發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障是一種常見(jiàn)的、破壞性很強(qiáng)的故障，對(duì)電廠(chǎng)發(fā)電機(jī)乃至電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)一系列嚴(yán)重的影響，為此必須裝設(shè)內(nèi)部故障保護(hù)裝置。發(fā)電機(jī)縱聯(lián)差動(dòng)保護(hù)已有成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，通常作為內(nèi)部相間短路的主保護(hù)［1，2］。但是對(duì)于縱差動(dòng)保護(hù)靈敏度是以發(fā)電機(jī)機(jī)端發(fā)生兩相金屬性短路時(shí)短路電流與保護(hù)動(dòng)作電流比值來(lái)衡量的，此時(shí)短路電流較大，幾乎所有的發(fā)電機(jī)縱差動(dòng)保護(hù)都能滿(mǎn)足靈敏度要求，這種校核形同虛設(shè)。因此，對(duì)于大型發(fā)電機(jī)，必須詳細(xì)分析在定子繞組內(nèi)部各種相間短路情況下差動(dòng)電流以及靈敏系數(shù)的變化規(guī)律，以便全面評(píng)價(jià)縱差保護(hù)對(duì)內(nèi)部相間短路的保護(hù)能力，這就是本文所要研究的內(nèi)容。
1 內(nèi)部相間短路電流分析方法描述
電機(jī)繞組內(nèi)部故障屬于內(nèi)部電氣不對(duì)稱(chēng)故障的范疇。當(dāng)電機(jī)繞組內(nèi)部不對(duì)稱(chēng)時(shí)，其氣隙磁場(chǎng)的空間諧波分量就很強(qiáng)，這些諧波磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)速各不相同，轉(zhuǎn)向也有正有反，因此在繞組中感應(yīng)出的電勢(shì)諧波很多。長(zhǎng)期以來(lái)，諸多學(xué)者對(duì)電機(jī)不對(duì)稱(chēng)故障作了研究，對(duì)此類(lèi)故障的分析提出了許多有效的方法。
對(duì)稱(chēng)分量法是發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路分析中最常用的方法之一，該方法通常只考慮氣隙磁場(chǎng)基波和定子電流的時(shí)間基波。而當(dāng)繞組內(nèi)部故障時(shí)，諧波分量很大，此時(shí)會(huì)遇到電抗修正及相序網(wǎng)絡(luò)之間的耦合問(wèn)題。文獻(xiàn)［3］提出了以單個(gè)線(xiàn)圈元件為基礎(chǔ)論述電機(jī)基本電磁關(guān)系的交流電機(jī)多回路理論，它可以考慮諧波影響以及繞組內(nèi)部故障時(shí)影響重大的因素，如故障空間位置和繞組型式等因素，從而可以比較準(zhǔn)確地獲得繞組故障后的內(nèi)部電磁關(guān)系和繞組電流分布，對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行起到了積極推動(dòng)作用。
文獻(xiàn)［4］在多回路理論的基礎(chǔ)上，建立了求解發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障穩(wěn)態(tài)電量的通用數(shù)學(xué)模型，探討了定子繞組各種內(nèi)部故障規(guī)律。該文所建立的模型精確，結(jié)果準(zhǔn)確，適用于各種內(nèi)部故障的分析與計(jì)算。其基本思路是：首先從定子繞組單個(gè)線(xiàn)圈出發(fā)，列寫(xiě)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子初始回路的電壓、磁鏈、功率以及外部系統(tǒng)的連接方程，根據(jù)故障后回路繞組的實(shí)際連接方式組成新的定子回路。當(dāng)回路電感和電阻參數(shù)已知時(shí)，就得到了一組以回路電感和電阻為系數(shù)的非線(xiàn)性變系數(shù)微分方程組。根據(jù)穩(wěn)態(tài)電量計(jì)算的需要，可以假設(shè)定轉(zhuǎn)子回路穩(wěn)態(tài)電量的表達(dá)式，將它代入微分方程組，利用同頻率量相等的原則，把非線(xiàn)性變系數(shù)微分方程組轉(zhuǎn)換為等效的非線(xiàn)性常系數(shù)代數(shù)方程組，通過(guò)求解這些方程，即可得各回路穩(wěn)態(tài)電量值。這些代數(shù)方程組中回路參數(shù)的計(jì)算是關(guān)鍵。文獻(xiàn)［5］中采用電磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了參數(shù)求解，即按照發(fā)電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行工況和鐵心磁阻的實(shí)際情況，計(jì)算某一線(xiàn)圈通直流電流之后在其他所有線(xiàn)圈或回路中的磁鏈，從而得出單個(gè)線(xiàn)圈和各個(gè)回路的電感系數(shù)。由于該方法能考慮鐵心磁阻的非線(xiàn)性、齒槽效應(yīng)和氣隙諧波等因素，因而有助于提高發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障后回路參數(shù)的計(jì)算精度，相應(yīng)的定子繞組內(nèi)部故障電流仿真結(jié)果也更加合理。同時(shí)，作者還編制了“大型發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障電量計(jì)算與保護(hù)方案靈敏度分析”軟件包，能靈活地模擬各種內(nèi)部故障并能對(duì)多種內(nèi)部故障保護(hù)方案如單元件橫差、不完全差動(dòng)、裂相橫差保護(hù)等方案的靈敏度進(jìn)行分析。本文在此基礎(chǔ)上對(duì)縱差保護(hù)在各種內(nèi)部相間短路情況下的差動(dòng)電流和靈敏度規(guī)律進(jìn)行探討。
2 發(fā)電機(jī)基本參數(shù)及保護(hù)定值設(shè)定
2.1 SF125-96/15600水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)
額定功率PN=125 MW，額定電壓UN=13 800 V，額定電流IN=5 980 A，額定空載勵(lì)磁電流IF0=817 A，定子槽數(shù)Z=792，定子繞組每相并聯(lián)支路數(shù)as=3，相匝數(shù)Wa=88。
(1)
式中 Iop為動(dòng)作電流，Iop0 為最小動(dòng)作電流；Ires為制動(dòng)電流，Ires=I1+I2/2；I1，I2為差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)二次電流；m為比率制動(dòng)特性的折線(xiàn)斜率，本文取m=0.35;1.0為額定定子電流。
圖2 發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)比率制動(dòng)特性
設(shè)內(nèi)部故障時(shí)繼電器差動(dòng)電流為Icd=I1-I2，則差動(dòng)保護(hù)靈敏系數(shù)為Ksen=Icd/Iop
3 靈敏度分析
本文以發(fā)電機(jī)孤立空載運(yùn)行為計(jì)算條件，且不考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用。由于內(nèi)部相間短路時(shí)流過(guò)故障相差動(dòng)繼電器的差動(dòng)電流相同，且非故障相的差動(dòng)電流為零，所以只需分析一個(gè)故障相(如本文以A相為例)的差動(dòng)電流即可。
3.1 短路匝比及故障位置影響規(guī)律
為了探討內(nèi)部相間短路時(shí)差動(dòng)電流的短路匝比規(guī)律，模擬B1支路對(duì)A1支路中性點(diǎn)發(fā)生金屬性相間短路，對(duì)應(yīng)圖3中即故障點(diǎn)k在中性點(diǎn)O，B1支路故障點(diǎn)j可移動(dòng)，過(guò)渡電阻Rg=0。圖4為縱差一次側(cè)差流基波幅值Icd(以下同)與短路匝比的關(guān)系曲線(xiàn)，α為短路匝比(j點(diǎn)到中性點(diǎn)的匝數(shù)與相匝數(shù)Wa的百分比)。由圖4可知，隨著短路匝比的增大，差流先減小然后再逐漸增大，即有一個(gè)最小點(diǎn)。這是因?yàn)椴盍鞣从车氖嵌搪坊芈冯娏?，?dāng)短路匝比α較小時(shí)，回路電勢(shì)增大的幅度不及回路電感增大的幅度，所以短路電流呈減小趨勢(shì)；當(dāng)α較大時(shí)，短路回路電勢(shì)增大較快，而回路電感增大反而減慢，所以短路回路電流又呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。從圖4中可看出，當(dāng)α=22.73%時(shí)，Icd最小，為11 745.9 A，即1.39 IN；α=77.27%時(shí)，Icd=21 104.5 A，即2.50 IN，為額定。圖中曲線(xiàn)在局部范圍內(nèi)出現(xiàn)的“振蕩現(xiàn)象”，這是由于分?jǐn)?shù)槽繞組N-S極交錯(cuò)連接所造成的。
為了探討短路故障位置對(duì)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的影響，模擬了A1對(duì)B1支路相間金屬性短路，即對(duì)應(yīng)圖3中的故障點(diǎn)k，j一起移動(dòng)，且k，j到中性點(diǎn)的匝數(shù)nF相同。圖5給出了縱差差流隨故障位置的變化曲線(xiàn)，圖中β為短路匝數(shù)nF與相匝數(shù)Wa的百分比。從圖5可知，當(dāng)β=23.86%時(shí),差動(dòng)電流Icd最小，為7 786.4 A，即0.92 IN；當(dāng)β=1.14%，即1匝對(duì)1匝短路時(shí)，差動(dòng)電流Icd額定，為17 114.4 A，即2.02 IN。
從圖4和圖5也可以看出，當(dāng)定子繞組內(nèi)部發(fā)生金屬性相間短路時(shí)，差動(dòng)電流很大，相對(duì)應(yīng)的差動(dòng)保護(hù)靈敏系數(shù)也很高，即保護(hù)都能正確動(dòng)作。
圖4 縱差差流隨短路匝比變化曲線(xiàn)
圖5 縱差差流隨故障位置變化曲線(xiàn)
3.2 過(guò)渡電阻影響規(guī)律
以上分析均按金屬性短路考慮， 實(shí)際上往往短路點(diǎn)存在過(guò)渡電阻。眾所周知，故障點(diǎn)的過(guò)渡電阻將影響短路時(shí)故障電量如電流和電壓的大小及相位，對(duì)保護(hù)產(chǎn)生很大影響。下面就來(lái)分析過(guò)渡電阻對(duì)差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作的影響規(guī)律。
首先分析3.1節(jié)中出現(xiàn)差流最小的情況，即對(duì)應(yīng)圖5中β=23.86%的一種故障情況時(shí)過(guò)渡電阻對(duì)差動(dòng)電流的影響，令過(guò)渡電阻Rg從零逐漸增大，考察差流Icd隨Rg的變化關(guān)系。圖6為該種故障情況下過(guò)渡電阻對(duì)差流的影響關(guān)系曲線(xiàn)，Rg的單位為國(guó)外單位Ω。從圖6可知，該種短路故障過(guò)渡電阻對(duì)縱差差流的影響不大，因?yàn)榇藭r(shí)故障回路的電抗很大。圖7為縱差保護(hù)靈敏系數(shù)Ksen隨過(guò)渡電阻的變化關(guān)系曲線(xiàn)，方案1的最小動(dòng)作電流Iop0 取為0.2 IN，方案2的Iop0 取為0.3 IN。由圖7知當(dāng)Ksen=2.0時(shí)，方案1所對(duì)應(yīng)的臨界過(guò)渡電阻Rgcr為0.767 Ω,方案2所對(duì)應(yīng)的Rgcr為1.34 Ω。
圖6 縱差差流隨(短路)過(guò)渡電阻變化曲線(xiàn)
圖7 (縱差)靈敏度隨過(guò)渡電阻變化曲線(xiàn)
另一種最不利情況為短路回路電勢(shì)最小，即B1支路1匝(靠近中性點(diǎn))對(duì)A1支路中性點(diǎn)相間短路故障，圖8為差流隨過(guò)渡電阻的變化關(guān)系曲線(xiàn)。從圖8可知，此時(shí)過(guò)渡電阻對(duì)縱差差流影響很大，當(dāng)Rg從0增大到0.025 Ω時(shí)，差流Icd減少了約4倍(即從21 055 A 減少到 5 405 A)。 兩種方案的靈敏度隨過(guò)渡電阻的變化關(guān)系曲線(xiàn)如圖9示。從圖9可知，當(dāng)過(guò)渡電阻很小時(shí)，由于此時(shí)短路電流很大，縱差保護(hù)呈現(xiàn)制動(dòng)特性。當(dāng)靈敏系數(shù)Ksen=2.0時(shí)，方案1所對(duì)應(yīng)的Rgcr為0.027 Ω， 方案2對(duì)應(yīng)的Rgcr為0.041 Ω，大大低于圖7中的臨界過(guò)渡電阻值，即過(guò)渡電阻對(duì)該種故障影響很大，或保護(hù)的動(dòng)作對(duì)過(guò)渡電阻很敏感。
4 結(jié)論
從以上計(jì)算可見(jiàn)，比率制動(dòng)式縱差保護(hù)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部相間短路有較高靈敏度，可以對(duì)絕大多數(shù)內(nèi)部相間短路起到保護(hù)作用。若不考慮過(guò)渡電阻，則任何相間故障都能使保護(hù)可靠動(dòng)作，Iop0 取稍大也無(wú)妨。若考慮過(guò)渡電阻，則Iop0 取較小可增加保護(hù)靈敏度，或者說(shuō)保護(hù)可以反應(yīng)經(jīng)較大過(guò)渡電阻短路的故障。同時(shí)可見(jiàn)，過(guò)渡電阻對(duì)縱差差流和靈敏度也有較大影響，尤其當(dāng)位于中性點(diǎn)附近短路匝數(shù)較少時(shí)。所以，比率制動(dòng)式縱差動(dòng)保護(hù)的死區(qū)一般是位于靠近中性點(diǎn)附近經(jīng)過(guò)渡電阻短路的情況，死區(qū)大小既與短路匝比有關(guān)，也與過(guò)渡電阻的大小有關(guān)系，具體分析要通過(guò)內(nèi)部故障的詳細(xì)計(jì)算才能進(jìn)行。
需要指出的是比率制動(dòng)式縱差保護(hù)只對(duì)內(nèi)部相間短路起保護(hù)作用，對(duì)于內(nèi)部匝間短路卻無(wú)能為力，必須增設(shè)發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路保護(hù)裝置。
