发电机定子匝间短路保护方案的研究伍叶凯上海交通大学电力学院,200030　上海邹东霞上海发电设备成套设计研究所,200240　上海STUDY ON PROTECTION SC HEME OF GENERATOR STATORTURN -TO -TURN FAULTWu YekaiShanghai Jiao to ng U niv ersity Shanghai,200030ChinaZo u Do ngxiaShanghai Po w er Equipment Research InstituteShanghai,200240ChinaABSTRACT This pa pe r a na ly ses the phase relatio n be-tw een fault co mponent o f genera to r termina l vo ltage and that of cur rent when the re a re v arious faults inside o r out-side g enera tor .A pr otection schem e is presented with its positiv e and inv er se directional element r espectiv ely using nega tiv e a nd positiv e sequence fa ult co mponent .The tw o dir ectional elements are coo pera ted both in v elocity and in sensitivity ,so that the pr otection is sensitiv e to internal fault and stay s secure to ex ter nal fault .KEY WORDS Stato r tur n-to-turn sho rt circuit pro tectio n Po sitiv e dir ectional element Inv erse dir ec tional eleme nt 摘要　文章分析了发电机内、外部发生各种类型的故障时,机端突变量负序电压和负序电流以及突变量正序电压和正序电流之间的相位关系,提出了一种利用突变量负序方向元件构成正方向元件、突变量正序方向元件构成反方向元件的保护方案。

正反方向元件在动作速度和灵敏度上相互配合,使保护在发电机内部故障时具有高灵敏度,外部故障时具有很高的安全性。

关键词　定子匝间短路保护　方向元件1　引言发电机的定子匝间短路对机组的安全运行危害很大,目前普遍采用横差保护作为匝间短路主保护,但横差保护的使用受到定子绕组接线形式的限制。

本文提出一种新的定子匝间短路保护方案,其应用不受发电机结构的影响。

2　突变量负序电压和电流之间的相位关系由于各种不对称因素的影响,发电机在正常运行时,机端电压和定子电流中都存在着或多或少的负序分量,但其突变量接近于零。

当电流取自机端C T 、发电机内外部发生不同类型的故障时,负序突变量ΔU 2和ΔI 2之间存在着如下所述的相位关系。

2.1　发电机内部发生不对称故障定子绕组发生故障时,可将故障后状态分解成故障前正常运行状态和故障附加状态的叠加。

故障附加状态如图1(a)和(b)所示,在故障点出现附加电势ΔE2,其值由故障前电压和故障边界条件决定。

由图1(a )和(b)可知:ΔU 2=ΔI 2Z S 2,ΔU 2和ΔI 2的相位关系如图1(c ),图1中H S 2是系统负序阻抗Z S 2的阻抗角。

(c )相量图S2ΔI 2··ΔU 2Z S 2ΔI 2Z F2Z F2·′″·ΔE 2ΔU 2·(b)横向故障(a)纵向故障·ΔU 2ΔE 2·′″·Z F 2Z F 2ΔI 2Z S 2→图1　内部不对称故障时故障分量负序网和相量图Fig .1　Negative -sequence network of fault component and vector diagram with internal non-symmetrical f ault 2.2　发电机外部发生不对称故障这时故障点出现附加电势ΔE 2,如图2(a )和(b )所示。

由图2(a )和(b)可知:ΔU2=-ΔI 2Z F 2,ΔU 2和ΔI 2的相位关系见图2(c ),图2中H F 2为发电机负序阻抗Z F 2的阻抗角。

第22卷第9期1998年9月 电　网　技　术Po we r System T ech no lo gy V ol.22N o.9Sept.　1998DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.1998.09.010·ΔI 2·(c)相量图F2-ΔI 2··ΔU 2Z S 2ΔI 2Z F2Z S 2·′″·ΔE 2ΔU 2·(b)横向故障(a)纵向故障·ΔU 2ΔE 2·′″·Z F2Z S 2ΔI 2Z S2→图2　外部不对称故障时故障分量负序网和相量图Fig .2　Negat ive -sequence network of f ault component and vector diagram with external non -symmetrical fault 综上所述,当发电机内部发生各种不对称故障时,a rg ΔU 2ΔI 2=H S 2<90;而在外部发生各种不对称故障时,arg ΔU 2ΔI 2=180+H F 2。

3　突变量正序电压和电流之间的相位关系类似于前文的分析,可得如下结论:当发电机内部发生各种故障时,arg ΔU1ΔI1=H S 1,H S 1为系统的正序阻抗角;当外部发生各种故障时,arg ΔU 1ΔI1=180+H F 1,其中H F 1为发电机的正序阻抗角。

4　保护方案由于被保护对象为发电机,故假定发电机的内部故障为正方向故障,外部故障为反方向故障,电流取自机端C T ,规定电流正方向是从发电机流出。

4.1　正反方向元件的设置利用突变量负序电压和电流来设置一个正方向元件F +,其动作判据为: -90≤arg ΔU 2ΔI 2Z d 2≤90(1) |ΔU 2|>K Z(2)式中　Z d 2为负序模拟阻抗,取Z d 2的阻抗角与系统的负序阻抗角相等,K Z 为突变量负序电压的门槛值,按躲过发电机正常运行时突变量负序电压的最大不平衡输出来整定。

式(1)为主判据,式(2)为辅助判据(用于防止CT 断线时保护误动),两式同时满足时正方向元件F +动作。

当发电机内部发生各种不对称故障时,a rg ΔU 2ΔI 2Z d 2=arg ΔI 2Z S 2ΔI 2Z d 2=arg Z S 2Zd 2≈0,主判据成立,F +动作;在发电机外部发生各种不对称故障时,a rg ΔU 2ΔI 2Z d 2=a rg -ΔI 2Z F 2ΔI 2Z d 2=a rg -Z F 2Z d 2≈180,主判据不成立,F +可靠不动。

因此,正方向元件具有明确的方向性。

再利用突变量正序电压和电流来设置一个反方向元件F -,其动作判据为 -90 ≤arg ΔU 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1≤90(3)式中　Z d 1为正序模拟阻抗,按系统正序阻抗的20%～30%整定。

电压回路引入电流补偿,目的是提高发电机外部(尤其是远离发电机)故障时的灵敏度。

当发电机外部发生各种类型故障时,arg ΔU 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1=arg -ΔI 1Z F 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1 =arg Z F 1+Z d 1Z d 1≈0,F -动作;当发电机内部发生各种类型故障时,arg ΔU 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1=arg ΔI 1Z S 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1 =arg Z S 1-Z d 1-Z d 1≈180,F -可靠不动。

可见反方向元件在发电机内外部发生各种类型故障时,也具有明确的方向性,且不受过渡电阻与串补电容的影响。

4.2　起动元件的设置发电机正常运行时,理论上ΔU2和ΔI 2等于零,但实际上由于测量、转换、滤波和滤序等环节的误差,在系统振荡及频率偏移时,有可能出现虚假突变量ΔU2和ΔI 2(另外PT 断线时也会出现ΔU 2),它们之间的相位是随机的,可能引起保护误动,因此设置一个起动元件,其动作判据为 ΔI 1> 1.125ΔI 1T +I 1QD(4)式中　I 1QD 为起动元件的固定门槛,按躲过正常运行时突变量正序电流的最大不平衡输出来整定。

ΔI 1T 为浮动门槛,取自一周波前正序电流突变量的最大不平衡输出。

起动元件动作后才投入正反方向元件。

4.3　正反方向元件的配合正反方向元件按图3所示相配合,图中的0/t 为41第22卷第9期电　网　技　术瞬时动作延时返回元件,延时t应根据一次系统的时间常数整定,一般可取60ms～80ms,目的是更可靠地防止发电机外部三相短路时保护误动。

与跳闸0tF-F+图3　正反方向元件的配合关系Fig.3　Relation between positive andinverse directional element4.3.1　灵敏度的配合由于反方向元件电压回路里引入了电流补偿,使得在发电机外部发生任何故障时,反方向元件F-的灵敏度高于正方向元件F+,尤其在发电机外部出口附近发生三相短路时,F-的灵敏度最高,因而在外部故障时,保护具有很高的安全性;内部不对称故障时,F+的灵敏度高于F-,因而能可靠动作于跳闸。

4.3.2　动作时间的配合对反方向元件F-采用短数据窗滤波算法,对正方向元件F+采用长数据窗滤波算法,保证F-的动作速度快于F+。

F-动作后展宽60～80ms,用以闭锁F+;F-不动作时,F+动作后自保持,直到跳闸。

5　软件框图保护的软件主要由主程序和采样中断程序组成。

故障处理程序是主程序的一部分,如图4所示。

图中QDB为起动标志,用于切换中断服务程序的流程。

起动元件动作后,QDB置1,起动元件自保持。

主程序进行循环自检,并判断是否有报告,若有,则驱动打印机打印报告;若检测到硬件故障,则告警并闭锁保护。

在故障处理程序中,首先利用短数据窗算法算出ΔU1和ΔI1,并投入反方向元件。

若反方向元件动作,则闭锁正方向元件,经延时t后清除起动标志并整组复归;若反方向元件不动作,则利用长数据窗算法计算ΔU2和ΔI2,并投入正方向元件。