試論發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)

肖舒理

摘 要：從發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)的必要性分析入手，重點(diǎn)介紹了橫聯(lián)式差動(dòng)、不完全縱差、轉(zhuǎn)子二次諧波電流和縱向零序電壓這四種常用的匝間保護(hù)方法，論述了當(dāng)前所用發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)裝置存在的主要問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出了針對(duì)性的應(yīng)對(duì)措施。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；定子繞組；匝間短路；短路保護(hù)

發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的基石，隨著市場(chǎng)用電需求的不斷增加，發(fā)電機(jī)的單機(jī)容量也在不斷提高，如何保障發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于整個(gè)電力系統(tǒng)的發(fā)展和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展都具有重要的意義。匝間短路是發(fā)電機(jī)常見(jiàn)的故障之一，其給發(fā)電機(jī)所帶來(lái)的損害也是致命的，而當(dāng)前所用的各種匝間保護(hù)裝置均存在靈敏度低、可靠性差的缺陷，難以滿足實(shí)際運(yùn)用的需求，因此在后續(xù)的發(fā)展過(guò)程中仍需對(duì)現(xiàn)有的匝間保護(hù)裝置進(jìn)行更加深入的研究和改進(jìn)。

1 發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)的必要性分析

雖然說(shuō)針對(duì)發(fā)電機(jī)是否需要采用定子匝間保護(hù)這個(gè)問(wèn)題國(guó)內(nèi)外仍存在一定的爭(zhēng)論，但是筆者認(rèn)為發(fā)電機(jī)定子匝間仍然是非常有必要的，其主要原因如下：（1）雖然從以往統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)，發(fā)電機(jī)發(fā)生匝間短路的概率還是比較小的，但是發(fā)電機(jī)匝間短路的危害確是巨大的，其不僅容易燒壞發(fā)電機(jī)，還會(huì)對(duì)整個(gè)供電系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成重要影響，因此給發(fā)電機(jī)多加一層保護(hù)是相當(dāng)有必要的。（2）與匝間保護(hù)類似的單相接地保護(hù)等相關(guān)技術(shù)在近些年來(lái)雖然也取得了不小的進(jìn)度，但是其仍然無(wú)法取代匝間短路保護(hù)，特別是對(duì)一些大型的發(fā)電機(jī)組來(lái)說(shuō)，其冷卻方式復(fù)雜，匝間故障的概率明顯增大，更加需要匝間保護(hù)。

2 常見(jiàn)的發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)方法

2.1 橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)

橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)是運(yùn)用最為廣泛的一種匝間保護(hù)方法。一般來(lái)說(shuō)發(fā)電機(jī)的橫差保護(hù)都安裝在兩個(gè)星形中性點(diǎn)引出回路上的電流互感器上，其由電流互感器和繼電保護(hù)裝置這兩大部分組成。在發(fā)電機(jī)正常工作時(shí)，兩個(gè)星型繞組上的三相電流之和為零，故電流互感器中也沒(méi)有電流產(chǎn)生，橫差保護(hù)不會(huì)啟動(dòng)。而當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生匝間短路或者是線端開(kāi)焊時(shí)，中性點(diǎn)引出回路上便會(huì)有環(huán)流產(chǎn)生，電流互感器會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流使得繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，發(fā)電機(jī)停止工作，以免匝間短路造成更大的損失。橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)具有原理簡(jiǎn)單，在裝置允許的范圍內(nèi)時(shí)靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但是其死區(qū)范圍較大，并且只能運(yùn)用在繞組具有分支結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)上，因此尚未能完全取代其它的匝間保護(hù)方法。

2.2 不完全縱差匝間保護(hù)

不完全縱差匝間保護(hù)所用的元器件與橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)類似，不過(guò)與橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)相比，其需要用到更多的電流互感器，接線更為復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)的工作量大。不完全縱差保護(hù)需要在每相的主回路和其中一個(gè)分支繞組上分別裝一個(gè)電流互感器，當(dāng)任意相中未安裝電流互感器的分支繞組發(fā)生故障時(shí)，由于受到互感磁通的作用，未發(fā)生故障分支繞組上的電流感器中便會(huì)產(chǎn)生電流，使得不完全縱差保護(hù)裝置產(chǎn)生作用。與橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)相比，不完全縱差保護(hù)不僅可以對(duì)匝間短路和線端開(kāi)焊其作用，還對(duì)定子繞組的相間短路其作用，不過(guò)到目前為止尚未有較好的方法對(duì)各分支的差額電流和分支數(shù)目進(jìn)行整定，再加上其容易受到系統(tǒng)暫態(tài)過(guò)程的影響，因此也尚未被廣泛使用。

2.3 轉(zhuǎn)子二次諧波電流匝間保護(hù)

與橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)和不完全縱差保護(hù)相比，轉(zhuǎn)子二次諧波電流匝間保護(hù)最大區(qū)別是其電流互感器主要是用于檢測(cè)轉(zhuǎn)子上的電流變化，而不是定子上的電流變化。轉(zhuǎn)子二次諧波電流匝間保護(hù)的工作原理如下：當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生匝間短路或者是接線端開(kāi)焊故障時(shí)，定子回路中的電流會(huì)出現(xiàn)負(fù)序分量，由電磁感應(yīng)定律可知，該負(fù)序電流分量會(huì)產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，受此影響轉(zhuǎn)子電路中便會(huì)產(chǎn)生二次諧波電流，當(dāng)電流互感器檢測(cè)到該二次諧波電流的存在之后便會(huì)使匝間保護(hù)裝置啟動(dòng)。轉(zhuǎn)子二次諧波電流匝間保護(hù)可用于各種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)，具有適用性廣的優(yōu)點(diǎn)，但是其必須加裝負(fù)序閉鎖式方向元件，避免在發(fā)生外部故障時(shí)，轉(zhuǎn)子二次諧波電流匝間保護(hù)裝置發(fā)生誤動(dòng)。

2.4 縱向零序電壓閘間保護(hù)

縱向零序電壓匝間保護(hù)主要是通過(guò)專用的電壓互感器去檢測(cè)發(fā)電機(jī)機(jī)端與中性點(diǎn)之間的零序電壓，在發(fā)電機(jī)正常工作或者是發(fā)生相間短路時(shí)，該零序電壓為零，而當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生匝間短路時(shí)，該零序電壓的值通常為3U0，因此設(shè)定縱向零序電壓保護(hù)時(shí)便可將該值作為一個(gè)判斷閥值，只要電壓互感器檢測(cè)到零序電壓大于等于該閥值時(shí)，縱向零序電壓匝間保護(hù)裝置便會(huì)啟動(dòng)。為了防止外部電路和互感器斷線時(shí)帶來(lái)的干擾，縱向零序電壓匝間保護(hù)也需要添加負(fù)序功率方向閉鎖和電壓斷線閉鎖裝置。縱向零序電壓匝間保護(hù)的應(yīng)用也不受發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，不過(guò)因?yàn)橐褂萌^緣的專用電壓互感器，其還存在著成本較高的問(wèn)題。

3 當(dāng)前定子匝間保護(hù)裝置存在的主要問(wèn)題

目前而言，定子匝間保護(hù)裝置在實(shí)際運(yùn)用中存在的問(wèn)題主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）匝間保護(hù)裝置的靈敏度還有待于進(jìn)一步提高。無(wú)論是橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)還是不完全縱差匝間保護(hù)其都存在死區(qū)問(wèn)題，保護(hù)裝置并不能在第一時(shí)間內(nèi)觸發(fā)動(dòng)作，從而及時(shí)的避免匝間短路帶來(lái)的危害。（2）匝間保護(hù)裝置誤動(dòng)問(wèn)題比較突出。目前有一部分發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家和維護(hù)人員不愿意使用定子匝間保護(hù)的一個(gè)主要原因便是在實(shí)際的使用過(guò)程中匝間保護(hù)裝置經(jīng)常發(fā)生誤動(dòng)，例如在使用零序電壓匝間保護(hù)時(shí)，若不能準(zhǔn)確的對(duì)非匝間短路引起的零序電壓進(jìn)行識(shí)別和判斷，那么外部故障也可能會(huì)造成匝間保護(hù)裝置的誤動(dòng)，從而使得發(fā)電機(jī)的正常工作受到影響。

4 發(fā)電子定子匝間保護(hù)的改進(jìn)措施

由前文可知，雖然說(shuō)發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)的方法眾多，但是在實(shí)際的應(yīng)用中都存在或多或少的缺陷，在今后的發(fā)展過(guò)程中主要需要從以下方面進(jìn)行改進(jìn)：（1）綜合運(yùn)用多種匝間保護(hù)方法，例如采用橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)與縱向零序電壓匝間保護(hù)相結(jié)合的方式，保證發(fā)生匝間故障時(shí)，最少有一種匝間保護(hù)裝置能夠發(fā)揮作用。（2）對(duì)現(xiàn)有的匝間保護(hù)方法進(jìn)行更加深入的研究，重點(diǎn)解決靈敏度不足和保護(hù)裝置誤動(dòng)的問(wèn)題，例如加快高靈敏都橫聯(lián)式差動(dòng)保護(hù)的運(yùn)用速度，對(duì)現(xiàn)有的濾波技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)等。（3）加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)組日常維護(hù)保養(yǎng)的力度，定期對(duì)發(fā)電機(jī)組和匝間保護(hù)裝置進(jìn)行測(cè)試，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，真正做到防患于未然，將發(fā)電機(jī)組發(fā)生匝間故障和匝間保護(hù)裝置誤動(dòng)的概率降到最低。

5 結(jié)語(yǔ)

發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)可以有效的避免匝間故障所帶來(lái)的危害，在實(shí)際的運(yùn)用中切不可由于匝間保護(hù)的靈敏度不足、誤動(dòng)率較高便不采用匝間保護(hù)。對(duì)現(xiàn)有的匝間保護(hù)方法不斷進(jìn)行完善，進(jìn)行技術(shù)上的創(chuàng)新和管理上的改革，提高發(fā)電機(jī)組的維護(hù)保養(yǎng)水平，可以最大限度的降低匝間故障發(fā)生的概率，為發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行提供更有力的保障。

參考文獻(xiàn)

[1]王維儉，徐振宇，王祥珩.再論發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)的設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2013.19（5）：1～7

[2]袁成，邰能靈.縱向零序電壓保護(hù)新方案及其應(yīng)用.電力系統(tǒng)自動(dòng)化[J]2014.31（24）：47～51