雙層疊繞組發電機單元件橫差保護特性分析

李建光，李曉文

（華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江安吉313302）

雙層疊繞組發電機單元件橫差保護特性分析

李建光，李曉文

（華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司，浙江安吉313302）

天荒坪抽水蓄能電廠6臺300MW同步發電/電動機定子繞組為雙層疊繞組、每相四分支，三相中的每兩個分支接成星型構成一個中性點，兩個星形接線的中性點連線上裝設一個電流互感器，電流互感器二次側裝設一個過流繼電器，將第一中性點的電流與第二個中性點的電流進行比較。這種單元件橫差保護啟動電流小、靈敏度高、接線簡單，在國內外發電機上得到了廣泛的應用[1]，如圖1所示。經過幾年運行，發現橫差保護在雙層疊繞組機組上存在其獨特的優越性，以下對其進行分析。

1 轉子匝間短路時橫差保護動作

圖1 定子繞組示意圖

我廠發電機轉子為6對12個磁極，而發電機轉子匝間短路是一種較常見的電氣故障，它將導致轉子振動加大，如果不及時處理，繼續可發展為轉子接地、轉子繞組燒壞、發電機失勵等，危及發電機及電網的安全[2]。因此，分析發電機轉子匝間短路故障的機理和在線診斷方法具有重要的現實意義。目前，普遍通過測量磁極交流阻抗[3]及磁極線圈層間電壓方法用以檢測轉子匝間短路故障。

1.1 事故經過

2006年8月15日1 號機抽水停機過程中，GCB斷開后勵磁開始逆變滅磁，在滅磁過程中，機組橫差保護動作，機組跳機。在事故發生前的時間里，沒有出現任何相關報警，期間1號機各參數顯示正常，參數變化趨勢平穩正常。

1.2 檢查結果

根據故障現象及報警信號，首先對1號機橫差保護進行檢查，保護工作正常。從保護中記錄的波形情況看（見圖2），最大電流為1.84A，最小為0.4A，而保護設定值為0.47A、0.5s，保護正確動作。

圖2 橫差保護錄波圖

1.3 事故分析

要找到轉子磁極匝間短路會造成橫差保護動作的原因，首先需要從定子繞組結構分析。

我廠發電機定子繞組為3相雙層疊線圈，在槽內的布置如圖3，228槽布置，12個磁極。由于228槽定子繞組星形接線圖畫起來太復雜，為簡化期間，現以一臺相數m=3，極數2p=4，槽數Q=36的定子來說明槽電動勢星形圖。定子每極每相槽數

式中，Q為定子槽數；p為極對數；m為相數。相鄰兩槽間電角度

表1 轉子交流阻抗記錄表

此角亦是相鄰槽中導體感應電動勢的相位差。由此畫出36槽內導體感應電動勢的相量圖，亦稱為槽電動勢星形圖。由圖4可以看出AX、BY、CZ三相在空間分布上間隔交替布置。

圖3 雙層繞組

圖4 三相雙層繞組的槽電動勢

圖5—6是我廠發電機保護在轉子磁場正常運行以及出現故障時記錄下的波形。

圖5 正常運行氣隙主磁場分布

圖6 匝間短路時氣隙主磁場

發電機正常運行時氣隙主磁場F,如圖5所示，分布均勻平衡[4-5]。轉子6號磁極繞組短路后，6號磁極的安匝數降低，氣隙主磁場分布如圖6所示，圖6中第2個波的幅值明顯較其它波的幅值要小，該匝間短路的磁極繞組對主磁場的影響相當于一個反向磁場疊加于正常運行時的氣隙磁場中[6]。當該轉子磁場在氣隙中旋轉時，由于存在匝間短路的磁極所產生的磁場較其它磁極所產生的磁場的小，使得磁場分布不均勻，引起發電機推力軸承、上導軸承、下導軸承各處的擺度變大[7]，進而引起定、轉子間氣隙分布不均勻，使發電機定子繞組同相不同分支的感應電動勢不均衡，導致發電機的兩個中性點之間出現了電位差，兩個中性點之間產生環流從而使得過流繼電器誤動作。

2 轉子偏心橫差保護動作

當轉子偏心15%后，定子繞組兩個中性點間連線上電流互感器帶的單元件橫差電流就已經達到定子額定電流有效值的6.3%；轉子偏心20%時，該電流值達到定子額定電流有效值的8.64%。所以，在轉子發生偏心后，如果單元件橫差保護定值設置較低，橫差保護就要動作[8]，上述觀點在5號發電機大修橫差保護動作也得到了印證，在此不再贅述。

3 結語

通過對天荒坪抽水蓄能電站1號機抽水停機時發生的單元件橫差保護動作進行分析，得出以下結論：通過比較雙星形中性點間電流構成雙層疊繞組發電機橫差保護的，其動作原因除發電機定子繞組匝間發生短路外，轉子匝間短路或者轉子偏心引起轉子磁場不均勻同樣會引起橫差保護動作。故而在分析判斷故障原因時，應結合機組振動、轉子交流阻抗、發電機電壓電流等多方面因素綜合考慮，提高故障判斷的準確性，減少故障消除的時間，這樣才能使電站機組的安全運行得到保障。

[1]殷時蓉，鐘衛，鄧小剛.一起發電機橫差保護動作原因的分析及處理[J].水電站機電技術，2008，31(3)：109-111.

[2]楊素華.丹江口電廠發電機轉子匝間短路的診斷與處理[J].云南水力發電,2007,23(3)：95-97

[3]楊洪濤，趙海蓉.淺析發電機轉子繞組交流阻抗的測量[J].電力系統自動化，2001，6(11)：58-59.

[4]李永剛,李和明.汽輪發電機轉子匝間短路故障分析與診斷新方法[J].電力系統自動化，1998，22（6）：21-23.

[5]張鵬舉，陳謙，王建明.交流勵磁發電機定子磁場定向的矢量控制研究[J].電網與清潔能源，2009，25（11）:49-52.

[6]萬書亭，李和明，李永剛，等.同步發電機轉子匝間短路故障時勵磁電流諧波特性分析[J].電力系統自動化，2003，27（22）:64-67.

[7]郭時珍.水輪發電機轉子磁極絕緣降低的故障分析及處理[J].電網與清潔能源，2008，24（2）:51-54.

[8]諸嘉慧，袁新枚，邱阿瑞，等.大型水輪發電機轉子偏心對單元件橫差保護影響的分析[J].電力系統自動化，2005，29（11）:45-48.

Analysis of Double-Layered Winding Generator′s Unit-Transverse Differential Protection

LI Jian-guang，LI Xiao-wen
（East China Tianhuangping Pumped Storage Power Co.,Ltd.,Anji 313302,Zhejiang Province,China）

Based on transverse differential protection of generator by unit 1,failure analysis shows double-layered winding generator differential protection is to use binary crossshaped stator winding inter-turn short circuit protection,the transverse differential protection is not necessarily reason for the action is the stator winding inter-turn short circuit,but also may be due to uneven rotor excitation windings or the magnetic field caused by rotor eccentricity and conclusions,the conclusions provides references for on-site maintenance personnel.

generator;double layered winding;transverse differential protection;characteristics analysis

通過1號機橫差保護動作的現象，對故障進行分析，得出測量雙星形中性點電流作為雙層疊繞組發電機單元件橫差保護的，橫差動作的原因可能是定子繞組匝間發生短路，也可能是轉子匝間短路或者轉子偏心引起磁場不均勻也會引起的結論，該結論對現場維護人員有一定得指導意義。

發電機；雙層疊繞組；橫差保護；特性分析

1674-3814（2011）08-0053-03

2011-06-01。

李建光（1978—），男，華東天荒坪抽水蓄能有限責任公司維護分場主任助理，大學本科，工程師，長期從事繼電保護及二次檢修工作；

李曉文（1982—），男，寧夏永寧，河北張河灣蓄能發電有限責任公司，生產技術部電氣二次專工，大學本科，工程師，長期從事繼電保護及二次檢修工作。

（編輯 李沈）