发电机定子绕组匝间短路保护技术

1.概述

当发电机定子一个线槽内两个线棒属于同一相绕组时，如果绝缘破坏，导致匝间短路；容量较大的发电机每相都有两个或两个以上的并联支路，如果同槽的两个线棒属于同一相、不同分支的绕组，也会导致匝间短路。定子绕组的匝间短路包括同相同分支绕组匝间短路、同相不同分支间的短路，如图7-17 所示，图中α、α1、α2以相应的绕组匝数占整个绕组匝数的百分比表示故障程度或故障位置。

图7-17　定子绕组匝间短路示意图

(a)同分支匝间短路；(b)不同分支匝间短路

定子绕组发生匝间短路时，短路电流在绕组内部形成环流，纵差动保护不能反应，应对定子绕组匝间短路装设专门的定子绕组匝间短路保护。

发电机发生匝间短路时，短路电流会导致故障点、线圈温度升高，进一步破坏绕组绝缘，故障可能发展为相间短路，应该由匝间短路保护动作于停机。定子绕组匝间短路时，有如下电气量特征可用于构成保护判据：①并联分支之间电流不平衡；②故障相电势下降，各相电势不对称，产生零序、负序电势；③定子绕组中流过负序电流。定子绕组发生开焊事故时，分支之间电流不平衡、相电流不对称，匝间短路也会动作，因此发电机定子绕组匝间短路保护兼作定子绕组开焊事故保护。有些发电机由于制造的原因中不存在同一个线槽内上、下层线棒属于同一相绕组的情况，不存在匝间短路的可能，此时仍可装设匝间短路保护作为定子绕组开焊事故的保护；也有某些发电机考虑开焊事故概率很小而不装设匝间短路保护。

发电机定子匝间短路保护有多种方案，应根据发电机定子绕组结构、TA 安装的具体情况确定保护方案。《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB14285—93)规定：

(1)对于定子绕组为星形接线、每相有并联分支且中性点有分支引出端子的发电机，应装设单元件横差保护。

(2)50MW 及以上发电机，当定子绕组为星形接线，中性点只有三个引出端子时，根据用户和制造厂的要求，装设专用的匝间短路保护。

2.单元件横联差动保护

发电机横联差动保护，简称横差保护，用于发电机定子绕组有分支的情况，利用发生匝间短路时分支电流不平衡构成保护判据。

如图7-18所示为裂相横差保护单相原理接线，两个分支TA 接成差电流接线，形成的差动电流接入保护，差动电流大于整定值时保护动作。安装裂相横差保护需要发电机每个分支的机端均装设电流互感器。发电机分支上的TA 需要安装在发电机内部，大型发电机可能限于内部空间，难以安装6个机端分支TA，这样就无法采用裂相横差保护。

如果同分支匝间短路匝数较少[如图7-17 (a)所示α较小]，或不同分支匝间短路位置接近[如图7-17 (b)所示α1≈α2]，短路电流较小，横差保护存在“死区”。

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图7-18　裂相横差保护单相原理示意图

图7-19　单元件横差保护示意图

如果发电机接线为双Y 形，如图7-19所示，利用两个中性点之间连线上的电流，也可以构成横差保护，因为只需要一组TA 及保护，称为单元件横差保护。无论哪一相绕组发生匝间短路时，中性点连线上均有电流流过。单元件横差保护的动作电流考虑躲过正常运行情况下的不平衡电流，根据经验一般可取(0.2～0.3)IN.G。

由于发电机固有的三次谐波电流呈现零序特征，会流过两个中性点之间，发电机单元件横差保护，需要考虑滤除电流中的三次谐波防止误动。横差保护瞬时动作于停机，但汽轮发电机励磁回路在转子一点接地后，为防止横差保护在励磁回路发生瞬时第二点接地时误动作，可将其切换为带有0.5～1.0s短时限动作于停机。

3.反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护

当定子绕组为星形接线，中性点只有3个引出端子时，由于没有安装分支TA 及中性点连线TA，无法采用横差保护，可以利用发电机定子绕组发生匝间短路或线棒开焊故障时，三相定子电流中使出现负序分量的特征构成匝间短路保护判据。

当发电机定子绕组发生匝间短路或线棒开焊故障时，三相定子电流中出现负序分量，定子负序电流产生的合成旋转磁势与正序旋转磁势相反，负序合成旋转磁势与发电机转子之间相对运动速度为两倍同步速度，在发电机励磁线圈中感应出二次谐波电流。因此，可利用转子回路出现二次谐波电流为判据，构成发电机匝间短路保护。

当发电机外部发生不对称短路时，三相定子电流中也有负序分量，转子励磁绕组中也会出现二次谐波电流，为防止这种情况下匝间短路保护误动，采用了负序功率方向元件闭锁保护的出口回路，由负序方向元件区分匝间短路与外部不对称短路，反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护原理如图7-20所示，由转子绕组二次谐波电流检测与负序方向元件组成。

图7-20　反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护图

匝间短路时，发电机发出负序电势，产生负序电流；外部不对称短路时，可以认为在故障点施加负序电源，两种情况下负序功率方向相反。

4.纵向零序电压式匝间短路保护

发生匝间短路时，发电机三相电势不对称，产生零序电势(又称为纵向零序电压)，由发电机端TV 测得的零序电势可以用来构成匝间短路判据。注意为了测发电机相电势，匝间短路保护使用一组专用的TV，专用TV 中性点与发电机中性点连接而不接地。

发电机电压系统发生单相接地故障时，三相对地电压不对称，产生零序电压，但发电机相电势仍然是对称的，没有纵向零序电压，这时发电机纵向零序电压式匝间短路保护不会动作。输入纵向零序电压式匝间短路保护的电压量，是三相定子绕组机端对发电机中性点的电压，即相电势(纵向电压)；后面将要介绍的发电机定子绕组单相接地保护则利用机端对地零序电压构成保护判据。纵向零序电压式匝间短路保护同样也可以加入负序方向元件，在外部不对称短路时闭锁匝间短路保护。