楊勇

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

發(fā)電機主保護配置方案優(yōu)化研究

楊勇

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

大型發(fā)電機地位重要，其故障將嚴重影響機組及電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，研究有效的發(fā)電機主保護配置方案有重要意義。文章并對零序電流型橫差保護、裂相橫差保護、不完全縱差保護及完全縱差保護四種主保護的工作原理、構(gòu)成形式進行了研究，在此基礎(chǔ)上進一步提出了主保護的方案優(yōu)化設(shè)計步驟和最終方案的確定方法，對大型發(fā)電機實施有效的保護有一定的現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

發(fā)電機；主保護；短路；優(yōu)化

1 概述

發(fā)電機是電力系統(tǒng)的心臟，隨著發(fā)電機單機容量的不斷增大，發(fā)電機故障對電力系統(tǒng)將產(chǎn)生更嚴重影響，甚至?xí)茐碾娏ο到y(tǒng)穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)癱瘓；同時由于大型發(fā)電機組造價昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦遭受損壞，需要的檢修期長，會帶來很大的經(jīng)濟損失，對發(fā)電機主保護的安全性、快速性、靈敏性提出了更高的要求。此外，發(fā)電機內(nèi)部故障破壞性強，但目前的發(fā)電機主保護動作率較低，且對于匝間短路還存在保護死區(qū)，因此必須對各種發(fā)電機主保護配置方案進行研究，提出最優(yōu)化的主保護配置方案。

2 發(fā)電機內(nèi)部故障主保護方案

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

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

（2）裂相橫差保護。由于發(fā)電機內(nèi)部短路主保護設(shè)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個中性點的發(fā)電機。裂相橫差保護將發(fā)電機中性點側(cè)的并聯(lián)分支直接分為2組(完全裂相橫差保護)或舍棄其中某部分分支后將剩余繞組分為兩組(不完全裂相保護)，要反應(yīng)發(fā)電機內(nèi)部故障的匝間短路，比較的是發(fā)電機同相間兩部分電流的不平衡度。

對于并聯(lián)支路數(shù)為6的SF600-42/1308水輪發(fā)電機而言，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，在兩個電流互感器TA3、TA4之間形成完全裂相橫差保護，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，在兩個電流互感器TA3、TA4之間形成不完全裂相橫差保護，如圖2b)所示。

研究表明零序橫差保護和裂相橫差保護對于匝間保護的靈敏度要優(yōu)于不完全縱差保護，是匝間短路的主保護。但保護方案選擇零序橫差還是裂相橫差，或兩者都選，必須經(jīng)過詳細的主保護靈敏度分析來決定。

（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(cè)某相中部分并聯(lián)分支繞組中，與機端側(cè)電流互感器構(gòu)成不完全縱差保護。如圖3所示，并聯(lián)支路數(shù)為6的發(fā)電機，以A、C相為例，在機端側(cè)分別裝設(shè)電流互感器TA7、TA9，在A、C兩相中性點側(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。在應(yīng)用不完全縱差保護前，必須進行發(fā)電機內(nèi)部故障靈敏度分析計算，綜合考慮不完全縱差保護對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，來確定是否選擇不完全縱差保護。

（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(cè))和尾端(中性點側(cè))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(yīng)相間短路。完全縱差保護由中性點側(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。完全縱差保護能完全反應(yīng)發(fā)電機定子繞組相間短路，但其對定子繞組同相同分支、同相異分支短路故障、定子繞組分支開焊故障完全不起作用。

圖1 零序電流型橫差保護

圖2 裂相橫差保護

圖3 不完全縱差保護

圖4 完全縱差保護

3 主保護配置方案優(yōu)化設(shè)計

通過上文對四種主保護工作原理和動作性能的分析，進一步提出了主保護配置方案的優(yōu)化設(shè)計方法，將主保護配置方案的基本設(shè)計方法與發(fā)電機實際發(fā)生的內(nèi)部短路情況相結(jié)合，在此基礎(chǔ)上，對可行方案進行性能對比，最終得到發(fā)電機內(nèi)部短路主保護的最終配置方案。

（1）主保護定量化設(shè)計的基本步驟。通過前面的闡述對四種主保護性能已有了清楚地了解，現(xiàn)對主保護定量化設(shè)計的基本步驟作以下說明：①首先確定橫差保護類型，優(yōu)先考慮零序電流型橫差保護，結(jié)合橫差保護選型，確定發(fā)電機中性點側(cè)定子繞組的引出方式，明確中性點個數(shù)、零序電流型橫差保護套數(shù)或裂相橫差保護類型(完全裂相或不完全裂相)；②對于發(fā)電機端部引出線相間短路和定子繞組各種故障，除橫差保護外，還需裝設(shè)縱差保護，優(yōu)先考慮不完全縱差保護，形成“一橫一縱”(一種橫差保護和一種縱差保護)的初步格局；③在對“一橫一縱”初步格局進行性能分析的基礎(chǔ)上，再考慮其他主保護的取舍，這需要綜合考慮各種指標——中性點側(cè)TA的數(shù)目及安裝位置、已有主保護配置方案不能動作故障及其性質(zhì)等；④在確定主保護最終方案前，需對所有可行主保護組合方案的動作性能進行分析，逐一對比，最好地實現(xiàn)各主保護之間的綜合利用，最終確定工作性能最優(yōu)的主保護配置方案；⑤根據(jù)仿真短路電流結(jié)果、最終主保護配置方案，選擇適合的保護用電流互感器的個數(shù)，型號和安裝位置。

（2）主保護最終方案的確定。通過對發(fā)電機內(nèi)部短路主保護可行方案的對比，可得到各主保護方案的動作性能，包括一種主保護動作故障數(shù)、雙重化保護動作故障數(shù)、無主保護動作故障數(shù)及其拒動信息。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(chǔ)上，需對以下6點綜合考慮，進而推薦最終的主保護配置方案：①中性點側(cè)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。

4 結(jié)語

近年來，發(fā)電機組的裝機容量、年發(fā)電量也在持續(xù)增長。內(nèi)部短路是大型發(fā)電機典型的故障之一，發(fā)電機在發(fā)生內(nèi)部短路時會產(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)濟損害，所以針對大型發(fā)電機內(nèi)部短路配以適當?shù)闹鞅Ｗo十分地必要。文章針對大型發(fā)電機在內(nèi)部短路時可能產(chǎn)生的問題，提出了發(fā)電機主保護配置方案的優(yōu)化設(shè)計方法，為大型發(fā)電機配置高性能的主保護方案奠定了理論基礎(chǔ)。

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

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［3］鄢志超.發(fā)電機匝間短路相關(guān)問題的探討［J］.浙江電力，2009，2（1）：14-19.

［4］劉俊宏,王維儉,王祥珩.發(fā)電機不完全縱差保護［J］.中國電力，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)備檢修維護工作。