桂 林，王霏霏，王祥珩

（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，北京市 100084；2.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511853）

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站發(fā)電機(jī)—變壓器組保護(hù)設(shè)計(jì)與整定的新進(jìn)展

桂 林1，王霏霏2，王祥珩1

（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，北京市 100084；2.清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東省清遠(yuǎn)市 511853）

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站已投產(chǎn)發(fā)電，有必要對(duì)其發(fā)電機(jī)—變壓器組（簡(jiǎn)稱發(fā)變組）保護(hù)設(shè)計(jì)與整定的新進(jìn)展進(jìn)行歸納總結(jié)。本文在全面的內(nèi)部短路仿真計(jì)算的基礎(chǔ)上，經(jīng)定量化設(shè)計(jì)過(guò)程完成了清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)主保護(hù)的設(shè)計(jì)，并兼顧電機(jī)設(shè)計(jì)與TA安裝的要求；通過(guò)增設(shè)跳閘允許電流元件，提高了SIEMENS失步保護(hù)區(qū)分失步振蕩和穩(wěn)定搖擺的能力；在發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)和主變壓器低壓側(cè)接地保護(hù)定值整定時(shí)，注意到GCB開(kāi)斷所帶來(lái)的發(fā)電機(jī)或主變壓器低壓側(cè)不接地系統(tǒng)電容值的變化，為后續(xù)抽水蓄能電站的建設(shè)提供借鑒。

大型抽水蓄能機(jī)組；主保護(hù)設(shè)計(jì)；內(nèi)部短路計(jì)算；失步保護(hù)；接地保護(hù)

0 引言

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站位于廣東省清遠(yuǎn)市清新區(qū)太平鎮(zhèn)，屬國(guó)家“十一五”重點(diǎn)工程，電站總裝機(jī)容量128萬(wàn)kW，安裝4臺(tái)320MW可逆式發(fā)電機(jī)組，首臺(tái)機(jī)組于2015年12月投產(chǎn)發(fā)電。

隨著響水澗、仙游、清遠(yuǎn)等一批抽水蓄能電站的投入運(yùn)行，國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站的建設(shè)已進(jìn)入發(fā)展高潮，有必要對(duì)最大單機(jī)容量的每相7分支的清遠(yuǎn)抽蓄發(fā)變組保護(hù)設(shè)計(jì)與整定的特點(diǎn)進(jìn)行歸納總結(jié)，為后續(xù)抽水蓄能電站的建設(shè)提供借鑒。

1 清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)主保護(hù)的定量化設(shè)計(jì)

清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用整數(shù)槽（q=8）“半波繞組”（定子繞組節(jié)距為y1=26、y2=26），14極，定子槽數(shù)為336，每相7分支，每分支16個(gè)線圈。根據(jù)對(duì)東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司提供的定子繞組展開(kāi)圖的分析[1-2]，清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)定子繞組實(shí)際可能發(fā)生的同槽和端部交叉故障如表1和表2所示。

表1 清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)336種同槽故障

表2 清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)15120種端部交叉故障

運(yùn)用多回路分析法[3-6]，對(duì)清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)并網(wǎng)空載運(yùn)行方式下所有可能發(fā)生的同槽和端部交叉故障進(jìn)行了仿真計(jì)算（共計(jì)15456種），得到發(fā)電機(jī)故障時(shí)每一支路電流的大小和相位（包括兩中性點(diǎn)間的零序電流的大?。?，以此為基礎(chǔ)進(jìn)行主保護(hù)方案的靈敏度分析，又能清楚認(rèn)識(shí)到每種保護(hù)能靈敏反應(yīng)哪些短路和不反應(yīng)哪些短路，從而使得主保護(hù)配置方案的性能對(duì)比建立在定量分析的基礎(chǔ)之上，并考慮所采用的中性點(diǎn)引出和分支分組方式對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)和TA安裝的影響。

類似發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)方法已在水電領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用，已對(duì)國(guó)內(nèi)外78座大中型水電站和11座抽水蓄能電站（仙游、清遠(yuǎn)、溧陽(yáng)、仙居、洪屏、深圳、瓊中、績(jī)溪、豐寧抽蓄一期、敦化、伊朗AZAD）的發(fā)電機(jī)進(jìn)行了定子繞組內(nèi)部故障的分析和主保護(hù)方案的定量化設(shè)計(jì)，相關(guān)設(shè)計(jì)成果已得到現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行實(shí)踐的檢驗(yàn)，在發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部匝間短路、相間短路和分支開(kāi)焊時(shí)靈敏動(dòng)作，避免了故障的擴(kuò)大，為發(fā)電機(jī)搶修和恢復(fù)供電贏得了時(shí)間。

圖1 清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)可能采用的分支分組和中性點(diǎn)引出方式

對(duì)于每相7分支的清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)而言，其可能采用的分支分組方式有“3-1-3” 和“3-4”兩種（如圖1所示），對(duì)應(yīng)的主保護(hù)配置方案的性能見(jiàn)表3。圖1（a）所示（“3-1-3分支分組方式”）主保護(hù)配置方案的性能要遠(yuǎn)優(yōu)于圖1（b）（“3-4分支分組方式”），原因在于其同相不同分支匝間短路所占比率大（見(jiàn)表1和表2），且相近電位的同相不同分支匝間短路（如圖2所示，兩短路點(diǎn)距離中性點(diǎn)位置相近）的故障特征是故障分支電流大但相位相反，在某些連接方式下（將兩故障分支分到同一分支組中）的短路回路電流無(wú)法直接引入保護(hù)裝置的差動(dòng)回路中以提高靈敏度，將成為主保護(hù)配置方案的動(dòng)作死區(qū)[7-9]。

圖2 發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短路

而在“3-4分支分組方式”下，無(wú)論上述相近電位的同相不同分支匝間短路是多發(fā)生在相鄰還是相隔分支間，“123-4567”或“135-2467”分支分組方式都無(wú)法做到將兩故障分支始終分到不同的分支組中去。

表3 清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)同槽和端部故障時(shí)不同主保護(hù)配置方案的動(dòng)作情況

再?gòu)陌l(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)銅環(huán)布置和分支組TA安裝的難易程度來(lái)看，在“3-1-3分支分組方式”下，相隔分支分組的中性點(diǎn)引出方式遠(yuǎn)比相鄰分支分組的情況復(fù)雜，對(duì)應(yīng)的匯流銅環(huán)層數(shù)高達(dá)11層，電機(jī)制造廠目前還無(wú)法做到！

最終推薦圖3所示方案作為清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)主保護(hù)配置方案，對(duì)于其實(shí)際可能發(fā)生的15456種內(nèi)部故障，不能動(dòng)作故障數(shù)為186種（占內(nèi)部故障總數(shù)的1.2%），不能動(dòng)作的故障類型中沒(méi)有發(fā)生幾率高的相間短路，對(duì)15125種內(nèi)部故障（占內(nèi)部故障總數(shù)的97.9%）有兩種及以上原理不同的主保護(hù)靈敏動(dòng)作，保護(hù)性能已非常優(yōu)異；且對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)側(cè)匯流銅環(huán)層數(shù)為6層，大大降低了電機(jī)設(shè)計(jì)的難度，有利于發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。

圖3 清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)及TA配置推薦方案（相鄰連接，123-4-567）

如上所述，即使在發(fā)電電動(dòng)機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)中兼顧了設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)用性，清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)中性點(diǎn)側(cè)銅環(huán)布置和TA安裝的難度還是很大，畢竟較常規(guī)水電而言，高轉(zhuǎn)速抽蓄機(jī)組的風(fēng)洞空間更有限，以至于深圳抽蓄發(fā)電電動(dòng)機(jī)（a=7）只好將中性點(diǎn)側(cè)TA布置在風(fēng)洞外，以保證電流互感器自身的運(yùn)行安全。

這就要求我們從電機(jī)設(shè)計(jì)上尋求突破，不對(duì)稱定子繞組的采用（a=4）將解決上述14極發(fā)電機(jī)銅環(huán)布置和TA安裝遇到的困難，同時(shí)也簡(jiǎn)化了主保護(hù)的設(shè)計(jì)。

2 清遠(yuǎn)發(fā)電電動(dòng)機(jī)失步保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

清遠(yuǎn)抽蓄發(fā)變組保護(hù)裝置由SIEMENS公司提供，其發(fā)電機(jī)失步保護(hù)采用遮擋器原理[10]，相應(yīng)的動(dòng)作特性如圖4所示。

圖4 SIEMENS失步保護(hù)阻抗特性

當(dāng)正序電流大于120%Ign且負(fù)序電流小于20%Ign時(shí)判為失步振蕩，可明確區(qū)分失步振蕩與短路故障，但在區(qū)分失步振蕩與穩(wěn)定搖擺時(shí)存在不足，保護(hù)裝置在機(jī)端阻抗軌跡抵達(dá)阻抗平面縱軸（對(duì)應(yīng)的δ=180°）時(shí)即發(fā)跳閘脈沖，其實(shí)機(jī)端阻抗軌跡并未從另一個(gè)方向離開(kāi)工作區(qū)，如圖5所示。

圖5 某發(fā)電機(jī)失磁過(guò)程中機(jī)端阻抗軌跡同時(shí)穿越失步保護(hù)動(dòng)作區(qū)

針對(duì)上述不足，SIEMENS公司技術(shù)人員提出可增設(shè)跳閘允許電流元件來(lái)閉鎖發(fā)電機(jī)穩(wěn)定搖擺過(guò)程中失步保護(hù)的動(dòng)作，即以機(jī)端阻抗軌跡從對(duì)側(cè)穿出遮擋器動(dòng)作區(qū)時(shí)流過(guò)發(fā)電機(jī)機(jī)端的電流為界，小于該電流才允許失步保護(hù)發(fā)出跳閘脈沖（保護(hù)裝置若能直接反應(yīng)兩側(cè)功角的連續(xù)變化過(guò)程則更好），避免在某些特殊應(yīng)用場(chǎng)合擴(kuò)大故障范圍。

3 清遠(yuǎn)抽蓄發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)與主變壓器低壓側(cè)接地保護(hù)整定的異同

為避免定子接地故障燒損鐵芯和發(fā)展為危害嚴(yán)重的匝間或相間短路，《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》（DL/T 684—2012）明確規(guī)定，發(fā)電機(jī)基波零序電壓定子接地保護(hù)定值上躲過(guò)主變壓器高壓側(cè)接地傳遞過(guò)電壓的影響，則延時(shí)不必再與主變壓器高壓側(cè)接地后備保護(hù)的長(zhǎng)延時(shí)去配合，一般整定為0.5s。

對(duì)于經(jīng)高阻接地的清遠(yuǎn)抽蓄發(fā)電機(jī)而言，由于發(fā)電機(jī)每相電容值已達(dá)1.8μF，故利用圖6所示等效電路計(jì)算所得主變壓器高壓側(cè)接地傳遞過(guò)電壓數(shù)值不會(huì)太大，通過(guò)合理整定基波零序電壓定子接地保護(hù)的定值可有效保護(hù)發(fā)電機(jī)絕大部分定子繞組的接地故障。

圖6 清蓄發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)傳遞電壓計(jì)算用簡(jiǎn)化電路（GCB兩側(cè)電容值均為0.13μF）

但是當(dāng)發(fā)電機(jī)機(jī)端斷路器（GCB）開(kāi)斷、主變壓器單獨(dú)與500kV系統(tǒng)相聯(lián)時(shí)，發(fā)電機(jī)定子繞組每相對(duì)地電容已不起作用，但GCB主變壓器側(cè)所聯(lián)抑制操作過(guò)電壓的小電容（0.13μF）仍然在起作用（見(jiàn)圖7），所以主變壓器高壓側(cè)接地傳遞過(guò)電壓的數(shù)值雖有所增大，但變化不大，通過(guò)合理整定主變壓器低壓側(cè)接地保護(hù)的定值和延時(shí)（仍為短延時(shí)），既能對(duì)主變壓器低壓側(cè)不接地系統(tǒng)發(fā)生的接地故障提供有效保護(hù)，又能與發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)在定值和延時(shí)上取得配合（兩者均能反映15.75kV母線的3UL0信號(hào)）。

圖7 清蓄主變壓器低壓側(cè)接地保護(hù)傳遞電壓計(jì)算用電路

若GCB斷開(kāi)后處于檢修狀態(tài)，則GCB主變壓器側(cè)所聯(lián)小電容（0.13μF）也不起作用，圖7所示等效電路就不再存在大的電容來(lái)拉低主變壓器高壓側(cè)接地所產(chǎn)生的傳遞過(guò)電壓，此時(shí)對(duì)應(yīng)的3UL0高達(dá)165V（二次值）。主變壓器低壓側(cè)接地電壓保護(hù)就難以通過(guò)定值來(lái)躲過(guò)主變壓器高壓側(cè)接地傳遞過(guò)電壓的影響，現(xiàn)多依靠延時(shí)配合，當(dāng)然也可拉入主變壓器高壓側(cè)零序電壓作為閉鎖量。

對(duì)于核電站而言，為給主變壓器低壓側(cè)不接地系統(tǒng)接地故障提供有效保護(hù)（核島調(diào)試時(shí)間長(zhǎng)），則通過(guò)增設(shè)高壓廠用變壓器高壓側(cè)接地變壓器（與發(fā)電機(jī)高阻接地方式類似），并合理選擇其一次電阻值（一般為3000Ω左右）來(lái)拉低主變壓器高壓側(cè)接地傳遞過(guò)電壓。

4 結(jié)論

（1）在全面的內(nèi)部短路分析計(jì)算的基礎(chǔ)上，經(jīng)定量化及優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程來(lái)確定發(fā)電電動(dòng)機(jī)主保護(hù)配置方案，已在國(guó)產(chǎn)化抽水蓄能電站得到推廣應(yīng)用。

（2）14極發(fā)電電動(dòng)機(jī)采用不對(duì)稱定子繞組（a=4）可實(shí)現(xiàn)電機(jī)設(shè)計(jì)和主保護(hù)設(shè)計(jì)的“共贏”。

（3）增設(shè)跳閘允許電流元件提高了SIEMENS失步保護(hù)區(qū)分失步振蕩和穩(wěn)定搖擺的能力。

（4）在發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)和主變壓器低壓側(cè)接地保護(hù)定值整定時(shí)，需注意GCB開(kāi)斷所帶來(lái)的發(fā)電機(jī)或主變壓器低壓側(cè)不接地系統(tǒng)電容值的變化。

[1]白延年.水輪發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)與計(jì)算.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2]許實(shí)章.交流電機(jī)的繞組理論.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

[3]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用（第二版）.北京：中國(guó)電力出版社，2002.

[4]高景德，王祥珩，李發(fā)海.交流電機(jī)及其系統(tǒng)的分析（第二版）.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]桂林.大型發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究[D].北京：清華大學(xué)，2003.

[6]桂林.大型水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)過(guò)程的合理簡(jiǎn)化及大型汽輪發(fā)電機(jī)新型中性點(diǎn)引出方式的研究[D].清華大學(xué)博士后研究報(bào)告，2006.

[7]桂林，王維儉，孫宇光，等.三峽右岸發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案設(shè)計(jì)研究總結(jié).電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（13）：69-75.

[8]桂林，王祥珩，孫宇光，等.巨型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組設(shè)計(jì)建議——由發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)引出的反思.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（4）：45-48.

[9]桂林，王祥珩，孫宇光，等.向家壩和溪洛渡水電站發(fā)電機(jī)主保護(hù)設(shè)計(jì)總結(jié).電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30（7）：30-33.

桂 林（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向：大機(jī)組保護(hù)及故障分析。E-mail：guilin99@mails.tsinghua.edu.cn

王霏霏（1983—），女，碩士，工程師，主要研究方向：繼電保護(hù)設(shè)備調(diào)試和運(yùn)維管理。E-mail：wangfeifei815@163.com

王祥珩（1940—），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向：電機(jī)分析與控制、電機(jī)故障及保護(hù)、電氣傳動(dòng)及其自動(dòng)化等。E-mail：wangxh@mail.tsinghua.edu.cn

New Progress of Design and Setting of the Generator Transformer Protection for Qingyuan Pumped Storage Power Station

GUI Lin1，WANG Feifei2，WANG Xiangheng1
（1.Dept.of Electrical Engineering，State Key Laboratory of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment，Tsinghua University，Beijing 10084，China; 2.Qingyuan Pumped storage Power Generation Co.，Ltd.Qingyuan Qinyuan 511853，China）

As Qingyuan pumped storage power station has already put into operation，it’s necessary to make a summary of the new advances in its design and settings of the generatortransformer unit protection Based on the comprehensive internal fault simulation and with consideration of the generator design and the installation of CT，the quantitative and optimization design of main protection for Qingyuan generator has been completed; By adding new trip-permitted current components，the ability of SIEMENS generator out-of-step protection to distinguish between out-of-step oscillation and stable oscillation has been enhanced; When it comes to the protection settings of generator stator ground fault and low voltage side of main transformer ground fault，the change in generator’s capacitance and low voltage side of main transformer’s capacitance brought by GCB interrupting operation is taken into consideration.Above experiences can be used as a reference for the construction of pumped storage power station in the future.

large-sized pumped storage groups; main protection design; internal fault simulation; out-of-step protection; ground fault protection