孫宇光 ，黃子果 ，李 暉 ，余 波 ，洪 心 ，張新平 ，封孝松 ，劉 洪

（1.清華大學(xué) 電機(jī)系 電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.長(zhǎng)江電力 三峽梯級(jí)調(diào)度通信中心，四川 成都 610041；3.溪洛渡水力發(fā)電廠，云南 昭通 657300；4.向家壩水力發(fā)電廠，四川 宜賓 644612）

0 引言

大型發(fā)電機(jī)定子繞組一般采用雙層線棒，由于層間絕緣磨損或是端部交叉處絕緣破壞，可能造成繞組內(nèi)部的短路故障[1-2]。理論分析、樣機(jī)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)實(shí)踐都表明，定子內(nèi)部短路故障會(huì)在很短時(shí)間內(nèi)給發(fā)電機(jī)造成災(zāi)難性的破壞，甚至嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。配置靈敏、可靠的主保護(hù)是應(yīng)對(duì)這類故障的首選措施，一旦故障發(fā)生，保護(hù)能夠靈敏動(dòng)作、切除發(fā)電機(jī)，使故障損失控制在最小范圍[3-5]。

為設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的發(fā)電機(jī)主保護(hù)，必須掌握內(nèi)部短路后發(fā)電機(jī)各種電氣量的變化規(guī)律。20世紀(jì)80年代，文獻(xiàn)[6-7]提出了交流電機(jī)的多回路分析技術(shù)，突破了國(guó)內(nèi)外傳統(tǒng)電機(jī)理論無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算繞組內(nèi)部故障等特殊問(wèn)題的局限性。應(yīng)用多回路分析技術(shù)建立的定子內(nèi)部故障數(shù)學(xué)模型，是按照繞組實(shí)際聯(lián)接情況列寫電機(jī)定、轉(zhuǎn)子各回路的電壓方程和磁鏈方程而得到的一組微分方程，其階數(shù)等于回路總數(shù)（包括正常聯(lián)接的定子回路、勵(lì)磁繞組回路、籠型結(jié)構(gòu)的阻尼回路和內(nèi)部短路形成的定子故障附加回路），其系數(shù)矩陣由電機(jī)各回路的電感系數(shù)和電阻構(gòu)成。電感系數(shù)的準(zhǔn)確計(jì)算是多回路數(shù)學(xué)模型的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，在不考慮嚴(yán)重的飽和等非線性因素時(shí)，一般可由氣隙磁導(dǎo)分析法先計(jì)算出與單個(gè)線圈（包括定子單個(gè)線圈、籠形阻尼繞組中由相鄰2根阻尼條及其端環(huán)構(gòu)成的單個(gè)回路和正常聯(lián)接的勵(lì)磁繞組）有關(guān)的電感系數(shù)，計(jì)算中考慮了空間磁場(chǎng)諧波、凸極電機(jī)的不均勻氣隙、鐵芯齒槽影響和磁路飽和等多種因素；然后按照實(shí)際回路（尤其是發(fā)生短路的定子回路）的聯(lián)接方式將相應(yīng)線圈的電感系數(shù)疊加起來(lái)，得到回路電感系數(shù)，從而也計(jì)及了繞組的空間分布和聯(lián)接方式、內(nèi)部短路的故障類型和發(fā)生位置等因素[8-10]。

基于上述多回路數(shù)學(xué)模型，清華大學(xué)電機(jī)系相關(guān)課題組編寫了發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的穩(wěn)態(tài)仿真分析軟件，能夠得到定子和轉(zhuǎn)子各處電流、電壓的穩(wěn)態(tài)解，仿真結(jié)果與多臺(tái)電機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，并于2001年通過(guò)了國(guó)家鑒定，為主保護(hù)方案的靈敏度分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)確的理論依據(jù)[10]，已經(jīng)成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多座電站的發(fā)電機(jī)主保護(hù)設(shè)計(jì)中[11-17]。

如前文所述，多回路數(shù)學(xué)模型準(zhǔn)確地考慮了發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部短路故障的各種影響因素，這就需要在軟件中輸入電機(jī)的多種原始參數(shù)，主要包括[10]：

a.電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)尺寸（包括極對(duì)數(shù)、定子及轉(zhuǎn)子鐵芯的軸向長(zhǎng)度、定子鐵芯內(nèi)徑、凸極電機(jī)的最大和最小氣隙長(zhǎng)度等）和鐵芯材料特性；

b.定子繞組電阻和結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括定子每相并聯(lián)分支數(shù)、槽數(shù)、槽形及尺寸、線圈串聯(lián)匝數(shù)和節(jié)距、線圈端部的結(jié)構(gòu)尺寸等；

c.正常和故障情況的定子繞組聯(lián)接表；

d.勵(lì)磁繞組電阻和結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括并聯(lián)分支數(shù)、每極串聯(lián)匝數(shù)、凸極電機(jī)的磁極結(jié)構(gòu)尺寸或隱極電機(jī)分布式勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)尺寸（包括實(shí)槽數(shù)及分度數(shù)、槽形及尺寸、每個(gè)同心式線圈的串聯(lián)匝數(shù)和端部結(jié)構(gòu)尺寸）等；

e.阻尼繞組電阻和結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括阻尼條數(shù)、阻尼槽的分布位置和槽形尺寸、阻尼端環(huán)的形狀及尺寸等。

上述原始參數(shù)中，參數(shù)a和b、參數(shù)a和d、參數(shù)a和e分別是計(jì)算定子單個(gè)線圈、勵(lì)磁繞組、阻尼繞組電感系數(shù)所需的。除此以外，計(jì)算定子回路電感系數(shù)還需要參數(shù)c。這些參數(shù)大多不在電機(jī)常見的出廠數(shù)據(jù)中，必須請(qǐng)電機(jī)制造廠提供非常詳細(xì)的原始資料單，由用戶進(jìn)行正確的分析后，從中提取出來(lái)輸入到軟件中。由于每種型號(hào)的電機(jī)都需要輸入獨(dú)特的原始參數(shù)，而無(wú)法根據(jù)容量、電壓等級(jí)等定制通用的輸入文件，這就要求用戶深入理解參數(shù)計(jì)算的方法和具體過(guò)程，否則經(jīng)常出現(xiàn)因輸入數(shù)據(jù)不合理而造成程序計(jì)算錯(cuò)誤甚至根本無(wú)法計(jì)算的情況，這極大地限制了2001版內(nèi)部故障仿真軟件向廣大電力工作者的推廣應(yīng)用。

隨著發(fā)電容量的增大，對(duì)各電站安全可靠運(yùn)行提出了更高的要求。對(duì)大型發(fā)電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的故障分析與計(jì)算，是正確整定保護(hù)定值的重要基礎(chǔ)工作，有助于提高繼電保護(hù)的運(yùn)行管理水平。對(duì)于數(shù)目巨大、機(jī)理復(fù)雜的發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障，很多電站的技術(shù)人員希望借助軟件，也能方便地進(jìn)行仿真計(jì)算和保護(hù)靈敏度校驗(yàn)。為此，本文在2001版內(nèi)部故障仿真軟件的基礎(chǔ)上，將一些電站發(fā)電機(jī)的原始數(shù)據(jù)預(yù)置于軟件的后臺(tái)程序中，為用戶節(jié)約了時(shí)間，也避免輸入不當(dāng)導(dǎo)致的錯(cuò)誤，并且進(jìn)行了圖形界面化的改進(jìn)，提供了內(nèi)容全面、交互友好的結(jié)果查看功能。用戶只要在圖形界面中方便地選擇故障類型和具體位置，就能在軟件中進(jìn)行故障暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)仿真。該軟件不僅能圖文交互地顯示各分支電流，還能在用戶自行指定的整定值下進(jìn)行各種主保護(hù)的靈敏度校驗(yàn)并在工作特性圖中清楚地顯示動(dòng)作性能。通過(guò)在幾個(gè)電站的試用，軟件得到了運(yùn)行技術(shù)人員的認(rèn)可，為保障電站設(shè)備安全運(yùn)行發(fā)揮了基礎(chǔ)性作用。

1 軟件主要功能及特點(diǎn)

本文介紹的圖形界面化的大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路故障分析與計(jì)算軟件，以基于多回路理論的定子繞組內(nèi)部故障計(jì)算方法為核心，主要包括故障類型和發(fā)生位置的確定、內(nèi)部短路故障暫態(tài)與穩(wěn)態(tài)計(jì)算、計(jì)算結(jié)果的交互式查看、各種主保護(hù)靈敏度的交互式計(jì)算及圖形化顯示等主要功能。對(duì)于原始參數(shù)已預(yù)置于軟件中的發(fā)電機(jī)，用戶無(wú)需進(jìn)行繁瑣的數(shù)據(jù)輸入工作就可直接進(jìn)行分析、計(jì)算。下面以向家壩右岸電站發(fā)電機(jī)[16]的計(jì)算與分析界面為例，詳細(xì)介紹軟件的各種功能及特點(diǎn)。向家壩右岸電站發(fā)電機(jī)由天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司制造，本文中簡(jiǎn)稱為向家壩Alstom發(fā)電機(jī)，其參數(shù)見表1。

表1 向家壩Alstom發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of Xiangjiaba Alstom generator

為便于敘述，下文中的界面圖均進(jìn)行了簡(jiǎn)化，省略了界面左側(cè)的發(fā)電機(jī)基本參數(shù)，僅示出分析和仿真需要的部分。

1.1 故障類型和發(fā)生位置的確定

本軟件分析的故障并不是任意設(shè)定的，而是發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部短路故障，包括同槽故障和端部故障，都是根據(jù)電機(jī)制造廠提供的繞組連接圖，分析出的任意2根導(dǎo)線相鄰而可能發(fā)生的短路故障[1]。軟件已整合了故障形式的分析過(guò)程，用戶無(wú)需輸入繁瑣的定子繞組聯(lián)接表[10]，只要根據(jù)軟件提示，指定故障所在的槽號(hào)及故障編號(hào)，軟件會(huì)自動(dòng)分析出相應(yīng)的短路類型和位置，并顯示在圖形界面中。另外，軟件還從發(fā)電機(jī)所有可能發(fā)生的內(nèi)部短路故障中，選取了若干個(gè)對(duì)主保護(hù)設(shè)計(jì)及定值整定具有指導(dǎo)意義的典型故障，用戶直接點(diǎn)擊后也會(huì)在圖形界面中顯示。

這部分功能在軟件主界面右半部分的3個(gè)故障分析選項(xiàng)卡中。以圖1所示的“端部故障分析”界面為例，用戶根據(jù)軟件提示輸入發(fā)生短路的槽號(hào)和故障序號(hào)后，點(diǎn)擊“端部故障詳細(xì)分析”按鈕，軟件就會(huì)自動(dòng)分析出這個(gè)故障的2個(gè)短路點(diǎn)位置，并以帶箭頭的實(shí)線顯示在圖2所示的故障計(jì)算界面中。

圖1 向家壩Alstom發(fā)電機(jī)的端部故障分析界面Fig.1 Terminal fault analysis interface of Xiangjiaba Alstom generator

在圖1所示的軟件主界面中，如果點(diǎn)擊“典型故障分析”選項(xiàng)卡，則會(huì)顯示如圖3所示的典型故障分析界面，用戶點(diǎn)擊任一種帶下劃線的典型內(nèi)部故障，軟件也會(huì)進(jìn)入該故障的計(jì)算頁(yè)面（類似圖2）。

1.2 內(nèi)部短路故障的仿真計(jì)算

基于多回路理論的定子內(nèi)部故障仿真計(jì)算是整個(gè)軟件的核心部分。在引言部分已經(jīng)論述，發(fā)電機(jī)定子內(nèi)部短路的多回路數(shù)學(xué)模型是一組時(shí)變系數(shù)的微分方程，那么一般可用數(shù)值積分法（比如4階龍格-庫(kù)塔法）求得定、轉(zhuǎn)子各處電流在整個(gè)過(guò)渡過(guò)程中的暫態(tài)時(shí)步解。

圖2 向家壩Alstom發(fā)電機(jī)的故障計(jì)算界面Fig.2 Fault calculation interface of Xiangjiaba Alstom generator

圖3 向家壩Alstom發(fā)電機(jī)的典型故障分析界面Fig.3 Typical fault analysis interface of Xiangjiaba Alstom generator

但大型水輪發(fā)電機(jī)由于定子支路數(shù)、極對(duì)數(shù)、阻尼回路數(shù)都較多，多回路數(shù)學(xué)模型形成的微分方程組階數(shù)一般很高，暫態(tài)仿真的求解速度比較慢，如果要得到穩(wěn)態(tài)解需花費(fèi)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間[8]?；趯?duì)內(nèi)部短路故障穩(wěn)態(tài)過(guò)程中電機(jī)內(nèi)部物理概念的理論分析，可以巧妙地將微分方程組轉(zhuǎn)化為線性代數(shù)方程組，從而直接求出各回路穩(wěn)態(tài)電氣量的各次諧波有效值及相位[10]。定子內(nèi)部短路的這種穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法，已成功地解決了大型凸極電機(jī)內(nèi)部故障的快速分析難題，并應(yīng)用于主保護(hù)的定量化設(shè)計(jì)中。

本軟件提供的仿真計(jì)算功能既可以求解暫態(tài)過(guò)程，也可以求解穩(wěn)態(tài)過(guò)程，包括聯(lián)網(wǎng)額定負(fù)載工況下的穩(wěn)態(tài)計(jì)算、單機(jī)空載工況下的穩(wěn)態(tài)計(jì)算、聯(lián)網(wǎng)額定負(fù)載工況下的暫態(tài)計(jì)算、單機(jī)空載工況下的暫態(tài)計(jì)算（見圖2所示故障計(jì)算界面的右側(cè)前4個(gè)按鈕），用戶可以自行點(diǎn)擊選擇。其中暫態(tài)計(jì)算由于耗時(shí)較長(zhǎng)，為避免用戶等候時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，只計(jì)算故障發(fā)生后2個(gè)工頻周期內(nèi)的時(shí)步解。

1.3 計(jì)算結(jié)果的交互式查看

完成對(duì)用戶指定的某種內(nèi)部短路故障的仿真計(jì)算后，軟件進(jìn)入結(jié)果查看與分析功能頁(yè)（如圖4所示）。用戶可以任意點(diǎn)擊圖中代表電流的箭頭或者界面下部的“查看 i（kl）”按鈕，將會(huì)彈出該處電流（包括主保護(hù)所配置的各TA電流）的計(jì)算波形和諧波分析結(jié)果（如圖5所示的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果），通過(guò)點(diǎn)擊“另存文本”和“另存圖像”按鈕還可保存該計(jì)算結(jié)果，方便以后調(diào)用比較。為對(duì)故障情況下不同分支電流進(jìn)行直觀的比較，還可點(diǎn)擊圖4中“比較電流”按鈕，彈出如圖6所示的界面，通過(guò)勾選電流，在同一個(gè)圖中觀察若干個(gè)不同的電流。

1.4 主保護(hù)的靈敏度校驗(yàn)和動(dòng)作性能分析

通過(guò)仿真計(jì)算得到內(nèi)部短路后繞組各分支電流后，根據(jù)各種主保護(hù)的工作原理，可計(jì)算進(jìn)入保護(hù)的差動(dòng)電流以及制動(dòng)電流的基波有效值，在確定的整定值下得到主保護(hù)靈敏度的理論值。對(duì)于發(fā)電機(jī)已經(jīng)配置的主保護(hù)，本軟件提供了靈敏度計(jì)算功能。在圖4所示的結(jié)果查看與分析功能頁(yè)，用戶只要點(diǎn)擊右側(cè)的主保護(hù)（都是軟件預(yù)置的發(fā)電機(jī)實(shí)際配置的主保護(hù)）按鈕，就可進(jìn)入相應(yīng)保護(hù)靈敏度的計(jì)算頁(yè)面（如圖7所示，其中IN為發(fā)電機(jī)相電流的額定值），用戶根據(jù)軟件提示輸入合理的整定值或者使用軟件預(yù)置的默認(rèn)值，軟件就會(huì)給出靈敏度的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于比率制動(dòng)式差動(dòng)保護(hù)，還會(huì)在圖形中自動(dòng)顯示三相工作點(diǎn)的位置，方便用戶判斷保護(hù)能否可靠動(dòng)作（只有工作點(diǎn)位于陰影區(qū)域上方，才能可靠動(dòng)作）。

圖4 向家壩Alstom發(fā)電機(jī)的結(jié)果查看與分析功能頁(yè)Fig.4 Result display and analysis interface of Xiangjiaba Alstom generator

圖5 穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算結(jié)果的圖文顯示Fig.5 Results display of steady-state simulation

圖6 暫態(tài)故障電流的波形比較Fig.6 Comparison between transient fault current waveforms

2 應(yīng)用實(shí)例分析

以向家壩Alstom發(fā)電機(jī)[6]為例，利用本軟件對(duì)一些典型故障進(jìn)行仿真計(jì)算和主保護(hù)靈敏度分析。

圖7 不完全縱差保護(hù)靈敏度的計(jì)算頁(yè)面Fig.7 Sensitivity calculation interface of incomplete longitudinal differential protection

2.1 小匝數(shù)相間短路

在圖3所示的典型故障分析界面，點(diǎn)擊“故障分支編號(hào)相同的小匝數(shù)相間短路”按鈕，會(huì)進(jìn)入圖2所示的故障計(jì)算界面中，該故障就是圖1所示的一種實(shí)際可能的端部故障，發(fā)生在b4與c4分支之間，2個(gè)短路點(diǎn)分別距中性點(diǎn)0個(gè)、2個(gè)線圈，距中性點(diǎn)共短路了2個(gè)線圈，屬于小匝數(shù)相間短路故障。

以聯(lián)網(wǎng)負(fù)載工況下的暫態(tài)計(jì)算結(jié)果為例，完成計(jì)算后點(diǎn)擊“比較電流”按鈕（在圖4所示的結(jié)果查看與分析功能頁(yè)中），可以直觀地看到三相各分支電流波形，如圖8（a）所示。本軟件提供的暫態(tài)計(jì)算波形中，前2個(gè)工頻周期（t=-40～0 ms）為故障前的正常運(yùn)行時(shí)段，短路發(fā)生在t=0時(shí)刻，后2個(gè)工頻周期（t=0～40 ms）為短路后的暫態(tài)過(guò)程。 從圖 8（a）可以看出，與正常運(yùn)行狀態(tài)相比，小匝數(shù)相間短路故障引起的所有分支機(jī)端側(cè)電流變化都不大，包括故障分支電流ib4、ic4，這是由于故障分支從短路點(diǎn)到機(jī)端的匝數(shù)與正常支路差不多；只有故障分支中性點(diǎn)側(cè)電流 i′b4、i′c4變化非常大，而且二者相差不大（都與短路回路電流ikl近似相等）、方向近于相反（參見圖6，也是該故障的計(jì)算結(jié)果）。

圖8 小匝數(shù)相間短路故障的計(jì)算結(jié)果Fig.8 Calculative results of less-turn inter-phase short circuit fault

如圖4所示，向家壩Alstom發(fā)電機(jī)每相7個(gè)分支，現(xiàn)有主保護(hù)是將每相分成 3 個(gè)支路組（1、3、6；4；2、5、7），引出 3個(gè)中性點(diǎn)，配置 2套不完全縱差保護(hù)、1套不完全裂相橫差保護(hù)和2套零序電流型橫差保護(hù)。對(duì)這些主保護(hù)進(jìn)行的靈敏度校驗(yàn)（利用圖4右側(cè)的5個(gè)主保護(hù)按鈕）表明，所有保護(hù)的靈敏度都低于1.5，在該小匝數(shù)相間短路故障時(shí)都不能可靠地動(dòng)作。

以不完全縱差保護(hù)1為例，各相的差動(dòng)電流由機(jī)端的相電流和7/3倍的第1、3、6分支的中性點(diǎn)側(cè)電流構(gòu)成。圖8（b）顯示了B相相應(yīng)電流的計(jì)算波形（即iB和iTA2），二者比較平衡（其中考慮與支路數(shù)有關(guān)的比率），這是由于即使在故障相，所有非故障分支和故障分支機(jī)端側(cè)電流比較平衡（參見圖8（a）），大致都為機(jī)端側(cè)相電流的1/7；而非故障相的差動(dòng)電流一般比故障相更小。所以不完全縱差保護(hù)1在三相都不能可靠動(dòng)作（靈敏度計(jì)算結(jié)果參見圖7）。對(duì)不完全縱差保護(hù)3和不完全裂相橫差保護(hù)的分析是類似的。

通過(guò)上述分析也可看到，由于向家壩Alstom發(fā)電機(jī)采用的主保護(hù)配置中，3套差動(dòng)保護(hù)都無(wú)法直接反映各相第4分支中性點(diǎn)側(cè)電流，所以對(duì)于發(fā)生在各相第4分支之間的小匝數(shù)相間短路都不能可靠動(dòng)作。

對(duì)發(fā)生在編號(hào)相同的分支之間的相間短路，即使故障的短路匝數(shù)較大，零序電流橫差保護(hù)的靈敏度也不高。這是由于數(shù)值較大的短路回路電流ikl并不直接流過(guò)兩中性點(diǎn)連線。以零序電流橫差保護(hù)2為例，進(jìn)入保護(hù)的動(dòng)作電流為 iTA02=ia4+i′b4+i′c4，對(duì)于這個(gè)相間故障，雖然 i′b4和 i′c4都很大，但二者方向近于相反（相當(dāng)于數(shù)值很大的短路回路電流ikl在這2個(gè)故障附加支路之間流過(guò)，參見圖6），疊加后進(jìn)入主保護(hù)電流互感器TA02會(huì)相互抵消（參見圖5的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果），保護(hù)也無(wú)法可靠動(dòng)作（動(dòng)作閾值一般為發(fā)電機(jī)額定電流的3/40，即1673.5 A）。

通過(guò)全面的計(jì)算和統(tǒng)計(jì)可知，向家壩Alstom發(fā)電機(jī)目前所配置的主保護(hù)對(duì)其可能發(fā)生的11種相間短路故障均無(wú)法可靠動(dòng)作，這些故障都發(fā)生在不同相的第4分支之間、（距中性點(diǎn)的）短路匝數(shù)為1～6。這些故障是受硬件投資所限而造成的主保護(hù)動(dòng)作死區(qū)，只有增設(shè)每相第4分支的中性點(diǎn)側(cè)TA和相應(yīng)的不完全縱差保護(hù)（或者完全縱差保護(hù)），保護(hù)才能在這些小匝數(shù)相間短路故障發(fā)生時(shí)可靠動(dòng)作。

2.2 小匝數(shù)同分支匝間短路

向家壩Alstom發(fā)電機(jī)的一種典型故障——短路1匝的同分支匝間短路（如圖3所示），發(fā)生在a4分支上，2個(gè)短路點(diǎn)位置相差1個(gè)線圈。以單機(jī)空載工況下的穩(wěn)態(tài)仿真為例，三相各分支及短路回路的穩(wěn)態(tài)電流如圖9所示。

圖9 小匝數(shù)同分支匝間短路故障的穩(wěn)態(tài)計(jì)算結(jié)果（單機(jī)空載工況）Fig.9 Results of steady-state simulation for less-turn co-branch inter-turn short circuit fault（single machine without load）

從圖9可見，一旦發(fā)生這樣的小匝數(shù)同分支匝間短路，定子繞組內(nèi)除了短路回路電流ikl以及短路匝電流（即ia4-ikl）非常大以外，其余各分支電流變化都很?。ǘ搪非皢螜C(jī)空載，所有分支電流都為0）。對(duì)各種主保護(hù)進(jìn)行靈敏度計(jì)算，結(jié)果都低于1.5，保護(hù)無(wú)法可靠動(dòng)作（參見圖10）。

對(duì)于這種小匝數(shù)的同分支匝間短路，由于現(xiàn)有主保護(hù)的各種TA都無(wú)法檢測(cè)到僅存在于短路回路（包括短路匝）內(nèi)部的巨大電流，所以很難可靠動(dòng)作。計(jì)算和統(tǒng)計(jì)表明，向家壩Alstom發(fā)電機(jī)目前所配置的主保護(hù)對(duì)其可能發(fā)生的53種同分支匝間短路故障無(wú)法可靠動(dòng)作，其短路匝數(shù)僅為1～3。這些故障是由定子繞組分布與聯(lián)接方式而決定的發(fā)電機(jī)固有的主保護(hù)動(dòng)作死區(qū)，即使采用其他的主保護(hù)配置也很難進(jìn)一步減少同分支匝間短路故障的保護(hù)死區(qū)。

圖10 向家壩Alstom發(fā)電機(jī)小匝數(shù)同分支匝間短路的主保護(hù)靈敏度計(jì)算Fig.10 Calculation of main protection sensitivity to less-turn co-branch inter-turn short circuit fault of Xiangjiaba Alstom generator

3 結(jié)論

基于已通過(guò)多種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的交流電機(jī)定子內(nèi)部故障的多回路分析方法，本文開發(fā)了圖形界面化的大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障分析軟件，具有界面友好、功能全面、輸出直觀、交互方便的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用該軟件對(duì)大型發(fā)電機(jī)的典型內(nèi)部短路故障進(jìn)行了仿真計(jì)算和主保護(hù)動(dòng)作性能分析，由此分析了常見主保護(hù)動(dòng)作死區(qū)的形式和電流分布特點(diǎn)，對(duì)主保護(hù)配置方案的設(shè)計(jì)及定值整定具有指導(dǎo)意義。作為電氣故障分析和保護(hù)靈敏度校驗(yàn)的可靠工具，該軟件已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)若干電站，受到電廠運(yùn)行人員的認(rèn)可，為提高繼電保護(hù)的運(yùn)行管理水平、保障電站設(shè)備的安全運(yùn)行發(fā)揮了基礎(chǔ)性作用。