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0 引言
当前，发电机内部故障计算对发电机保护的运行、整定、开发研制起着越来越重要的指导作用，对重大工程(如三峡水电站)的发电机选型、保护方案［1］的选择有重要的参考价值。根据已发表的一些发电机内部故障计算数据、结果，针对许多文章讨论提到的以及大家所熟悉的完全纵差保护、不完全纵差保护、单元件横差保护、裂相差动保护和纵向零序电压保护等方案，在动模机组上进行了试验比较：一是验证由发电机内部故障计算得出的一些结论；二是寻求比较实用的新判据、新方案，以提高发电机内部匝间故障保护的灵敏度，完善发电机内部故障保护配置方案。
1 动模模型
1.1 发电机—变压器及系统接线图
动模试验的发电机—变压器及系统接线图如图1所示。
图1 动模试验的发电机—变压器及系统接线图
Fig.1 Physical model of a generator internal fault test
1.2 参数
被试验的模拟发电机为双Y叠绕组、三对极凸极发电机，额定容量为30 kVA，机端额定电压为400 V，额定电流为43.2 A，机端、中性点电流互感器(TA)的变比均为30∶5，横差TA的变比为10∶5，故发电机机端二次额定电流为Ie=7.22 A，中性点侧每分支二次额定电流为Ie1=3.61 A。变压器为YN，d11三相变压器组，额定容量为45 kVA。
1.3 故障点K说明
动模试验时发电机内部设置了发电机故障点K，符号定义如下：A11，A12，A13，A14，A15分别为发电机A相第1分支离中性点2.5%，5%，10%，20%，40%的抽头位置；A21，A22，A23，A24，A25分别为发电机A相第2分支离中性点2.5%，5%，10%，20%，40%的抽头位置；B11，B12，B13，B14，B15分别为发电机B相第1分支离中性点2.5%，5%，10%，20%，40%的抽头位置。
故障点设置选了几种典型的故障类型，如同相同分支匝间短路、同相不同分支匝间短路、不同相分支间短路、机端两相短路、机端三相短路等。
2 试验判据
动模试验时不但试验了几种常用保护方案，并对几种新方案进行了试验。
各种保护的定值整定按照整定导则［2］所示方法进行，如完全纵差保护、不完全纵差保护和裂相差动保护定值均整定为0.1倍的额定电流，比率制动系数为0.3；横差保护、纵向零序电压保护的定值整定在保证区外故障、系统振荡时不误动时，区内故障能够灵敏动作。
2.1 完全纵差保护(方案一)
当
(1)
当
(2)
其中 IT为发电机机端电流；IN为发电机中性点电流；Icdzd1为完全纵差保护差动电流定值，整定0.1Ie=0.72 A；Kb11为比率制动系数，整定为0.3。
2.2 不完全纵差保护(方案二)
当
(3)
当
(4)
其中 IT为发电机机端电流；IN2为发电机中性点第2分支电流；Icdzd2为不完全纵差保护差动电流定值，整定0.10Ie=0.72 A；Kfz为分支系数，取2；Kb12为比率制动系数，整定为0.3。
2.3 裂相差动保护(方案三)
当
(5)
当
(6)
其中 IN1为中性点第1分支电流；IN2为中性点第2分支电流；Icdzd3为裂相差动保护差动电流定值，整定为0.10Ie1=0.36 A；Kb13为比率制动系数，整定为0.3。
2.4 单元件横差保护(方案四)
Id＞Idzd1
(7)
其中 Id为横差TA中电流；Idzd1为横差保护电流定值，按躲过发电机机端出口三相短路时TA0中最大不平衡电流整定，测得动模试验发电机机端三相短路时TA0最大不平衡电流为0.97 A，取可靠系数为1.3，整定值为1.3 A，相当于0.06Ie。
2.5 相电流比率制动横差保护(方案五)
Id＞Idzd2 Imax≤Ie
(8)
(9)
其中 Id为横差TA中电流；Imax为最大相电流值；Ie为发电机二次额定电流；Idzd2为比率制动横差保护电流定值，按躲过发电机正常运行时TA0最大不平衡电流整定，测得动模试验发电机正常运行时TA0最大不平衡电流为0.22 A，取可靠系数为2，整定为0.44 A，相当于0.02Ie；Khc为相电流比率制动系数，取0.5。
2.6 纵向零序电压保护(方案六)
U0＞U0zd1
(10)
其中 U0为纵向零序电压；U0zd1为纵向零序电压保护定值，按躲过发电机出口两相短路时TV2开口三角中最大不平衡电压基波分量整定，试验测得动模发电机出口两相短路时TV2开口三角中最大不平衡电压基波分量为1.1 V，取可靠系数1.3，整定为1.43 V。
2.7 相电流比率制动纵向零序电压保护(方案七)
U0＞U0zd2 Iz≤Ie
(11)
(12)
其中 U0为纵向零序电压；Ie为发电机二次额定电流；Iz为制动电流，试验时取发电机最大相电流；U0zd2为纵向零序电压保护定值，按躲过发电机正常运行时TV2开口三角中最大不平衡电压基波分量整定，试验测得动模发电机正常运行时TV2开口三角最大不平衡电压基波分量为0.22 V，取可靠系数2，整定为0.5 V；Ku0为相电流比率制动系数，取1.0。
3 动模试验结果比较
分空载、50%的额定负载两种情况进行以下各种故障试验，试验结果如表1。空载、负载情况下保护动作特性一致。
表1 发电机故障各保护方案动作情况
Table 1 Behavior of several protection schemes
for generator fault
短路故
障类型
方案
一
方案
二
方案
三
方案
四
方案
五
方案
六
方案
七
机端AB
√
√
×
×
×
×
×
机端ABC
√
√
×
×
×
×
×
A11—A12
×
×
×
×
×
×
×
A12—A21
×
√
√
√
√
×
√
A13—A21
×
√
√
√
√
√
√
A14—A21
×
√
√
√
√
√
√
B11—B12
×
×
×
×
×
×
×
B12—B13
×
√
√
×
√
×
×
B11—B13
×
√
√
√
√
×
√
A15—A22
×
√
√
√
√
√
√
A15—A23
×
√
√
√
√
√
√
A22—A23
×
√
√
×
√
×
×
A11—B11
√
×
√
√
√
×
×
A11—B15
√
√
√
√
√
√
√
B11—B15
√
√
√
√
√
√
√
区外
×
×
×
×
×
×
×
振荡
×
×
×
×
×
×
×
注：表示保护动作；×表示保护未动作。
4 结果分析
4.1 发电机定子绕组同相同分支匝间短路
当同相同分支匝间短路匝小于2.5%时，所有保护方案都不能动作。图2为发电机运行时B11—B12(B相第1分支2.5%对第1分支5%)匝间短路，发电机中性点侧6个分支电流录波图，故障开始时间为0.12 s。从图2看，几乎没有办法能区分正常运行和匝间短路，最大相差电流仅为0.33 A，因此，负序功率方向纵向零序电压保护存在死区，灵敏度最低。
图2 发电机B11—B12匝间短路录波图
Fig.2 Current waveforms of generator internal
fault on B11—B12
4.2 匝间短路对非故障分支的影响
匝间短路对非故障分支电流有互感的影响，匝间短路越严重，互感影响越大。在发电机带负荷运行的情况下，如短路匝数较小，因互感引起的电流与非故障分支可比时，根据互感与负荷电流方向不同，将导致某些非故障分支电流增大，而有一些非故障分支电流减小。图3为A13—A21(A相第1分支的10%对第2分支的2.5%)匝间短路故障录波图。如短路匝数很大，将导致所有非故障分支电流均增大。
图3 发电机A13—A21匝间短路录波图
Fig.3 Current waveforms of generator internal
fault on A13—A21
图4 发电机A11—B11相间短路录波图
Fig.4 Current waveforms of generator internal
fault on A11—B11
4.3 发电机相间短路
图4为发电机A11—B11相间短路录波图(A相第1分支的2.5%对B相第1分支的2.5%)，故障分支电流急剧增加，而非故障分支电流基本上无变化，不完全纵差保护如中性点侧TA接的是第1分支TA1，则保护能正确动作，如接TA2，保护不能动作，完全差动保护对相间短路均能反应。由此可见，配置一套不完全纵差保护是不完善的，中性点侧两组TA配置在两套不完全纵差保护中显得比较合理，如中性点第1分支TA接入发电机不完全差动保护电流回路中，第2分支TA接入发电机—变压器组不完全纵差保护回路中。对于A11—B11相间短路，横差保护灵敏度不够，不能动作，但完全纵差保护能正确动作。
4.4 几种保护方案的比较
裂相差动保护除了机端相间短路以外，对其他的发电机内部短路都能正确动作，完全纵差保护对每一种相间短路都能正确反应。但由于发电机正常运行时，不完全纵差、裂相差动的差电流回路不平衡电流大于完全差动的不平衡电流，如表2，不完全纵差、裂相差动保护的定值实际整定时要大于完全差动保护的定值，因此，传统的完全纵差保护对相间故障的灵敏度相对高一些。
表2 正常运行时各种保护方案的不平衡电流
Table 2 Unbalance current of several protection schemes
under normal operation condition
承载情况
不平衡电流/A
纵向零
序电压/
V
完全纵差
不完全
差动
裂相
差动
横差
空载
0.04
0.22
0.18
0.21
0.17
50%额定负载
0.06
0.16
0.17
0.18
0.20
80%额定负载
0.10
0.17
0.22
0.20
0.20
纵向零序电压保护方案灵敏度低于横差保护的灵敏度，尤其对于同相异分支的匝间故障，如图5为A12—A21(A相第1分支的5%对第2分支的2.5%)匝间短路，横差电流已经达到10.88 A，而纵向零序电压只有0.63 V，纵向零序保护不能动作。表3为发电机各种内部匝间短路时横差TA0中电流与纵向零序电压基波分量对照表。
图5 发电机A12—A21匝间短路录波图
Fig.5 Curren [1] [2] 下一页
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