发电机匝间保护存在的问题及改进

卞兴炜，刘元博

(淮沪煤电有限公司田集发电厂，安徽 淮南 232000)

发电机匝间保护存在的问题及改进

卞兴炜，刘元博

(淮沪煤电有限公司田集发电厂，安徽 淮南 232000)

对西门子7UM62微机保护装置发电机匝间保护存在的拒动和误动隐患进行分析，提出了相应的改进措施。在原有7UM62微机保护装置的基础上，采用精度高、动作功率小的7SJ681微机保护装置与其共同搭建匝间保护硬件平台，并对2台装置内部保护逻辑进行创新设计，使其在各种工况下均能正确动作，有效避免匝间保护的误动和拒动。

发电机；匝间保护；负序功率方向；灵敏角

0 引言

在正常运行中，发电机定子绕组由于受电晕腐蚀、发热、机械振动以及机械磨损等因素的影响，匝间绝缘会逐渐老化，一旦遭受雷电侵袭或操作过电压的冲击，容易出现匝间短路故障。故障时，短路绕组内将形成很大的短路环流，理论分析表明，其值甚至超过机端三相短路电流。因此，定子绕组匝间短路是发电机不容忽视的一种严重故障形式，必须装设可靠的匝间短路保护设备。而部分电厂的匝间保护往往存在一些问题，需要加以改进。

1 发电机匝间保护概况

某电厂西门子7UM62微机保护装置匝间保护接线如图1所示。其发电机定子绕组匝间保护负序功率方向元件电流回路取自发电机机端TA，TA的极性端靠近发电机侧，负序电压取自机端匝间保护专用TV的二次侧星型绕组。匝间保护纵向零序电压取自机端匝间保护专用TV的二次侧开口三角绕组，经数字滤波后，采集到纵向零序电压基波分量，送往匝间保护启动门槛的逻辑判断回路。当测量值超过启动定值，且负序功率方向元件判断为发电机内部短路故障，同时无其他外部闭锁条件时，匝间保护装置就发出启动信号并经延时动作于跳闸。

图1 该电厂西门子7UM62微机保护装置匝间保护接线

2 不同短路情况下负序功率方向的分析

2.1 发电机匝间短路的情况

图2 发电机匝间短路示意

根据图1中负序功率方向元件的电压、电流回路的实际接线，得出图2所示的负序电压、负序电流的规定正方向：电压正方向为母线指向大地，电流正方向为发电机指向系统。可以看出，当发生匝间短路时，负序电压超前负序电流约 75°，此时负序功率P2=U2I2cosφ,方向为正方向。负序功率方向元件的最大灵敏角Φsen为75°。

2.2 系统发生不对称短路的情况

2.3 发电机内部相间短路的情况

图3 系统不对称短路示意

图4 发电机内部相间短路示意

3 发电机匝间保护存在的问题

由于定子绕组纵向零序电压并非仅匝间故障时才会出现;在区外发生不对称故障、匝间专用TV高压侧熔丝异常，以及纵向零序电压回路受到外部干扰时，均会出现，所以必须利用负序功率方向元件来判别真实的匝间短路故障。

负序功率方向元件分为2种：

(1) 反方向元件。该元件动作则表示发生的是区外不对称故障，应闭锁纵向零序电压匝间保护，故反方向元件宜作为闭锁元件。按之前分析，负序功率方向元件的灵敏角应设为-105°；

(2) 正方向元件。该元件动作则表示发生的是发电机内部故障，应开放纵向零序电压匝间保护，故正方向元件宜作为启动元件。按之前分析，灵敏角应设为75°。

上述灵敏角设置方式的前提是按图1所示的TA，TV极性接线。

该电厂发电机采用7UM62微机保护装置匝间保护，是利用外置的负序功率方向继电器作为负序功率方向判别元件，并采用上述反方向闭锁元件的方式。保护逻辑如图5所示。

图5 7UM62微机保护装置匝间保护逻辑

反方向闭锁元件的方式存在以下缺陷，即在下列情况下均可能造成匝间保护误动作:

(1) 当区外发生不对称故障时，可能出现零序电压元件动作而负序功率元件来不及闭锁的情况；

(2) 在外部故障切除时，负序功率元件比零序电压元件返回较快的情况；

(3) 匝间专用TV一次侧熔丝异常，而TV断线未动作的情况；

(4) 纵向零序电压回路受到外部干扰产生干扰电压大于整定值的情况。

同时，在保护检验时发现，该负序功率方向继电器的动作功率较大，当区外发生不对称故障时，继电器可能不动作，不能起到可靠闭锁的作用，因此需要改进。

改进前的反方向闭锁元件方式的优点是，当发电机在并网前出现定子绕组匝间保护时，由于机端电流为0，输出负序功率为0，匝间保护可以正确动作。

4 改进方法

为解决反方向闭锁元件方式下存在问题，在原有的7UM62微机保护装置的基础上,新增西门子7SJ681微机保护装置，与其共同搭建发电机匝间保护硬件平台，并对2台装置内部保护逻辑进行创新设计，使之相互配合，实现新的匝间保护功能。新增的7SJ681微机保护装置有着采样精度高、动作功率小等优点。应用时使用其内部的负序功率方向元件作为正方向启动元件(根据之前分析可知负序功率方向元件最大灵敏角设置为75°)，来替代原先的负序功率方向继电器，并且在7SJ681微机保护装置内组建匝间保护的“允许信号”送至原先的7UM62装置内,以实现并网前、后2种工况下，发电机定子绕组出现匝间短路时，保护均能够正确动作，避免匝间保护的误动和拒动。

4.1 改进后的保护逻辑

新增加的7SJ681微机保护装置中负序功率方向的允许逻辑如图6所示。

图6 7SJ681微机保护装置负序功率方向允许逻辑

改进后的7UM62微机保护装置中匝间保护逻辑如图7所示。

图7 改进后的7UM62微机保护装置匝间保护逻辑

4.2 具体实施方式

4.2.1 7SJ681微机保护装置逻辑

(1) 取“发电机出口断路器合闸位置”信号作为区分机组并网前、后状态的判据，即“发电机出口断路器合闸位置”信号为“0”时表示并网前，为“1”时表示并网后。

(2) 并网前发生匝间短路时，机端没有电流，负序功率元件无法动作，而“发电机出口断路器合闸位置”信号为“0”，则“负序功率正方向允许”信号为“1”，此时匝间保护不经负序功率元件判断，保护逻辑简化为纵向零序过电压保护。

(3) 并网后，匝间短路时会造成机端电流的变化，此时匝间保护必须经负序功率方向元件判断，“负序功率元件正方向动作”后“负序功率正方向允许”信号才置“1”，此时才允许匝间保护动作。

(4) 将7SJ681微机保护装置中形成的“负序功率正方向允许”信号送至7UM62微机保护装置中，作为匝间保护动作的必要条件,如图6所示。

4.2.2 7UM62微机保护装置逻辑

将负序功率方向元件在匝间保护中的作用由原先的“闭锁”调整为“允许”，即匝间保护动作必须同时满足以下条件：“负序功率正方向允许”信号置“1”、匝间保护压板投入、纵向零序电压超过定值、匝间专用TV无断线信号，如图7所示。机组正常运行时，“负序功率正方向允许”信号为“0”，对匝间保护起闭锁作用，即使因各种干扰因素出现了纵向零序电压，匝间保护也不会动作出口。

5 结束语

国内的发电机匝间保护装置均采用负序功率方向元件闭锁功能，虽然有将负序功率方向元件作为闭锁条件或允许条件的做法，但均未考虑机组并网前发生匝间短路时，负序功率方向元件无法动作的问题。

通过新增的7SJ681微机保护装置，利用其负序功率方向元件替代原先的负序功率方向继电器，严格区分了区内、区外故障，也以“允许”条件替代改进前的“闭锁”条件，消除了匝间保护在多种情况下可能误动的隐患，还解决了并网前匝间短路时保护拒动的问题，实现了发电机匝间保护的正确动作。对发电机保护逻辑进行改造后发生的500 kV系统相间短路故障中，负序功率方向元件能够正确闭锁匝间保护，进一步验证了本次改进后保护功能的可靠性。

1 国家电力调度通信中心．电力系统继电保护实用技术问答[M]．北京：中国电力出版社，2004.

2 郜秋凯．某电厂发电机匝间保护误动作分析[J]．科技信息，2011，34(11)：316-317.

2017-01-10；

2017-05-26。

卞兴炜(1983—)，男，工程师，主要从事发电厂继电保护专业点检工作，email：bxw1983@163.com。

刘元博(1988—)，男，助理工程师，主要从事发电厂继电保护专业点检工作。