大型發(fā)電機內(nèi)部短路主保護性能分析及配置方案的選擇

戈寶軍, 文茹馨，楊 崑，呂艷玲

?

大型發(fā)電機內(nèi)部短路主保護性能分析及配置方案的選擇

戈寶軍1, 文茹馨1，楊 崑2，呂艷玲1

（1. 哈爾濱理工大學，哈爾濱 150080；2. 哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040）

大型發(fā)電機內(nèi)部短路主保護方案的配置是大型發(fā)電機安全可靠運行的前提基礎，是電力設計者的重要任務。本文對大型發(fā)電機內(nèi)部短路四種主保護的原理進行了詳細的敘述，通過靈敏度計算分析軟件對四種主保護的靈敏度進行分析，并根據(jù)對匝間短路和相間短路的分析結果總結了靈敏度的變化規(guī)律，并將定子繞組分為兩個中性點和三個中性點兩種情況討論分支組合方式，歸納了主保護方案的配置方法及最終方案的確定方法，為大型發(fā)電機配置高性能的主保護方案提供了理論基礎。

大型發(fā)電機；內(nèi)部故障；靈敏性分析；定子繞組分支引出；主保護配置；方案選擇

0 前言

大型發(fā)電機發(fā)生內(nèi)部短路時會產(chǎn)生很大的短路電流，這個短路電流會嚴重威脅到發(fā)電機正常的安全運行，同時還會造成巨大的經(jīng)濟損失。為了保證電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量和輸電的穩(wěn)定性，給發(fā)電機配置高性能的內(nèi)部短路主保護方案十分必要。

對于主保護配置問題，許多學者已經(jīng)進行了多方面的研究工作。文獻[1]提出了奇數(shù)多分支大型水輪發(fā)電機主保護設計過程的簡化方法；為省去“枚舉法”選擇分支組合的巨大工作量，文獻[2]提出了選擇支路分支的兩條原則；文獻[3]～[6]分別對二灘電站、龍灘電站、沐若電站以及三峽等不同電站發(fā)電機的主保護配置方案進行分析和對比，詳述了發(fā)電機主保護配置的定量化設計過程；文獻[7]糾正了工程界以容量相等或相近為理由而互相搬用主保護配置方案的錯誤做法，提出了優(yōu)化設計過程；文獻[8]對發(fā)電機定子匝間短路的分析方法、各種匝間保護方法和濾波算法進行了深入的研究；文獻[9~10]介紹了大型發(fā)電機內(nèi)部故障電流的計算方法，并根據(jù)短路電流進行主保護配置的分析。上述文獻中均以大型發(fā)電機為例介紹了發(fā)電機主保護配置的定量化設計過程，但是對主保護的性能分析不夠詳細，不利于設計者在配置高性能的主保護方案時做出最佳的選擇。

為了給設計工作節(jié)約時間并提高主保護方案的性能，本文對四種主保護的工作性能進行了詳細的分析，并將定子繞組分支分為兩個中性點和三個中性點兩種情況分別討論其分支的引出方式，最后詳述了大型發(fā)電機內(nèi)部短路主保護設計的基本步驟及最終方案的選擇方法，為后續(xù)大型水電站發(fā)電機的設計和主保護方案的選擇提供借鑒。

1 靈敏度的計算

2 四種主保護及其性能分析

2.1 零序電流型橫差保護

零序電流型橫差保護，又稱為單元件橫差保護，它將定子繞組一分為兩部分或三部分，檢測各部分之間的零序環(huán)流[8]。零序電流型橫差保護是一種過電流保護，當電流超過預定最大值時保護裝置動作。適用于多分支的定子繞組，在大型發(fā)電機中應用廣泛，對發(fā)電機定子繞組匝間短路有較高的靈敏度。

由于零序橫差保護主要反應發(fā)電機定子繞組的匝間短路，現(xiàn)以并聯(lián)支路數(shù)為6的SF600－42/1308水輪發(fā)電機為研究對象，對同相匝間短路的零序電流保護性能進行分析。對于同相同分支匝間短路來說，對該發(fā)電機A相第一分支匝間短路進行仿真計算，根據(jù)仿真結果計算其靈敏度。通過主保護分析程序對其仿真結果進行零序電流型橫差保護的性能分析，得到如圖1所示的靈敏度分散圖。

圖1 同相同分支匝間短路零序電流型保護靈敏度分散圖

（a）為兩個中性點時定子繞組分支組合135-246的靈敏度分散圖，（b）為三個中性點時定子繞組分支組合12-34-56的靈敏度分散圖，兩圖均對短路位置匝數(shù)相差奇數(shù)匝的同相同分支匝間短路進行了靈敏度分析。從圖中可以看出，無論是兩中性點定子繞組引出方式，還是三中性點的定子繞組引出方式，零點電流型橫差保護靈敏性都隨同相同分支匝間短路匝數(shù)的增加而增加。另外由于零序電流型橫差保護比較的是內(nèi)部故障時發(fā)電機兩部分之間的不平衡，將整個定子繞組分成三部分，其各部分的不平衡度應大于分成兩部分的不平衡度，所以三中性點引入兩套零序電流性橫差保護時靈敏性要優(yōu)于一套零序電流型橫差保護。

對于同相不同分支匝間短路來說，零序電流型橫差保護的保護效果與構成保護電流互感器引入的分支有關。當發(fā)生短路的同相不同分支同時接入相同中性點時靈敏度要明顯低于發(fā)生短路的同相不同分支同時接入不同中性點時的靈敏度。

2.2 裂相橫差保護

由于發(fā)電機內(nèi)部短路主保護設計中，最少要有一橫一縱，而零序電流型橫差保護不適用于機外只引出一中性點的發(fā)電機。裂相橫差保護將發(fā)電機中性點側的每相并聯(lián)分支直接分為2組（完全裂相橫差保護）或舍棄其中某一分支后將剩余繞組分為兩組（不完全裂相保護），主要反應發(fā)電機內(nèi)部故障的匝間短路，比較的是同相間兩部分之間電流的不平衡度[8]。圖2為SF600－42/1308水輪發(fā)電機組A相匝間短路時完全裂相橫差保護與不完全裂相橫差保護靈敏性的對比圖。從（a）、（b）中可以看出無論是同相同分支匝間短路，還是同相不同分支匝間短路，對于小匝數(shù)短路不完全裂相橫差保護的靈敏性與完全裂相橫差保護靈敏性相差不大，甚至要好于完全裂相橫差保護，但是隨著短路匝比的增加，不完全裂相橫差保護的靈敏性逐漸變差，相反，完全裂相橫差保護的靈敏性變好。對于不完全裂相橫差保護，當故障分支恰好為被舍棄的分支時，故障相繞組其余分支的不平衡度會很小，會導致故障相不完全裂相橫差保護靈敏性的降低。

圖2 同相間匝間短路兩種裂相橫差保護靈敏性對比圖

發(fā)電機正常運行時，各分支繞組電動勢相等，流過相等的負荷電流。當同相間發(fā)生匝間短路時，各分支電動勢分配發(fā)生變化，產(chǎn)生電動勢差。當產(chǎn)生的電流差大于保護整定值，裂相橫差保護動作；當產(chǎn)生電流差較小時，保護存在死區(qū)。根據(jù)靈敏性分析易知，小匝數(shù)同相間短路為裂相橫差保護可能出現(xiàn)的保護死區(qū)。

2.3 不完全縱差保護

不完全縱差保護是“兩縱”中比較常用的一種，將電流互感器接于中性點側每相部分并聯(lián)分支繞組中，與機端側電流互感器構成不完全縱差保護。不完全縱差保護不僅能反映相間短路，同時還能反映匝間短路。匝間短路的靈敏性與引入分支數(shù)相關聯(lián)，圖3、4分別為匝間短路和相間短路在中性點側接入分支數(shù)為2和3時不完全縱差保護的靈敏度對比圖，由圖3可以發(fā)現(xiàn)隨著中性點側引入分支數(shù)的增加，匝間短路靈敏性減小。相間短路的靈敏性也與引入分支數(shù)相關聯(lián)，且與匝間短路相反，隨中性點側引入分支的增加，相間短路的靈敏性增加，如圖4所示。

圖3 不同分支引入數(shù)時不完全縱差保護匝間短路靈敏性對比圖

圖4 不同分支引入數(shù)時不完全縱差保護相間短路靈敏性對比圖

2.4 完全縱差保護

完全縱差保護是一種傳統(tǒng)的縱差保護，比較發(fā)電機定子繞組首端（機端側）和尾端（中性點側）的電流是否平衡，對于定子繞組相間短路很靈敏，且只能夠反應相間短路故障。完全縱差保護由中性點側某相全部并聯(lián)分支繞組接入的電流互感器，與相應機端側的電流互感器共同構成。

3 發(fā)電機內(nèi)部短路主保護方案的配置

3.1 定子繞組分支引出方式

對于大型發(fā)電機來說，定子繞組分支數(shù)較多，分支引出組合復雜，所以對定子繞組分支引出方式的討論十分必要。為了更詳細地討論定子繞組分支的引出方式，本文將分支引出方式分為兩個中性點和三個中性點兩種情況分別討論。

表1 兩個中性點時分支組合分配情況

表2 三個中性點時分支組合分配情況

3.2 主保護的構成

大型發(fā)電機主保護一般以主保護的組合形式配置，最少要“一橫一縱”兩種主保護進行組合，橫差保護優(yōu)先考慮零序電流型橫差保護，再考慮其他主保護的取舍。為了提高主保護配置方案的性能，在不增設電流互感器TA的前提下，可在零序電流型橫差保護的基礎上增設裂相橫差保護。

圖5（a）為兩個中性點下主保護配置，可以組成的主保護有（以a相為例）：

零序電流型橫差保護：TA0；

完全裂相橫差保護：TA1-TA2；

完全縱差保護：(TA1+TA2)-TA7；

不完全縱差保護：TA1-TA7；TA2-TA7。

三個中性點下主保護配置如圖5（b）所示，除了上述主保護配置，還可以組成的主保護有（以a相為例）：

零序電流型橫差保護：TA01；TA02；

不完全裂相橫差保護：TA1-TA2。

（a） 兩個中性點主保護配置圖

（b） 三個中性點主保護配置圖

圖5 主保護配置圖

3.3 主保護組合方案的配置方法

在給大型發(fā)電機配置主保護組合方案之前，需對發(fā)電機故障集進行詳細的統(tǒng)計，并對故障集中的故障進行空載狀態(tài)下短路電流的仿真，而后才可以進行主保護方案的配置工作[3-7]。對SF600－42/1308水輪發(fā)電機實際可能發(fā)生的內(nèi)部短路進行故障類型分析，具體分配如表3所示。

表3 SF600－42/1308水輪發(fā)電機內(nèi)部故障分析

由于負載狀態(tài)下的靈敏度要比空載狀態(tài)下的靈敏度大得多，導致負載狀態(tài)的保護死區(qū)不明顯，會給最終主保護配置工作加大難度，不利于主保護最終配置的選擇，所以靈敏度的計算需要的內(nèi)部短路仿真電流為空載狀態(tài)下的短路電流。通過對SF600－42/1308水輪發(fā)電機內(nèi)部短路主保護可行方案靈敏性的計算和對比，可得到各主保護方案的動作性能，包括只有一種主保護動作故障數(shù)、雙重化主保護動作故障數(shù)、拒動故障數(shù)及相應拒動故障信息。從可行方案中確定最終主保護配置方案需綜合考慮各項指標，同時也取決于所配置主保護之間的“合作”。在對各主保護組合方案性能分析的基礎上，還需對以下幾點綜合考慮，進而推薦最終的主保護配置方案：

（1）中性點側分支引出簡單

（2）完成內(nèi)部短路保護功能所用的保護方案簡單

（3）電流互感器個數(shù)少

（4）主保護不可動作故障個數(shù)少

（5）主保護可雙重化動作的故障個數(shù)多

（6）內(nèi)部短路保護死區(qū)占故障總數(shù)的比重小

經(jīng)過多因素的綜合考慮，SF600－42/1308水輪發(fā)電機采用135-246分支組合方式，圖6是該發(fā)電機內(nèi)部故障主保護的推薦方案。推薦方案存在的保護死區(qū)為所有可行方案的共同死區(qū)：小匝數(shù)同相同分支匝間短路和機端側大匝數(shù)同相不同分支匝間短路，保護死區(qū)與本文提到的主保護性能分析相符。

圖6 SF600－42/1308水輪發(fā)電機內(nèi)部故障主保護推薦方案

4 結論

本文通過對大型發(fā)電機內(nèi)部短路主保護配置方案的研究，可以得出以下結論：

（1）通過對四種主保護工作原理和工作性能的分析，發(fā)現(xiàn)主保護存在一定的規(guī)律性，例如同相同分支匝間短路橫差保護靈敏性隨匝數(shù)的增加而呈上升趨勢；對于小匝數(shù)匝間短路完全裂相橫差保護的保護效果要稍優(yōu)于不完全裂相橫差保護的保護效果；隨著匝數(shù)的增加，不完全裂相橫差保護靈敏性將明顯優(yōu)于完全裂相橫差保護；不完全縱差保護與引入分支個數(shù)有關等。

（2）定子繞組分支的引出方式與主保護的保護效果息息相關，通過對不同中性點情況的分析，更加明確了定子繞組分支引出方式種類、個數(shù)以及不同分支組合方式對匝間短路保護效果的影響，更加方便設計者主保護方案的對比和分析。

（3）靈敏度計算需要的仿真電流為空載狀態(tài)下的短路電流，這有利于保護死區(qū)的分析和主保護方案的對比和選擇。

（4）通過對主保護配置方案設計過程進行詳述，總結了最終推薦方案的確定方法，為后續(xù)大型發(fā)電機主保護配置的設計提供了借鑒，為型發(fā)電機更安全、更可靠的運行奠定基礎。

[1] 桂林, 王維儉, 孫宇光, 等. 奇數(shù)多分支大型水輪發(fā)電機主保護設計的特點[J]. 中國電機工程學報, 2006, 26(22): 29-34.

[2] 孫宇光, 王祥珩桂林, 等. 偶數(shù)多分支發(fā)電機的主保護優(yōu)化設計[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005, 29(12): 83-92.

[3] 王維儉, 劉俊宏, 王祥珩, 等. 二灘電站發(fā)電機內(nèi)部故障主保護靈敏度的分析研究[J]. 電力自動化設備, 1996, 2(1): 24-29．

[4] 孫宇光, 王維儉, 桂林, 等. 龍灘發(fā)電機主保護配置方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005, 29(1): 83-88.

[5] 周強, 桂遠乾, 曾慶濤, 等. 沐若水電站發(fā)電機主保護研究及電站保護設計[J]. 人民長江, 2013, 8(44): 79-93．

[6] 桂林, 王維儉, 孫宇光, 等. 三峽右岸發(fā)電機主保護配置方案設計研究總結[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2005, 29(13): 69- 75.

[7] 桂林, 王祥珩, 孫宇光, 等. 大型發(fā)電機主保護配置方案的優(yōu)化設計[J]. 清華大學學報（自然科學報）, 2005, 45(1): 141-144.

[8] 黃晶晶. 發(fā)電機定子匝間保護的研究[D]. 杭州, 浙江大學, 2008.

[9] 桂林. 大型發(fā)電機主保護配置方案優(yōu)化設計的研究[D]. 北京清華大學, 2003.

[10] 婁素華, 陳德樹, 尹項根, 等. 多分支大型水輪發(fā)電機內(nèi)部故障主保護的靈敏度分析[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2001, 25(7): 36-39．

The Analysis of Main Protection Performance and the Selection of Configuration Scheme for Internal Short Circuit of Large Generators

GE Baojun1, WEN Ruxin1, YANG Kun2, LV Yanling1

(1. Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China；2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The main protection configuration scheme for internal short circuit of large generators is the premise foundation of its safe and reliable operation. It is an important task of power designers. In this paper, the principle of the four kinds of main protection for the internal short circuit of large generators has been carried on the detailed narration. The sensitivities of fourmain protections were analyzed through the software for calculation and analysis of the sensitivity. The laws of sensitivity according to the analysis results of inter-turn short circuit and interphase short circuit were summarized. The ways of the stator winding branches combination were discussed in two different conditions—two neutral points and three neutral points. The method of the main protection configuration scheme and the method for determining of the final scheme were summarized. This paper provides the theoretical basis for high-performance main protection configuration scheme of large generators.

large generators; internal faults; sensitivity analysis; the ways of the stator winding branches combination; main protection configuration; scheme selection

TM31

A

1000-3983(2014)01-0010-05

國家科技重大專項資助項目（2009ZX06004-013-04-01）

2013-11-12

戈寶軍(1960-)，1999年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學電機與電器專業(yè)，2004年清華大學電氣工程學科博士后流動站出站，主要從事大型機電能量轉換裝置的基礎理論與運行研究工作，教授，博士生導師。

審稿人：孫玉田