发电机匝间保护误动分析及防范

发电机匝间保护误动分析及防范

袁齐

（四川白马循环流化床示范电站有限责任公司四川内江641000）

摘要：介绍了发电机匝间保护的原理及构成，提出了发电机匝间保护常见的误动原因，归纳了发电机防止匝间保护误动的措施。

关键词：匝间保护专用TV三次谐波负序功率方向

1、前言

发电机是发电厂的主要电气设备之一，它的安全运行对电力系统的安全稳定来说是至关重要。现代大型发电机的定子绕组不可避免在定子同一槽的上、下层线棒会出现同相的不同匝数的定子线棒，比率大概在40%～55.6%，由于电晕腐蚀，长期受热，机械振动以及机械磨损等因素的影响，匝间绝缘将会逐步劣化，就必然导致定子绕组出现匝间短路故障。而这时在发电机引出端上电流变化并不显著，发电机差动保护不能保护定子绕组匝间短路故障，若不能及时处理，则可能发展成为相间故障，造成更严重的发电机损坏，因此在大型发电机中必须单独装设定子绕组匝间短路保护，同时也可作为定子绕组断线故障的保护。

2、匝间保护的原理及构成

2.1匝间短路的特点

a）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。

b）发电机不同相匝间短路时，必将出现环流的短路电流。

c）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。

d）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。

e）一相匝间短路时的负序功率的方向与发电机外部不对称短路时的负序功率方向相反。

2.2匝间保护的构成通常有以下几种方式：

a）横差保护。当定子绕组采用双星形接线且发电机中性点侧有六个引出头时采用。

横差保护接线简单、动作可靠、灵敏度高。但横差保护要求发电机的线棒的抽头太多，影响发电机的绝缘和冷却，致使横差保护的使用有一定的局限性。

b）三次谐波闭锁的零序电压定子匝间保护。采用匝间专用TV测量发电机三个相电压不对称而生成的纵向零序电压（机端各相对中性点）的基波电压作为动作量，三次谐波电压作为制动量的原理构成。

所谓“匝间专用”是特指一次侧的中性点与发电机中性点直接连接，绕组为全绝缘的TV。因为当发生匝间短路时，尽管中性点电位相对机端电压发生变化，但在普通的TV（TV原边中性点直接接地）副边无法测到匝间短路引起的的电压，必须将TV一次侧的中性点与发电机中性点直接连接，匝间短路时才能从其第三绕组（开口三角绕组）输出3U。，这样此TV必须是全绝缘，而且它不能被用来测量相对地电压，因此该TV亦被成为匝间专用TV。正是由于这种接法，当发电机内部或外部发生单相接地时，虽一次系统出现零序电压，中性点电位升高3U。但三相对中性点的电压仍完全对称，第三绕组输出电压3U。仍等于0。但它可以用来测线电压，如发电机的逆功率和失磁保护等的电压量可以由此来。

c）负序方向闭锁的零序电压匝间保护。采用匝间专用TV测的纵向零序电压的基波电压作为动作量，负序功率方向元件作为闭锁量的原理构成。根据DL/T684—1999《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》中的4.1.7对纵向零序过电压保护的规定：“为防止外部短路误动作，可增设负序方向继电器，后者具有动合触点，当发电机内部短路时，触点闭合”。这样，当发电机发生相间短路、匝间短路及分支开焊等不对称故障时，纵向零序电压元件及故障分量负序方向元件组成“与”门实现匝间保护，主要是利用负序功率方向判断是发电机内部不对称还是系统不对称故障，保护的灵敏度很高。

3、匝间保护的常见故障及原因

多年来匝间保护的正确动作率较低，主要有下面这些原因：

3.1整定值低，保护原理和动作逻辑不严密。

部分保护装置逻辑以纵向零序电压中三次谐波特征量作为制动量来区分内部和外部故障。

理论上发电机三次谐波电压大小主要与发电机结构、机组负荷变化有关，动模和实际机组故障也未证实区外故障时纵向零序电压中三次谐波分量会增大，因而纵向三次谐波电压不是发电机匝间故障的一个电气特征量，所以难以保证在外部发生故障时可靠闭锁匝间保护。

又由于一般纵向零序过电压整定值较低，通常为2～3V，在运行中可能因为发电机定子特性不一致、三次谐波过滤特性不好、高压近距离接地故障、受干扰信号影响等原因，出现零序电压值高于定值，因而引起保护误动。

过去某些微机保护在发电机开机过程中，因为负序功率方向元件不起作用，使得匝间保护不能动作，也没有采取其它措施，这也是需要改进的。

3.2TV断线闭锁逻辑不严密。

由于匝间专用TV的安装位置振动较大，经常会发生TV断线和TV一、二次保险缓慢熔断以及TV一次插头接触不良等问题，这些问题的出现会产生与匝间故障相同的零序电压。但某些保护制造厂TV断线逻辑功能的不严密，在出现上述异常情况时，TV断线闭锁不起作用，匝间保护输入回路中产生较大的基波电压，导致保护出现误动。在过去匝间保护动作的统计中多数是因为此类问题而误动，所以可靠的TV断线闭锁对防止匝间保护误动至关重要。

3.3整定负序功率方向元件和实际要求方向相反。

增设负序功率方向元件是为了防止外部短路时匝间保护误动作，根据故障分析原理可以得出当发电机发生相间短路、匝间短路及分支开焊等不对称故障时，负序功率P2由发电机流出；当系统发生不对称故障、非全相运行、负荷不平衡时，负序功率P2流向发电机。

但在实际应用中，对负序功率方向认识的欠缺，常常导致保护误动。比如保护装置内部整定负序功率方向闭锁元件为“允许式”还是“闭锁式”，应根据引入保护的TA二次极性进行整定，如发生错误则可能导致外部故障时误动，内部故障时拒动。

还有的保护装置负序功率方向元件的电流取自发电机中性点TA，这是必须要予以纠正的。因为对发电机中性点TA来说发电机内部故障和机端外部故障感受到的负序功率方向是一样的。

4、匝间保护误动的防范措施

4.1适当提高定值和采用更加可靠的保护原理及逻辑。

分析表明，三次谐波是影响纵向零序电压匝间保护可靠性的主要因素。根据机组实际运行情况，适当提高零序电压定值和时间定值是可行的，它可以提高保护躲暂态三次谐波影响的能力。

采用电流比率制动原理和浮动门槛技术。目前南瑞的RCS-985A发变组保护装置将新的电流比率制动原理和浮动门槛技术引入到匝间纵向零序电压保护。其中发电机电流比率制动的新判据：。当外部三相故障时故障电流增加很大，而纵向零序电压增加较少，取电流增加量作制动量；外部不对称故障时电流增加，同时出现负序电流，而纵向零序电压稍有增加，取电流增加量及负序电流作制动量。

浮动门槛技术：对其他工况下（不同负载、电压升高、失磁故障等），零序电压不平衡值的增大，采用浮动门槛躲过不平衡电压。

在采用这些新的保护原理技术后纵向零序电压匝间保护只需按躲过正常运行时不平衡基波电压整定，区内故障灵敏动作，区外故障可靠制动。

为防止发电机开机过程中，因为负序功率方向元件不起作用，使得匝间保护不能动作，在保护装置调试阶段应按下图逻辑进行验证。

4.2对保护装置专用TV的一、二次接线及断线闭锁逻辑进行严格核查。

在安装调试阶段应检查专用TV是否采用全绝缘，和发电机中性点连接的电缆不能采用普通二次电缆，应采用高压电缆。二次及三次回路接地必须满足反措要求，分开接地。专用TV各二次绕组极性应满足保护要求。保证专用TV一次插头接触良好，应有防脱落、松动的措施，一次熔丝电阻值应在规定范围内，发电机TV一次熔丝应定期更换。

由于各个保护制造厂家的TV断线闭锁逻辑不尽相同，所以对保护装置专用TV的断线闭锁逻辑应进行严格核查，防止TV断线、TV的一、二次保险出现缓慢熔断及纵向零序电压回路干扰引起的误动。目前鉴别TV断线并能够判断出是专用TV断线还是普通TV断线的逻辑框图，一般采用压差加负序电压型电压平衡回路的方式，同样需要在保护装置调试阶段严格进行逻辑验证。如下图所示：

4.3对进入匝间保护负序功率方向元件的电流、电压进行确认。

在对保护装置进行调试期间，应确认进入匝间保护负序功率方向元件的电流、电压取自发电机的机端TA、TV回路，电流电压元件的极性不能接错。试验时应根据保护装置负序方向元件的特性及发电机内部发生故障时负序功率是由发电机内部流出发电机外部的这一原则来确定负序方向元件是采用“允许式”还是“闭锁式”。

5、结束语

要提高发电机匝间保护的动作正确率，在装置安装调试阶段就要把好关，从装置原理、动作逻辑上认真分析，确认外部TA、TV的安装工艺和接线正确性等几方面着手，运行期间还应定期对专用TV开口三角绕组的不平衡电压进行监测，以便尽早发现问题，保证机组安全运行。

参考文献：

[1]《大型机组继电保护理论基础》.王维俭.中国电力出版社，1996

[2]《RCS-985发电机变压器成套保护装置技术说明书》.南瑞继保公司，2004

[3]《电力系统继电保护规定汇编》.中国电力出版社，1997