关于发电机内部相间短路纵差保护的 灵敏度分析

肖志彪

（隆回县河道管理站）

1 发电机内部相间短路电流分析方法的具体认知

发电机绕组内部故障，属于内部电气不对称故障的类型之一，进行发电及内部相间短路电流分析，其主要方法包括以下两种：第一，对称分量法。对称分量法属于发电机内部短路分析的常用方法，其方法在应用中仅考虑定子电流时间基波与气隙磁场基波两个因子，当发电机出现绕组内部故障问题时，谐波分量增加，并伴生出电抗修正及相序网络耦合问题。该方法能够较为准确地获取绕组故障后内部电磁关系与绕组电流分布状况，从而对发电机定子绕组内部故障保护装置的设计、制造发挥指导作用；第二，在多回路理论基础之上，构建求解发电机定子绕组内部故障稳态电量的数学模型，以数学模型进行定子绕组内部故障规律的研究。应用这种模型，具备准确度高，结果精确等优势，在各种内部故障研究与计算中应用效果良好。其研究思路在于：从定子绕组单个线圈为出发点，进行发电机定转子初始回路电压、磁链及功率等连接方程表达，依据故障后回路绕组现实连接方式构建新的定子回路，在已知回路电感与电阻参数的基础上，获取回路电感及电阻非线性变系数微分方程组。依据稳态电量计算，将定转子回路稳态电量代入到微分方程组，通过方程求解获取各回路稳态电量值。

2 发电机基本参数与保护定值设定的基本认知

本文在研究中，以SF 125-96/15600水轮发电机为研究对象，其基本参数如下：额定功率PN为125MW，额定电压值UN为13800V，额定电流值IN设定为5980A，定子槽数Z=792，额定空载励磁电流值IFO设定为817A，相匝数Wa设定为88，定子绕组是每组并联支路数as设定为3。

该型号发电机纵差保护比率制动特性如图1所示。

图1 发电机纵差保护比率制动特性示意图

依据理论研究及图1将其纵差保护比率制动脱下能够整定为

式中，Iop为动作电流；Iop0为动作电流最小值；Ires为制动电流；I1、I2为差动保护两侧二次电流参数；m为比率制动特性折线斜率参数，在研究中m取值为0.35，1.0代表的是额定定子电流参数。该型号发电机一旦出现内部故障，其继电器差动电流参数Icd=|I1-I2|，其差动保护灵敏系数Ksen=Icd/Iop。

3 发电机内部相间短路纵差保护灵敏度分析

在本研究中以发电机空载运行为基础条件，不考虑励磁调节器影响。因发电机内部相间短路发生时，经过故障相差继电器的差动电流参数值相同，且非故障相差动电流值为0，为此，只需要进行一个故障相的差动电流分析即可。

（1）短路匝比与故障位置影响规律的研究

为深入探究发电机内部相间短路故障发生时，差动电流的短路匝比规律，对金属性相间短路故障进行模拟研究，图2为纵差一次侧差流基波幅值Icd及短路匝比之间的关系曲线，a为短路匝比参数。

图2 纵差一次侧差流基波幅值Icd及短路匝比 之间的关系曲线

依据图2可以看出，随着短路匝比参数的增加，差流呈现出先降低然后逐渐增加的趋势，存在着最小值，出现这种现象的原因在于，差流描述的是短路回路电流，当短路匝比a值偏低时，则回路电势增加幅度低于回路电感增加幅度，为此，短路电流表现出降低趋势；当a值偏大时，短路回路电势增加的趋势较快，回路电感增加降低，从而短路回路电流呈现出增加趋势。当a值取值为22.73%时，Iad取值最小，为11745A，即1.39IN，当a取值为77.27%时，则Iad取值最大，为21104.5A，即2.5IN。曲线部分中存在着一定的振荡现象，其是由分数槽绕组N-S极之间交错连接所引起的。通过模拟短路故障问题分析故障位置对差动保护动作所构成的影响。研究结果显示，当发电机内部相间短路时，差动电流值较大，相对应的差动保护所具备的灵敏系数值较高，保护动作执行准确。

（2）过渡电阻影响研究

发电机内部相间短路故障，其短路点存在着过渡电阻问题，其过渡电阻参数对短路时故障电流参数，如电流值及电压值等存在着较大影响，从而对差动保护构成影响。研究发现，当差流出现最小值时，过渡电阻参数从零值逐渐增加，绘制故障条件下过渡电阻对差流的影响曲线，分析发现，短路故障过渡电阻对纵差差流所具备的影响有限。图3为纵差保护灵敏系数Ksen随过渡电阻变化关系曲线图。

图3 纵差保护灵敏系数Ksen随过渡 电阻变化关系曲线图

第一种方案，将最小动作电流Iop0值取值为0.2IN，第二种方案将最小动作电流Iop0值取值为0.3IN，依据图3可以看出，当纵差保护灵敏系数Ksen值为2时，第一种方案所相对应的临界过渡电阻值参数为0.767Ω，第二种方案所相对应的临界过渡电阻值参数为1.34 Ω。当电路中出现短路回路电势最小时，其对差动保护影响较大。依据差流与过渡电阻之间的变化曲线图分析可得出，过渡电阻参数的变化对纵差差流参数影响较大，当过渡电阻从0值增加到0.025 Ω时，差流Icd降低了四倍左右。当过渡电阻较低时，短路电流值较大，纵差保护表现为制动特征，当灵敏系数参数为2时，采取第一种方案，其对应的过渡电阻值为0.027 Ω，采取第二种方案则其过渡电阻参数为0.041 Ω，低于临界过渡电阻参数，由此可见，过渡电阻对发电机内部相间短路故障影响较大，保护动作对过渡电阻敏感性较高。

综上研究可见，采取比率制动式纵差保护方式，能够对大部分发单机内部相间短路发挥保护作用，在不考虑电阻的情况下，相间故障条件下均可以发挥保护作用，考虑过渡电阻因素，当最小动作电流较低时，其保护灵敏度较好，过渡电阻对灵敏度及纵差差流存在着较大影响。

4 结束语

为确保整个发电机系统运行的稳定性与可靠性，需要在其内部设置一定故障保护装置，如引入纵联差动保护装置。当发电机内部出现相间短路故障问题时，纵联差动保护装置发挥作用，保障整个发电机装置的安全性。以SF 125-96/15600水轮发电机为研究对象，重点对发电机内部相间短路纵差保护灵敏度进行分析。在不考虑过渡电阻因素的条件下，相间短路故障发生时系统能够执行有效的保护动作，考虑过渡电阻因素，则需要将最小动作电流控制在较低水平，从而发挥其灵敏性，执行有效保护。

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