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以下课程材料由中船赛思亿邵博士编写，课程内容主要来自于赛思亿内部文档《G116发电机和电动机差动保护及实现》，作为不平衡系列连续剧的开题第二讲。
1. 课程服用指南
本课程是不平衡原理尤其是负序矢量的具体应用，在电气世界中，随着电力电子技术的发展，发电机和电动机的原有差动保护方法正在逐渐变化和调整。
因此，本课程的具体疗效为：
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重温《钢制海船入级规范》差动保护要求和基本原理，这个对所有船舶电气人员是一个基本专业知识的复习。
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对于应用变频器的电力推进电机和轴带发电机，相应的差动保护和不平衡保护方法与原有钢规有着明显差异，本文有助于提升相应理解。
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以上的了解有助于具体保护方法的实现，甚至对于船舶设计单位如何回复各个船级社的意见有所帮助。
注：以下保护方法是基于三相不平衡的原理的理解（见第一讲），相对来说这一讲的难度较高，如果第一讲看完50%以上内容，应该对理解这一讲无副作用。如果不能理解本讲内容，建议回去复习第一讲。或者，看个热闹记个结论，也会有所帮助的。
无论如何，懂与不懂，都是收获。
2. 什么是差动保护
差动保护总体来说是对多绕组设备（发电机、电动机）的内部短路故障的保护，内部短路故障保护，基本上一定与不平衡有关（懂得都懂。。。。）
《钢质海船入级规范》规定了发电机和电动机的差动保护要求。比如说：
第4篇第2章，提到了对于高压发电机，“应引出发电机定子绕组所有相的端头，以便安装差动保护。”
同样是第4篇第2章，提到了“容量为1500kVA或以上的发电机应配备一合适的保护装置或系统，以能在发电机内部或发电机至其断路器之间的供电电缆发生短路的情况下，使发电机灭磁并使其断路器分断。”
第8篇第15章，提到了“对于1500kW及以上的推进电动机，应提供内部短路的差动保护或类似保护功能。”
上述内容反复提到了“差动保护”和“内部短路”等描述。
邵博士秉着悲天悯人的态度，以及“最深奥的理论，往往只需要最简单的解释”这样的觉悟，对于上述概念进行描述，并且给出了发电机和电动机的差动保护的具体方式的描述。
3. 三相发电机的内部短路和差动保护
3.1 三相发电机模型
经典的船用的发电机，一般指的是电励磁同步发电机。
/研发中心/我赛亚太研究院/系统集成部培训资料/6.电机培训：同步机原理（内部）培训资料/
给出了三相同步发电机的原理。把上述的原理图描绘在图表 1中，其中U是发电机的反向电动势，L是发电机的同步电抗，R是船用负载。a、b和c分别指代三相（别问为什么不是U、V和W，纯粹是恶趣味而已）。
事实上，在发电机和负载之间还有一个断路器。当负载发生短路，则会产生大量的短路电流，通过断路器切断隔离故障。
3.2 三相发电机内部短路
然而，上述保护仅仅是对于发电机的外部保护（主要是负载端），而没有考虑到于发电机内部的短路保护。
所谓的内部短路，一般是两相之间的绕组发生了短路，其示意参见图表 2。此时由于La和Lb之间发生了感人的短路，因此会出现额外的短路电流Isc，然而负载和发电机之间的断路器并不能看到和保护这个短路电流。因此船级社的xdjm们觉得当发电机的容量或者电压很高的时候，单单依靠外部断路器保护实在不靠谱，因此提出了内部保护的要求的。这个保护就是所谓的“差动保护”。
3.3 经典的差动保护原理
经典的差动保护原理参见图表 3。
差动保护依赖于2个电流互感器，分别是：
1.安装在发电机绕组端aN的电流互感器1，可以检测发电机连接中心点的电流Ia1；
2.安装在配电板内部的电流互感器2，可以检测流出发电机引出端的电流Ia2。
根据基尔霍夫电流定律，可以认为正常情况下，Ia1 = Ia2；而发生内部短路的情况下，Ia1 = Ia2 + Isc。
将电流互感器1和电流互感器2的二次侧测量段电流串联反接，接入一个带报警功能的电流表，则该电流表显示的电流为Ia1 - Ia2。如果没有内部短路，则该电流表显示的电流值为0，发生短路的情况下，该电流表显示的电流为Isc。当Isc超过一定的阈值，则该电流表会发出报警信号，此报警信号需要和励磁回路连锁，保证励磁回路关闭，这样反向电动势Ua会显著下降，以抑制短路电流Isc，保护发电机绕组的安全。
由于电流互感器1必须安装在aN端，因此通常发电机的三相绕组的2个抽头都引出到了接线盒中，一个用于安装电流互感器1，之后再进行和另一相绕组的连接；另一个连接到配电板上。
对于三相发电机，需要额外安装6个电流互感器，3个由发电机厂家安装，3个由配电板厂家安装。其型号（至少是量程）需要一致。
图表2给出了绕组之间的短路情况。显而易见的是，事实上差动保护也可以保护发电机和断路器之间电缆的短路。】
3.3.1 副本：电流互感器的原理
为了更加深刻地理解一下电流互感器，这里进行一些简单的解释。
电流互感器本质上是一种变压器，从G115《变压器的冲击电流原理》中，可以知道变压器本身是一种利用磁路耦合的绕组和铁芯的组合，分为原边和副边。
通过对于原边和副边匝数的选择，可以实现变压器的变比选择。电流互感器就是利用这个原理，采用匝数较少但线径较粗的原边绕组和匝数较多但线径较细的副边绕组，实现对于原边大电流（可以达到kA级）的小电流（一般是mA级）采集。
关于原边，要说的是很多原边绕组直接穿过了变压器的铁芯，这种一般认为原边的匝数就是1。
关于副边，要说的是副边的匝数很多，形成的电感较大，考虑到显示仪表（如电流表）的负载忽略不计，因此副边相当于直接短路工作。所以如果电流互感器不使用（即不连接任何显示仪表），需要直接将副边短路。相反的，如果将副边绕组开路，由于大量的匝数，会导致电流互感器的副边感应出大电压，导致电流互感器的绝缘损坏，需要避免。
PS：小小吐槽一下，电流互感器的英语是Current Transformer，国标称为“CT”。然而，我赛的元器件标注采用英语标注，因此将接触器（Contactor）耿直地简称为“CT”。这混乱，习惯就好……（好吧，这是乌博士定义整个元器件数据库时干的，都是他的错。。。。）
依赖于电流互感器的差动保护很有道理，但是在科技昌明的今天，在某些特殊的拓扑之下，采用电流互感器的差动保护并不合时宜，因此需要使用其他的方式来进行保护。
4. 直流组网发电机、轴带发电机和电动机的内部短路保护
4.1 电流互感器的困境
相对于图表 2所描述的发电机的短路情况，21世纪之后，越来越多的发电机开始连接一个神器：“变频器”。
以轴带发电为例，其连接图参见图表 4。
轴带发电系统有1个很深刻的特点，就是发电机的频率不是固定的50Hz或者60Hz，当频率低于额定的50Hz或者60Hz时，电流互感器可能会饱和。电流互感器严重饱和时，会严重发热，导致电流互感器损坏。（如果不懂饱和的话，去AI搜索一下，变压器 磁饱和或者互感器 磁饱和）
类似的，直流组网系统中，我赛支持变速发电机组的方案以实现节油的目的。此时用电流互感器进行差动保护，也因此不合时宜了。
类似的拓扑结构用于电动机推进的差动保护，就更加不靠谱了，因为电动机属于全转速范围，可能工作在极低频，完全不可能通过电流互感器进行差动保护。
以上就是原有钢规中的保护方法不能用于轴带发电机和推进电机的主要原理，也是本系列的重要考点！
4.2 新的保护方法
仍然回到图表 4，可以看到，正常情况下，无论发电机是异步发电机还是同步发电机，三相电流Ia、Ib和Ic是平衡的。如果发生短路而形成了短路电流Isc，势必会造成三相电流的平衡性被打破。
我赛采用高大上的负序分量检测的方法来检测三相电流不平衡，部分描述可以参见G202《AFE前端换相以及缺相的研究与分析》。
所以，如果以后船级社在询问关于轴带发电或者直流组网应用中1500kVA以上的发电机或者任何电流推进系统中1500kW的电动机的差动保护是如何实现的，我们都可以傲娇地回答：
“本项目的发电机配备了合适的变频器，可以通过检测发电机的三相电流的平衡程度，检测到发电机内部或发电机至其断路器之间的供电电缆短路情况，使发电机的断路器分断。”
或者
“本项目的推进电动机，可以通过变频器检测发电机的三相电流的平衡程度，提供内部短路的类似于差动保护的功能。”
既然三相电流不平衡保护这么香，为什么传统发电机的内部短路还要用电流互感器来保护呢？原因有2个：
1. 传统的方法，除非辅助以超快速的采样和运算能力（变频器的主要特点，这也是我赛一直固执的推广采用自有的超快速高算力船用变频专机的原因，从而得罪了很多工业变频器友商。。。。），否则真的很难快速实现高大上的三相电流不平衡的检测，必须通过类似RMS检测的方法检测三相电流不平衡，难度较大。
2. 由于图表 2所示的系统，发电机直接连接三相负载。三相负载本身就不平衡，因此电流也必然不平衡，所以通过引入三相电流不平衡的方式来判断传统同步发电机的内部短路，并不靠谱。
而变频器的精彩之处就在于其输入三相电流和输出的三相电流完全解耦，即便负载端出现严重的不平衡，输入端仍然因为发电机的阻抗匹配而实现较平衡的三相电流，同时还具备高速的采样能力和计算能力。
5. 总结
本文得到如下的结论：
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传统的发电机差动保护，采用电流互感器的方式实现，通常要求发电机的三相绕组的抽头都引出，发电机厂家连接3个互感器，配电板厂家安装3个互感器。通过检测互感器之间的电流差对内部短路进行判定。
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直流组网、轴带发电和电流推进应用中，面对发电机或者电动机的差动保护，一般通过变频器的三相电流不平衡程度来实现。
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遇到直流组网/轴带发电应用，如果发电机的容量超过了1500kVA，则面对船级社关于差动保护的疑问，可以回复：“本项目的发电机配备了合适的变频器，可以通过检测发电机的三相电流的平衡程度，检测到发电机内部或发电机至其断路器之间的供电电缆短路情况，使发电机的断路器分断。”
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遇到电力推进项目，如果电动机的容量超过了1500kW，则面对船级社关于差动保护的疑问，可以回复：“本项目的推进电动机，可以通过变频器检测发电机的三相电流的平衡程度，提供内部短路的类似于差动保护的功能。”
下集预告
发电机和电动机的差动保护及实现是不平衡原理以及负序矢量的一个简单入门级的应用，更头疼也更有趣的应用，在于G202《AFE前端换相以及缺相的研究与分析》，将讨论如何处理这些短路电流数据，如果结合负序原理进行保护（可能是对电机，也可能对电网），这也将是一个典型的原理—仿真—试验的闭环研究，这也是科研的真正的样子，可能会有两讲对相关内容展开介绍。
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