发电机横联差动保护原理及应用

对N分支发电机来说，在正常情况下，各绕组中的电势相等，每分支供出的电流为In/N。以每相两分支的发电机为例，每分支各供出一半的负荷电流。而当任一个绕组中发生匝间短路时，两个绕组中的电势就不相等，因而会由于出现电势差而在两个绕组中产生环流。因此，利用反应两个支路电流之差的原理，即可实现对发电机定子绕组匝间短路的保护，此即横联差动保护，现对其原理分述如下：

（1）如图75（a）所示，在某一个绕组内部发生匝间短路，此时由于故障支路和非故障支路的电势不相等，因此，有一个环流Ik产生，这时在差动回路中将有电流，当此电流大于继电器的起动电流时，保护即可动作于跳闸。短路匝数α（α表示由中性点到故障点的绕组占全部绕组匝数的百分数）越多时，则环流越大，而当短路匝数α较小时，保护就不能动作。因此，保护是有死区的。

（2）如图75（b）所示，在同相的两个绕组间发生匝间短路，当α1≠α2时，由于两个支路的电势差，将分别产生两个环流和，此时继电器中的电流为。当α1-α2之差值很小时，也将出现保护的死区。例如当α1＝α2时，即表示在电势等位点上短接，此时实际上是没有环流的。

图75　发电机绕组匝间短路的电流分布

（a）在某一个绕组内部匝间短路；
（b）在同相不同绕组匝间短路

横联差动保护有两种接线方式。一种是每相装设两个电流互感器和一个继电器，做成单独的保护，其原理接线如图75所示，也称裂相横差动保护。这样三相总共需要6个互感器和3个继电器。由于其接线复杂，保护中的不平衡电流也大，因此，实际上已很少采用。另一种是目前广泛应用的接线，如图76所示，只用一个电流互感器1装于发电机两组星形中性点的联线上，即单元件横差动保护。它实质上是把一半绕组的三相电流之和与另一半绕组三相电流之和进行比较，当发生前述各种匝间短路时，此中性点联线上照样有环流流过，因此，继电器3可以动作。单元件横差保护是发电机定子绕组内部各种故障的最简单、高灵敏的主保护。由于它只需在两个中性连接线上装一个电流互感器，不会因电流互感器的特性不同而产生不平衡电流，因此动作电流可以小些，灵敏度较高，同时也不存在保护方案的断线闭锁等环节，具有一定的优势。(www.xing528.com)

图76　单继电器式横差动保护原理接线图

按这种接线方式，当发电机出现三次谐波电势（用E3表示）时，由于三相都是同相位的，因此，如果任一支路的E3与其他支路的不相等时，都会在两组星形中性点的联线上出现三次谐波的环流，并通过互感器反应到保护中去，这是不希望的，为此采用了三次谐波过滤器2，以滤掉三次谐波的不平衡电流。理想发电机在三相对称负荷工况下，或外部不对称短路时，理论上不存在中性点连线电流。但是，在实际运行中中性点连线上会有不平衡电流出现。不平衡电流产生的原因有机械的、电磁的、结构方面的静态因素，有运行方面的动态因素，因此发电机正常运行和外部短路时横差保护的不平衡电流是很难计算确定的。在这些高频或低频谐波分量中，三次谐波电流分量的影响最为显著。因此，横差保护必须有三次谐波滤过器，在短路实验前测试横差保护滤波环节后的各次谐波滤过比，要求三次谐波滤过比大于80～100，即经过滤波环节后的电流基本上是基波电流。保证在外部三相短路时，极大的三次谐波不平衡电流能滤去，动作电流躲过较小的基波不平衡电流。所有这些措施，都是为了保证单元件横差保护在不误动的前提下，尽量减小三次谐波等分量的影响，从而提高保护灵敏度。

传统横差保护装置的起动电流，根据运行经验可采用发电机定子绕组额定电流的20%～30%，即

中性点连线所用电流互感器的变比一般选为0.25I n/5A，所以传统单元件横差保护的动作电流约为发电机额定电流二次值5A，这样的整定值在发电机内部故障时保护灵敏度低，不能充分发挥该保护灵敏快速的特点。因此，文献[1]提出高灵敏度单元件横差保护方案，即提高三次谐波电流滤波比，大幅度降低CT变比和动作电流整定值。高灵敏度单元件横差保护用电流互感器变比一般可选为0.05I n/5A，可以取得更好的效果。当转子回路两点接地时，横联差动保护可能误动作。这是因为当两点接地后，转子磁极的磁通平衡遭到破坏，而定子同一相的两个绕组并不是完全位于相同的定子糟中，因而其感应的电势就不相等，这样就会产生环流，使横联差动保护误动作。当有转子一点接地时，横联差动保护应有0.5～1s的延时才动作，以防止有转子短时两点接地而误跳。

此外，装设两套单元件横差保护对某些内部短路能取得一定的互补作用，如图74所示中对发电机中性点侧作如下安排：每相的1、2分支，3分支，4、5分支分别组成三组，三组形成三个中性点O1、O2、O3，通过O1O2和O2O3在中性点连线上接两个CT并装设两套单元件横差保护，并以“或”的形式输出，取得更好的效果。