基于光學(xué)電流互感器的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)應(yīng)用研究

王 凱，張琦雪，李華忠，王 耀，王 光，陳 俊，郝亮亮

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102；2.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

0 引言

匝間短路占轉(zhuǎn)子繞組絕緣故障的比重較大[1]，輕微的匝間故障不會(huì)對(duì)機(jī)組運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響，不易被察覺，但若未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，故障持續(xù)發(fā)展常常造成機(jī)組無功功率下降、軸承振動(dòng)增加，甚至導(dǎo)致接地故障發(fā)生，使轉(zhuǎn)子磁化，嚴(yán)重者還將燒傷軸頸和軸瓦。

大型同步發(fā)電機(jī)默認(rèn)不裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)，不具備在線的匝間故障監(jiān)測(cè)功能。當(dāng)懷疑轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣異常時(shí)，常在機(jī)組停機(jī)后采用開口變壓器法、交流阻抗和功率損耗法、直流電阻法、空載及短路特性試驗(yàn)法等離線檢測(cè)方法進(jìn)行故障排查。這些檢測(cè)方法往往靈敏度不高，需要多種測(cè)量手段結(jié)合使用，且無法捕捉動(dòng)態(tài)匝間故障[1-3]。

利用發(fā)電機(jī)運(yùn)行中的電氣量特征實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障的在線監(jiān)測(cè)和保護(hù)是一個(gè)研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]～文獻(xiàn)[3]介紹了微分線圈動(dòng)測(cè)法，適用于火電機(jī)組，要求機(jī)組制造時(shí)預(yù)裝探測(cè)線圈，但是該方法受電樞反應(yīng)影響，有時(shí)不能靈敏檢出故障；文獻(xiàn)[4]～文獻(xiàn)[8]采用多回路分析方法建立了轉(zhuǎn)子繞組匝間故障的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)數(shù)學(xué)模型，并給出了許多有價(jià)值的分析結(jié)果[4-8]。本文基于該文獻(xiàn)提出的故障電氣特征和保護(hù)思路，探討在水電機(jī)組、火電機(jī)組上裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)的技術(shù)方案，為保護(hù)在電廠的推廣應(yīng)用提供參考。

1 轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)原理

轉(zhuǎn)子繞組匝間故障時(shí)，破壞了勵(lì)磁繞組的對(duì)稱性，勵(lì)磁電流直流分量產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)不僅含有正常運(yùn)行時(shí)的空間基波和奇數(shù)次諧波，還包括偶數(shù)次諧波和分?jǐn)?shù)次諧波[4]。在氣隙磁場(chǎng)感應(yīng)作用下，定子分支間出現(xiàn)不平衡的分?jǐn)?shù)次諧波環(huán)流[8]，諧波頻次與發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)相關(guān)，如圖1所示。這種諧波環(huán)流特征是轉(zhuǎn)子繞組匝間故障所特有的，不同于發(fā)電機(jī)區(qū)外短路故障或定子繞組匝間故障、相間故障時(shí)的電流特征，可利用這個(gè)特征實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障的在線監(jiān)測(cè)和保護(hù)[9]。

圖1 分支間環(huán)流回路示意圖Figure 1 Schematic diagram of the circulation circuit between branches

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行和其他類型的故障時(shí)，定子分支間諧波環(huán)流較?。ㄍǔＰ∮?.1p.u.），轉(zhuǎn)子繞組匝間故障后，因出現(xiàn)分?jǐn)?shù)次諧波，總諧波分量明顯增加。當(dāng)超過設(shè)定的門檻后，則認(rèn)為出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障。

式中：Isp.Harm——定子繞組分支間諧波環(huán)流的有效值；

Icircle.k P——定子繞組分支間k/P次諧波環(huán)流的有效值；

P——發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)。

定子側(cè)故障時(shí)環(huán)流中也會(huì)出現(xiàn)基波、3次、5次等奇數(shù)次諧波，并非轉(zhuǎn)子繞組匝間故障所特有，應(yīng)予以扣除。而且，由于定子故障時(shí)環(huán)流諧波以基波、3次諧波為主，式（1）計(jì)算總諧波值時(shí)，k≠P且k≠3P。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析及對(duì)策

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用分析

一般來說，建議在大型水電機(jī)組、抽水蓄能機(jī)組、火電機(jī)組、核電機(jī)組和燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組上配置轉(zhuǎn)子繞組匝間監(jiān)測(cè)或保護(hù)。僅從裝設(shè)該保護(hù)考慮，按照發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為兩類，一類是水電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組，另一類是火電機(jī)組、核電機(jī)組和燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組。以下分別對(duì)這兩類機(jī)組，分析現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用可行性及對(duì)策。

水電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組的定子繞組常為多分支結(jié)構(gòu)，為配置針對(duì)定子匝間故障的保護(hù)功能，通常設(shè)計(jì)是在中性點(diǎn)側(cè)將各分支引出導(dǎo)體進(jìn)行分組并裝設(shè)分支組TA或單元件橫差TA，并選擇性的采用裂相橫差保護(hù)、不完全縱差保護(hù)和單元件橫差保護(hù)功能的組合配置。這些保護(hù)雖然同時(shí)能夠?qū)D(zhuǎn)子繞組的嚴(yán)重匝間短路起到保護(hù)作用，但是卻不能靈敏反應(yīng)輕微匝間短路故障。大多數(shù)水電機(jī)組，可采用第1節(jié)所述的保護(hù)原理實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)，所需的定子分支間環(huán)流即為裂相橫差電流，無需額外裝設(shè)傳感器，引入發(fā)電機(jī)分支電流（或分支組電流），計(jì)算差動(dòng)電流的諧波分量，通過諧波特征識(shí)別判據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障的監(jiān)測(cè)和保護(hù)[10]。但是，仍有部分水電機(jī)組，定子繞組端部分支導(dǎo)體間距過近，不能安裝電磁式TA，本保護(hù)原理不能直接應(yīng)用。

火電機(jī)組、核電機(jī)組和燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組的定子多為雙Y繞組，兩個(gè)分支在機(jī)殼內(nèi)匯流后引出，機(jī)殼內(nèi)空間狹小，不具備裝設(shè)分支TA和單元件橫差TA的條件。不管是轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間故障，還是大匝間故障，由于無法檢測(cè)定子分支間環(huán)流，現(xiàn)有機(jī)組條件不能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)。

綜上所述，一些機(jī)組不具備裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)條件的原因主要是，發(fā)電機(jī)分支電流難以測(cè)量，解決了這個(gè)瓶頸問題，即可大大提高本保護(hù)原理在各類機(jī)組上的通用性。近年來在智能變電站和高壓直流輸電工程大量應(yīng)用的光學(xué)電流互感器（Current Transducer），具有體積小、安裝靈活的特點(diǎn)，且一次傳感器為光纖，不存在絕緣設(shè)計(jì)困難，可解決分支電流測(cè)量難題。

2.2 光學(xué)TA原理及特點(diǎn)

光學(xué)TA基于Faraday磁光效應(yīng)原理，其傳感原理如圖2所示。線偏振光通過位于磁場(chǎng)中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向?qū)a(chǎn)生正比于磁感應(yīng)強(qiáng)度平行分量的旋轉(zhuǎn)，這個(gè)旋轉(zhuǎn)角度叫Faraday旋光角，由于磁場(chǎng)強(qiáng)度與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流成正比，因此旋光角與產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流也成正比，通過檢測(cè)旋光角即可測(cè)量產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流[11-13]。

圖2 光學(xué)TA原理示意圖Figure 2 Schematic diagram of optical TA

當(dāng)傳感光纖或磁光玻璃圍繞一次通流導(dǎo)體閉合成環(huán)時(shí)。旋光角φ可用式（2）表示：

式中：V——光學(xué)介質(zhì)的Verdet常數(shù)，表示單位磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋光角；

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度；

l——光在介質(zhì)中傳播的距離；

NL——圍繞通流導(dǎo)體閉合光路的圈數(shù)；

I——產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流。

光學(xué)TA將一次傳感器制成光纜，結(jié)構(gòu)型式依據(jù)運(yùn)行環(huán)境定制設(shè)計(jì)，可纏繞在任意形狀一次導(dǎo)體上，適用于狹小空間安裝，能夠?qū)崿F(xiàn)發(fā)電機(jī)任意單分支或多分支組合電流的測(cè)量。除此之外，光學(xué)TA還具有一些尤其適用于該場(chǎng)景的性能優(yōu)點(diǎn)，分析如下：

（1）轉(zhuǎn)子繞組輕微匝間故障時(shí)定子分支間環(huán)流諧波分量可能很小，單頻率點(diǎn)諧波電流分量比額定電流低一至兩個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)互感器測(cè)量精度要求很高。光學(xué)TA測(cè)量精度高，可達(dá)到0.5級(jí)，滿足微小故障特征量的測(cè)量要求。

（2）轉(zhuǎn)子繞組匝間故障時(shí)，定子分支間環(huán)流的頻譜非常豐富，從低頻到高頻均有分布，互感器應(yīng)滿足不同頻率電流的準(zhǔn)確傳變要求。光學(xué)TA傳變特性與電流頻率無關(guān)，對(duì)包括直流在內(nèi)的各次諧波電流均具有一致的測(cè)量精度。某抽水蓄能機(jī)組水泵啟動(dòng)過程初始階段約4%額定轉(zhuǎn)速（2Hz）時(shí)光學(xué)TA測(cè)量的電流波形如圖3所示，電流波形平滑度良好。

圖3 水泵啟動(dòng)過程中約2Hz時(shí)光學(xué)TA采樣電流Figure 3 The sampling current at about 2 Hz from Optical TA during pump starting

2.3 光學(xué)TA應(yīng)用要求及對(duì)策

不同容量和電壓等級(jí)的發(fā)電機(jī)組，其定子繞組端部結(jié)構(gòu)和導(dǎo)體形狀均不相同，應(yīng)實(shí)地調(diào)研TA運(yùn)行環(huán)境，選擇最佳安裝位置，設(shè)計(jì)合適的固定結(jié)構(gòu)。發(fā)電機(jī)內(nèi)部溫度高且變化范圍寬，作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備而持續(xù)振動(dòng)，這些運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)會(huì)對(duì)光學(xué)TA測(cè)量性能產(chǎn)生影響，使得光學(xué)TA在電廠的應(yīng)用受到限制[14]。近年來隨著光學(xué)TA現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的增多，測(cè)量性能持續(xù)改進(jìn)，通過合理優(yōu)化設(shè)計(jì)和高質(zhì)量生產(chǎn)控制措施，已基本解決TA溫度漂移和振動(dòng)敏感性問題。但是，光學(xué)TA在發(fā)電機(jī)內(nèi)部應(yīng)用，在器件選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)考慮以下要求：

（1）長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性要求。發(fā)電機(jī)組復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境會(huì)影響一次傳感設(shè)備的穩(wěn)定性和運(yùn)行壽命，例如振動(dòng)松動(dòng)、熱老化、溫度濕度循環(huán)等。應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇、光學(xué)元器件選型、生產(chǎn)過程工藝和質(zhì)量控制等方面綜合著手，確保滿足長(zhǎng)期運(yùn)行的要求[15]。

（2）光學(xué)TA應(yīng)不降低發(fā)電機(jī)端部設(shè)備的絕緣性能。發(fā)電機(jī)定子繞組端部導(dǎo)體表面均包覆有絕緣材料層，光學(xué)TA固定結(jié)構(gòu)既應(yīng)緊固、且不會(huì)因長(zhǎng)期擠壓或摩擦而損傷絕緣層；光學(xué)TA安裝結(jié)構(gòu)件應(yīng)主要采用絕緣材料，少量的金屬小件也不應(yīng)影響機(jī)組端部導(dǎo)體絕緣性能，不增加發(fā)電機(jī)本體絕緣風(fēng)險(xiǎn)。

3 水電機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)

以某50MW抽水蓄能機(jī)組為例，發(fā)電電動(dòng)機(jī)共有兩個(gè)分支，分支銅排間距約4～5cm，改造前定子繞組中性點(diǎn)側(cè)僅安裝總電流測(cè)量TA。為獲取定子分支間環(huán)流，在兩分支的三相導(dǎo)體上分別裝設(shè)光學(xué)TA，一次傳感光纖環(huán)繞在發(fā)電機(jī)接地柜底部的橫向銅排上。圖4和圖5分別為光學(xué)TA傳感光纖環(huán)繞方式的正視圖和側(cè)視圖。

圖4 光學(xué)TA傳感光纖環(huán)繞方式正視圖Figure 4 Front view of optical TA sensor fiber wrapping method

圖5 光學(xué)TA傳感光纖環(huán)繞方式側(cè)視圖Figure 5 Side view of optical TA sensor fiber wrapping method

偏振光信號(hào)經(jīng)一次導(dǎo)體電流磁場(chǎng)的感應(yīng)作用后，經(jīng)保偏光纜送至采集單元進(jìn)行解析處理，得到分支電流采樣數(shù)據(jù)并送至保護(hù)裝置，辨識(shí)差流諧波量反應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障，如圖6所示。

保護(hù)裝置計(jì)算出的定子分支間環(huán)流為：

由式（1）、式（3）可計(jì)算得到定子分支間環(huán)流諧波值，當(dāng)超過定值門檻時(shí)，認(rèn)為出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組匝間故障。保護(hù)定值按躲過發(fā)電機(jī)空載及并網(wǎng)額定運(yùn)行情況下的最大不平衡電流整定。實(shí)際應(yīng)用中，可初設(shè) 0.05p.u.或0.05In，再根據(jù)實(shí)測(cè)值修正。延時(shí)定值按躲過電力系統(tǒng)振蕩的影響來整定，一般可在1.5 ～5s范圍內(nèi)取值。

該機(jī)組的保護(hù)改造于2014年10月完成，至今已投運(yùn)超過5年。機(jī)組額定功率運(yùn)行時(shí)A相兩分支電流和裂相差流如圖7所示。

圖7 額定功率運(yùn)行時(shí)的分支電流和裂相差流Figure 7 Branch current and split-phase differential current during rated power operation

對(duì)于分支數(shù)多于2的水電機(jī)組，從安裝便捷性出發(fā)，選擇合適分支安裝光學(xué)TA，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)，其保護(hù)邏輯和系統(tǒng)方案與2分支水電機(jī)組類似，此處不再贅述。對(duì)于特定機(jī)組，選擇不同的分支安裝光學(xué)TA，相應(yīng)的保護(hù)靈敏度也有差異，實(shí)際應(yīng)用中可以結(jié)合實(shí)際的發(fā)電機(jī)參數(shù)，采用同步發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的多回路分析方法進(jìn)行定量計(jì)算，確定在定子分支上安裝光學(xué)TA的最佳組合。

4 火電機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)

4.1 保護(hù)實(shí)現(xiàn)方案

為實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能，在發(fā)電機(jī)兩分支的三相導(dǎo)體上分別安裝光學(xué)TA，六臺(tái)光學(xué)TA的感應(yīng)光信號(hào)經(jīng)保偏光纜送至保護(hù)柜，由采集單元裝置解析處理后得到分支電流數(shù)據(jù)，再經(jīng)尾纖將電流采樣值送至保護(hù)裝置，在裝置中完成保護(hù)邏輯判別。類似于水電機(jī)組，保護(hù)系統(tǒng)如圖6所示。

火電機(jī)組機(jī)殼內(nèi)空間更為狹窄，安裝條件更為不利，需仔細(xì)選定安裝位置，設(shè)計(jì)固定結(jié)構(gòu)，并考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施的便捷性要求。另外，大型火電機(jī)組常采用氫冷卻方式，光學(xué)TA一次傳感環(huán)若安裝于機(jī)殼內(nèi)部，應(yīng)仔細(xì)設(shè)計(jì)就地傳感環(huán)與后端采集單元的連接方式，采用光纜引出時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拿芊獯胧?，防止氫泄漏?/p>

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例

江蘇某電廠330MW火電機(jī)組，定子繞組為2分支，采用空冷方式，兩分支導(dǎo)體延伸出機(jī)殼后，在空冷室內(nèi)構(gòu)成中性點(diǎn)。兩分支圓管形導(dǎo)體間距約20cm，改造前分支上未裝設(shè)電流互感器。在中性點(diǎn)兩個(gè)分支上分別裝設(shè)光學(xué)TA，互感器的固定結(jié)構(gòu)件由環(huán)氧樹脂材料制成，傳感光纜纏繞在固定結(jié)構(gòu)件預(yù)留的槽內(nèi)并固定。安裝后光學(xué)TA如圖8所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)光學(xué)TAFigure 8 Optical TA on site

保護(hù)裝置內(nèi)集成了定子裂相橫差保護(hù)和轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)，在完善定子繞組匝間保護(hù)的同時(shí)，增加了對(duì)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障的監(jiān)測(cè)和保護(hù)?，F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備于2015年4月投運(yùn)，至今運(yùn)行正常。機(jī)組額定功率運(yùn)行時(shí)機(jī)組A相兩分支電流和裂相差流如圖9所示。正常運(yùn)行時(shí)差動(dòng)不平衡電流極低，且以基波分量為主。

圖9 額定功率運(yùn)行時(shí)的分支電流和裂相差流Figure 9 Branch current and split-phase differential current during rated power operation

5 結(jié)語

大型發(fā)電機(jī)組保護(hù)默認(rèn)不配置轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)功能，大多數(shù)機(jī)組未配置此保護(hù)，不能在線監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子繞組匝間絕緣情況，對(duì)發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行造成一定風(fēng)險(xiǎn)。本文基于行業(yè)學(xué)者提出的利用定子繞組分支間諧波環(huán)流特征反應(yīng)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障的保護(hù)方法，分別探討了基于光學(xué)TA的火電機(jī)組和水電機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)應(yīng)用實(shí)施方案。部分水電機(jī)組定子繞組中性點(diǎn)空間狹窄，沒有也無法安裝電磁式TA，可以利用光學(xué)TA安裝靈活的特點(diǎn)在選定分支或分支組安裝，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)?；痣姍C(jī)組均未安裝有分支TA，同樣可以采用光學(xué)TA測(cè)量分支電流后構(gòu)成保護(hù)。經(jīng)過多年實(shí)際應(yīng)用的嘗試，適用于發(fā)電機(jī)組保護(hù)的光學(xué)TA測(cè)量性能和可靠性不斷提升，已具備實(shí)用化條件。只是在工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際機(jī)組內(nèi)部的運(yùn)行環(huán)境條件，從測(cè)量性能、安裝難度、可靠性和長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性多個(gè)方面綜合考慮進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以取得更好運(yùn)行效果。