楊勇

（貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司思林發(fā)電廠，貴州思南565100）

發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案優(yōu)化研究

楊勇

（貴州烏江水電開(kāi)發(fā)有限責(zé)任公司思林發(fā)電廠，貴州思南565100）

大型發(fā)電機(jī)地位重要，其故障將嚴(yán)重影響機(jī)組及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，研究有效的發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案有重要意義。文章并對(duì)零序電流型橫差保護(hù)、裂相橫差保護(hù)、不完全縱差保護(hù)及完全縱差保護(hù)四種主保護(hù)的工作原理、構(gòu)成形式進(jìn)行了研究，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了主保護(hù)的方案優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟和最終方案的確定方法，對(duì)大型發(fā)電機(jī)實(shí)施有效的保護(hù)有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

發(fā)電機(jī)；主保護(hù)；短路；優(yōu)化

1 概述

發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)的心臟，隨著發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷增大，發(fā)電機(jī)故障對(duì)電力系統(tǒng)將產(chǎn)生更嚴(yán)重影響，甚至?xí)茐碾娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)癱瘓；同時(shí)由于大型發(fā)電機(jī)組造價(jià)昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦遭受損壞，需要的檢修期長(zhǎng)，會(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)損失，對(duì)發(fā)電機(jī)主保護(hù)的安全性、快速性、靈敏性提出了更高的要求。此外，發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障破壞性強(qiáng)，但目前的發(fā)電機(jī)主保護(hù)動(dòng)作率較低，且對(duì)于匝間短路還存在保護(hù)死區(qū)，因此必須對(duì)各種發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案進(jìn)行研究，提出最優(yōu)化的主保護(hù)配置方案。

2 發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)方案

目前發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)主要有：零序電流型橫差保護(hù)、裂相橫差保護(hù)、不完全縱差保護(hù)和完全縱差保護(hù)，它們既可以保護(hù)發(fā)電機(jī)相間短路，也可以保護(hù)匝間短路，改善了發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部故障主保護(hù)方案。

（1）零序電流型橫差保護(hù)。零序電流型橫差保護(hù)適用于多分支的定子繞組，所以在大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)配置中應(yīng)用廣泛，對(duì)匝間短路有較高的靈敏度。以SF600-42/1308水輪發(fā)電機(jī)為例，對(duì)于并聯(lián)支路數(shù)為6的發(fā)電機(jī)，可以將每相的1、2、3分支引出連在一起，形成中性點(diǎn)o1；再將每相4、5、6分支引出連在一起，形成中性點(diǎn)o2；然后在o1、o2之間裝設(shè)一個(gè)電流互感器TA0，形成一套零序電流型橫差保護(hù)，如圖1a)所示。也可以將每相的1、2分支引出連在一起，形成中性點(diǎn)o1；將每相3、4分支引出連在一起，形成中性點(diǎn)o2；再將每相5、6分支引出連在一起，形成中性點(diǎn)o3；然后在o1與o2之間、o2與o3之間裝設(shè)兩個(gè)電流互感器TA01、TA02，形成兩套零序電流型橫差保護(hù)，如圖1b)所示。

（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)外只引出一個(gè)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))或舍棄其中某部分分支后將剩余繞組分為兩組(不完全裂相保護(hù))，要反應(yīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的匝間短路，比較的是發(fā)電機(jī)同相間兩部分電流的不平衡度。

對(duì)于并聯(lián)支路數(shù)為6的SF600-42/1308水輪發(fā)電機(jī)而言，以B相為例，可以將1、2、3分支連在一起引出，再將4、5、6分支連在一起引出，分別裝設(shè)電流互感器TA3、TA4，在兩個(gè)電流互感器TA3、TA4之間形成完全裂相橫差保護(hù)，如圖2a)所示。也可以將1、2分支連在一起引出，再將5、6分支連在一起引出，分別裝設(shè)電流互感器TA3、TA4，在兩個(gè)電流互感器TA3、TA4之間形成不完全裂相橫差保護(hù)，如圖2b)所示。

研究表明零序橫差保護(hù)和裂相橫差保護(hù)對(duì)于匝間保護(hù)的靈敏度要優(yōu)于不完全縱差保護(hù)，是匝間短路的主保護(hù)。但保護(hù)方案選擇零序橫差還是裂相橫差，或兩者都選，必須經(jīng)過(guò)詳細(xì)的主保護(hù)靈敏度分析來(lái)決定。

（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)某相中部分并聯(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)。如圖3所示，并聯(lián)支路數(shù)為6的發(fā)電機(jī)，以A、C相為例，在機(jī)端側(cè)分別裝設(shè)電流互感器TA7、TA9，在A、C兩相中性點(diǎn)側(cè)將1、2、3分支和4、5、6分支分別引出，并裝設(shè)電流互感器TA1、TA6，在TA1與TA7、TA6與TA9之間分別構(gòu)成引入分支數(shù)為3的兩套不完全縱差保護(hù)。在應(yīng)用不完全縱差保護(hù)前，必須進(jìn)行發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障靈敏度分析計(jì)算，綜合考慮不完全縱差保護(hù)對(duì)匝間短路和相間短路的靈敏度，考慮不完全縱差是否體現(xiàn)了反應(yīng)匝間短路的優(yōu)點(diǎn)，來(lái)確定是否選擇不完全縱差保護(hù)。

（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。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，如圖4所示，TA5、TA6與TA9一同構(gòu)成C相的完全縱差保護(hù)。完全縱差保護(hù)能完全反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子繞組相間短路，但其對(duì)定子繞組同相同分支、同相異分支短路故障、定子繞組分支開(kāi)焊故障完全不起作用。

圖1 零序電流型橫差保護(hù)

圖2 裂相橫差保護(hù)

圖3 不完全縱差保護(hù)

圖4 完全縱差保護(hù)

3 主保護(hù)配置方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)上文對(duì)四種主保護(hù)工作原理和動(dòng)作性能的分析，進(jìn)一步提出了主保護(hù)配置方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，將主保護(hù)配置方案的基本設(shè)計(jì)方法與發(fā)電機(jī)實(shí)際發(fā)生的內(nèi)部短路情況相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上，對(duì)可行方案進(jìn)行性能對(duì)比，最終得到發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)的最終配置方案。

（1）主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)的基本步驟。通過(guò)前面的闡述對(duì)四種主保護(hù)性能已有了清楚地了解，現(xiàn)對(duì)主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)的基本步驟作以下說(shuō)明：①首先確定橫差保護(hù)類(lèi)型，優(yōu)先考慮零序電流型橫差保護(hù)，結(jié)合橫差保護(hù)選型，確定發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)定子繞組的引出方式，明確中性點(diǎn)個(gè)數(shù)、零序電流型橫差保護(hù)套數(shù)或裂相橫差保護(hù)類(lèi)型(完全裂相或不完全裂相)；②對(duì)于發(fā)電機(jī)端部引出線相間短路和定子繞組各種故障，除橫差保護(hù)外，還需裝設(shè)縱差保護(hù)，優(yōu)先考慮不完全縱差保護(hù)，形成“一橫一縱”(一種橫差保護(hù)和一種縱差保護(hù))的初步格局；③在對(duì)“一橫一縱”初步格局進(jìn)行性能分析的基礎(chǔ)上，再考慮其他主保護(hù)的取舍，這需要綜合考慮各種指標(biāo)——中性點(diǎn)側(cè)TA的數(shù)目及安裝位置、已有主保護(hù)配置方案不能動(dòng)作故障及其性質(zhì)等；④在確定主保護(hù)最終方案前，需對(duì)所有可行主保護(hù)組合方案的動(dòng)作性能進(jìn)行分析，逐一對(duì)比，最好地實(shí)現(xiàn)各主保護(hù)之間的綜合利用，最終確定工作性能最優(yōu)的主保護(hù)配置方案；⑤根據(jù)仿真短路電流結(jié)果、最終主保護(hù)配置方案，選擇適合的保護(hù)用電流互感器的個(gè)數(shù)，型號(hào)和安裝位置。

（2）主保護(hù)最終方案的確定。通過(guò)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路主保護(hù)可行方案的對(duì)比，可得到各主保護(hù)方案的動(dòng)作性能，包括一種主保護(hù)動(dòng)作故障數(shù)、雙重化保護(hù)動(dòng)作故障數(shù)、無(wú)主保護(hù)動(dòng)作故障數(shù)及其拒動(dòng)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，需對(duì)以下6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(jiǎn)單；②完成內(nèi)部短路保護(hù)功能所用的保護(hù)方案簡(jiǎn)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。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量、年發(fā)電量也在持續(xù)增長(zhǎng)。內(nèi)部短路是大型發(fā)電機(jī)典型的故障之一，發(fā)電機(jī)在發(fā)生內(nèi)部短路時(shí)會(huì)產(chǎn)生帶有極大危害的短路電流，這將直接或間接地給電力系統(tǒng)及人民生活造成巨大的經(jīng)濟(jì)損害，所以針對(duì)大型發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路配以適當(dāng)?shù)闹鞅Ｗo(hù)十分地必要。文章針對(duì)大型發(fā)電機(jī)在內(nèi)部短路時(shí)可能產(chǎn)生的問(wèn)題，提出了發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，為大型發(fā)電機(jī)配置高性能的主保護(hù)方案奠定了理論基礎(chǔ)。

［1］王維儉,王祥珩,王贊基.大型發(fā)電機(jī)變壓器內(nèi)部故障分析與繼電保護(hù)［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2006.

［2］黃晶晶.發(fā)電機(jī)定子匝間保護(hù)的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2008．

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［4］劉俊宏,王維儉,王祥珩.發(fā)電機(jī)不完全縱差保護(hù)［J］.中國(guó)電力，1997，4（30）：34-37.

楊勇（1985-），男，貴州三穗人，大學(xué)本科，助理工程師，主要從事水電站電氣一次設(shè)備檢修維護(hù)工作。