試論發電機定子匝間保護

肖舒理

摘 要：從發電機定子匝間保護的必要性分析入手，重點介紹了橫聯式差動、不完全縱差、轉子二次諧波電流和縱向零序電壓這四種常用的匝間保護方法，論述了當前所用發電機定子匝間保護裝置存在的主要問題，并在此基礎上提出了針對性的應對措施。

關鍵詞：發電機；定子繞組；匝間短路；短路保護

發電機是電力系統的基石，隨著市場用電需求的不斷增加，發電機的單機容量也在不斷提高，如何保障發電機的安全穩定運行對于整個電力系統的發展和社會經濟的發展都具有重要的意義。匝間短路是發電機常見的故障之一，其給發電機所帶來的損害也是致命的，而當前所用的各種匝間保護裝置均存在靈敏度低、可靠性差的缺陷，難以滿足實際運用的需求，因此在后續的發展過程中仍需對現有的匝間保護裝置進行更加深入的研究和改進。

1 發電機定子匝間保護的必要性分析

雖然說針對發電機是否需要采用定子匝間保護這個問題國內外仍存在一定的爭論，但是筆者認為發電機定子匝間仍然是非常有必要的，其主要原因如下：（1）雖然從以往統計的數據來說，發電機發生匝間短路的概率還是比較小的，但是發電機匝間短路的危害確是巨大的，其不僅容易燒壞發電機，還會對整個供電系統的正常運轉造成重要影響，因此給發電機多加一層保護是相當有必要的。（2）與匝間保護類似的單相接地保護等相關技術在近些年來雖然也取得了不小的進度，但是其仍然無法取代匝間短路保護，特別是對一些大型的發電機組來說，其冷卻方式復雜，匝間故障的概率明顯增大，更加需要匝間保護。

2 常見的發電機定子匝間保護方法

2.1 橫聯式差動保護

橫聯式差動保護是運用最為廣泛的一種匝間保護方法。一般來說發電機的橫差保護都安裝在兩個星形中性點引出回路上的電流互感器上，其由電流互感器和繼電保護裝置這兩大部分組成。在發電機正常工作時，兩個星型繞組上的三相電流之和為零，故電流互感器中也沒有電流產生，橫差保護不會啟動。而當發電機發生匝間短路或者是線端開焊時，中性點引出回路上便會有環流產生，電流互感器會產生感應電流使得繼電保護裝置動作，發電機停止工作，以免匝間短路造成更大的損失。橫聯式差動保護具有原理簡單，在裝置允許的范圍內時靈敏度高的優點，但是其死區范圍較大，并且只能運用在繞組具有分支結構的發電機上，因此尚未能完全取代其它的匝間保護方法。

2.2 不完全縱差匝間保護

不完全縱差匝間保護所用的元器件與橫聯式差動保護類似，不過與橫聯式差動保護相比，其需要用到更多的電流互感器，接線更為復雜，維護保養的工作量大。不完全縱差保護需要在每相的主回路和其中一個分支繞組上分別裝一個電流互感器，當任意相中未安裝電流互感器的分支繞組發生故障時，由于受到互感磁通的作用，未發生故障分支繞組上的電流感器中便會產生電流，使得不完全縱差保護裝置產生作用。與橫聯式差動保護相比，不完全縱差保護不僅可以對匝間短路和線端開焊其作用，還對定子繞組的相間短路其作用，不過到目前為止尚未有較好的方法對各分支的差額電流和分支數目進行整定，再加上其容易受到系統暫態過程的影響，因此也尚未被廣泛使用。

2.3 轉子二次諧波電流匝間保護

與橫聯式差動保護和不完全縱差保護相比，轉子二次諧波電流匝間保護最大區別是其電流互感器主要是用于檢測轉子上的電流變化，而不是定子上的電流變化。轉子二次諧波電流匝間保護的工作原理如下：當發電機發生匝間短路或者是接線端開焊故障時，定子回路中的電流會出現負序分量，由電磁感應定律可知，該負序電流分量會產生一個負向的旋轉磁場，受此影響轉子電路中便會產生二次諧波電流，當電流互感器檢測到該二次諧波電流的存在之后便會使匝間保護裝置啟動。轉子二次諧波電流匝間保護可用于各種結構的發電機，具有適用性廣的優點，但是其必須加裝負序閉鎖式方向元件，避免在發生外部故障時，轉子二次諧波電流匝間保護裝置發生誤動。

2.4 縱向零序電壓閘間保護

縱向零序電壓匝間保護主要是通過專用的電壓互感器去檢測發電機機端與中性點之間的零序電壓，在發電機正常工作或者是發生相間短路時，該零序電壓為零，而當發電機發生匝間短路時，該零序電壓的值通常為3U0，因此設定縱向零序電壓保護時便可將該值作為一個判斷閥值，只要電壓互感器檢測到零序電壓大于等于該閥值時，縱向零序電壓匝間保護裝置便會啟動。為了防止外部電路和互感器斷線時帶來的干擾，縱向零序電壓匝間保護也需要添加負序功率方向閉鎖和電壓斷線閉鎖裝置。縱向零序電壓匝間保護的應用也不受發電機結構的限制，不過因為要使用全絕緣的專用電壓互感器，其還存在著成本較高的問題。

3 當前定子匝間保護裝置存在的主要問題

目前而言，定子匝間保護裝置在實際運用中存在的問題主要體現在以下幾個方面：（1）匝間保護裝置的靈敏度還有待于進一步提高。無論是橫聯式差動保護還是不完全縱差匝間保護其都存在死區問題，保護裝置并不能在第一時間內觸發動作，從而及時的避免匝間短路帶來的危害。（2）匝間保護裝置誤動問題比較突出。目前有一部分發電機生產廠家和維護人員不愿意使用定子匝間保護的一個主要原因便是在實際的使用過程中匝間保護裝置經常發生誤動，例如在使用零序電壓匝間保護時，若不能準確的對非匝間短路引起的零序電壓進行識別和判斷，那么外部故障也可能會造成匝間保護裝置的誤動，從而使得發電機的正常工作受到影響。

4 發電子定子匝間保護的改進措施

由前文可知，雖然說發電機定子匝間保護的方法眾多，但是在實際的應用中都存在或多或少的缺陷，在今后的發展過程中主要需要從以下方面進行改進：（1）綜合運用多種匝間保護方法，例如采用橫聯式差動保護與縱向零序電壓匝間保護相結合的方式，保證發生匝間故障時，最少有一種匝間保護裝置能夠發揮作用。（2）對現有的匝間保護方法進行更加深入的研究，重點解決靈敏度不足和保護裝置誤動的問題，例如加快高靈敏都橫聯式差動保護的運用速度，對現有的濾波技術進行改進等。（3）加強對發電機組日常維護保養的力度，定期對發電機組和匝間保護裝置進行測試，及時發現潛在的問題，真正做到防患于未然，將發電機組發生匝間故障和匝間保護裝置誤動的概率降到最低。

5 結語

發電機定子匝間保護可以有效的避免匝間故障所帶來的危害，在實際的運用中切不可由于匝間保護的靈敏度不足、誤動率較高便不采用匝間保護。對現有的匝間保護方法不斷進行完善，進行技術上的創新和管理上的改革，提高發電機組的維護保養水平，可以最大限度的降低匝間故障發生的概率，為發電機組的安全運行提供更有力的保障。

參考文獻

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