大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置方法
专利名称：大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置方法
技术领域：
本发明属于交流电机的设计制造和电力系统主设备的继电保护技术领域，尤其涉及大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置。
背景技术：
大型汽轮发电机定子绕组内部故障是电机常见的破坏性很强的故障。内部故障时很大的短路电流会产生破坏性严重的电磁力，也可能产生过热，烧毁绕组和铁芯。故障产生的负序磁场可能大大超过设计允许值，造成转子的严重损伤。因此，我国继电保护技术规程明确规定大型汽轮发电机需装设定子绕组相间和匝间短路保护。
但是现有的汽轮发电机绝大多数中性点侧只引出3个端子(参见图1)，只能装设完全纵差保护，而该保护仅能反应汽轮发电机定子绕组的相间短路，对匝间短路并不能动作。
研究结果表明在汽轮发电机中性点侧引出4个或6个出线端子并装设分支电流互感器(参见图2和图3，电流互感器用TA表示)，采用零序电流型横差保护+不完全纵差保护或者裂相横差保护+不完全纵差保护的主保护配置方案将大大提高保护方案的性能。
但是，对于发电机设计制造而言，即使只增加1个引出端子，都要在出线结构上做重大改动(参见图4)。经电机设计人员分析有以下几种方案可供选择一是加长出线罩，二是加宽出线罩；三是在机座上方增加一个出线罩。但是方案一受到电机外形尺寸和300MW及以上的汽轮发电机必须采用TPY型TA(外径1000mm左右)的制约；方案二势必降低端盖轴承的支撑刚度，将使临界转速降低和减小稳定性；方案三受到常用汽轮发电机冷却方式——背包式冷却器的制约。另外，上述措施均将影响机组定子的运输(其运输尺寸已达到极限)、机坑和厂房的设计等很多方面，使得图2和图3所示的技改实施起来难度很大。
可见，为了克服上述两种方案的缺陷，必须研究新的中性点引出方式及保护配置方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型汽轮发电机新型中性点引出方式及保护配置方法。
为了保证大型汽轮发电机的安全运行，本发明提出了大型汽轮发电机新型中性点引出方式及保护配置方法。其原理是在不改变汽轮发电机中性点侧引出端子数的前提下(以降低电机设计制造的难度)，通过合理改变发电机各相各分支引线线棒的组合方式以形成新的中性点侧引出端子。包括以下步骤(参见图5)(1)将汽轮发电机A、B相的第2分支(或第1分支)单独引出以形成中性点侧第1个和第2个引出端子，并在第1个和第2个引出端子上装设分支电流互感器TA1和TA2；(2)将A1、B1、C1和C2分支(或A2、B2、C1和C2分支)接在一起以形成中性点侧第3个引出端子，并在第3个引出端子上装设电流互感器TA3；(3)通过A相机端的电流互感器TA4和中性点侧的电流互感器TA1构成传统的不完全纵差保护；
(4)通过B相机端的电流互感器TA5和中性点侧的电流互感器TA2构成传统的不完全纵差保护；(5)通过C相机端的电流互感器TA6和中性点侧的电流互感器TA3构成一种差动保护方案，其动作特性的整定同传统的不完全纵差保护。
实验证明上述三种保护方案不能可靠动作的端部故障类型可以包括C相的小匝数同相同分支匝间短路、C相的大匝数同相同分支匝间短路以及短路分支的短路点相差很远的相间短路；同时，又降低了电机设计制造的难度。
图1为本发明中汽轮发电机传统的出线方式和保护配置图。
图2为本发明中汽轮发电机中性点侧引出4个端子并装设零序电流型横差和不完全纵差保护配置图。
图3为本发明中汽轮发电机中性点侧引出6个端子并装设裂相横差和不完全纵差保护配置图。
图4为本发明中大型汽轮发电机外形尺寸示意图。
图5为本发明中大型汽轮发电机新型中性点引出方式及保护配置图。
图6为本发明中新型主保护方案不能可靠动作的故障类型示意图。
图7为本发明中一则大匝数同相同分支匝间短路示意图。
具体实施例方式
为了验证上述新型中性点引出方式及保护方案的性能，下面以两台300MW汽轮发电机(定子槽数分别为54槽和60槽)为例，运用“多回路分析法”，在全面的内部故障仿真计算的基础上对其灵敏度进行了分析计算。
表1 两台300MW汽轮发电机实际可能发生的同槽和端部故障
表2 两台汽轮发电机并网空载时对端部故障图5所示主保护方案不能动作故障数及其性质
表1所示内部故障的确定依据是电机制造厂提供的定子绕组连接图，所有这些短路都不是任意设定的。表2对图5所示的主保护方案不能可靠动作故障数(以灵敏度Ksen＜1.5为界，主保护方案动作特性的整定参见《整定计算导则》)及其性质进行了统计分析，发现其不能动作故障数占故障总数的2％左右，而图1所示的主保护方案不能动作故障数占故障总数的20％左右。图5所示的新型中性点引出方式及保护方案的性能要显著优于传统的发电机中性点引出方式及保护方案的配置，并且该方案不需增加任何硬件投资，已经得到了电机制造厂的认可。
通过进一步分析，发现图5所示主保护方案不能可靠动作的端部故障类型包括C相的小匝数同相同分支匝间短路(参见图6实线箭头所示)、C相的大匝数同相同分支匝间短路(参见图6虚线箭头所示)和短路分支的短路点相差很远的相间短路(参见图6点划线箭头所示，A1(或B1)分支的短路点靠近中性点侧，C1(或C2)分支的短路点靠近机端)。由于虚线和点划线箭头所示故障实质上是相同的，下面以C1分支大匝数同相同分支匝问短路(参见图7)为例进行分析。
图7中虚线箭头所示故障为54槽汽轮发电机在并网空载运行方式下，C相第1支路第1号线圈的下层边和C相第1支路第9号线圈的上层边在端部交叉处发生同相同分支匝间短路，短路匝数为7匝。各支路(包括短路附加支路)基波电流的大小(有效值，单位为A，下同)和相位如下所示 由于是大匝数同相同分支匝间短路，气隙磁场仍以空间基波为主，非故障相两分支电流的大小和相位相差不大(若为C1分支首尾短接，则非故障相两分支电流均相同)，导致非故障相不完全纵差保护两侧电流的大小和相位相差不大，使得差动电流太小而制动电流较大，所以非故障相保护的灵敏度不高，A、B相不完全纵差的灵敏系数分别为0.932、0.904。
下面再来具体分析一下C相新型差动保护的两侧电流 和 I·1=I·C1+I·C2,I·2=2×(I·A1+I·B1+I·C1+I·C2),]]>故I·2-I·1=2I·A1+2I·B1+I·C1+I·C2,]]>由于I·A1≈I·A2,I·B1≈I·B2,]]>所以I·2-I·1=I·A1+I·A2+I·B1+I·B2+I·C1+I·C2=I·A+I·B+I·C.]]>由于大型发电机一般视为中性点不接地系统，故根据基尔霍夫电流定律，I·A+I·B+I·C=0,]]>所以C相差动保护两侧电流之差也很小，如上所述，C相差动保护的灵敏系数也不高，仅为0.684。
通过上面的定性分析，认识到图7所示故障确实为新型保护方案的动作死区，更进一步说明仿真计算与统计分析的正确性。
权利要求
1.一种大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置方法，其特征在于，在维持汽轮发电机中性点侧引出端子数为3的前提下，通过改变所述发电机各相各分支引线线棒的组合方式以形成下面所述的中性点侧引出端子，它依次含有以下步骤步骤1.把汽轮发电机A相、B相的第2分支，分别用A2、B2表示，单独引出以形成中性点侧第1个和第2个引出端子，并在所述第1个和第2个引出端子上装设分支电流互感器TA1和TA2；步骤2.把用A1表示的A相第1分支、用B1表示的B相第1分支、分别用C1、C2表示的C相第1分支和第2分支接在一起以形成中性点侧第3个引出端子，并在所述第3个引出端子上装设电流互感器TA3；步骤3.在A相机端接一个电流互感器TA4，它和所述中性点侧的电流互感器TA1构成传统的不完全纵差保护；步骤4.在B相机端接一个电流互感器TA5，它和所述中性点侧的电流互感器TA2构成传统的不完全纵差保护；步骤5.在C相机端接电流互感器TA6，它和中性点侧的电流互感器TA3构成一种差动保护，它的动作特性的整定与传统的不完全纵差保护相同，在发电机正常运行或外部故障时，C相的差动保护两侧电流之差很小；同时，与上述三种保护方案相应的不能可靠动作的故障类型包括C相的小匝数同相同分支匝间短路；C相的大匝数同相同分支匝间短路；短路分支的短路点相差很远的相间短路。
2.根据权利要求1所述的一种大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置方法，其特征在于所述的步骤1中的A相、B相的第2分支分别用A相、B相的第1分支代替；所述的步骤2中的A相第1分支、B相第1分支分别依次用A相第2分支、B相第2分支代替，C相的第1、第2分支维持原样。
全文摘要
大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置方法，属于交流电机的设计制造领域。本发明在不改变汽轮发电机中性点侧引出端子数的前提下，将A、B相的第2分支(或第1分支)单独引出并分别装设分支TA，再将A1、B1、C1和C2分支(或A2、B2、C1和C2分支)接在一起形成中性点侧第3个引出端子并装设TA；通过A、B相的TA可构成传统的不完全纵差保护，通过C相的TA则构成一种新型的差动保护方案。通过两台300MW汽轮发电机全面的内部故障仿真计算和保护方案灵敏度的校核，本发明的性能显著优于传统的发电机中性点引出方式及保护方案的配置，并且不需增加任何硬件投资，已经得到了电机制造厂的认可。
文档编号H02H7/06GK1665093SQ20051001144
公开日2005年9月7日 申请日期2005年3月18日 优先权日2005年3月18日
发明者桂林, 王祥珩, 王维俭, 孙宇光 申请人:清华大学
技术领域：
本发明属于交流电机的设计制造和电力系统主设备的继电保护技术领域，尤其涉及大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置。
背景技术：
大型汽轮发电机定子绕组内部故障是电机常见的破坏性很强的故障。内部故障时很大的短路电流会产生破坏性严重的电磁力，也可能产生过热，烧毁绕组和铁芯。故障产生的负序磁场可能大大超过设计允许值，造成转子的严重损伤。因此，我国继电保护技术规程明确规定大型汽轮发电机需装设定子绕组相间和匝间短路保护。
但是现有的汽轮发电机绝大多数中性点侧只引出3个端子(参见图1)，只能装设完全纵差保护，而该保护仅能反应汽轮发电机定子绕组的相间短路，对匝间短路并不能动作。
研究结果表明在汽轮发电机中性点侧引出4个或6个出线端子并装设分支电流互感器(参见图2和图3，电流互感器用TA表示)，采用零序电流型横差保护+不完全纵差保护或者裂相横差保护+不完全纵差保护的主保护配置方案将大大提高保护方案的性能。
但是，对于发电机设计制造而言，即使只增加1个引出端子，都要在出线结构上做重大改动(参见图4)。经电机设计人员分析有以下几种方案可供选择一是加长出线罩，二是加宽出线罩；三是在机座上方增加一个出线罩。但是方案一受到电机外形尺寸和300MW及以上的汽轮发电机必须采用TPY型TA(外径1000mm左右)的制约；方案二势必降低端盖轴承的支撑刚度，将使临界转速降低和减小稳定性；方案三受到常用汽轮发电机冷却方式——背包式冷却器的制约。另外，上述措施均将影响机组定子的运输(其运输尺寸已达到极限)、机坑和厂房的设计等很多方面，使得图2和图3所示的技改实施起来难度很大。
可见，为了克服上述两种方案的缺陷，必须研究新的中性点引出方式及保护配置方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型汽轮发电机新型中性点引出方式及保护配置方法。
为了保证大型汽轮发电机的安全运行，本发明提出了大型汽轮发电机新型中性点引出方式及保护配置方法。其原理是在不改变汽轮发电机中性点侧引出端子数的前提下(以降低电机设计制造的难度)，通过合理改变发电机各相各分支引线线棒的组合方式以形成新的中性点侧引出端子。包括以下步骤(参见图5)(1)将汽轮发电机A、B相的第2分支(或第1分支)单独引出以形成中性点侧第1个和第2个引出端子，并在第1个和第2个引出端子上装设分支电流互感器TA1和TA2；(2)将A1、B1、C1和C2分支(或A2、B2、C1和C2分支)接在一起以形成中性点侧第3个引出端子，并在第3个引出端子上装设电流互感器TA3；(3)通过A相机端的电流互感器TA4和中性点侧的电流互感器TA1构成传统的不完全纵差保护；
(4)通过B相机端的电流互感器TA5和中性点侧的电流互感器TA2构成传统的不完全纵差保护；(5)通过C相机端的电流互感器TA6和中性点侧的电流互感器TA3构成一种差动保护方案，其动作特性的整定同传统的不完全纵差保护。
实验证明上述三种保护方案不能可靠动作的端部故障类型可以包括C相的小匝数同相同分支匝间短路、C相的大匝数同相同分支匝间短路以及短路分支的短路点相差很远的相间短路；同时，又降低了电机设计制造的难度。
图1为本发明中汽轮发电机传统的出线方式和保护配置图。
图2为本发明中汽轮发电机中性点侧引出4个端子并装设零序电流型横差和不完全纵差保护配置图。
图3为本发明中汽轮发电机中性点侧引出6个端子并装设裂相横差和不完全纵差保护配置图。
图4为本发明中大型汽轮发电机外形尺寸示意图。
图5为本发明中大型汽轮发电机新型中性点引出方式及保护配置图。
图6为本发明中新型主保护方案不能可靠动作的故障类型示意图。
图7为本发明中一则大匝数同相同分支匝间短路示意图。
具体实施例方式
为了验证上述新型中性点引出方式及保护方案的性能，下面以两台300MW汽轮发电机(定子槽数分别为54槽和60槽)为例，运用“多回路分析法”，在全面的内部故障仿真计算的基础上对其灵敏度进行了分析计算。
表1 两台300MW汽轮发电机实际可能发生的同槽和端部故障
表2 两台汽轮发电机并网空载时对端部故障图5所示主保护方案不能动作故障数及其性质
表1所示内部故障的确定依据是电机制造厂提供的定子绕组连接图，所有这些短路都不是任意设定的。表2对图5所示的主保护方案不能可靠动作故障数(以灵敏度Ksen＜1.5为界，主保护方案动作特性的整定参见《整定计算导则》)及其性质进行了统计分析，发现其不能动作故障数占故障总数的2％左右，而图1所示的主保护方案不能动作故障数占故障总数的20％左右。图5所示的新型中性点引出方式及保护方案的性能要显著优于传统的发电机中性点引出方式及保护方案的配置，并且该方案不需增加任何硬件投资，已经得到了电机制造厂的认可。
通过进一步分析，发现图5所示主保护方案不能可靠动作的端部故障类型包括C相的小匝数同相同分支匝间短路(参见图6实线箭头所示)、C相的大匝数同相同分支匝间短路(参见图6虚线箭头所示)和短路分支的短路点相差很远的相间短路(参见图6点划线箭头所示，A1(或B1)分支的短路点靠近中性点侧，C1(或C2)分支的短路点靠近机端)。由于虚线和点划线箭头所示故障实质上是相同的，下面以C1分支大匝数同相同分支匝问短路(参见图7)为例进行分析。
图7中虚线箭头所示故障为54槽汽轮发电机在并网空载运行方式下，C相第1支路第1号线圈的下层边和C相第1支路第9号线圈的上层边在端部交叉处发生同相同分支匝间短路，短路匝数为7匝。各支路(包括短路附加支路)基波电流的大小(有效值，单位为A，下同)和相位如下所示 由于是大匝数同相同分支匝间短路，气隙磁场仍以空间基波为主，非故障相两分支电流的大小和相位相差不大(若为C1分支首尾短接，则非故障相两分支电流均相同)，导致非故障相不完全纵差保护两侧电流的大小和相位相差不大，使得差动电流太小而制动电流较大，所以非故障相保护的灵敏度不高，A、B相不完全纵差的灵敏系数分别为0.932、0.904。
下面再来具体分析一下C相新型差动保护的两侧电流 和 I·1=I·C1+I·C2,I·2=2×(I·A1+I·B1+I·C1+I·C2),]]>故I·2-I·1=2I·A1+2I·B1+I·C1+I·C2,]]>由于I·A1≈I·A2,I·B1≈I·B2,]]>所以I·2-I·1=I·A1+I·A2+I·B1+I·B2+I·C1+I·C2=I·A+I·B+I·C.]]>由于大型发电机一般视为中性点不接地系统，故根据基尔霍夫电流定律，I·A+I·B+I·C=0,]]>所以C相差动保护两侧电流之差也很小，如上所述，C相差动保护的灵敏系数也不高，仅为0.684。
通过上面的定性分析，认识到图7所示故障确实为新型保护方案的动作死区，更进一步说明仿真计算与统计分析的正确性。
权利要求
1.一种大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置方法，其特征在于，在维持汽轮发电机中性点侧引出端子数为3的前提下，通过改变所述发电机各相各分支引线线棒的组合方式以形成下面所述的中性点侧引出端子，它依次含有以下步骤步骤1.把汽轮发电机A相、B相的第2分支，分别用A2、B2表示，单独引出以形成中性点侧第1个和第2个引出端子，并在所述第1个和第2个引出端子上装设分支电流互感器TA1和TA2；步骤2.把用A1表示的A相第1分支、用B1表示的B相第1分支、分别用C1、C2表示的C相第1分支和第2分支接在一起以形成中性点侧第3个引出端子，并在所述第3个引出端子上装设电流互感器TA3；步骤3.在A相机端接一个电流互感器TA4，它和所述中性点侧的电流互感器TA1构成传统的不完全纵差保护；步骤4.在B相机端接一个电流互感器TA5，它和所述中性点侧的电流互感器TA2构成传统的不完全纵差保护；步骤5.在C相机端接电流互感器TA6，它和中性点侧的电流互感器TA3构成一种差动保护，它的动作特性的整定与传统的不完全纵差保护相同，在发电机正常运行或外部故障时，C相的差动保护两侧电流之差很小；同时，与上述三种保护方案相应的不能可靠动作的故障类型包括C相的小匝数同相同分支匝间短路；C相的大匝数同相同分支匝间短路；短路分支的短路点相差很远的相间短路。
2.根据权利要求1所述的一种大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置方法，其特征在于所述的步骤1中的A相、B相的第2分支分别用A相、B相的第1分支代替；所述的步骤2中的A相第1分支、B相第1分支分别依次用A相第2分支、B相第2分支代替，C相的第1、第2分支维持原样。
全文摘要
大型汽轮发电机中性点引出方式及保护配置方法，属于交流电机的设计制造领域。本发明在不改变汽轮发电机中性点侧引出端子数的前提下，将A、B相的第2分支(或第1分支)单独引出并分别装设分支TA，再将A1、B1、C1和C2分支(或A2、B2、C1和C2分支)接在一起形成中性点侧第3个引出端子并装设TA；通过A、B相的TA可构成传统的不完全纵差保护，通过C相的TA则构成一种新型的差动保护方案。通过两台300MW汽轮发电机全面的内部故障仿真计算和保护方案灵敏度的校核，本发明的性能显著优于传统的发电机中性点引出方式及保护方案的配置，并且不需增加任何硬件投资，已经得到了电机制造厂的认可。
文档编号H02H7/06GK1665093SQ20051001144
公开日2005年9月7日 申请日期2005年3月18日 优先权日2005年3月18日
发明者桂林, 王祥珩, 王维俭, 孙宇光 申请人:清华大学
最新回复(0)