關(guān)于發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路縱差保護(hù)的 靈敏度分析

肖志彪

（隆回縣河道管理站）

1 發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路電流分析方法的具體認(rèn)知

發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部故障，屬于內(nèi)部電氣不對(duì)稱故障的類型之一，進(jìn)行發(fā)電及內(nèi)部相間短路電流分析，其主要方法包括以下兩種：第一，對(duì)稱分量法。對(duì)稱分量法屬于發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路分析的常用方法，其方法在應(yīng)用中僅考慮定子電流時(shí)間基波與氣隙磁場(chǎng)基波兩個(gè)因子，當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)繞組內(nèi)部故障問(wèn)題時(shí)，諧波分量增加，并伴生出電抗修正及相序網(wǎng)絡(luò)耦合問(wèn)題。該方法能夠較為準(zhǔn)確地獲取繞組故障后內(nèi)部電磁關(guān)系與繞組電流分布狀況，從而對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)、制造發(fā)揮指導(dǎo)作用；第二，在多回路理論基礎(chǔ)之上，構(gòu)建求解發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障穩(wěn)態(tài)電量的數(shù)學(xué)模型，以數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定子繞組內(nèi)部故障規(guī)律的研究。應(yīng)用這種模型，具備準(zhǔn)確度高，結(jié)果精確等優(yōu)勢(shì)，在各種內(nèi)部故障研究與計(jì)算中應(yīng)用效果良好。其研究思路在于：從定子繞組單個(gè)線圈為出發(fā)點(diǎn)，進(jìn)行發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子初始回路電壓、磁鏈及功率等連接方程表達(dá)，依據(jù)故障后回路繞組現(xiàn)實(shí)連接方式構(gòu)建新的定子回路，在已知回路電感與電阻參數(shù)的基礎(chǔ)上，獲取回路電感及電阻非線性變系數(shù)微分方程組。依據(jù)穩(wěn)態(tài)電量計(jì)算，將定轉(zhuǎn)子回路穩(wěn)態(tài)電量代入到微分方程組，通過(guò)方程求解獲取各回路穩(wěn)態(tài)電量值。

2 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)與保護(hù)定值設(shè)定的基本認(rèn)知

本文在研究中，以SF 125-96/15600水輪發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，其基本參數(shù)如下：額定功率PN為125MW，額定電壓值UN為13800V，額定電流值IN設(shè)定為5980A，定子槽數(shù)Z=792，額定空載勵(lì)磁電流值IFO設(shè)定為817A，相匝數(shù)Wa設(shè)定為88，定子繞組是每組并聯(lián)支路數(shù)as設(shè)定為3。

該型號(hào)發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)比率制動(dòng)特性如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)比率制動(dòng)特性示意圖

依據(jù)理論研究及圖1將其縱差保護(hù)比率制動(dòng)脫下能夠整定為

式中，Iop為動(dòng)作電流；Iop0為動(dòng)作電流最小值；Ires為制動(dòng)電流；I1、I2為差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)二次電流參數(shù)；m為比率制動(dòng)特性折線斜率參數(shù)，在研究中m取值為0.35，1.0代表的是額定定子電流參數(shù)。該型號(hào)發(fā)電機(jī)一旦出現(xiàn)內(nèi)部故障，其繼電器差動(dòng)電流參數(shù)Icd=|I1-I2|，其差動(dòng)保護(hù)靈敏系數(shù)Ksen=Icd/Iop。

3 發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路縱差保護(hù)靈敏度分析

在本研究中以發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行為基礎(chǔ)條件，不考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)器影響。因發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路發(fā)生時(shí)，經(jīng)過(guò)故障相差繼電器的差動(dòng)電流參數(shù)值相同，且非故障相差動(dòng)電流值為0，為此，只需要進(jìn)行一個(gè)故障相的差動(dòng)電流分析即可。

（1）短路匝比與故障位置影響規(guī)律的研究

為深入探究發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路故障發(fā)生時(shí)，差動(dòng)電流的短路匝比規(guī)律，對(duì)金屬性相間短路故障進(jìn)行模擬研究，圖2為縱差一次側(cè)差流基波幅值Icd及短路匝比之間的關(guān)系曲線，a為短路匝比參數(shù)。

圖2 縱差一次側(cè)差流基波幅值Icd及短路匝比 之間的關(guān)系曲線

依據(jù)圖2可以看出，隨著短路匝比參數(shù)的增加，差流呈現(xiàn)出先降低然后逐漸增加的趨勢(shì)，存在著最小值，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因在于，差流描述的是短路回路電流，當(dāng)短路匝比a值偏低時(shí)，則回路電勢(shì)增加幅度低于回路電感增加幅度，為此，短路電流表現(xiàn)出降低趨勢(shì)；當(dāng)a值偏大時(shí)，短路回路電勢(shì)增加的趨勢(shì)較快，回路電感增加降低，從而短路回路電流呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。當(dāng)a值取值為22.73%時(shí)，Iad取值最小，為11745A，即1.39IN，當(dāng)a取值為77.27%時(shí)，則Iad取值最大，為21104.5A，即2.5IN。曲線部分中存在著一定的振蕩現(xiàn)象，其是由分?jǐn)?shù)槽繞組N-S極之間交錯(cuò)連接所引起的。通過(guò)模擬短路故障問(wèn)題分析故障位置對(duì)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作所構(gòu)成的影響。研究結(jié)果顯示，當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路時(shí)，差動(dòng)電流值較大，相對(duì)應(yīng)的差動(dòng)保護(hù)所具備的靈敏系數(shù)值較高，保護(hù)動(dòng)作執(zhí)行準(zhǔn)確。

（2）過(guò)渡電阻影響研究

發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路故障，其短路點(diǎn)存在著過(guò)渡電阻問(wèn)題，其過(guò)渡電阻參數(shù)對(duì)短路時(shí)故障電流參數(shù)，如電流值及電壓值等存在著較大影響，從而對(duì)差動(dòng)保護(hù)構(gòu)成影響。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)差流出現(xiàn)最小值時(shí)，過(guò)渡電阻參數(shù)從零值逐漸增加，繪制故障條件下過(guò)渡電阻對(duì)差流的影響曲線，分析發(fā)現(xiàn)，短路故障過(guò)渡電阻對(duì)縱差差流所具備的影響有限。圖3為縱差保護(hù)靈敏系數(shù)Ksen隨過(guò)渡電阻變化關(guān)系曲線圖。

圖3 縱差保護(hù)靈敏系數(shù)Ksen隨過(guò)渡 電阻變化關(guān)系曲線圖

第一種方案，將最小動(dòng)作電流Iop0值取值為0.2IN，第二種方案將最小動(dòng)作電流Iop0值取值為0.3IN，依據(jù)圖3可以看出，當(dāng)縱差保護(hù)靈敏系數(shù)Ksen值為2時(shí)，第一種方案所相對(duì)應(yīng)的臨界過(guò)渡電阻值參數(shù)為0.767Ω，第二種方案所相對(duì)應(yīng)的臨界過(guò)渡電阻值參數(shù)為1.34 Ω。當(dāng)電路中出現(xiàn)短路回路電勢(shì)最小時(shí)，其對(duì)差動(dòng)保護(hù)影響較大。依據(jù)差流與過(guò)渡電阻之間的變化曲線圖分析可得出，過(guò)渡電阻參數(shù)的變化對(duì)縱差差流參數(shù)影響較大，當(dāng)過(guò)渡電阻從0值增加到0.025 Ω時(shí)，差流Icd降低了四倍左右。當(dāng)過(guò)渡電阻較低時(shí)，短路電流值較大，縱差保護(hù)表現(xiàn)為制動(dòng)特征，當(dāng)靈敏系數(shù)參數(shù)為2時(shí)，采取第一種方案，其對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻值為0.027 Ω，采取第二種方案則其過(guò)渡電阻參數(shù)為0.041 Ω，低于臨界過(guò)渡電阻參數(shù)，由此可見(jiàn)，過(guò)渡電阻對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路故障影響較大，保護(hù)動(dòng)作對(duì)過(guò)渡電阻敏感性較高。

綜上研究可見(jiàn)，采取比率制動(dòng)式縱差保護(hù)方式，能夠?qū)Υ蟛糠职l(fā)單機(jī)內(nèi)部相間短路發(fā)揮保護(hù)作用，在不考慮電阻的情況下，相間故障條件下均可以發(fā)揮保護(hù)作用，考慮過(guò)渡電阻因素，當(dāng)最小動(dòng)作電流較低時(shí)，其保護(hù)靈敏度較好，過(guò)渡電阻對(duì)靈敏度及縱差差流存在著較大影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

為確保整個(gè)發(fā)電機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性，需要在其內(nèi)部設(shè)置一定故障保護(hù)裝置，如引入縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置。當(dāng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)相間短路故障問(wèn)題時(shí)，縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)裝置發(fā)揮作用，保障整個(gè)發(fā)電機(jī)裝置的安全性。以SF 125-96/15600水輪發(fā)電機(jī)為研究對(duì)象，重點(diǎn)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路縱差保護(hù)靈敏度進(jìn)行分析。在不考慮過(guò)渡電阻因素的條件下，相間短路故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)能夠執(zhí)行有效的保護(hù)動(dòng)作，考慮過(guò)渡電阻因素，則需要將最小動(dòng)作電流控制在較低水平，從而發(fā)揮其靈敏性，執(zhí)行有效保護(hù)。

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