孫宇光，王炳輝 ，徐 偉，蔣程晟

（1.清華大學(xué) 電機(jī)系 電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205）

0 引言

從20世紀(jì)90年代開始，我國(guó)抽水蓄能電站進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。與一般水輪發(fā)電機(jī)相比，抽水蓄能電站的發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況更復(fù)雜、運(yùn)行環(huán)境更惡劣。隨著機(jī)組運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，出現(xiàn)過一些發(fā)電電動(dòng)機(jī)的事故和故障，其安全穩(wěn)定問題值得關(guān)注［1-3］。比如勵(lì)磁繞組匝間絕緣在高速、頻繁啟動(dòng)的發(fā)電電動(dòng)機(jī)中更容易磨損，造成轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組匝間短路故障的發(fā)生概率比一般水輪發(fā)電機(jī)更高。

盡管輕微的勵(lì)磁繞組匝間短路故障不會(huì)對(duì)同步電機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，但如果電機(jī)長(zhǎng)期帶故障運(yùn)行很可能造成短路匝數(shù)增大、故障程度加深，引起勵(lì)磁電流顯著增加、輸出無功功率減小、機(jī)組振動(dòng)加劇，短路點(diǎn)處的局部過熱還可能使故障演化為轉(zhuǎn)子一點(diǎn)甚至兩點(diǎn)接地故障，損壞轉(zhuǎn)子鐵芯并可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子大軸磁化，嚴(yán)重情況下還會(huì)燒傷軸頸和軸瓦，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來巨大威脅［4-5］?？紤]到勵(lì)磁繞組匝間短路的種種潛在危險(xiǎn)，如果能在發(fā)電電動(dòng)機(jī)運(yùn)行中對(duì)這種故障進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)處于萌芽期的小匝數(shù)故障，監(jiān)視其發(fā)展并確定是否需要檢修，就能避免輕微的故障惡化為嚴(yán)重的匝間短路或轉(zhuǎn)子接地故障，這對(duì)保障發(fā)電電動(dòng)機(jī)及電網(wǎng)系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的在線監(jiān)測(cè)原理及方法進(jìn)行了大量的研究，提出了檢測(cè)磁場(chǎng)變化的探測(cè)線圈法［6-7］、利用機(jī)組振動(dòng)特性［5，8］和軸電壓［9］的輔助判據(jù)以及基于電機(jī)電氣量［10-14］的多種在線監(jiān)測(cè)方法等，目前只有電氣量監(jiān)測(cè)方法比較適用于電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行現(xiàn)場(chǎng)。本文以江蘇宜興抽水蓄能電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)）為例，在對(duì)小匝數(shù)勵(lì)磁繞組匝間短路故障引起的電流變化進(jìn)行定量計(jì)算和特征分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有主保護(hù)配置和發(fā)電電動(dòng)機(jī)在實(shí)際正常運(yùn)行中的固有不平衡電流的特點(diǎn)，為一種通用的故障在線監(jiān)測(cè)方案［14］設(shè)定了合理的報(bào)警值，分析了該方案對(duì)小匝數(shù)故障靈敏性欠佳的原因，并為宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)提出了一種靈敏性更高的改進(jìn)方案，將其應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)裝置中。

1 中性點(diǎn)電流互感器對(duì)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的反映

近年來的研究表明，在多分支的同步發(fā)電機(jī)中，勵(lì)磁繞組匝間短路故障所引起的定子相繞組內(nèi)部各分支之間的不平衡電流，往往能夠反映在發(fā)電機(jī)主保護(hù)所配置的電流互感器中，可由此提取故障特征，進(jìn)行勵(lì)磁繞組匝間短路故障的在線監(jiān)測(cè)［15］。

研究發(fā)電電動(dòng)機(jī)利用現(xiàn)有主保護(hù)硬件配置對(duì)發(fā)電電動(dòng)機(jī)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，首先必須分析清楚各種電流互感器能夠反映勵(lì)磁繞組匝間短路的哪些故障特征。以宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)為例，其定子繞組每相4個(gè)分支，目前有2套主保護(hù)，即完全縱差保護(hù)和零序電流型橫差保護(hù)，其中后者是在相鄰支路分組的中性點(diǎn)引出方式下配置的，如圖1所示。

勵(lì)磁繞組匝間短路故障引起的同相并聯(lián)分支間的不平衡電流，其頻率一般不同于正常工況下的定子電流頻率（即電網(wǎng)頻率f0），穩(wěn)態(tài)諧波特征與電機(jī)的極對(duì)數(shù)、定子繞組的分布及聯(lián)接方式等因素密切相關(guān)［15］。宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)p=8，額定轉(zhuǎn)速nN=375 r／min；定子繞組采用雙層短距的疊繞組形式，線圈數(shù)Z=264，每相并聯(lián)分支數(shù)n=4，每分支由相鄰4（即2 p／n）極下對(duì)應(yīng)相帶的極相組串聯(lián)而成。由于每極每相線圈數(shù)q=11／2，相鄰兩極下的對(duì)應(yīng)相帶所含線圈數(shù)不等，比如圖2所示的A相繞組第1分支（首端A1、末端X1）中，在相鄰4極下分別包含6個(gè)正繞（+A）、5 個(gè)反繞（-A）、6 個(gè)正繞（+A）和 5 個(gè)反繞（-A）的串聯(lián)線圈。從圖2可以看到，A相其他3個(gè)分支的空間分布及聯(lián)接方式也具有相似特點(diǎn)，4個(gè)分支在空間上依次互差90°的機(jī)械角度，所以A相所有并聯(lián)支路在空間上具有對(duì)稱性。宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子B、C相繞組也具有同樣的特點(diǎn)，在此不再贅述。

圖1 宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)現(xiàn)有主保護(hù)及電流互感器配置示意圖Fig.1 Configuration of main protections and current transformers for Yixing generator／motor

圖2 宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子A相繞組分布與連接示意圖Fig.2 Distribution and connection of phase-A stator windings of Yixing generator／motor

文獻(xiàn)［16］中分析了宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障產(chǎn)生的1／8次（及類似的3／8次、5／8次等）、2／8次（及類似的 6／8次、10／8次等）和 4 ／8次（及類似的12／8次、20／8次等）空間諧波的氣隙磁場(chǎng)在同相4個(gè)并聯(lián)分支中引起的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的不同特點(diǎn)，論證了定子各分支會(huì)產(chǎn)生1／8次、2／8次、3／8次、5 ／8 次等（即除 4k ／8（k=1，2，…）次諧波以外的）分?jǐn)?shù)次諧波電流的勵(lì)磁繞組匝間短路故障特征。每種分?jǐn)?shù)次諧波電流在宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)的同相4個(gè)分支中大小相等但相位不同，造成了同相內(nèi)部各分支電流（瞬時(shí)值）的不平衡性；而且（理論上）其和為0，不會(huì)出現(xiàn)在相電流中。在同相兩相鄰分支（比如a1與a4）中，2／8次、6／8次等分?jǐn)?shù)次諧波電流的瞬時(shí)值大小相等而方向相反；但在同相兩相隔分支（比如a1與 a3分支）中，1／8次、3／8次、5／8次等分?jǐn)?shù)次諧波電流的瞬時(shí)值大小相等而方向相反。

勵(lì)磁繞組匝間短路在宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組中引起的上述故障特征，顯然無法反映在相電流互感器（TA1—TA6）中。而進(jìn)入中性點(diǎn)間電流互感器TA0的電流為三相中相鄰兩分支的電流之和，即：io1o2=ia1+ia4+ib1+ib4+ic1+ic4=-（ia2+ia3+ib2+ib3+ic2+ic3），其中，io1o2

為進(jìn)入 TA0的電流；ia1—ia4、ib1—ib4、ic1—ic4分別為A相、B相、C相繞組各分支的電流。

由于同相兩相鄰分支的2／8次、6／8次等分?jǐn)?shù)次諧波電流之和為0，（理論上）只有1／8次、3／8次、5／8次等分?jǐn)?shù)次諧波電流會(huì)出現(xiàn)在TA0中。

2 基于中性點(diǎn)不平衡電流的發(fā)電電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)通用方案

大型發(fā)電機(jī)及發(fā)電電動(dòng)機(jī)所配置的主保護(hù)，主要是起到對(duì)定子內(nèi)部短路故障進(jìn)行快速反應(yīng)，從而盡快切除故障的作用，因?yàn)檫@類定子故障引起的持續(xù)性短路電流和電磁力會(huì)對(duì)電機(jī)造成嚴(yán)重破壞。比如提取中性點(diǎn)不平衡電流的零序電流型橫差保護(hù)（參見圖1），在電機(jī)正常運(yùn)行及各種機(jī)端外部短路故障（比如兩相短路的故障）中，由于同相內(nèi)部各分支電流都相同，不平衡電流的理論值為0；而定子內(nèi)部短路故障會(huì)引起包含基波及3次、5次等奇數(shù)次諧波的不平衡電流，當(dāng)進(jìn)入電流互感器的基波不平衡電流超出保護(hù)整定值（目前的主保護(hù)取基波分量作為動(dòng)作量）時(shí)，零序電流型橫差保護(hù)就會(huì)快速動(dòng)作［17-18］。

通過第1節(jié)的分析可知，勵(lì)磁繞組匝間短路也會(huì)在發(fā)電（電動(dòng)）機(jī)中性點(diǎn)間引起不平衡電流，而且理論上這些不平衡電流中沒有基波及3次、5次等奇數(shù)次諧波，只有特定次數(shù)的分?jǐn)?shù)次諧波，比如在宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)間的μ=（2k+1）／8（k為整數(shù)）次諧波電流。已有的研究表明，常見的電機(jī)電氣故障中，機(jī)端外部故障不會(huì)引起同相不同分支間的不平衡電流，定子內(nèi)部短路和轉(zhuǎn)子靜偏心故障引起的不平衡電流中只有基波及較小的3次、5次等奇數(shù)次諧波，所以中性點(diǎn)不平衡電流中的分?jǐn)?shù)次諧波是勵(lì)磁繞組匝間短路所獨(dú)有的故障特征［12-16］，可以利用其構(gòu)成該故障的在線監(jiān)測(cè)方案。

從前文的分析過程也可看到，勵(lì)磁繞組匝間短路故障會(huì)引起哪些分?jǐn)?shù)次諧波的不平衡電流，主要由極對(duì)數(shù)、多分支定子繞組的分布與連接方式、中性點(diǎn)引出方式等因素決定，在不同的電機(jī)中會(huì)呈現(xiàn)出不同的特點(diǎn)。事實(shí)上通過對(duì)宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)及其他多臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組故障特征分析可以推斷，多對(duì)極、多分支發(fā)電機(jī)（以及發(fā)電電動(dòng)機(jī)）中性點(diǎn)間不平衡電流的所有分?jǐn)?shù)次諧波，都是勵(lì)磁繞組匝間短路故障的獨(dú)有故障特征量（在其他故障中不會(huì)出現(xiàn)）。文獻(xiàn)［12］提出了一種基于主保護(hù)不平衡電流總有效值的勵(lì)磁繞組匝間短路故障監(jiān)測(cè)方法，能適用于具有不同諧波故障特征的發(fā)電機(jī)中。考慮到由制造及安裝誤差等原因引起的電機(jī)正常運(yùn)行（以及機(jī)端外部故障）時(shí)實(shí)際存在的固有不平衡電流，在監(jiān)測(cè)方案中還必須設(shè)定一個(gè)合理的報(bào)警值。一般而言，所設(shè)的報(bào)警值越小，在線監(jiān)測(cè)越靈敏，但報(bào)警值應(yīng)大于正常運(yùn)行情況下由電機(jī)固有不平衡電流引起的監(jiān)測(cè)量。文獻(xiàn)［14］進(jìn)一步考慮到發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)以基波及奇數(shù)次諧波為主的固有不平衡電流的影響，從不平衡電流總有效值中再剔除基波及3次、5次等奇數(shù)次諧波而構(gòu)成監(jiān)測(cè)量，能在保證監(jiān)測(cè)可靠性的前提下降低報(bào)警值、提高監(jiān)測(cè)靈敏性。另一方面，主保護(hù)不平衡電流的基波及少量3次、5次等奇數(shù)次諧波，理論上是定子內(nèi)部短路及轉(zhuǎn)子靜偏心的故障特征量，而在勵(lì)磁繞組匝間短路故障中不會(huì)出現(xiàn)。所以文獻(xiàn)［14］的監(jiān)測(cè)方法從原理上講更合理，可作為一種通用的勵(lì)磁繞組匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)方法，能適用于大多數(shù)發(fā)電（電動(dòng)）機(jī)。

2.1 監(jiān)測(cè)量

在這種通用的勵(lì)磁繞組匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)方法中，監(jiān)測(cè)量可由式（1）計(jì)算。

其中，f0為基波頻率，即為定子相電流頻率，對(duì)于我國(guó)電網(wǎng)而言，f0=50 Hz；i為中性點(diǎn)不平衡電流io1o2的瞬時(shí)值；Ik為不平衡電流中k次諧波的有效值（可由傅里葉算法得到）。一般而言，5次及以上的定子電流諧波比較小，所以式（1）中 k可取 1、3。

2.2 報(bào)警值

可靠的在線監(jiān)測(cè)，其報(bào)警值應(yīng)保證大于實(shí)際正常運(yùn)行（及機(jī)端外部故障）時(shí)固有不平衡電流所引起監(jiān)測(cè)量的最大可能值。下面以宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行說明。

宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)的額定電壓UN=15.75 kV，額定電流INg=10191 A、INm=10411 A（下標(biāo)g、m分別對(duì)應(yīng)發(fā)電和電動(dòng)機(jī)工況，后同），額定功率因數(shù)cos φNg=0.9、cos φNm=0.98，額定勵(lì)磁電流 IfNg=1816 A、IfNm=1655 A。圖3是宜興電站4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行在3種典型工況，即發(fā)電工況、抽水調(diào)相工況和抽水工況下時(shí)，中性點(diǎn)不平衡電流的現(xiàn)場(chǎng)錄波圖?？梢钥吹?，這3種正常運(yùn)行工況下的中性點(diǎn)固有不平衡電流的周期都為160 ms，其中含有明顯的分?jǐn)?shù)次諧波電流（極對(duì)數(shù)p=8）。通過對(duì)穩(wěn)態(tài)錄波數(shù)據(jù)的傅里葉級(jí)數(shù)分解，可計(jì)算出其所含的基波和各種諧波成分的有效值，并根據(jù)式（1）計(jì)算出正常工況下實(shí)際監(jiān)測(cè)量的大小，計(jì)算結(jié)果見表1。表中為總有效值為正常運(yùn)行時(shí)的實(shí)際監(jiān)測(cè)量；工況①指發(fā)電工況（勵(lì)磁電流錄波數(shù)據(jù)為1314.9 A），工況②指抽水調(diào)相工況（勵(lì)磁電流錄波數(shù)據(jù)為1051.8 A），工況③指抽水工況（勵(lì)磁電流錄波數(shù)據(jù)為1554.34A），后同。需要說明的是，本文的中性點(diǎn)電流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果、監(jiān)測(cè)量和報(bào)警值都指電流互感器TA0一次側(cè)值。

圖3 宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)4號(hào)機(jī)在3種典型工況下的中性點(diǎn)固有不平衡電流錄波圖Fig.3 Recorded waveforms of inherent imbalanced neutral-point current of Yixing generator／motor No.4 for three typical operating conditions

一般而言，電機(jī)固有不平衡電流的大小與勵(lì)磁電流近似成正比，可以認(rèn)為其中各種諧波分量的大小也近似與勵(lì)磁電流成正比。表1中，抽水調(diào)相工況引起的監(jiān)測(cè)量（Iop.nor=22.07 A）與勵(lì)磁電流（直流分量Ifd=1051.8 A）的比值最大，可據(jù)此估算正常運(yùn)行工況下的最大不平衡電流，并設(shè)定實(shí)際運(yùn)行工況下一般與勵(lì)磁電流直流分量Ifd成正比的監(jiān)測(cè)報(bào)警值為：

表1 宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)4號(hào)機(jī)在正常穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的中性點(diǎn)固有不平衡電流的諧波分析結(jié)果Table 1 Results of harmonic analysis for inherent imbalanced neutral-point current of Yixing generator／motor No.4 in normal steady-state operating condition

其中，Ifd為在線監(jiān)測(cè)的勵(lì)磁電流直流分量實(shí)時(shí)值，當(dāng)Ifd＞1051.8 A時(shí)，按式（2）可估算出所監(jiān)測(cè)工況下與勵(lì)磁電流成正比的正常固有不平衡電流的最大可能值，而當(dāng)Ifd≤1051.8 A時(shí)，所監(jiān)測(cè)工況下的正常固有不平衡電流不會(huì)超過抽水調(diào)相工況的正常固有不平衡電流；Ktol為可靠裕度，一般 1.2＜Ktol＜3，本文中Ktol=2。

2.3 對(duì)小匝比勵(lì)磁繞組匝間短路故障的靈敏性分析

根據(jù)預(yù)先實(shí)測(cè)的發(fā)電電動(dòng)機(jī)在正常工況下的固有不平衡電流，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)中按式（1）計(jì)算出監(jiān)測(cè)量Iop和按式（2）計(jì)算出報(bào)警值 Ialarm后，當(dāng) Iop＞Ialarm時(shí)在線監(jiān)測(cè)裝置將發(fā)出勵(lì)磁繞組匝間短路的故障警報(bào)。

目前還無法在實(shí)際運(yùn)行的大型發(fā)電（電動(dòng)）機(jī)上實(shí)施勵(lì)磁繞組匝間短路故障實(shí)驗(yàn)來檢驗(yàn)在線監(jiān)測(cè)方案及裝置的靈敏性。近年來對(duì)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的理論研究取得了一些進(jìn)展，已經(jīng)基本解決了定量計(jì)算故障電氣量的難題［13-19］，并通過了多種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。本文以宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)為例，采用多回路數(shù)學(xué)模型計(jì)算小匝比的勵(lì)磁繞組匝間短路故障，并根據(jù)仿真結(jié)果來分析這種通用在線監(jiān)測(cè)方法的靈敏性。

在聯(lián)網(wǎng)額定發(fā)電工況和額定電動(dòng)2種工況下，本文計(jì)算了宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)發(fā)生匝比為1.1%、2.1%、3.0%、4.0%的勵(lì)磁繞組匝間短路故障后的定、轉(zhuǎn)子電流（計(jì)算中沒有考慮勵(lì)磁調(diào)節(jié)器的作用，勵(lì)磁電源與正常運(yùn)行時(shí)保持一致），并進(jìn)一步計(jì)算出進(jìn)入中性點(diǎn)的不平衡電流。為節(jié)省篇幅，表2、3只分別列出了短接線電阻為0.1 Ω時(shí)，聯(lián)網(wǎng)發(fā)電工況下勵(lì)磁電流和中性點(diǎn)電流的計(jì)算結(jié)果。該工況下（故障前）的勵(lì)磁電流為 1816 A，大于 1051.8 A，根據(jù)式（2），相應(yīng)的監(jiān)測(cè)報(bào)警值應(yīng)與（故障后）勵(lì)磁電流直流分量Ifd成正比，即

表2 勵(lì)磁電流計(jì)算結(jié)果Table 2 Calculative harmonic components of excitation current

表3 中性點(diǎn)不平衡電流計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculative harmonic components of imbalanced neutral-point current

從表2、3可見，按照式（1）的在線監(jiān)測(cè)通用方案［14］，宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)假如發(fā)生4%及以上匝比的勵(lì)磁繞組匝間短路故障（接近金屬性短路）時(shí)，監(jiān)測(cè)量Iop會(huì)超出報(bào)警值Ialarm，在線監(jiān)測(cè)裝置會(huì)發(fā)出故障警報(bào)。另外聯(lián)網(wǎng)額定電動(dòng)工況的計(jì)算結(jié)果也反映了類似的監(jiān)測(cè)靈敏性。

3 改進(jìn)的宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)在線監(jiān)測(cè)靈敏方案

從表2、3的仿真結(jié)果可見，勵(lì)磁繞組匝間短路故障在宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)引起的中性點(diǎn)不平衡電流中，1／8 次、3／8 次和 5／8 次諧波分量的含量最高。 對(duì)比表1與表2、3可以發(fā)現(xiàn)，宜興（4號(hào)）發(fā)電電動(dòng)機(jī)在抽水調(diào)相工況下正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)固有不平衡電流中最大的分量是基波和3次諧波，同時(shí)存在較明顯的 7／8 次、9／8 次、23／8 次和 25／8 次諧波，但小匝比勵(lì)磁繞組匝間短路故障引起的這4種分?jǐn)?shù)次諧波的仿真值并不大。

根據(jù)宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)的中性點(diǎn)固有不平衡電流和小匝數(shù)勵(lì)磁繞組匝間短路所引起的不平衡電流的特點(diǎn)，可以只提取故障引起的不平衡電流中幾種有效值最大的分?jǐn)?shù)次諧波，構(gòu)成另一種監(jiān)測(cè)方案。由于宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)配置的中性點(diǎn)電流互感器TA0是5P20型，這種P級(jí)互感器在設(shè)計(jì)中主要考慮工頻穩(wěn)態(tài)電流引起的鐵芯飽和對(duì)傳變誤差的影響（現(xiàn)有主保護(hù)主要以基波電流為動(dòng)作依據(jù)），而不考慮過渡過程中非周期分量引起的飽和影響，所以對(duì)低頻分量的傳變誤差很大，一般對(duì)10 Hz以下的交流分量無法保證準(zhǔn)確傳變［18，20］。本文只提取頻率分別為18.75 Hz和31.25 Hz的3／8次和5／8次諧波，并取其總有效值構(gòu)成監(jiān)測(cè)量，即：

針對(duì)式（3）所示的改進(jìn)方案，報(bào)警值 I′alarm也必須保證大于正常運(yùn)行的最大不平衡電流引起的監(jiān)測(cè)量I′op。利用2.2節(jié)中的宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)在3種正常工況下的中性點(diǎn)固有不平衡電流，可得到改進(jìn)方案對(duì)這3種正常工況的監(jiān)測(cè)量大小，如表4所示。

表4 改進(jìn)在線監(jiān)測(cè)方案對(duì)宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)4號(hào)機(jī)實(shí)際正常運(yùn)行工況的監(jiān)測(cè)量Table 4 Measurements of improved online monitoring scheme for Yixing generator／motor No.4 in normal operating condition

在表4中，抽水調(diào)相工況下的監(jiān)測(cè)量為10.89 A，與勵(lì)磁電流1051.8 A的比值最大，如2.2節(jié)所述，可據(jù)此設(shè)定實(shí)際運(yùn)行工況下與勵(lì)磁電流直流分量Ifd成正比的改進(jìn)方案報(bào)警值為：

其中，可靠裕度Ktol仍取為2。

根據(jù)表3計(jì)算的宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)發(fā)生較小匝數(shù)勵(lì)磁繞組匝間短路故障后的中性點(diǎn)不平衡電流，可根據(jù)式（3）計(jì)算出改進(jìn)方案所能提取的故障監(jiān)測(cè)量和根據(jù)式（4）計(jì)算出報(bào)警值，如表5所示。從表5可見，改進(jìn)的在線監(jiān)測(cè)方案能夠?qū)σ伺d發(fā)電電動(dòng)機(jī)3%及以上匝比的勵(lì)磁繞組匝間短路故障（接近金屬性短路）發(fā)出警報(bào)。

表5 改進(jìn)在線監(jiān)測(cè)方案的計(jì)算結(jié)果Table 5 Calculative results by improved online monitoring scheme

與通用監(jiān)測(cè)方案相比，改進(jìn)方案對(duì)宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)小匝數(shù)勵(lì)磁繞組匝間短路故障更加靈敏，這主要是因?yàn)楦倪M(jìn)方案摒棄了7／8、9／8次這2種頻率最接近基波和23／8次、25／8次這 2種頻率最接近 3次諧波的分?jǐn)?shù)次諧波不平衡電流，從而能夠極大地降低監(jiān)測(cè)報(bào)警值，而故障所引起的監(jiān)測(cè)量下降幅度并不大，所以改進(jìn)方案能夠在通用方案的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)靈敏性。當(dāng)然靈敏的在線監(jiān)測(cè)改進(jìn)方案的具體構(gòu)成方式，與電機(jī)極對(duì)數(shù)、定子繞組結(jié)構(gòu)、中性點(diǎn)引出方式及固有不平衡電流特點(diǎn)等因素都有關(guān)系。以宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)為例，假如其現(xiàn)有主保護(hù)采用了相隔分支組合的中性點(diǎn)引出方式，那么勵(lì)磁繞組匝間短路故障將引起2／8次、6／8次等分?jǐn)?shù)次諧波的中性點(diǎn)不平衡電流，式（3）、（4）所示的改進(jìn)監(jiān)測(cè)方案將無法適用。

另一方面，對(duì)比表1與表2、3會(huì)發(fā)現(xiàn)，在宜興電站4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的中性點(diǎn)固有不平衡電流中，3／8次、5／8次等大多數(shù)分?jǐn)?shù)次諧波分量，比勵(lì)磁繞組發(fā)生匝比為1%的匝間短路故障引起的不平衡電流中相應(yīng)分量的計(jì)算值更大，所以無論提取中性點(diǎn)不平衡電流中的哪些諧波構(gòu)成監(jiān)測(cè)量，都很難反映宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)1%及以下匝比的小匝數(shù)勵(lì)磁繞組匝間短路故障。小匝數(shù)勵(lì)磁繞組匝間短路故障的監(jiān)測(cè)靈敏性受到電機(jī)（及電流互感器）的中性點(diǎn)固有不平衡電流大小的制約，是基于定子不平衡電流原理的勵(lì)磁繞組匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)方法的局限性之一。

基于上述改進(jìn)方案的在線監(jiān)測(cè)裝置已經(jīng)投運(yùn)于宜興電站4號(hào)發(fā)電電動(dòng)機(jī)，這在國(guó)內(nèi)外抽水蓄能電站中尚屬首次。目前這套勵(lì)磁繞組匝間短路故障在線監(jiān)測(cè)裝置運(yùn)行正常，為宜興電站發(fā)電電動(dòng)機(jī)的安全運(yùn)行提供了更充分的保障。

4 結(jié)論

本文以宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)為例，在對(duì)小匝數(shù)勵(lì)磁繞組匝間短路故障進(jìn)行定量計(jì)算的基礎(chǔ)上，分析了通用故障在線監(jiān)測(cè)方案靈敏性欠佳的原因。針對(duì)宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)的故障特征和固有不平衡電流特點(diǎn)，提出了一種靈敏性更高的改進(jìn)監(jiān)測(cè)方案，并將其應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)裝置中。

a.通用在線監(jiān)測(cè)方案中，未加分辨地用定子中性點(diǎn)不平衡電流中的所有分?jǐn)?shù)次諧波構(gòu)成監(jiān)測(cè)量及相應(yīng)的報(bào)警值，可能因報(bào)警值較高而對(duì)小匝數(shù)故障不夠靈敏。

b.根據(jù)宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組匝間短路故障引起的定子故障電流特點(diǎn)，提出了一種由短路前后變化最明顯的某些分?jǐn)?shù)次諧波（3／8次和5／8次諧波）不平衡電流構(gòu)成的在線監(jiān)測(cè)改進(jìn)方案。仿真計(jì)算表明，該改進(jìn)方案能對(duì)宜興發(fā)電電動(dòng)機(jī)3%及以上匝比的勵(lì)磁繞組匝間短路故障（接近金屬性短路）發(fā)出警報(bào)，靈敏性優(yōu)于通用監(jiān)測(cè)方案。

c.在不同的發(fā)電電動(dòng)機(jī)上，可以根據(jù)勵(lì)磁繞組匝間短路故障特征量和固有不平衡電流的特點(diǎn)提出不同的在線監(jiān)測(cè)改進(jìn)方案，對(duì)小匝數(shù)故障會(huì)比通用監(jiān)測(cè)方案更靈敏。

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