一種新型發電機相間保護

摘要：文章首先對發電機內部兩相短路的負序電流分布的特點進行了分析，得出關于兩相短路故障點兩側負序電流比值的結論，從而分析發電機保護裝置的可靠性、靈敏度、有無死區等特點，最后對過渡電阻給發電機的相間保護裝置帶來的影響做了相關的分析。

關鍵詞：新型發電機；發電機故障；相間保護；兩相短路；負序電流分布 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM312 文章編號：1009-2374（2015）31-0028-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.31.013

1 概述

縱差保護是我國目前發電機相間保護的主要方法，發電機的內部是發電機縱差保護的一個主要范圍，如果在發電機的中性點附近或者是經過過渡的電阻短路的過程中出現故障，則故障點的電流一般是很小的數值，但是卻無法將發電機的縱差保護啟動，這會導致產生一定的死區，范圍在5%左右。后備保護功能是切除發電機中這一類型故障的主要手段，當然也可以采取等待的方式，使故障發展到一定的程度，再對其采取縱差保護，但是這種等待保護的方式會在很大程度上對發電機造成損害，影響發電機的性能，于是在實際中基本上不采用第二種方法。主要是由于第一種方法在開始時便采取一定的措施進行保護，減少了對發電機的損壞，而第二種方法使故障發生到一定程度，就會對其采取縱差保護，這種等待保護的方式大大地提高了發電機在等待過程中發生二次損毀的概率。因此，廣大發電機保護工作者的研究課題之一就是如何有效減少甚至消除發電機故障死區，從而加強發電機內部故障的反應能力。

2 發電機內部兩相短路負序電流分布的特點

圖1 系統接線及內部短路示意圖

做一個假設，無限大容量系統與發電機之間存在著連接關系，那么此刻大容量系統的等值電勢在圖1中可表現為E5，zs為系統的等值抗阻，其值為0，如圖1（b）中所示。三相短路這一情況在發電機中不是很常見，這主要是由于發電機具有結構復雜的內部，當然，三相交流在一些特殊的情況下也會發生，如由于發電機兩相短路，進而引發三相交流，因此，其一般情況下，在發電機內部通常只考慮發生兩相短路的情況，如圖1（b）所示。

設發電機與無限大容量系統相聯，即系統等值電勢為E5，系統等值阻抗zs為零，見圖1（a）。在發電機內部發生兩相短路（在發電機內部由于結構上原因發生三相短路是罕見的，即使有，也是從兩相短路發展而成），見圖1（b）。

圖2 發電機內部兩相短路復合序網絡

圖2中，aEG和（1-a）EG、ZG1a和ZG1（1-a）、ZG2a和ZG2（1-a）、I2a和I2（1-a）分別為故障點兩側的發電機電勢、正序阻抗、負序阻抗、負序電流。從復合型網絡圖中，我們可以知道，發電機發生故障時，故障點兩側的負序阻抗與其負序電流成反比，即：

（1）

表明：（1）兩側的負序抗阻與電流比值具有很重要的關系，同時也可以說，故障點的位置對負序電流有很大程度的影響。故障點兩側負序電流之比值只與其兩側負序抗阻有決定性關系，與其他因素沒有關系。也就是說故障點的位置直接決定了故障點兩側的負序電流比值；（2）當故障發生在發電機繞k中間位置時，即a=50%，ZG2a=ZG2a（l-a），|I2a|/|I2（l-a）|=1，當故障點向發電機出口側偏移，即a>50%，|I2a|/|I2（l-a）|<1，直至為零；當故障點向發電機中性點側偏移，即a<50%，|I2a|/|I2（l-a）|>1，直至無限大。從而得出結論，當故障點開始移動，沿著其原始方位逐漸趨近于出口處的中性點，其負序電流的比值由零開始，趨向于無限大，即故障點移動，負序電流便開始增大。簡而言之，就是位于故障點兩側的負序電流比值會不斷增大。

當在有限容量系統中將發電機接入，即Zs≠0，此時式（1）可改寫成：

（2）

由式（2）可以看出，由于系統阻抗Zs的存在，使相應丨I2a丨/|I2（l-a）|=1的故障點向發電機出口側偏移。

3 新型發電機相間保護的構成

從上述分析得出，如果發電機內部故障點越是靠近發電機的中性附近時，其故障點兩側的負序電流之比值就會越大。設置|I2a|/|I2（l-a）|>1作為動作的條件，這樣就能保證這個負序電流比值測量元件對發電機的中性點附近的故障點較靈敏的反應，再把對發電機出口處側故障反應靈敏的縱差測量元件與負序電流比值測量元件結合在一起，就能夠互相彌補，構成新型的無死區、運作快、靈敏度高的發電機相間保護裝置，其原理如圖3所示：

圖3 新保護原理框圖

圖3中I2a、I2（l-a）分別從發電機中性點側和出口側的負序電流濾過器1和2取得，首先輸入負序電流比值測量元件，再通過負序電流比值測量元件的輸出與縱差測量元件構成“或”門，經過觸發器發出之后才能跳閘脈沖。如果故障出現在保護范圍之外的地方，流經發電機中性點與出口側的負序電流相等時，此時就會有|I2a|/|I2（l-a）|=1，那么發電機的保護將不會動作。

另外，通過對復合型網絡的分析還可以看出：如果兩相接地短路，兩相不對應點短路，多支路負序電流的分布就能遵守與負序阻抗成反比的規律，在兩相接地均出現短路的情況下，與相不相對應的點由于兩相的短路關系，會繼而短路，這是負序電流與負序抗阻成反比的一個前提；如果匝間出現短路，而開焊流經兩側的負序電流相等，就會出現比值為1的結果；如果過載，發電機內部出現三相短路故障，就會導致其振蕩不會產生負序分量。

4 過渡電阻的影響

上述的情況對發電機的保護來說起著很重要的作用，但是還可以從上述的網型中得出，在發電機中，如果其內部結構中存在過渡電阻，發生接地情況時，不會對負序電流產生影響，可以說，只有發電機內部的總負序電流會被相間過渡電阻所影響，但是這對發電機的故障兩側的負序電流比來說，并沒有什么實際的影響。若是其內部結構中不存在過渡電阻，在發生接地情況時，電流就不會再經過電阻的阻礙。總的來說，不管過渡電阻在發電機內部是否真實存在，發電機的故障兩側負序電流還是會依照原先的設定發生運行，并不存在什么實際的影響。

5 保護范圍的討論

一般來說，發電機縱差保護的死區在5%左右的范圍內時，負序電流比值測量元件可以在α<38%范圍內的故障（即可靠系數取用1.3，靈敏度系數>2）發生能反應，但是，這個范圍與縱差保護的死區相差過大，這是遠遠大于縱差保護的5%的死區的，因此可以說，在新型的發電機中，死區并不存在。此外，這種新型發電機相間保護在5%<α<38%之間范圍內，縱差測量元件以及負序電流測量元件都會產生一定的反應，這種反應經過一定的運行機理作用在發電機上，都能對發電機產生保護作用，在很大程度上提高了其保護作用的穩定，進而減少了發電機故障的發生概率。

6 關于靈敏度

對一臺60萬kW汽輪發電機內部兩相短路時縱差和比值測量元件的靈敏度進行了理論計算，其結果如表1：

表1 靈敏度計算結果

根據理論計算的結果可以看出，當故障出現在α=26.37%處時，縱差和比值測量元件的靈敏度相等，當

α>26.37%時，縱差元件和負序電流測量元件這兩者的靈敏度都在緩慢下降，但這兩者維持的最小靈敏度不同，縱差的靈敏度最小可保持在6.67，當α<26.37%時，比值測量元件的靈敏度上升得較快，而且比縱差高，所以新型保護對內部故障的靈敏度可提高至Klm≥6.67。

參考文獻

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[2] 何仰贊.同步電機的內部短路計算[J].華中工學院學報，1979，（1）.

[3] 鄒銳，郭荷清，王福如，鄒祖英.發電機匝間短路保護研究報告[A].湖北科技論文選編[C].1963.

作者簡介：王軍（1965-），男，江西省電力設計院工程師，研究方向：電力工程設計和研究。

（責任編輯：周 瓊）endprint