基于光学电流互感器的发电机转子绕组匝间保护应用研究

王 凯，张琦雪，李华忠，王 耀，王 光，陈 俊，郝亮亮

（1.南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102；2.北京交通大学电气工程学院，北京 100044）

0 引言

匝间短路占转子绕组绝缘故障的比重较大[1]，轻微的匝间故障不会对机组运行产生严重影响，不易被察觉，但若未能及时发现，故障持续发展常常造成机组无功功率下降、轴承振动增加，甚至导致接地故障发生，使转子磁化，严重者还将烧伤轴颈和轴瓦。

大型同步发电机默认不装设转子绕组匝间保护，不具备在线的匝间故障监测功能。当怀疑转子绕组匝间绝缘异常时，常在机组停机后采用开口变压器法、交流阻抗和功率损耗法、直流电阻法、空载及短路特性试验法等离线检测方法进行故障排查。这些检测方法往往灵敏度不高，需要多种测量手段结合使用，且无法捕捉动态匝间故障[1-3]。

利用发电机运行中的电气量特征实现转子绕组匝间故障的在线监测和保护是一个研究热点。文献[1]～文献[3]介绍了微分线圈动测法，适用于火电机组，要求机组制造时预装探测线圈，但是该方法受电枢反应影响，有时不能灵敏检出故障；文献[4]～文献[8]采用多回路分析方法建立了转子绕组匝间故障的稳态和暂态数学模型，并给出了许多有价值的分析结果[4-8]。本文基于该文献提出的故障电气特征和保护思路，探讨在水电机组、火电机组上装设转子绕组匝间保护的技术方案，为保护在电厂的推广应用提供参考。

1 转子绕组匝间保护原理

转子绕组匝间故障时，破坏了励磁绕组的对称性，励磁电流直流分量产生的磁动势不仅含有正常运行时的空间基波和奇数次谐波，还包括偶数次谐波和分数次谐波[4]。在气隙磁场感应作用下，定子分支间出现不平衡的分数次谐波环流[8]，谐波频次与发电机极对数相关，如图1所示。这种谐波环流特征是转子绕组匝间故障所特有的，不同于发电机区外短路故障或定子绕组匝间故障、相间故障时的电流特征，可利用这个特征实现转子绕组匝间故障的在线监测和保护[9]。

图1 分支间环流回路示意图Figure 1 Schematic diagram of the circulation circuit between branches

发电机正常运行和其他类型的故障时，定子分支间谐波环流较小（通常小于0.1p.u.），转子绕组匝间故障后，因出现分数次谐波，总谐波分量明显增加。当超过设定的门槛后，则认为出现转子绕组匝间故障。

式中：Isp.Harm——定子绕组分支间谐波环流的有效值；

Icircle.k P——定子绕组分支间k/P次谐波环流的有效值；

P——发电机极对数。

定子侧故障时环流中也会出现基波、3次、5次等奇数次谐波，并非转子绕组匝间故障所特有，应予以扣除。而且，由于定子故障时环流谐波以基波、3次谐波为主，式（1）计算总谐波值时，k≠P且k≠3P。

2 现场应用分析及对策

2.1 现场应用分析

一般来说，建议在大型水电机组、抽水蓄能机组、火电机组、核电机组和燃气轮发电机组上配置转子绕组匝间监测或保护。仅从装设该保护考虑，按照发电机结构特点，可分为两类，一类是水电机组和抽水蓄能机组，另一类是火电机组、核电机组和燃气轮发电机组。以下分别对这两类机组，分析现场应用可行性及对策。

水电机组和抽水蓄能机组的定子绕组常为多分支结构，为配置针对定子匝间故障的保护功能，通常设计是在中性点侧将各分支引出导体进行分组并装设分支组TA或单元件横差TA，并选择性的采用裂相横差保护、不完全纵差保护和单元件横差保护功能的组合配置。这些保护虽然同时能够对转子绕组的严重匝间短路起到保护作用，但是却不能灵敏反应轻微匝间短路故障。大多数水电机组，可采用第1节所述的保护原理实现转子绕组匝间保护，所需的定子分支间环流即为裂相横差电流，无需额外装设传感器，引入发电机分支电流（或分支组电流），计算差动电流的谐波分量，通过谐波特征识别判据，即可实现转子绕组匝间故障的监测和保护[10]。但是，仍有部分水电机组，定子绕组端部分支导体间距过近，不能安装电磁式TA，本保护原理不能直接应用。

火电机组、核电机组和燃气轮发电机组的定子多为双Y绕组，两个分支在机壳内汇流后引出，机壳内空间狭小，不具备装设分支TA和单元件横差TA的条件。不管是转子绕组轻微匝间故障，还是大匝间故障，由于无法检测定子分支间环流，现有机组条件不能实现转子绕组匝间保护。

综上所述，一些机组不具备装设转子绕组匝间保护条件的原因主要是，发电机分支电流难以测量，解决了这个瓶颈问题，即可大大提高本保护原理在各类机组上的通用性。近年来在智能变电站和高压直流输电工程大量应用的光学电流互感器（Current Transducer），具有体积小、安装灵活的特点，且一次传感器为光纤，不存在绝缘设计困难，可解决分支电流测量难题。

2.2 光学TA原理及特点

光学TA基于Faraday磁光效应原理，其传感原理如图2所示。线偏振光通过位于磁场中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向将产生正比于磁感应强度平行分量的旋转，这个旋转角度叫Faraday旋光角，由于磁场强度与产生磁场的电流成正比，因此旋光角与产生磁场的电流也成正比，通过检测旋光角即可测量产生磁场的电流[11-13]。

图2 光学TA原理示意图Figure 2 Schematic diagram of optical TA

当传感光纤或磁光玻璃围绕一次通流导体闭合成环时。旋光角φ可用式（2）表示：

式中：V——光学介质的Verdet常数，表示单位磁场产生的旋光角；

H——磁场强度；

l——光在介质中传播的距离；

NL——围绕通流导体闭合光路的圈数；

I——产生磁场的电流。

光学TA将一次传感器制成光缆，结构型式依据运行环境定制设计，可缠绕在任意形状一次导体上，适用于狭小空间安装，能够实现发电机任意单分支或多分支组合电流的测量。除此之外，光学TA还具有一些尤其适用于该场景的性能优点，分析如下：

（1）转子绕组轻微匝间故障时定子分支间环流谐波分量可能很小，单频率点谐波电流分量比额定电流低一至两个数量级，对互感器测量精度要求很高。光学TA测量精度高，可达到0.5级，满足微小故障特征量的测量要求。

（2）转子绕组匝间故障时，定子分支间环流的频谱非常丰富，从低频到高频均有分布，互感器应满足不同频率电流的准确传变要求。光学TA传变特性与电流频率无关，对包括直流在内的各次谐波电流均具有一致的测量精度。某抽水蓄能机组水泵启动过程初始阶段约4%额定转速（2Hz）时光学TA测量的电流波形如图3所示，电流波形平滑度良好。

图3 水泵启动过程中约2Hz时光学TA采样电流Figure 3 The sampling current at about 2 Hz from Optical TA during pump starting

2.3 光学TA应用要求及对策

不同容量和电压等级的发电机组，其定子绕组端部结构和导体形状均不相同，应实地调研TA运行环境，选择最佳安装位置，设计合适的固定结构。发电机内部温度高且变化范围宽，作为旋转设备而持续振动，这些运行环境特点会对光学TA测量性能产生影响，使得光学TA在电厂的应用受到限制[14]。近年来随着光学TA现场应用的增多，测量性能持续改进，通过合理优化设计和高质量生产控制措施，已基本解决TA温度漂移和振动敏感性问题。但是，光学TA在发电机内部应用，在器件选型和结构设计时，还应考虑以下要求：

（1）长期运行的稳定性要求。发电机组复杂运行环境会影响一次传感设备的稳定性和运行寿命，例如振动松动、热老化、温度湿度循环等。应从结构设计、材料选择、光学元器件选型、生产过程工艺和质量控制等方面综合着手，确保满足长期运行的要求[15]。

（2）光学TA应不降低发电机端部设备的绝缘性能。发电机定子绕组端部导体表面均包覆有绝缘材料层，光学TA固定结构既应紧固、且不会因长期挤压或摩擦而损伤绝缘层；光学TA安装结构件应主要采用绝缘材料，少量的金属小件也不应影响机组端部导体绝缘性能，不增加发电机本体绝缘风险。

3 水电机组转子绕组匝间保护

以某50MW抽水蓄能机组为例，发电电动机共有两个分支，分支铜排间距约4～5cm，改造前定子绕组中性点侧仅安装总电流测量TA。为获取定子分支间环流，在两分支的三相导体上分别装设光学TA，一次传感光纤环绕在发电机接地柜底部的横向铜排上。图4和图5分别为光学TA传感光纤环绕方式的正视图和侧视图。

图4 光学TA传感光纤环绕方式正视图Figure 4 Front view of optical TA sensor fiber wrapping method

图5 光学TA传感光纤环绕方式侧视图Figure 5 Side view of optical TA sensor fiber wrapping method

偏振光信号经一次导体电流磁场的感应作用后，经保偏光缆送至采集单元进行解析处理，得到分支电流采样数据并送至保护装置，辨识差流谐波量反应转子绕组匝间故障，如图6所示。

保护装置计算出的定子分支间环流为：

由式（1）、式（3）可计算得到定子分支间环流谐波值，当超过定值门槛时，认为出现了转子绕组匝间故障。保护定值按躲过发电机空载及并网额定运行情况下的最大不平衡电流整定。实际应用中，可初设 0.05p.u.或0.05In，再根据实测值修正。延时定值按躲过电力系统振荡的影响来整定，一般可在1.5 ～5s范围内取值。

该机组的保护改造于2014年10月完成，至今已投运超过5年。机组额定功率运行时A相两分支电流和裂相差流如图7所示。

图7 额定功率运行时的分支电流和裂相差流Figure 7 Branch current and split-phase differential current during rated power operation

对于分支数多于2的水电机组，从安装便捷性出发，选择合适分支安装光学TA，进而实现转子绕组匝间保护，其保护逻辑和系统方案与2分支水电机组类似，此处不再赘述。对于特定机组，选择不同的分支安装光学TA，相应的保护灵敏度也有差异，实际应用中可以结合实际的发电机参数，采用同步发电机内部故障的多回路分析方法进行定量计算，确定在定子分支上安装光学TA的最佳组合。

4 火电机组转子绕组匝间保护

4.1 保护实现方案

为实现保护功能，在发电机两分支的三相导体上分别安装光学TA，六台光学TA的感应光信号经保偏光缆送至保护柜，由采集单元装置解析处理后得到分支电流数据，再经尾纤将电流采样值送至保护装置，在装置中完成保护逻辑判别。类似于水电机组，保护系统如图6所示。

火电机组机壳内空间更为狭窄，安装条件更为不利，需仔细选定安装位置，设计固定结构，并考虑现场实施的便捷性要求。另外，大型火电机组常采用氢冷却方式，光学TA一次传感环若安装于机壳内部，应仔细设计就地传感环与后端采集单元的连接方式，采用光缆引出时应采取适当的密封措施，防止氢泄漏。

4.2 现场应用案例

江苏某电厂330MW火电机组，定子绕组为2分支，采用空冷方式，两分支导体延伸出机壳后，在空冷室内构成中性点。两分支圆管形导体间距约20cm，改造前分支上未装设电流互感器。在中性点两个分支上分别装设光学TA，互感器的固定结构件由环氧树脂材料制成，传感光缆缠绕在固定结构件预留的槽内并固定。安装后光学TA如图8所示。

图8 现场光学TAFigure 8 Optical TA on site

保护装置内集成了定子裂相横差保护和转子绕组匝间保护，在完善定子绕组匝间保护的同时，增加了对转子绕组匝间故障的监测和保护。现场设备于2015年4月投运，至今运行正常。机组额定功率运行时机组A相两分支电流和裂相差流如图9所示。正常运行时差动不平衡电流极低，且以基波分量为主。

图9 额定功率运行时的分支电流和裂相差流Figure 9 Branch current and split-phase differential current during rated power operation

5 结语

大型发电机组保护默认不配置转子绕组匝间保护功能，大多数机组未配置此保护，不能在线监测转子绕组匝间绝缘情况，对发电机组的安全运行造成一定风险。本文基于行业学者提出的利用定子绕组分支间谐波环流特征反应转子绕组匝间故障的保护方法，分别探讨了基于光学TA的火电机组和水电机组转子绕组匝间保护应用实施方案。部分水电机组定子绕组中性点空间狭窄，没有也无法安装电磁式TA，可以利用光学TA安装灵活的特点在选定分支或分支组安装，从而实现保护。火电机组均未安装有分支TA，同样可以采用光学TA测量分支电流后构成保护。经过多年实际应用的尝试，适用于发电机组保护的光学TA测量性能和可靠性不断提升，已具备实用化条件。只是在工程应用中，应根据实际机组内部的运行环境条件，从测量性能、安装难度、可靠性和长期运行稳定性多个方面综合考虑进行优化设计，以取得更好运行效果。