基于光學電流互感器的發電機轉子繞組匝間保護應用研究

王 凱，張琦雪，李華忠，王 耀，王 光，陳 俊，郝亮亮

（1.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102；2.北京交通大學電氣工程學院，北京 100044）

0 引言

匝間短路占轉子繞組絕緣故障的比重較大[1]，輕微的匝間故障不會對機組運行產生嚴重影響，不易被察覺，但若未能及時發現，故障持續發展常常造成機組無功功率下降、軸承振動增加，甚至導致接地故障發生，使轉子磁化，嚴重者還將燒傷軸頸和軸瓦。

大型同步發電機默認不裝設轉子繞組匝間保護，不具備在線的匝間故障監測功能。當懷疑轉子繞組匝間絕緣異常時，常在機組停機后采用開口變壓器法、交流阻抗和功率損耗法、直流電阻法、空載及短路特性試驗法等離線檢測方法進行故障排查。這些檢測方法往往靈敏度不高，需要多種測量手段結合使用，且無法捕捉動態匝間故障[1-3]。

利用發電機運行中的電氣量特征實現轉子繞組匝間故障的在線監測和保護是一個研究熱點。文獻[1]～文獻[3]介紹了微分線圈動測法，適用于火電機組，要求機組制造時預裝探測線圈，但是該方法受電樞反應影響，有時不能靈敏檢出故障；文獻[4]～文獻[8]采用多回路分析方法建立了轉子繞組匝間故障的穩態和暫態數學模型，并給出了許多有價值的分析結果[4-8]。本文基于該文獻提出的故障電氣特征和保護思路，探討在水電機組、火電機組上裝設轉子繞組匝間保護的技術方案，為保護在電廠的推廣應用提供參考。

1 轉子繞組匝間保護原理

轉子繞組匝間故障時，破壞了勵磁繞組的對稱性，勵磁電流直流分量產生的磁動勢不僅含有正常運行時的空間基波和奇數次諧波，還包括偶數次諧波和分數次諧波[4]。在氣隙磁場感應作用下，定子分支間出現不平衡的分數次諧波環流[8]，諧波頻次與發電機極對數相關，如圖1所示。這種諧波環流特征是轉子繞組匝間故障所特有的，不同于發電機區外短路故障或定子繞組匝間故障、相間故障時的電流特征，可利用這個特征實現轉子繞組匝間故障的在線監測和保護[9]。

圖1 分支間環流回路示意圖Figure 1 Schematic diagram of the circulation circuit between branches

發電機正常運行和其他類型的故障時，定子分支間諧波環流較小（通常小于0.1p.u.），轉子繞組匝間故障后，因出現分數次諧波，總諧波分量明顯增加。當超過設定的門檻后，則認為出現轉子繞組匝間故障。

式中：Isp.Harm——定子繞組分支間諧波環流的有效值；

Icircle.k P——定子繞組分支間k/P次諧波環流的有效值；

P——發電機極對數。

定子側故障時環流中也會出現基波、3次、5次等奇數次諧波，并非轉子繞組匝間故障所特有，應予以扣除。而且，由于定子故障時環流諧波以基波、3次諧波為主，式（1）計算總諧波值時，k≠P且k≠3P。

2 現場應用分析及對策

2.1 現場應用分析

一般來說，建議在大型水電機組、抽水蓄能機組、火電機組、核電機組和燃氣輪發電機組上配置轉子繞組匝間監測或保護。僅從裝設該保護考慮，按照發電機結構特點，可分為兩類，一類是水電機組和抽水蓄能機組，另一類是火電機組、核電機組和燃氣輪發電機組。以下分別對這兩類機組，分析現場應用可行性及對策。

水電機組和抽水蓄能機組的定子繞組常為多分支結構，為配置針對定子匝間故障的保護功能，通常設計是在中性點側將各分支引出導體進行分組并裝設分支組TA或單元件橫差TA，并選擇性的采用裂相橫差保護、不完全縱差保護和單元件橫差保護功能的組合配置。這些保護雖然同時能夠對轉子繞組的嚴重匝間短路起到保護作用，但是卻不能靈敏反應輕微匝間短路故障。大多數水電機組，可采用第1節所述的保護原理實現轉子繞組匝間保護，所需的定子分支間環流即為裂相橫差電流，無需額外裝設傳感器，引入發電機分支電流（或分支組電流），計算差動電流的諧波分量，通過諧波特征識別判據，即可實現轉子繞組匝間故障的監測和保護[10]。但是，仍有部分水電機組，定子繞組端部分支導體間距過近，不能安裝電磁式TA，本保護原理不能直接應用。

火電機組、核電機組和燃氣輪發電機組的定子多為雙Y繞組，兩個分支在機殼內匯流后引出，機殼內空間狹小，不具備裝設分支TA和單元件橫差TA的條件。不管是轉子繞組輕微匝間故障，還是大匝間故障，由于無法檢測定子分支間環流，現有機組條件不能實現轉子繞組匝間保護。

綜上所述，一些機組不具備裝設轉子繞組匝間保護條件的原因主要是，發電機分支電流難以測量，解決了這個瓶頸問題，即可大大提高本保護原理在各類機組上的通用性。近年來在智能變電站和高壓直流輸電工程大量應用的光學電流互感器（Current Transducer），具有體積小、安裝靈活的特點，且一次傳感器為光纖，不存在絕緣設計困難，可解決分支電流測量難題。

2.2 光學TA原理及特點

光學TA基于Faraday磁光效應原理，其傳感原理如圖2所示。線偏振光通過位于磁場中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向將產生正比于磁感應強度平行分量的旋轉，這個旋轉角度叫Faraday旋光角，由于磁場強度與產生磁場的電流成正比，因此旋光角與產生磁場的電流也成正比，通過檢測旋光角即可測量產生磁場的電流[11-13]。

圖2 光學TA原理示意圖Figure 2 Schematic diagram of optical TA

當傳感光纖或磁光玻璃圍繞一次通流導體閉合成環時。旋光角φ可用式（2）表示：

式中：V——光學介質的Verdet常數，表示單位磁場產生的旋光角；

H——磁場強度；

l——光在介質中傳播的距離；

NL——圍繞通流導體閉合光路的圈數；

I——產生磁場的電流。

光學TA將一次傳感器制成光纜，結構型式依據運行環境定制設計，可纏繞在任意形狀一次導體上，適用于狹小空間安裝，能夠實現發電機任意單分支或多分支組合電流的測量。除此之外，光學TA還具有一些尤其適用于該場景的性能優點，分析如下：

（1）轉子繞組輕微匝間故障時定子分支間環流諧波分量可能很小，單頻率點諧波電流分量比額定電流低一至兩個數量級，對互感器測量精度要求很高。光學TA測量精度高，可達到0.5級，滿足微小故障特征量的測量要求。

（2）轉子繞組匝間故障時，定子分支間環流的頻譜非常豐富，從低頻到高頻均有分布，互感器應滿足不同頻率電流的準確傳變要求。光學TA傳變特性與電流頻率無關，對包括直流在內的各次諧波電流均具有一致的測量精度。某抽水蓄能機組水泵啟動過程初始階段約4%額定轉速（2Hz）時光學TA測量的電流波形如圖3所示，電流波形平滑度良好。

圖3 水泵啟動過程中約2Hz時光學TA采樣電流Figure 3 The sampling current at about 2 Hz from Optical TA during pump starting

2.3 光學TA應用要求及對策

不同容量和電壓等級的發電機組，其定子繞組端部結構和導體形狀均不相同，應實地調研TA運行環境，選擇最佳安裝位置，設計合適的固定結構。發電機內部溫度高且變化范圍寬，作為旋轉設備而持續振動，這些運行環境特點會對光學TA測量性能產生影響，使得光學TA在電廠的應用受到限制[14]。近年來隨著光學TA現場應用的增多，測量性能持續改進，通過合理優化設計和高質量生產控制措施，已基本解決TA溫度漂移和振動敏感性問題。但是，光學TA在發電機內部應用，在器件選型和結構設計時，還應考慮以下要求：

（1）長期運行的穩定性要求。發電機組復雜運行環境會影響一次傳感設備的穩定性和運行壽命，例如振動松動、熱老化、溫度濕度循環等。應從結構設計、材料選擇、光學元器件選型、生產過程工藝和質量控制等方面綜合著手，確保滿足長期運行的要求[15]。

（2）光學TA應不降低發電機端部設備的絕緣性能。發電機定子繞組端部導體表面均包覆有絕緣材料層，光學TA固定結構既應緊固、且不會因長期擠壓或摩擦而損傷絕緣層；光學TA安裝結構件應主要采用絕緣材料，少量的金屬小件也不應影響機組端部導體絕緣性能，不增加發電機本體絕緣風險。

3 水電機組轉子繞組匝間保護

以某50MW抽水蓄能機組為例，發電電動機共有兩個分支，分支銅排間距約4～5cm，改造前定子繞組中性點側僅安裝總電流測量TA。為獲取定子分支間環流，在兩分支的三相導體上分別裝設光學TA，一次傳感光纖環繞在發電機接地柜底部的橫向銅排上。圖4和圖5分別為光學TA傳感光纖環繞方式的正視圖和側視圖。

圖4 光學TA傳感光纖環繞方式正視圖Figure 4 Front view of optical TA sensor fiber wrapping method

圖5 光學TA傳感光纖環繞方式側視圖Figure 5 Side view of optical TA sensor fiber wrapping method

偏振光信號經一次導體電流磁場的感應作用后，經保偏光纜送至采集單元進行解析處理，得到分支電流采樣數據并送至保護裝置，辨識差流諧波量反應轉子繞組匝間故障，如圖6所示。

保護裝置計算出的定子分支間環流為：

由式（1）、式（3）可計算得到定子分支間環流諧波值，當超過定值門檻時，認為出現了轉子繞組匝間故障。保護定值按躲過發電機空載及并網額定運行情況下的最大不平衡電流整定。實際應用中，可初設 0.05p.u.或0.05In，再根據實測值修正。延時定值按躲過電力系統振蕩的影響來整定，一般可在1.5 ～5s范圍內取值。

該機組的保護改造于2014年10月完成，至今已投運超過5年。機組額定功率運行時A相兩分支電流和裂相差流如圖7所示。

圖7 額定功率運行時的分支電流和裂相差流Figure 7 Branch current and split-phase differential current during rated power operation

對于分支數多于2的水電機組，從安裝便捷性出發，選擇合適分支安裝光學TA，進而實現轉子繞組匝間保護，其保護邏輯和系統方案與2分支水電機組類似，此處不再贅述。對于特定機組，選擇不同的分支安裝光學TA，相應的保護靈敏度也有差異，實際應用中可以結合實際的發電機參數，采用同步發電機內部故障的多回路分析方法進行定量計算，確定在定子分支上安裝光學TA的最佳組合。

4 火電機組轉子繞組匝間保護

4.1 保護實現方案

為實現保護功能，在發電機兩分支的三相導體上分別安裝光學TA，六臺光學TA的感應光信號經保偏光纜送至保護柜，由采集單元裝置解析處理后得到分支電流數據，再經尾纖將電流采樣值送至保護裝置，在裝置中完成保護邏輯判別。類似于水電機組，保護系統如圖6所示。

火電機組機殼內空間更為狹窄，安裝條件更為不利，需仔細選定安裝位置，設計固定結構，并考慮現場實施的便捷性要求。另外，大型火電機組常采用氫冷卻方式，光學TA一次傳感環若安裝于機殼內部，應仔細設計就地傳感環與后端采集單元的連接方式，采用光纜引出時應采取適當的密封措施，防止氫泄漏。

4.2 現場應用案例

江蘇某電廠330MW火電機組，定子繞組為2分支，采用空冷方式，兩分支導體延伸出機殼后，在空冷室內構成中性點。兩分支圓管形導體間距約20cm，改造前分支上未裝設電流互感器。在中性點兩個分支上分別裝設光學TA，互感器的固定結構件由環氧樹脂材料制成，傳感光纜纏繞在固定結構件預留的槽內并固定。安裝后光學TA如圖8所示。

圖8 現場光學TAFigure 8 Optical TA on site

保護裝置內集成了定子裂相橫差保護和轉子繞組匝間保護，在完善定子繞組匝間保護的同時，增加了對轉子繞組匝間故障的監測和保護。現場設備于2015年4月投運，至今運行正常。機組額定功率運行時機組A相兩分支電流和裂相差流如圖9所示。正常運行時差動不平衡電流極低，且以基波分量為主。

圖9 額定功率運行時的分支電流和裂相差流Figure 9 Branch current and split-phase differential current during rated power operation

5 結語

大型發電機組保護默認不配置轉子繞組匝間保護功能，大多數機組未配置此保護，不能在線監測轉子繞組匝間絕緣情況，對發電機組的安全運行造成一定風險。本文基于行業學者提出的利用定子繞組分支間諧波環流特征反應轉子繞組匝間故障的保護方法，分別探討了基于光學TA的火電機組和水電機組轉子繞組匝間保護應用實施方案。部分水電機組定子繞組中性點空間狹窄，沒有也無法安裝電磁式TA，可以利用光學TA安裝靈活的特點在選定分支或分支組安裝，從而實現保護。火電機組均未安裝有分支TA，同樣可以采用光學TA測量分支電流后構成保護。經過多年實際應用的嘗試，適用于發電機組保護的光學TA測量性能和可靠性不斷提升，已具備實用化條件。只是在工程應用中，應根據實際機組內部的運行環境條件，從測量性能、安裝難度、可靠性和長期運行穩定性多個方面綜合考慮進行優化設計，以取得更好運行效果。