Ia2p＝0. 327 9
匝 间
A1(0. 742 6)
＋4(0. 117 6)
dIa＝0. 000 0
dIn＝1. 696 4
Iap＝1. 696 4
Ia1p＝0. 678 6
短 路
A1(0. 860 3)
Ia2p＝1. 017 8
匝 间
A1(0. 125 0)
12(0. 352 7)
dIa＝0. 000 0
dIn＝10. 544 8
Iap＝10. 544 8
Ia1p＝4. 217 9
短 路
A1(0. 477 9)
Ia2p＝6. 326 9
匝 间
A4(0. 830 9)
2(0. 058 8)
dIa＝0. 000 0
dIn＝0. 819 9
Iap＝0. 819 9
Ia1p＝0. 327 9
短 路
A4(0. 772 1)
Ia2p＝0. 491 9
匝 间
A4(0. 742 6)
4(0. 117 6)
dIa＝0. 000 0
dIn＝2. 544 6
Iap＝2. 544 6
Ia1p＝1. 017 8
短 路
A4(0. 860 3)
Ia2p＝1. 526 8
匝 间
A4(0. 125 0)
12(0. 352 9)
dIa＝0. 000 0
dIn＝15. 817 2
Iap＝15. 817 2
Ia1p＝6. 326 9
短 路
A4(0. 477 9)
Ia2p＝9. 490 3
Ia1p＝29. 817 3
相 间
A1(0. 301 5)
23. 5(0. 691 2)
dIa＝29. 787 9
dIn＝45. 731 7
Iap＝0. 181 6
Ia2p＝29. 744 2
短 路
B1(0. 992 6)
Ibp＝45. 808 6
Ib1p＝48. 109 8
Ib2p＝2. 305 1
Ia1p＝21. 814 8
相 间
A1(0. 198 5)
10. 5(0. 308 8)
dIa＝16. 450 0
dIn＝11. 884 0
Iap＝13. 412 1
Ia2p＝8. 402 7
短 路
B1(0. 507 4)
Ibp＝25. 296 0
Ib1p＝26. 568 4
Ib2p＝1. 272 3
Ia1p＝19. 119 6
相 间
A1(0. 801 5)
10. 5(0. 308 8)
dIa＝23. 394 1
dIn＝46. 660 1
Iap＝10. 686 1
Ia2p＝29. 808 5
短 路
B4(0. 492 6)
Ibp＝35. 974 0
Ib1p＝37. 783 7
Ib2p＝1. 809 7
Ia1p＝14. 557 7
相 间
A1(0. 698 5)
23. 5(0. 691 2)
dIa＝20. 361 3
dIn＝45. 819 3
Iap＝14. 509 0
Ia2p＝29. 066 7
短 路
B4(0. 007 4)
Ibp＝31. 310 3
Ib1p＝32. 885 4
Ib2p＝1. 575 1
完全差电流; （5）理论上，I号机A相一分支和B相四分支没有短路的可能性，因此仅列出A1、B1短路的情况。
3 保护配置分析
分析表2和表3可知，在可能的各项常规保护中， 笔者建议尽可能考虑纵差保护、横差保护和裂相三种保护的配合,不完全差动保护没有明显的优势（尤其是对匝间短路）,而裂相保护和横差保护在各种匝间短路情况下均能获得较高的灵敏度。
(1)传统的纵差保护对匝间短路没有多大作用，只能作为相间短路的主保护。而且相间短路时非故障相决不会动作，其动作电流都接近于零，所以三峡机组必须要有另一套主保护。
近年来,可变比率制动式差动保护方案和所谓标积制动式差动保护方案得到广泛应用。前者虽然在外部故障时制动特性得到改善,但却降低了某些内部短路情况下的灵敏度；后者在外部短路时有较强的制动作用,但当内部两相发生相间小匝数短路时,制动作用的方向性仍值得研究。文献［1］指出，由于标积制动量为乘积关系,故而制动量特别大,甚至可能会大于差动量,导致保护无法正确动作。因此无论选择哪种差动保护,对发电机保护来说,在提高灵敏度的同时,必须十分注意可靠性,不致发生误动。
(2)横差保护可作为三峡大型发电机内部故障的第一灵敏主保护。对于发电机内部相间短路和匝间短路，均能可靠动作。
从原理上看,这种保护是利用匝间短路时，在分支绕组之间的两个中性点连接线上流过的零序电流来实现的，故保护装置只需在两个中性连接线上装一个电流互感器。由于不会因电流互感器的特性不同而产生不平衡电流，所以其动作电流较小,灵敏度较高。另外，对于发电机内部短路的同一故障，减小电流互感器变比，增大二次短路电流，灵敏度会进一步提高。不过，变比的减小势必会增大流入保护继电器在外部短路时的不平衡电流（二次值）,从而必须相应提高保护的动作电流。当然，由于发电机内部短路时,中性点连线上的短路电流也会因电动力或发热而破坏CT,因此为了取得高灵敏度,各机组在选择保护以前,有必要分析横差保护不平衡电流的成因并测定其谐波成分,最终提出减小不平衡电流的技术措施,以达到降低保护整定值和提高保护灵敏度的目的。
从表2中可以看出，对匝间短路，当取整定值Iset＝0. 2In＝1A时，横差保护的理论死区低于4匝，占11. 1%。实际的保护死区与装置水平有关，也与CT一致性、发电机绕组一致性（即不平衡电流）有关,要达到理论死区有一定难度，但至少要能有效地滤除三次谐波。这是因为,当发电机因电势波形畸变出现三次谐波电势E3时,由于三相同相位,若任一支路的E3与其他支路不相等,就会在中性点连线上出现三次谐波环流,并由互感器反应到保护中去。因此,必须在变流器的二次侧滤除三次谐波分量,减小由于三次谐波引起的不平衡电流。
横差保护最大的优点是它能满足发电机相间短路保护的技术要求。可以认为，当发生相间短路时,发电机的等效电抗并未显著改变,相位关系也未发生明显变化,只有故障分支电势的大小受到较大影响，此时，横差保护有很高的灵敏度。很明显，对比表2和表3中相间短路的故障位置可发现，即使是轻微情况,也能引起故障分支电势出现很大变化,导致大的横差电流。因此，取Iset＝0. 2In＝1A时，几乎没有理论死区。
(3)裂相保护可作为多分支分布中性点接线的三峡机组内部短路时的另一重主保护，而且灵敏度很高。
以a相为例， a1、a2、a3分支并联作为裂相保护的一侧，a4、a5并联作为另一侧。为保证正常运行和外部故障时流入二次侧继电器的差电流为零（理论值）。a1、a2、a3的变比应选(In/5×5A) 1/3＝In/15×5A, a4、 a5的变比应选 (In/5×5A) 1/2＝In/10×5A ,当发电机正常工作或外部短路时,继电器两侧的制动电流相等,而差动电流为零,从而保证了可靠工作。取Iset＝0. 2In＝1A时，理论死区低于4匝，占11. 1%。由于同样的原因，裂相保护对相间短路的灵敏度也是非常高的。
裂相保护作为第二重主保护，不仅能保证在极端情况下横差拒动时可靠的后备功能，而且，它和横差保护一起，能对定子绕组开焊起到一定的保护作用，尤其是横差保护，当负荷不太小时，一定能可靠动作，这一点已为多数运行实践所证实［2］。
(4)不完全纵差保护没有明显的优势，对某些内部故障可能拒动。
表2、表3的理论分析表明,在同一匝间短路情况下,不完全差动保护的差动电流较小,其灵敏度低于横差与裂相保护。如Ⅰ、Ⅲ号机A相第1、4分支发生匝间短路时, 该保护均不动作。取整定值为Iset＝
0. 2In＝1A时，该保护的理论死区为：第一组（1、2、3分支）低于7匝,占19. 4%，第二组（4、5分支）低于5匝,占13. 9%。由于装置水平、CT及发电机绕组一致性的关系，实际的保护死区还将扩大。为提高匝间短路的灵敏度,建议不完全差动应采用机端CT与第二组中性点CT（4、5分支）构成差动回路。由于各机组每相分支数均为5或8,不完全差动在每相中性点侧装设互感器的分支数应大于或等于2,为了确定在几个分支上装设互感器和应在哪几个分支上装设互感器，必须对内部短路作进一步计算分析。
可见，为使分支数大于2的发电机能可靠地反应各种相间、匝间短路和分支开焊故障，尤其是对三峡大型发电机组来说,应慎重使用不完全差动。
(5)考虑转子二次谐波电流保护中启动元件与选择元件要求配合的严格性,以往运行中曾发生过多次误动的事实，以及其他一些技术因素，所以这种保护仅可作为三峡发电机内部故障主保护的一种选择方案。同样,纵向零序过电压保护的配置也有待作进一步的研究。
以上分析是建立在常规条件基础上的，实际运行时，有可能发生一些极端情况（如有两点对地或机端发生某种相间短路），这时各种保护会存在差别：
1)纵差电流与裂相差电流明显地要大一些。即使如此,当短路发生在发电机中性点时,或短路位于中性点附近并考虑电弧电阻时,短路电流也不大,在一定的动作电流下,就会出现相应的保护死区。所以,应考虑尽可能地确保在外部短路时不误动的条件下,减小发电机纵差或裂相保护的动作电流。
2)横差保护的灵敏度要低一些。当短路点靠近机端时,相当于所有分支均短路,此时横差继电器将不能动作,故障靠纵差与裂相保护切除；当短路点靠近中性点时,横差继电器将能动作。
3)不完全纵差保护对相间保护具有一定的灵敏度。不过,理论及实际分析都清楚地表明,在三峡发电机组中使用不完全纵差保护必须谨慎,至少应进行各种内部故障的详细计算,并合理地确定差动回路的接法后才予以考虑。
4 结束语
为分析本文提出的各种保护方案,详细计算了不同故障时的差动电流值,并通过典型情况作简要分析,给出较优的保护配置。同时得出以下结论：
(1)高灵敏度的横差保护一般仅用一支电流互感器,也没有其他短路保护方案的断线闭锁等环节。对于大型水轮发电机组,其中性点具备装设高灵敏度横差保护的条件,值得推广。
(2)为提高灵敏度,横差保护的CT变比选择可适当地放小,如取为额定类比的1/5～1/10,但切忌变比太小,因为当发生严重匝间短路或不对称相间短路时,横差电流将远大于额定电流,会引起CT严重饱和,甚至引起拒动或延时动作。同时,横差保护必须有三次谐波过滤器,使当外部发生三相短路时能滤去极大的三次谐波不平衡电流,使动作电流能躲过较小的基波不平衡电流。
(3)笔者认为，变比的选择应遵循以下原则：①保证在任何可能的发电机正常运行条件下保护不误动。②在保证①的前提下，使保护的灵敏度在满负荷时尽可能高，这是因为发电机满负荷或接近满负荷状态运行的时候居多。
(4)作为相间短路主保护的纵差保护,对匝间短路没有多大作用。
(5)反映故障分量的不对称保护仍然是一个比较简单、可靠且灵敏度较高的方案。
参考文献
1 尹项根.同步发电机定子绕组故障瞬变过程数字仿真及其微机继电保护新原理的研究.华中理工大学博士论文，1989
2 王维俭.电气主设备保护原理与应用.北京：中国电力出版社，1996
3 史世文.大机组继电保护.北京：水利电力出版社，1987
4 IEEE Tutoriol Course.Microprocessor relays and protection systems.IEEE Inc.1987
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