戈寶軍, 文茹馨，楊 崑，呂艷玲

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大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)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(xué)，哈爾濱 150080；2. 哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)方案的配置是大型發(fā)電機(jī)安全可靠運(yùn)行的前提基礎(chǔ)，是電力設(shè)計(jì)者的重要任務(wù)。本文對(duì)大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路四種主保護(hù)的原理進(jìn)行了詳細(xì)的敘述，通過靈敏度計(jì)算分析軟件對(duì)四種主保護(hù)的靈敏度進(jìn)行分析，并根據(jù)對(duì)匝間短路和相間短路的分析結(jié)果總結(jié)了靈敏度的變化規(guī)律，并將定子繞組分為兩個(gè)中性點(diǎn)和三個(gè)中性點(diǎn)兩種情況討論分支組合方式，歸納了主保護(hù)方案的配置方法及最終方案的確定方法，為大型發(fā)電機(jī)配置高性能的主保護(hù)方案提供了理論基礎(chǔ)。

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

0 前言

大型發(fā)電機(jī)發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，這個(gè)短路電流會(huì)嚴(yán)重威脅到發(fā)電機(jī)正常的安全運(yùn)行，同時(shí)還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(jī)配置高性能的內(nèi)部短路主保護(hù)方案十分必要。

對(duì)于主保護(hù)配置問題，許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了多方面的研究工作。文獻(xiàn)[1]提出了奇數(shù)多分支大型水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)設(shè)計(jì)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(xiàn)[2]提出了選擇支路分支的兩條原則；文獻(xiàn)[3]～[6]分別對(duì)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(jī)的主保護(hù)配置方案進(jìn)行分析和對(duì)比，詳述了發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置的定量化設(shè)計(jì)過程；文獻(xiàn)[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(hù)配置方案的錯(cuò)誤做法，提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)過程；文獻(xiàn)[8]對(duì)發(fā)電機(jī)定子匝間短路的分析方法、各種匝間保護(hù)方法和濾波算法進(jìn)行了深入的研究；文獻(xiàn)[9~10]介紹了大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障電流的計(jì)算方法，并根據(jù)短路電流進(jìn)行主保護(hù)配置的分析。上述文獻(xiàn)中均以大型發(fā)電機(jī)為例介紹了發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置的定量化設(shè)計(jì)過程，但是對(duì)主保護(hù)的性能分析不夠詳細(xì)，不利于設(shè)計(jì)者在配置高性能的主保護(hù)方案時(shí)做出最佳的選擇。

為了給設(shè)計(jì)工作節(jié)約時(shí)間并提高主保護(hù)方案的性能，本文對(duì)四種主保護(hù)的工作性能進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并將定子繞組分支分為兩個(gè)中性點(diǎn)和三個(gè)中性點(diǎn)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(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)設(shè)計(jì)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(jī)的設(shè)計(jì)和主保護(hù)方案的選擇提供借鑒。

1 靈敏度的計(jì)算

2 四種主保護(hù)及其性能分析

2.1 零序電流型橫差保護(hù)

零序電流型橫差保護(hù)，又稱為單元件橫差保護(hù)，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(hù)是一種過電流保護(hù)，當(dāng)電流超過預(yù)定最大值時(shí)保護(hù)裝置動(dòng)作。適用于多分支的定子繞組，在大型發(fā)電機(jī)中應(yīng)用廣泛，對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路有較高的靈敏度。

由于零序橫差保護(hù)主要反應(yīng)發(fā)電機(jī)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(jī)為研究對(duì)象，對(duì)同相匝間短路的零序電流保護(hù)性能進(jìn)行分析。對(duì)于同相同分支匝間短路來說，對(duì)該發(fā)電機(jī)A相第一分支匝間短路進(jìn)行仿真計(jì)算，根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算其靈敏度。通過主保護(hù)分析程序?qū)ζ浞抡娼Y(jié)果進(jìn)行零序電流型橫差保護(hù)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(hù)靈敏度分散圖

（a）為兩個(gè)中性點(diǎn)時(shí)定子繞組分支組合135-246的靈敏度分散圖，（b）為三個(gè)中性點(diǎn)時(shí)定子繞組分支組合12-34-56的靈敏度分散圖，兩圖均對(duì)短路位置匝數(shù)相差奇數(shù)匝的同相同分支匝間短路進(jìn)行了靈敏度分析。從圖中可以看出，無論是兩中性點(diǎn)定子繞組引出方式，還是三中性點(diǎn)的定子繞組引出方式，零點(diǎn)電流型橫差保護(hù)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(hù)比較的是內(nèi)部故障時(shí)發(fā)電機(jī)兩部分之間的不平衡，將整個(gè)定子繞組分成三部分，其各部分的不平衡度應(yīng)大于分成兩部分的不平衡度，所以三中性點(diǎn)引入兩套零序電流性橫差保護(hù)時(shí)靈敏性要優(yōu)于一套零序電流型橫差保護(hù)。

對(duì)于同相不同分支匝間短路來說，零序電流型橫差保護(hù)的保護(hù)效果與構(gòu)成保護(hù)電流互感器引入的分支有關(guān)。當(dāng)發(fā)生短路的同相不同分支同時(shí)接入相同中性點(diǎn)時(shí)靈敏度要明顯低于發(fā)生短路的同相不同分支同時(shí)接入不同中性點(diǎn)時(shí)的靈敏度。

2.2 裂相橫差保護(hù)

由于發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)設(shè)計(jì)中，最少要有一橫一縱，而零序電流型橫差保護(hù)不適用于機(jī)外只引出一中性點(diǎn)的發(fā)電機(jī)。裂相橫差保護(hù)將發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的每相并聯(lián)分支直接分為2組（完全裂相橫差保護(hù)）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(hù)），主要反應(yīng)發(fā)電機(jī)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(jī)組A相匝間短路時(shí)完全裂相橫差保護(hù)與不完全裂相橫差保護(hù)靈敏性的對(duì)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(duì)于小匝數(shù)短路不完全裂相橫差保護(hù)的靈敏性與完全裂相橫差保護(hù)靈敏性相差不大，甚至要好于完全裂相橫差保護(hù)，但是隨著短路匝比的增加，不完全裂相橫差保護(hù)的靈敏性逐漸變差，相反，完全裂相橫差保護(hù)的靈敏性變好。對(duì)于不完全裂相橫差保護(hù)，當(dāng)故障分支恰好為被舍棄的分支時(shí)，故障相繞組其余分支的不平衡度會(huì)很小，會(huì)導(dǎo)致故障相不完全裂相橫差保護(hù)靈敏性的降低。

圖2 同相間匝間短路兩種裂相橫差保護(hù)靈敏性對(duì)比圖

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，各分支繞組電動(dòng)勢相等，流過相等的負(fù)荷電流。當(dāng)同相間發(fā)生匝間短路時(shí)，各分支電動(dòng)勢分配發(fā)生變化，產(chǎn)生電動(dòng)勢差。當(dāng)產(chǎn)生的電流差大于保護(hù)整定值，裂相橫差保護(hù)動(dòng)作；當(dāng)產(chǎn)生電流差較小時(shí)，保護(hù)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(hù)可能出現(xiàn)的保護(hù)死區(qū)。

2.3 不完全縱差保護(hù)

不完全縱差保護(hù)是“兩縱”中比較常用的一種，將電流互感器接于中性點(diǎn)側(cè)每相部分并聯(lián)分支繞組中，與機(jī)端側(cè)電流互感器構(gòu)成不完全縱差保護(hù)。不完全縱差保護(hù)不僅能反映相間短路，同時(shí)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(guān)聯(lián)，圖3、4分別為匝間短路和相間短路在中性點(diǎn)側(cè)接入分支數(shù)為2和3時(shí)不完全縱差保護(hù)的靈敏度對(duì)比圖，由圖3可以發(fā)現(xiàn)隨著中性點(diǎn)側(cè)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(guān)聯(lián)，且與匝間短路相反，隨中性點(diǎn)側(cè)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(shí)不完全縱差保護(hù)匝間短路靈敏性對(duì)比圖

圖4 不同分支引入數(shù)時(shí)不完全縱差保護(hù)相間短路靈敏性對(duì)比圖

2.4 完全縱差保護(hù)

完全縱差保護(hù)是一種傳統(tǒng)的縱差保護(hù)，比較發(fā)電機(jī)定子繞組首端（機(jī)端側(cè)）和尾端（中性點(diǎn)側(cè)）的電流是否平衡，對(duì)于定子繞組相間短路很靈敏，且只能夠反應(yīng)相間短路故障。完全縱差保護(hù)由中性點(diǎn)側(cè)某相全部并聯(lián)分支繞組接入的電流互感器，與相應(yīng)機(jī)端側(cè)的電流互感器共同構(gòu)成。

3 發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)方案的配置

3.1 定子繞組分支引出方式

對(duì)于大型發(fā)電機(jī)來說，定子繞組分支數(shù)較多，分支引出組合復(fù)雜，所以對(duì)定子繞組分支引出方式的討論十分必要。為了更詳細(xì)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(gè)中性點(diǎn)和三個(gè)中性點(diǎn)兩種情況分別討論。

表1 兩個(gè)中性點(diǎn)時(shí)分支組合分配情況

表2 三個(gè)中性點(diǎn)時(shí)分支組合分配情況

3.2 主保護(hù)的構(gòu)成

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

圖5（a）為兩個(gè)中性點(diǎn)下主保護(hù)配置，可以組成的主保護(hù)有（以a相為例）：

零序電流型橫差保護(hù)：TA0；

完全裂相橫差保護(hù)：TA1-TA2；

完全縱差保護(hù)：(TA1+TA2)-TA7；

不完全縱差保護(hù)：TA1-TA7；TA2-TA7。

三個(gè)中性點(diǎn)下主保護(hù)配置如圖5（b）所示，除了上述主保護(hù)配置，還可以組成的主保護(hù)有（以a相為例）：

零序電流型橫差保護(hù)：TA01；TA02；

不完全裂相橫差保護(hù)：TA1-TA2。

（a） 兩個(gè)中性點(diǎn)主保護(hù)配置圖

（b） 三個(gè)中性點(diǎn)主保護(hù)配置圖

圖5 主保護(hù)配置圖

3.3 主保護(hù)組合方案的配置方法

在給大型發(fā)電機(jī)配置主保護(hù)組合方案之前，需對(duì)發(fā)電機(jī)故障集進(jìn)行詳細(xì)的統(tǒng)計(jì)，并對(duì)故障集中的故障進(jìn)行空載狀態(tài)下短路電流的仿真，而后才可以進(jìn)行主保護(hù)方案的配置工作[3-7]。對(duì)SF600－42/1308水輪發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部短路進(jìn)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(jī)內(nèi)部故障分析

由于負(fù)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(dǎo)致負(fù)載狀態(tài)的保護(hù)死區(qū)不明顯，會(huì)給最終主保護(hù)配置工作加大難度，不利于主保護(hù)最終配置的選擇，所以靈敏度的計(jì)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(duì)SF600－42/1308水輪發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)可行方案靈敏性的計(jì)算和對(duì)比，可得到各主保護(hù)方案的動(dòng)作性能，包括只有一種主保護(hù)動(dòng)作故障數(shù)、雙重化主保護(hù)動(dòng)作故障數(shù)、拒動(dòng)故障數(shù)及相應(yīng)拒動(dòng)故障信息。從可行方案中確定最終主保護(hù)配置方案需綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)，同時(shí)也取決于所配置主保護(hù)之間的“合作”。在對(duì)各主保護(hù)組合方案性能分析的基礎(chǔ)上，還需對(duì)以下幾點(diǎn)綜合考慮，進(jìn)而推薦最終的主保護(hù)配置方案：

（1）中性點(diǎn)側(cè)分支引出簡單

（2）完成內(nèi)部短路保護(hù)功能所用的保護(hù)方案簡單

（3）電流互感器個(gè)數(shù)少

（4）主保護(hù)不可動(dòng)作故障個(gè)數(shù)少

（5）主保護(hù)可雙重化動(dòng)作的故障個(gè)數(shù)多

（6）內(nèi)部短路保護(hù)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(jī)采用135-246分支組合方式，圖6是該發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)的推薦方案。推薦方案存在的保護(hù)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(jī)端側(cè)大匝數(shù)同相不同分支匝間短路，保護(hù)死區(qū)與本文提到的主保護(hù)性能分析相符。

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

4 結(jié)論

本文通過對(duì)大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)配置方案的研究，可以得出以下結(jié)論：

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

（2）定子繞組分支的引出方式與主保護(hù)的保護(hù)效果息息相關(guān)，通過對(duì)不同中性點(diǎn)情況的分析，更加明確了定子繞組分支引出方式種類、個(gè)數(shù)以及不同分支組合方式對(duì)匝間短路保護(hù)效果的影響，更加方便設(shè)計(jì)者主保護(hù)方案的對(duì)比和分析。

（3）靈敏度計(jì)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(hù)死區(qū)的分析和主保護(hù)方案的對(duì)比和選擇。

（4）通過對(duì)主保護(hù)配置方案設(shè)計(jì)過程進(jìn)行詳述，總結(jié)了最終推薦方案的確定方法，為后續(xù)大型發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置的設(shè)計(jì)提供了借鑒，為型發(fā)電機(jī)更安全、更可靠的運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。

[1] 桂林, 王維儉, 孫宇光, 等. 奇數(shù)多分支大型水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2006, 26(22): 29-34.

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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(xiàng)資助項(xiàng)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(xué)電機(jī)與電器專業(yè)，2004年清華大學(xué)電氣工程學(xué)科博士后流動(dòng)站出站，主要從事大型機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置的基礎(chǔ)理論與運(yùn)行研究工作，教授，博士生導(dǎo)師。

審稿人：孫玉田