c1 22.2%对
c2 11.1%短路
0.02770
1.089
40.41
最大值与最小值
的偏差/(%)
5.4
5.1
25.4
由表4可以看出，u0和ifd2在同相不同分支短路且短路匝比α相同时，短路发生的空间位置对其影响不大，但对io-o的影响较大。
2.4 综合结果
汽轮发电机定子绕组内部短路时，短路的空间位置对故障后各故障特征量的影响较大，且差异程度不一。仿真计算结果为：
a. ifd2和u0随短路的空间位置的变化而变化，其变化范围较大，尤其是在相间短路，其数值变化比较大。
b. io-o受短路的空间位置的影响很大。对于同样的匝比α和短路方式，短路空间位置的影响可能使其数值相差十几倍。
3 汽轮发电机内部故障保护方案
3.1 仿真分析的结论
由于文献［2，6］试验的动模水轮发电机和本文试验的汽轮发电机同属一台机组，只是转子不同（一个是凸极，一个是隐极）。根据本文仿真的结果和文献［2，6］的结果，可以看出2种机组在内部故障时，各故障特征量的变化趋势大致一样。因此本文在讨论汽轮发电机内部故障保护方案时利用了文献［2，6］在负载情况下发电机内部故障的稳态计算结果和本文仿真计算发电机单机空载时的稳态结果以及负载时的实验结果。文献［2］计算动模水轮发电机带负载时定子绕组内部故障的结果参见表5；本文仿真计算动模汽轮发电机单机空载时定子绕组内部故障的结果参见表1～表4；本文试验用动模汽轮发电机带负载时定子绕组内部故障的试验结果参见表6。
表5 动模水轮发电机带负载有功16 kW时定子绕组内部故障稳态计算结果
Table 5 Calculation results of hydro-generator internal fault with 16 kW load
A
短路种类
ia
ib
ic
ia1
ia2
ib1
ib2
ic1
ic2
io-o
ifd2
ia1′
ia2′
ib1′
a1 40%对2%
短路1)
44.2
47.5
13.0
64.3
30.0
44.8
6.6
26.1
33.8
6.6
0.41
a1 20%对a2
10%短路2)
25.0
27.9
24.8
14.8
17.7
17.2
14.8
3.8
23.4
128.0
0.04
117
101
a1 20%对b1
10%短路3)
20.6
36.9
24．8
15.3
15.0
32.8
11.4
5.4
26.2
19.2
0.19
230
215
注：ia,ib,ic为机端各相电流；ia1′,ia2′,ib1′为发电机中性点侧的分支电流；1)ifd2约占直流量的9.5%；2)ifd2约占直流量的1%；3)ifd2约占直流量的4.4%。
表6 动模汽轮发电机带负载有功15 kW时
定子绕组内部故障的稳态试验结果
Table 6 Experimental results of turbogenerator
internal fault with 15 kW load
A
短路种类
ia1
ia2
ib1
ib2
ic1
ic2
id
io-o
a1 40%对2%
短路
50.90
29.30
33.90
7.63
19.20
29.20
254.3
3.83
a1 40%对a2
10%短路
40.03
35.43
24.12
8.05
12.18
28.31
163.3
157.20
a1 20%对b1
10%短路
17.41
16.37
25.07
10.07
1.10
21.24
180.7
10.59
在发电机正常运行时，发电机机端侧各支路电流和发电机中性点侧各支路电流的大小和相位相同。但在机组内部出现各种短路（包括匝间短路、相间短路和分支开焊）时，这种平衡状态就被打破，由于各支路之间的互感不同，导致各支路的感应电流也各不相同。当汽轮发电机中性点侧有6个引出抽头和各分支可安装保护用电流互感器(TA)时，通过上述仿真计算结果和实验结果可以得到：
a.利用机端相绕组电流构成的纵差保护对定子绕组匝间短路，同相不同分支之间的短路不起作用，但对定子绕组的相间短路则能够有保护作用。
b.在发电机内部出现同分支的小匝比匝间短路时，io-o很小，只有其额定电流的1%，随着短路匝的增加，其数值也逐步增大；而ifd2幅值约占其直流量的4%～10%。由于互感的影响，故障相和非故障相的各分支电流数值的大小出现了较大差异，若利用裂相横差保护（即同相2个分支之间的电流差动保护）则完全能够起到保护作用。另外u0也有零点几伏到10 V左右，负序功率标幺值在小匝比匝间短路时只有0.05，随着短路匝的增加，其数值也逐步增大。因此利用上述故障特征量的转子二次谐波电流保护、发电机单元件横差保护、发电机纵向零序电压保护以及故障分量负序方向保护能够起到部分保护作用。
c.在同相不同分支之间短路时，io-o很大，在此种情况下发电机单元件横差保护的灵敏度很高；故障分支靠近中性点侧的分支电流比机端相绕组的电流要大得多，所以可利用发电机不完全纵差保护（即机端相绕组电流和发电机中性点侧的分支电流构成差动保护）构成在这种情况下的主保护。非故障相的各分支电流数值的大小出现了较大差异，裂相横差保护完全能够起到保护作用；由于ifd2和u0不大，故转子二次谐波电流保护、发电机纵向零序电压保护只能起到部分保护作用。负序功率标幺值有较大的数值，故障分量负序方向保护能够起到保护作用。
d.在不同相之间相间短路时，故障分支靠近中性点侧的分支电流比机端相绕组的电流也要大许多，可利用发电机不完全纵差保护构成在这种情况下的主保护；中性点连线的电流比较大，发电机单元件横差保护也能有保护作用；ifd2和u0不大，转子二次谐波电流保护和发电机纵向零序电压保护只能起到部分保护作用；负序功率标幺值有较大的数值，故障分量负序方向保护完全能够起到保护作用；非故障相和故障相的各分支电流数值的大小出现了较大差异，裂相横差保护也完全能够起到保护作用。
3.2 保护配置
由上述结果可以得到：①在汽轮发电机中性点侧能够引出6个抽头的情况下，可优先采用裂相横差保护作为发电机定子绕组内部故障的主保护，另外发电机不完全纵差保护，故障分量负序方向保护和发电机单元件横差保护可作为定子绕组内部故障的主保护方案之一，补充构成主保护的双重化；利用微机保护的优越性，将发电机中性点侧各支路电流（共6个）以及机端相绕组电流（共3个）引入保护装置，然后利用微机进行所需组合，构成各种定子绕组内部故障的主保护。②在发电机中性点只引出3个端子的情况下，宜采用故障分量负序方向保护作为发电机定子绕组内部故障的主保护；另外励磁绕组二次谐波电流保护和发电机纵向零序电压保护［7］可作为发电机定子绕组内部故障的主保护方案之一，补充构成主保护的双重化；利用传统发电机纵差保护作为定子绕组内部相间短路的主保护方案。
4 结语
在数字仿真和动模试验相结合的基础上，本文对汽轮发电机定子绕组内部故障的规律进行了研究，讨论了短路匝比、故障的空间位置等因素对各故障特征量的影响，可以看出绕组的分布和结构对内部短路时的各状态量影响较大；在相同的短路匝比情况下，短路的空间位置对各故障状态量也有较大的影响。并由此提出了汽轮发电机定子绕组内部故障的主保护方案，在发电机中性点可引出6个抽头的情况下，应优先考虑采用裂相横差保护作为发电机定子绕组内部故障的主保护，并利用发电机不完全纵差保护，故障分量负序方向保护和发电机单元件横差保护作为定子绕组内部故障的主保护方案之一，补充构成主保护的双重化。■
参考文献：
［1］张龙照，王祥珩，王维俭(Zhang Longzhao, Wang Xiangheng, Wang Weijian).同步电机定子绕组内部规律探讨(The Internal Fault Analysis of Synchronous Machines).电工技术学报(Transactions of China Electrotechnical Society)，1991（1）：1～6
［2］张龙照(Zhang Longzhao).同步电机定子绕组不对称状态的研究：〔博士学位论文〕(Analysis of Synchronous Machines with Asymmetrical Armature Windings, Thesis).北京：清华大学(Beijing: Tsinghua University)，1989
［3］王祥珩(Wang Xiangheng).凸极同步电机的多回路理论及其在分析多支路绕组内部故障时的应用：〔博士学位论文〕(The Multi-Loop Methods of Synchronous Machines and Its Application in Internal Fault Analysis of Synchronous Machines, Thesis).北京：清华大学(Beijing: Tsinghua University)，1985
［4］高景德，王祥珩，李发海(Gao Jingde, Wang Xiangheng, Li Fahai).交流电机及其系统的分析(Analysis of Synchronous Machines and Its System).北京：清华大学出版社(Beijing: Tsinghua University Press)，1994
［5］Kulig T S, Buckley G W, Lambrecht D, et al. A New Approach to Determine Transient Winding and Damper Currents in Cases of Internal and External Faults and Abnormal Operation. In: IEEE Winter Meeting. New Orleans (USA): 1986
［6］王维俭(Wang Weijian).电气主设备继电保护原理与应用(Protection Relay Theory of Electrical Main Equipment and Its Application).北京：中国电力出版社(Beijing: China Electric Power Press)，1996
［7］史世文(Shi Shiwen).大机组继电保护(Protection Relay of Large Generator and Transformer).北京：水利电力出版社(Beijing: Hydraulic and Electric Power Press)，1982
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