湛江发电厂300MW汽轮发电机定子绕组匝间保护误动分析及改进

　　湛江发电厂3号、4号发电机是东方电机厂制造的QFSN-300-2型发电机，励磁方式为三机励磁，冷却方式为水-氢-氢，额定转速为3 000r/min。发电机采用高电阻接地，采用单元接线与系统联结的方式，发电机-变压器组保护装置为南京自动化设备总厂的WFBZ-01型微机保护，定子绕组匝间采用三次谐波制动零序电压保护。?

1汽轮发电机匝间保护系统误动
1.1第一次异常情况
　　1999年5月11日16时26分，3号机组带负荷有功运行缓慢升至230 MW时，机组跳闸，“定子接地保护”、“发电机匝间保护” 信号告警，热工温度信号亦告警。当时保护装置记录的参数如下：
　　a)匝间灵敏段零序电压的基波分量U1=27.21 V，三次谐波分量U3=3.77 V（保护整定值为4 V）；
　　b)匝间次灵敏段零序电压的基波分量U1=27.21（保护整定值为8 V）;
　　c)定子绕组接地零序电压三次谐波的动作分量U3，act=6.30 V，制动分量U3，start=3.76 V。
　　机组跳闸后检查，发现发电机定子绝缘正常，于是对发电机进行交、直流耐压试验，直流泄漏试验，直流电阻试验；检验外围的封闭母线、避雷器、电压互感器（TV），均未发现异常情况，机组投入正常运行。
1.2第二次异常情况
　　2002年12月31日6时20分， 4号机带210 MW负荷运行时，“发电机TV2，TV3断线”、“定子接地”、“定子匝间保护”信号告警，4号发电机跳闸。当时保护装置记录的参数如下：
　　a）匝间灵敏段零序电压的基波分量U1=9.85 V，三次谐波分量U3=0.45 V（保护整定值为4 V）；
　　b）匝间次灵敏段零序电压的基波分量U1=9.87V（保护整定值为8 V）。
　　经初步检查，保护系统没有异常迹象。为进一步查明故障，停机检查。对发电机进行了定子绝缘、直流电阻、交流耐压、直流耐压、直流泄漏等试验；对TV本体进行了直流电阻、绝缘、TV特性等试验检查；对接地变压器进行了直流电阻、绝缘、一次电缆试验检查；对保护装置进行采样、电缆屏蔽、TV断线闭锁、二次接线、抗干扰等项目的检查试验；对发电机内部进行外观检查均未发现异常,2003年1月4日1时50分机组并网投入正常运行。
　　3号机组和4号机组在运行中出现相同的定子绕组匝间保护动作，可是，分析保护动作量及当时的参数特征，两次匝间保护动作正确，都伴随有定子接地三次谐波信号，好像一次设备真有故障发生，但进一步检查分析，一次、二次设备均无异常。 

2发电机定子绕组匝间保护分析
2.1定子绕组匝间保护构成
　　湛江发电厂3号、4号发电机定子绕组匝间保护逻辑见图1。在图1中，零序电压取自发电机专用电压互感器TV2的开口三角形绕组，零序电压中三次谐波不平衡量由数字傅氏滤波器滤除。为了更准确、灵敏地反应内部匝间故障，同时又防止外部短路时保护误动，该保护逻辑以纵向零序电压中三次谐波特征量的变化来区分内部和外部故障。 ?

2.2三次谐波闭锁量
　　发电机三次谐波电压主要与发电机结构、负荷有关。发电机的定子绕组、定子铁心、转子铁心绝对不可能三相对称和平衡，其结果是在TV开口三角出现较大的不平衡三次谐波电压。湛江发电厂4号机组在不同负荷时的三次谐波电压见表1。湛江发电厂2号机组的录波中（与3号机和4号机同型），分别记录了主变压器高压侧W相接地、机组甩负荷、正常运行时的三次谐波电压，具体数值见表2。由此可见三次谐波电压的大小主要随机组负荷变化的，即便在外部短路时，其变化也不是非常显著，也难以在外部发生故障时保证可靠闭锁匝间保护，但在发电机内部故障时基本不变。因此纵向三次谐波电压不是发电机匝间故障的一个电气特征量。
2.3保护特性分析
　　在两次发电机匝间保护系统出现异常动作中，均呈现较大的三倍纵向零序电压（），三次谐波及TV断线均未闭锁保护出口。在运行中出现较大的原因有三相参数不对称，包括发电机定子特性不一致；中的三次谐波过滤特性不好；外界电压耦合，如出现高压近距离接地故障。随着一次、二次设备制造工艺、技术水平的提高，特别采用微机数字滤波处理后，正常运行中的很小，一般不大于0.1 V。一般纵向零序过电压整定值较低，规程规定为2～3 V，但是，在大型发电厂中，受干扰信号等的影响，很难保证零序过电压值低于标准规定值，这就要求保护系统应能防止干扰信号引起的误动。
　　在采用的三次谐波制动纵向零序过电压保护中，近距离的区外故障发电机的三次谐波电压没有明显增加，起不到闭锁区外故障引起保护误动的作用，在内部故障中不能识别故障，一直开放闭锁，可见起不到闭锁功能。同样采用根据机端相电流比率制动的零序电压保护，尽管在防止区外误动方面有效，但对TV回路干扰引起的误动也无能为力。动作量低，闭锁不可靠是该保护产生误动的根本原因。
　　发电机定子绕组匝间保护属于快速主保护，可靠的TV断线闭锁对防止匝间保护误动至关重要，原保护中无TV断线闭锁，根据纵向零序过电压可知，在TV断线和TV一、二次保险发生缓慢熔断时，会出现与匝间故障相同的大型发电机机端一般均装设有三组TV，其中一组是匝间保护专用TV，两组普通TV，完全可以设置较准确、灵敏的TV断线闭锁逻辑。

3改进措施
　　东方电机厂制造的QFSN-300-2型发电机同槽、同相占总槽数的40%。由于线棒固有缺陷、运行中机械磨损、应力损伤、汇水管集污等原因，发电机可能存在定子匝间短路。对机组保护动作正确率的统计了解到，定子绕组匝间保护正确动作率只有39.29%，为此，提高匝间保护的可靠性就十分必要，必须制定有效的改进措施。
3.1增加负序功率方向的闭锁
　　根据DL/T 684—1999《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》中的4.1.7对纵向零序过电压保护的规定：“为防止外部短路误动作，可增设负序方向继电器，后者具有动合触点，当发电机内部短路时，触点闭合。” 这样，当发电机发生相间短路、匝间短路及分支开焊等不对称故障时，负序功率P2由发电机流出；当系统发生不对称故障、非全相运行、负荷不平衡时，负序功率P2流向发电机。因此根据机端负序功率P2的流向可区分发电机是否发生内部不对称故障。
　　为防止由于专用TV三次回路多点接地或其他不明原因造成在匝间保护输入回路中产生较大的基波电压致使保护误动，可以增设负序功率方向元件。增加的负序功率方向指向系统，即当由发电机输出负序功率时，该闭锁元件动作，允许匝间保护出口。此种闭锁方向又称“允许式”，这样，该保护只有在两个条件同时发生时才允许保护出口，其逻辑关系详见图2。这种形式的保护，其优点是可以避免出现类似的纵向零序电压回路干扰、TV接触不良引起的误动问题；缺点是影响定子绕组匝间保护的灵敏性，但对于微机型保护装置，功率方向元件的动作功率很小，保护灵敏度的降低影响不会太大。
3.2改进TV断线闭锁
　　改进TV断线闭锁逻辑。TV断线闭锁应具备的功能：防止TV断线、TV的一、二次保险出现缓慢熔断及纵向零序电压回路干扰引起的误动。方法是除采用传统的平衡式低电压、负序电压闭锁外，还采用如下逻辑，避免TV回路问题引起的误动：
　　a)为了防止专用的TV一次、二次断线，可设专用TV负序电压值大于整定值；专用TV自产零序电压值大于整定值；普通TV负序电压值大于整定值。
　　b)为了防止纵向零序电压回路干扰引起保护误动，可设专用TV自产零序电压值大于整定值；专用TV测量零序电压值大于整定值。
　　改进后的逻辑（见图2），可保证发电机并网前后均有保护，可从引入电流或开关量判别发电机是否并网，以解除、投入负序功率方向。?

4结束语
　　湛江发电厂汽轮发电机纵向零序过电压匝间保护系统因故障电压整定值设置较小，抗干扰能力较差，出现误动概率高的现象，为了避免这种情况出现，在保护逻辑中增加“允许式”负序功率方向闭锁功能模块，实现双故障量与门出口的同时，改进TV断线闭锁功能，进一步提高匝间保护的可靠性。