一种新型发电机相间保护

摘要：文章首先对发电机内部两相短路的负序电流分布的特点进行了分析，得出关于两相短路故障点两侧负序电流比值的结论，从而分析发电机保护装置的可靠性、灵敏度、有无死区等特点，最后对过渡电阻给发电机的相间保护装置带来的影响做了相关的分析。

关键词：新型发电机；发电机故障；相间保护；两相短路；负序电流分布 文献标识码：A

中图分类号：TM312 文章编号：1009-2374（2015）31-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.013

1 概述

纵差保护是我国目前发电机相间保护的主要方法，发电机的内部是发电机纵差保护的一个主要范围，如果在发电机的中性点附近或者是经过过渡的电阻短路的过程中出现故障，则故障点的电流一般是很小的数值，但是却无法将发电机的纵差保护启动，这会导致产生一定的死区，范围在5%左右。后备保护功能是切除发电机中这一类型故障的主要手段，当然也可以采取等待的方式，使故障发展到一定的程度，再对其采取纵差保护，但是这种等待保护的方式会在很大程度上对发电机造成损害，影响发电机的性能，于是在实际中基本上不采用第二种方法。主要是由于第一种方法在开始时便采取一定的措施进行保护，减少了对发电机的损坏，而第二种方法使故障发生到一定程度，就会对其采取纵差保护，这种等待保护的方式大大地提高了发电机在等待过程中发生二次损毁的概率。因此，广大发电机保护工作者的研究课题之一就是如何有效减少甚至消除发电机故障死区，从而加强发电机内部故障的反应能力。

2 发电机内部两相短路负序电流分布的特点

图1 系统接线及内部短路示意图

做一个假设，无限大容量系统与发电机之间存在着连接关系，那么此刻大容量系统的等值电势在图1中可表现为E5，zs为系统的等值抗阻，其值为0，如图1（b）中所示。三相短路这一情况在发电机中不是很常见，这主要是由于发电机具有结构复杂的内部，当然，三相交流在一些特殊的情况下也会发生，如由于发电机两相短路，进而引发三相交流，因此，其一般情况下，在发电机内部通常只考虑发生两相短路的情况，如图1（b）所示。

设发电机与无限大容量系统相联，即系统等值电势为E5，系统等值阻抗zs为零，见图1（a）。在发电机内部发生两相短路（在发电机内部由于结构上原因发生三相短路是罕见的，即使有，也是从两相短路发展而成），见图1（b）。

图2 发电机内部两相短路复合序网络

图2中，aEG和（1-a）EG、ZG1a和ZG1（1-a）、ZG2a和ZG2（1-a）、I2a和I2（1-a）分别为故障点两侧的发电机电势、正序阻抗、负序阻抗、负序电流。从复合型网络图中，我们可以知道，发电机发生故障时，故障点两侧的负序阻抗与其负序电流成反比，即：

（1）

表明：（1）两侧的负序抗阻与电流比值具有很重要的关系，同时也可以说，故障点的位置对负序电流有很大程度的影响。故障点两侧负序电流之比值只与其两侧负序抗阻有决定性关系，与其他因素没有关系。也就是说故障点的位置直接决定了故障点两侧的负序电流比值；（2）当故障发生在发电机绕k中间位置时，即a=50%，ZG2a=ZG2a（l-a），|I2a|/|I2（l-a）|=1，当故障点向发电机出口侧偏移，即a>50%，|I2a|/|I2（l-a）|<1，直至为零；当故障点向发电机中性点侧偏移，即a<50%，|I2a|/|I2（l-a）|>1，直至无限大。从而得出结论，当故障点开始移动，沿着其原始方位逐渐趋近于出口处的中性点，其负序电流的比值由零开始，趋向于无限大，即故障点移动，负序电流便开始增大。简而言之，就是位于故障点两侧的负序电流比值会不断增大。

当在有限容量系统中将发电机接入，即Zs≠0，此时式（1）可改写成：

（2）

由式（2）可以看出，由于系统阻抗Zs的存在，使相应丨I2a丨/|I2（l-a）|=1的故障点向发电机出口侧偏移。

3 新型发电机相间保护的构成

从上述分析得出，如果发电机内部故障点越是靠近发电机的中性附近时，其故障点两侧的负序电流之比值就会越大。设置|I2a|/|I2（l-a）|>1作为动作的条件，这样就能保证这个负序电流比值测量元件对发电机的中性点附近的故障点较灵敏的反应，再把对发电机出口处侧故障反应灵敏的纵差测量元件与负序电流比值测量元件结合在一起，就能够互相弥补，构成新型的无死区、运作快、灵敏度高的发电机相间保护装置，其原理如图3所示：

图3 新保护原理框图

图3中I2a、I2（l-a）分别从发电机中性点侧和出口侧的负序电流滤过器1和2取得，首先输入负序电流比值测量元件，再通过负序电流比值测量元件的输出与纵差测量元件构成“或”门，经过触发器发出之后才能跳闸脉冲。如果故障出现在保护范围之外的地方，流经发电机中性点与出口侧的负序电流相等时，此时就会有|I2a|/|I2（l-a）|=1，那么发电机的保护将不会动作。

另外，通过对复合型网络的分析还可以看出：如果两相接地短路，两相不对应点短路，多支路负序电流的分布就能遵守与负序阻抗成反比的规律，在两相接地均出现短路的情况下，与相不相对应的点由于两相的短路关系，会继而短路，这是负序电流与负序抗阻成反比的一个前提；如果匝间出现短路，而开焊流经两侧的负序电流相等，就会出现比值为1的结果；如果过载，发电机内部出现三相短路故障，就会导致其振荡不会产生负序分量。

4 过渡电阻的影响

上述的情况对发电机的保护来说起着很重要的作用，但是还可以从上述的网型中得出，在发电机中，如果其内部结构中存在过渡电阻，发生接地情况时，不会对负序电流产生影响，可以说，只有发电机内部的总负序电流会被相间过渡电阻所影响，但是这对发电机的故障两侧的负序电流比来说，并没有什么实际的影响。若是其内部结构中不存在过渡电阻，在发生接地情况时，电流就不会再经过电阻的阻碍。总的来说，不管过渡电阻在发电机内部是否真实存在，发电机的故障两侧负序电流还是会依照原先的设定发生运行，并不存在什么实际的影响。

5 保护范围的讨论

一般来说，发电机纵差保护的死区在5%左右的范围内时，负序电流比值测量元件可以在α<38%范围内的故障（即可靠系数取用1.3，灵敏度系数>2）发生能反应，但是，这个范围与纵差保护的死区相差过大，这是远远大于纵差保护的5%的死区的，因此可以说，在新型的发电机中，死区并不存在。此外，这种新型发电机相间保护在5%<α<38%之间范围内，纵差测量元件以及负序电流测量元件都会产生一定的反应，这种反应经过一定的运行机理作用在发电机上，都能对发电机产生保护作用，在很大程度上提高了其保护作用的稳定，进而减少了发电机故障的发生概率。

6 关于灵敏度

对一台60万kW汽轮发电机内部两相短路时纵差和比值测量元件的灵敏度进行了理论计算，其结果如表1：

表1 灵敏度计算结果

根据理论计算的结果可以看出，当故障出现在α=26.37%处时，纵差和比值测量元件的灵敏度相等，当

α>26.37%时，纵差元件和负序电流测量元件这两者的灵敏度都在缓慢下降，但这两者维持的最小灵敏度不同，纵差的灵敏度最小可保持在6.67，当α<26.37%时，比值测量元件的灵敏度上升得较快，而且比纵差高，所以新型保护对内部故障的灵敏度可提高至Klm≥6.67。

参考文献

[1] 王维俭，等.大型机组继电保护理论基础[M].北京：水利电力出版社，1982.

[2] 何仰赞.同步电机的内部短路计算[J].华中工学院学报，1979，（1）.

[3] 邹锐，郭荷清，王福如，邹祖英.发电机匝间短路保护研究报告[A].湖北科技论文选编[C].1963.

作者简介：王军（1965-），男，江西省电力设计院工程师，研究方向：电力工程设计和研究。

（责任编辑：周 琼）endprint