternalfaultonA11—B11

4.3 發(fā)電機相間短路 圖4為發(fā)電機A11—B11相間短路錄波圖(A相第1分支的2.5對B相第1分支的2.5)，故障分支電流急劇增加，而非故障分支電流基本上無變化，不完全縱差保護如中性點側(cè)TA接的是第1分支TA1，則保護能正確動作，如接TA2，保護不能動作，完全差動保護對相間短路均能反應(yīng)。由此可見，配置一套不完全縱差保護是不完善的，中性點側(cè)兩組TA配置在兩套不完全縱差保護中顯得比較合理，如中性點第1分支TA接入發(fā)電機不完全差動保護電流回路中，第2分支TA接入發(fā)電機—干式變壓器組不完全縱差保護回路中。對于A11—B11相間短路，橫差保護靈敏度不夠，不能動作，但完全縱差保護能正確動作。4.4 幾種保護方案的比較 裂相差動保護除了機端相間短路以外，對其他的發(fā)電機內(nèi)部短路都能正確動作，完全縱差保護對每一種相間短路都能正確反應(yīng)。但由于發(fā)電機正常運行時，不完全縱差、裂相差動的差電流回路不平衡電流大于完全差動的不平衡電流，如表2，不完全縱差、裂相差動保護的定值實際整定時要大于完全差動保護的定值，因此，傳統(tǒng)的完全縱差保護對相間故障的靈敏度相對高一些。

表2 正常運行時各種保護方案的不平衡電流Table2 Unbalancecurrentofseveralprotectionschemesundernormaloperationcondition

承載情況不平衡電流/A縱向零序電壓/V完全縱差不完全差動裂相差動橫差空載0.040.220.180.210.1750額定負載0.060.160.170.180.2080額定負載0.100.170.220.200.20 縱向零序電壓保護方案靈敏度低于橫差保護的靈敏度，尤其對于同相異分支的匝間故障，如圖5為A12—A21(A相第1分支的5對第2分支的2.5)匝間短路，橫差電流已經(jīng)達到10.88A，而縱向零序電壓只有0.63V，縱向零序保護不能動作。表3為發(fā)電機各種內(nèi)部匝間短路時橫差TA0中電流與縱向零序電壓基波分量對照表。

圖5 發(fā)電機A12—A21匝間短路錄波圖Fig.5 CurrentwaveformsofgeneratorinternalfaultonA12—A21

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表3 匝間短路時橫差電流、縱向零序電壓對照表Table3 Comparisonoftransversedifferentialcurrentandzerosequencevoltageundersomegeneratorsinternalfault

匝間短路

橫差電流/A

零序電壓/VB12—B130.950.24B11—B132.180.52B11—B1516.764.00A12—A2110.880.63A13-A2127.581.59A15—A2269.373.99A11—B1515.673.34 由圖5和表3可知，縱向零序電壓保護如按整定導則整定為2V～3V，則保護在很多匝間故障時不能動作。由此，建議大型發(fā)電機中性點一定要引出6個頭，才能使發(fā)電機在內(nèi)部故障時得到多重靈敏的保護。4.5 結(jié)論 a.完全縱差保護對相間故障的靈敏度較高，發(fā)電機一定要配置此類保護。 b.橫差保護接線簡單，能反應(yīng)所有匝間短路和部分相間短路，因此，應(yīng)包括在發(fā)電機保護方案中。 c.完全縱差保護、橫差保護一起組成了對發(fā)電機內(nèi)部短路故障的較好重主保護。 d.裂相差動保護基本上能反應(yīng)除了發(fā)電機出口以外所有發(fā)電機內(nèi)部短路故障。由于發(fā)電機機端相間短路時由發(fā)電機縱差保護、發(fā)電機—干式變壓器組縱差保護實現(xiàn)了雙重保護，因此，裂相差動保護可以擔任發(fā)電機內(nèi)部短路故障時的第二重主保護。 e.一套不完全差動保護不能反應(yīng)發(fā)電機所有內(nèi)部故障，兩套不完全縱差保護可以完成發(fā)電機內(nèi)部短路故障時的第二重主保護。 f.由于在發(fā)電機正常運行時，橫差TA中不平衡電流不同機組差別較大，如發(fā)電機橫差TA中不平衡電流比較大，則單元件橫差保護的靈敏度不高，而相電流比率制動橫差電流保護大大提高了發(fā)電機內(nèi)部匝間短路故障時保護的靈敏度。

5 保護新方案

5.1 相電流比率制動橫差保護 單元件橫差保護為了使保護在發(fā)電機外部故障、振蕩等情況下不誤動，整定值要由正常運行時較大不平衡電流線性外推至發(fā)電機機端三相短路時較大不平衡電流，因而，定值較高，橫差保護對許多匝間短路的靈敏度不夠。圖6、圖7分別為發(fā)電機出口三相短路、失步振蕩時的錄波圖。相電流比率制動橫差保護引進了相電流較大值作為制動量，定值只需按躲過正常運行時較大不平衡電流整定，大大提高了橫差電流保護的靈敏度。比率制動橫差保護在區(qū)外故障時可靠制動，在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生輕微匝間故障時，制動幾乎不起作用，保護能靈敏動作，而在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生嚴重匝間故障時，盡管相電流有較大的增加，但橫差電流大大增加，保護能可靠動作。

圖6 發(fā)電機機端出口三相短路錄波圖Fig.6 WaveformsofgeneratorABCfault

圖7 發(fā)電機失步振蕩時錄波圖Fig.7 Waveformsofgeneratorout-of-steposcillation

5.2 相電流比率制動縱向零序電壓保護 圖8為發(fā)電機機端出口BC兩相短路時錄波圖，圖中縱向零序電壓明顯增大。

圖8 發(fā)電機機端出口BC兩相短路錄波圖Fig.8 WaveformsofgeneratorBCfault#p#分頁標題#e#

從圖6可見，發(fā)電機機端三相短路時，縱向零序電壓不平衡分量也有所增大，同時可以看到區(qū)外故障時零序電壓中3次諧波電壓分量增加很大。 發(fā)電機小匝間故障時三相電流中負序分量很小，圖5中負序電流僅為0.08A，達不到負序功率方向可靠動作的負序電流門檻，因此，負序功率方向縱向零序電壓保護不能動作。而采用了相電流比率制動的縱向零序電壓保護，其零序電壓定值只需按躲過發(fā)電機正常運行時的不平衡電壓基波分量整定，大大提高了匝間保護的靈敏度。比率制動零序電壓保護在區(qū)外故障時可靠制動，在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生輕微匝間故障時，制動幾乎不起作用，保護能靈敏動作，而在發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生嚴重匝間故障時，盡管相電流有較大的增加，但縱向零序電壓增加更大，合理選取Ku0定值，保護能可靠動作。 從圖5錄波圖上可見，發(fā)電機內(nèi)部匝間短路時，3次諧波分量增加不大，而從圖6、圖8可見，發(fā)電機出口、外部短路故障時，3次諧波分量大大增加。因此，也可考慮采用縱向零序電壓中3次諧波分量作為制動分量。但實際發(fā)電機出口、外部短路時3次諧波分量增加的數(shù)值難以取得，而發(fā)電機內(nèi)部故障時3次諧波分量的變化也沒有理論計算值，因此，3次諧波分量作為縱向零序電壓保護的制動量的方案還不能實用。 公式(12)中的制動電流可以取負序電流，因為發(fā)電機匝間短路時，發(fā)電機全電流中負序分量相對于零序電壓的上升速度慢，而發(fā)電機區(qū)外短路故障時負序電流分量相對于零序電壓上升速度快得多。制動電流也可以是正負序電流的加權(quán)平均值，這幾種判據(jù)有待于更詳細的動模試驗、理論分析以及經(jīng)驗積累。

參考文獻

［1］周 強，汪祖祿.三峽左岸電站發(fā)電機-干式變壓器組繼電保護的配置.繼電器，1998(5)［2］大型發(fā)電機干式變壓器繼電保護整定計算導則(報批稿).中華人民共和電力行業(yè)標準.1998