试论发电机定子匝间保护

肖舒理

摘 要：从发电机定子匝间保护的必要性分析入手，重点介绍了横联式差动、不完全纵差、转子二次谐波电流和纵向零序电压这四种常用的匝间保护方法，论述了当前所用发电机定子匝间保护装置存在的主要问题，并在此基础上提出了针对性的应对措施。

关键词：发电机；定子绕组；匝间短路；短路保护

发电机是电力系统的基石，随着市场用电需求的不断增加，发电机的单机容量也在不断提高，如何保障发电机的安全稳定运行对于整个电力系统的发展和社会经济的发展都具有重要的意义。匝间短路是发电机常见的故障之一，其给发电机所带来的损害也是致命的，而当前所用的各种匝间保护装置均存在灵敏度低、可靠性差的缺陷，难以满足实际运用的需求，因此在后续的发展过程中仍需对现有的匝间保护装置进行更加深入的研究和改进。

1 发电机定子匝间保护的必要性分析

虽然说针对发电机是否需要采用定子匝间保护这个问题国内外仍存在一定的争论，但是笔者认为发电机定子匝间仍然是非常有必要的，其主要原因如下：（1）虽然从以往统计的数据来说，发电机发生匝间短路的概率还是比较小的，但是发电机匝间短路的危害确是巨大的，其不仅容易烧坏发电机，还会对整个供电系统的正常运转造成重要影响，因此给发电机多加一层保护是相当有必要的。（2）与匝间保护类似的单相接地保护等相关技术在近些年来虽然也取得了不小的进度，但是其仍然无法取代匝间短路保护，特别是对一些大型的发电机组来说，其冷却方式复杂，匝间故障的概率明显增大，更加需要匝间保护。

2 常见的发电机定子匝间保护方法

2.1 横联式差动保护

横联式差动保护是运用最为广泛的一种匝间保护方法。一般来说发电机的横差保护都安装在两个星形中性点引出回路上的电流互感器上，其由电流互感器和继电保护装置这两大部分组成。在发电机正常工作时，两个星型绕组上的三相电流之和为零，故电流互感器中也没有电流产生，横差保护不会启动。而当发电机发生匝间短路或者是线端开焊时，中性点引出回路上便会有环流产生，电流互感器会产生感应电流使得继电保护装置动作，发电机停止工作，以免匝间短路造成更大的损失。横联式差动保护具有原理简单，在装置允许的范围内时灵敏度高的优点，但是其死区范围较大，并且只能运用在绕组具有分支结构的发电机上，因此尚未能完全取代其它的匝间保护方法。

2.2 不完全纵差匝间保护

不完全纵差匝间保护所用的元器件与横联式差动保护类似，不过与横联式差动保护相比，其需要用到更多的电流互感器，接线更为复杂，维护保养的工作量大。不完全纵差保护需要在每相的主回路和其中一个分支绕组上分别装一个电流互感器，当任意相中未安装电流互感器的分支绕组发生故障时，由于受到互感磁通的作用，未发生故障分支绕组上的电流感器中便会产生电流，使得不完全纵差保护装置产生作用。与横联式差动保护相比，不完全纵差保护不仅可以对匝间短路和线端开焊其作用，还对定子绕组的相间短路其作用，不过到目前为止尚未有较好的方法对各分支的差额电流和分支数目进行整定，再加上其容易受到系统暂态过程的影响，因此也尚未被广泛使用。

2.3 转子二次谐波电流匝间保护

与横联式差动保护和不完全纵差保护相比，转子二次谐波电流匝间保护最大区别是其电流互感器主要是用于检测转子上的电流变化，而不是定子上的电流变化。转子二次谐波电流匝间保护的工作原理如下：当发电机发生匝间短路或者是接线端开焊故障时，定子回路中的电流会出现负序分量，由电磁感应定律可知，该负序电流分量会产生一个负向的旋转磁场，受此影响转子电路中便会产生二次谐波电流，当电流互感器检测到该二次谐波电流的存在之后便会使匝间保护装置启动。转子二次谐波电流匝间保护可用于各种结构的发电机，具有适用性广的优点，但是其必须加装负序闭锁式方向元件，避免在发生外部故障时，转子二次谐波电流匝间保护装置发生误动。

2.4 縱向零序电压闸间保护

纵向零序电压匝间保护主要是通过专用的电压互感器去检测发电机机端与中性点之间的零序电压，在发电机正常工作或者是发生相间短路时，该零序电压为零，而当发电机发生匝间短路时，该零序电压的值通常为3U0，因此设定纵向零序电压保护时便可将该值作为一个判断阀值，只要电压互感器检测到零序电压大于等于该阀值时，纵向零序电压匝间保护装置便会启动。为了防止外部电路和互感器断线时带来的干扰，纵向零序电压匝间保护也需要添加负序功率方向闭锁和电压断线闭锁装置。纵向零序电压匝间保护的应用也不受发电机结构的限制，不过因为要使用全绝缘的专用电压互感器，其还存在着成本较高的问题。

3 当前定子匝间保护装置存在的主要问题

目前而言，定子匝间保护装置在实际运用中存在的问题主要体现在以下几个方面：（1）匝间保护装置的灵敏度还有待于进一步提高。无论是横联式差动保护还是不完全纵差匝间保护其都存在死区问题，保护装置并不能在第一时间内触发动作，从而及时的避免匝间短路带来的危害。（2）匝间保护装置误动问题比较突出。目前有一部分发电机生产厂家和维护人员不愿意使用定子匝间保护的一个主要原因便是在实际的使用过程中匝间保护装置经常发生误动，例如在使用零序电压匝间保护时，若不能准确的对非匝间短路引起的零序电压进行识别和判断，那么外部故障也可能会造成匝间保护装置的误动，从而使得发电机的正常工作受到影响。

4 发电子定子匝间保护的改进措施

由前文可知，虽然说发电机定子匝间保护的方法众多，但是在实际的应用中都存在或多或少的缺陷，在今后的发展过程中主要需要从以下方面进行改进：（1）综合运用多种匝间保护方法，例如采用横联式差动保护与纵向零序电压匝间保护相结合的方式，保证发生匝间故障时，最少有一种匝间保护装置能够发挥作用。（2）对现有的匝间保护方法进行更加深入的研究，重点解决灵敏度不足和保护装置误动的问题，例如加快高灵敏都横联式差动保护的运用速度，对现有的滤波技术进行改进等。（3）加强对发电机组日常维护保养的力度，定期对发电机组和匝间保护装置进行测试，及时发现潜在的问题，真正做到防患于未然，将发电机组发生匝间故障和匝间保护装置误动的概率降到最低。

5 结语

发电机定子匝间保护可以有效的避免匝间故障所带来的危害，在实际的运用中切不可由于匝间保护的灵敏度不足、误动率较高便不采用匝间保护。对现有的匝间保护方法不断进行完善，进行技术上的创新和管理上的改革，提高发电机组的维护保养水平，可以最大限度的降低匝间故障发生的概率，为发电机组的安全运行提供更有力的保障。

参考文献

[1]王维俭，徐振宇，王祥珩.再论发电机不完全纵差保护的设计[J].电力自动化设备，2013.19（5）：1～7

[2]袁成，邰能灵.纵向零序电压保护新方案及其应用.电力系统自动化[J]2014.31（24）：47～51