王振羽，羅 胤，萬 君，宋明鈺，曹永闖，趙 穎

（1.豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林省吉林市 132108；2.河南天池抽水蓄能有限公司，河南省南陽市 473000）

0 引言

原豐滿水電站始建于1937年偽滿時期，到1943年首臺機組發(fā)電，后經(jīng)續(xù)建、改建及擴建，共安裝12臺水輪發(fā)電機組，總裝機容量1002.5MW。豐滿水電站全面治理（重建）工程于2012年10月獲國家發(fā)展改革委核準(zhǔn)。按照恢復(fù)電站原任務(wù)和功能，在原大壩下游120m處新建一座大壩，系我國首個大壩重建的重點工程項目。新建電站安裝6臺單機200MW的混流式水輪發(fā)電機組，保留原三期2臺140MW機組，總裝機容量1480MW。工程以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業(yè)用水、養(yǎng)殖和旅游等綜合作用。

豐滿水電站重建工程（以下簡稱豐滿）發(fā)電機采用半波繞組，64極，定子槽數(shù)為720，每相4分支，每分支60個線圈。發(fā)電機額定參數(shù)為：PN=200MW，UN=15.75kV，IN=8379A，cosΦ=0.875，If0=1240A，IfN=2281A。為確保機組安全運行，必須正確決定其主保護配置方案，而主保護方案的選擇需要針對實際短路的條件和特征、故障仿真計算的結(jié)果，以及發(fā)電機中性點側(cè)的引出方式和分支電流互感器（TA）位置等條件進行取舍[1，2]。

1 發(fā)電機內(nèi)部故障的類型和數(shù)量

發(fā)電機定子繞組的結(jié)構(gòu)形式有疊繞組和波繞組，而波繞組又分為全波繞組和半波繞組。繞組形式不同，實際可能發(fā)生內(nèi)部故障的特點就不同，內(nèi)部故障的類型和數(shù)量也不同，將對發(fā)電機主保護方案的定量化設(shè)計有很大影響。

豐滿發(fā)電機定子采用半波繞組具有一定優(yōu)勢：第一，相對于疊繞組發(fā)電機而言，波繞組發(fā)電機內(nèi)部短路中同相同分支匝間短路所占比率較??；第二，相對于全波繞組而言，半波繞組的接線方式存在反繞現(xiàn)象（先繞N極下若干線圈，再反繞S極下若干線圈），小匝數(shù)同相同分支匝間短路必然存在，但所占比率不大，且可通過調(diào)整繞組分支電勢的構(gòu)成進一步減少小匝數(shù)同相同分支匝間短路的存在比率；第三，半波繞組具有抑制轉(zhuǎn)子偏心振動的能力，半波繞組可利用轉(zhuǎn)子偏心產(chǎn)生的分支環(huán)流將轉(zhuǎn)子“推回”至中心位置。同時，若主保護方案能夠保留一套完全差動保護，當(dāng)機組狀態(tài)監(jiān)測裝置顯示上導(dǎo)軸承的擺度及氣隙同心度等超標(biāo)，橫差保護動作而完全縱差保護未動作（不反應(yīng)分支不平衡電流），即可區(qū)分內(nèi)部短路或轉(zhuǎn)子偏心[3]。

根據(jù)發(fā)電機定子繞組展開圖，實際可能發(fā)生定子槽內(nèi)上、下層線棒間短路共720種，定子繞組端部短路共14400種，具體故障的類型和數(shù)量見表1。通過進一步分析發(fā)現(xiàn)：對于同槽故障的192種同相不同分支匝間短路而言，均發(fā)生在相鄰分支間。對于端部故障的1296種同相不同分支匝間短路而言，也均發(fā)生在相鄰分支間。因此，應(yīng)著重分析同相不同分支匝間短路的構(gòu)成與分布特點，因為同相不同分支匝間短路的回路電流，可能由于分支分組的不合理，而無法直接引入保護裝置的差動回路，將增大主保護的動作死區(qū)。

表1 豐滿發(fā)電機內(nèi)部故障類型和數(shù)量統(tǒng)計Table 1 Statistics on the type and quantity of generator internal faults

2 發(fā)電機主保護方案靈敏度分析

2.1 差動保護的故障反應(yīng)能力分析

發(fā)電機差動保護包括裂相橫差、零序電流型橫差、完全或不完全縱差。從原理上看，裂相橫差保護比較的是發(fā)電機內(nèi)部故障時一相兩部分之間的不平衡；不完全縱差保護比較的是部分分支與整個相繞組之間的不平衡；零序電流型橫差保護則是將整個定子繞組分成兩部分，比較這兩部分之間的不平衡；完全縱差保護比較的是機端相電流與其中性點側(cè)相電流之間的不平衡。就總體反映匝間故障的能力而言，裂相橫差一般要高于不完全縱差和零序電流型橫差，完全縱差則不反應(yīng)匝間故障，但對相間故障有很高的靈敏度[4-6]。

2.2 典型故障特征及靈敏度分析

運用多回路分析法，對豐滿發(fā)電機并網(wǎng)運行方式下所有可能發(fā)生的同槽和端部交叉故障進行了仿真計算（共計15120種），求出各種故障時每支路電流的大小和相位（包括兩中性點間的電流），由此可得到各種短路狀態(tài)下差動保護的動作電流和制動電流，在已整定的動作特性條件下，最終獲得相應(yīng)主保護的靈敏系數(shù)。下面針對一則相近電位的同相不同分支匝間短路為例，分析完全裂相橫差保護在不同分支分組方式下的靈敏度。

圖1模擬的故障為豐滿發(fā)電機在并網(wǎng)運行方式下，a相第1支路第16號線圈的下層邊和a相第2支路第8號線圈的上層邊發(fā)生端部同相不同分支匝間短路，兩短路點距中性點位置相差8匝。表2為模擬故障狀態(tài)下，各分支電流的大小和相位。通過表2發(fā)現(xiàn)，故障分支Ia1和Ia2的大小相差不大、相位近于相反。這是由于故障分支電流Ia1和Ia2主要由直流勵磁感應(yīng)電動勢差所產(chǎn)生，所以Ia1和Ia2近于反向；由于兩短路點距中性點位置相差不大，所以Ia1和Ia2的大小相差也不大。通過互感作用，兩個短路分支對其他分支的互感磁鏈基本相互抵消，從而導(dǎo)致其他分支的電流故障前后變化不大。因此，圖1（a）所示的完全裂相橫差保護，流過分支TA1和TA2的電流都不大，從而導(dǎo)致對應(yīng)的裂相橫差保護靈敏系數(shù)很??；而圖1（b）和圖1（c）將兩個故障分支分在不同支路組中的連接方式，完全裂相橫差保護對應(yīng)的靈敏系數(shù)均很大，因為此時數(shù)值較大的短路電流被引入差動回路中。上述規(guī)律性的認(rèn)識與定性分析相一致，又進一步說明仿真計算的必要性，同時還應(yīng)進一步將仿真計算結(jié)果應(yīng)用到主保護配置方案的選擇上來。

圖1 一則相近電位的同相不同分支匝間短路Figure 1 Interturn short circuit of same phase different branch with adjacent potential

表2 一則相近電位的同相不同分支匝間 短路電流大小和相位Table 2 Magnitude of current and phase position of interturn short circuit of same phase different branch with adjacent potential

3 發(fā)電機主保護配置方案的選擇及優(yōu)化

3.1 主保護配置方案的原則

為防止發(fā)電機定子繞組相間短路，匝間短路和分支開焊，發(fā)電機主保護配置方案必須包括縱、橫差保護。由于各主保護的原理不同，均存在各自的保護死區(qū)，需按照“優(yōu)勢互補、綜合利用”的原則來制定主保護配置方案[7-9]。具體要求如下：第一，發(fā)電機內(nèi)部故障的死區(qū)最小，即主保護范圍最大；第二，發(fā)電機定子繞組任一點故障宜有兩種不同原理的主保護靈敏動作；第三，充分考慮發(fā)電機中性點引出方式及分支分組的合理性，在定量分析的基礎(chǔ)上實現(xiàn)主保護最優(yōu)配置；第四，完成保護功能的前提下，盡量減小所需硬件的投資（如TA的數(shù)量等）；第五，兼顧發(fā)電機的本體設(shè)計和制造的要求，實現(xiàn)電氣一次和二次的“雙贏”。

3.2 縱、橫差保護配置方案的選擇

豐滿發(fā)電機定子每相含4個并聯(lián)分支，總結(jié)已有4分支水輪發(fā)電機的設(shè)計經(jīng)驗，主要分析中性點側(cè)引出6個出線端子的布局。初步擬定每相裝設(shè)兩個分支組TA（其中TA按一塊保護屏配置，計及雙重化的需要另一塊保護屏完全拷貝），考慮不同發(fā)電機中性點側(cè)引出方式（這里按12-34、13-24、14-23三種分支組合情況探討）主保護方案的配置，結(jié)合豐滿發(fā)電機故障特點，分析以下6種主保護配置方案的性能。

方案一：發(fā)電機中性點側(cè)引出2個中性點——1套零序橫差＋1套完全縱差；

方案二：發(fā)電機中性點側(cè)引出1個中性點——1套完全裂相橫差＋2套不完全縱差；

方案三：發(fā)電機中性點側(cè)引出1個中性點——1套完全裂相橫差＋1套完全縱差；

方案四：發(fā)電機中性點側(cè)引出2個中性點——1套完全裂相橫差+2套不完全縱差+1套零序電流橫差；

方案五：發(fā)電機中性點側(cè)引出2個中性點——1套完全裂相橫差+1套完全縱差+1套零序橫差；

方案六：發(fā)電機中性點側(cè)引出2個中性點——1套完全裂相橫差+2套不完全縱差+1套完全縱差。

通過仿真計算，6種主保護配置方案對發(fā)電機內(nèi)部相間及匝間故障的反應(yīng)能力已有清晰的概念，具體仿真結(jié)果見表3。

表3 各主保護配置方案故障反應(yīng)性能Table 3 Fault response performance for various main protection configuration schemes

續(xù)表

對比6種主保護配置方案可以得出以下分析：

（1）方案一存在較大保護死區(qū)，不能動作故障數(shù)有388種（占故障總數(shù)的2.57%），僅對10072種內(nèi)部故障（占故障總數(shù)的66.61%）有兩種及以上原理的不同主保護靈敏動作。

（2）方案四、五、六采用“13-24”分支組合的保護死區(qū)最少，不能動作的216種故障基本上都是小匝數(shù)同相同分支匝間短路，對應(yīng)的短路匝比大多≤5%；但方案六相對于方案四而言，增加一套差動保護；而方案五相對于方案四而言，減少了一套差動保護，簡化了保護裝置構(gòu)成和計算工作量。

（3）相對于方案五而言，方案二和方案三的中性點引出方式變得簡單，但不能動作故障數(shù)增加了12種，兩種及以上不同原理主保護靈敏動作故障數(shù)減少了4028種，因此不推薦采用方案二和方案三。

綜上所述，選擇方案五（“兩橫一縱”）作為豐滿發(fā)電機差動保護配置方案，具體配置見圖2（僅畫出單相示意）。對于實際可能發(fā)生的15120種內(nèi)部故障，不能動作故障數(shù)有216種（占總數(shù)的1.43%，不能動作的故障類型大多是短路匝比≤5%的同相同分支匝間故障），對14720種內(nèi)部故障（占總數(shù)的97.35%）有兩種及以上原理不同的主保護靈敏動作。

圖2 豐滿發(fā)電機差動保護配置方案Figure 2 Fengman generator differential protection configuration scheme

3.3 定、轉(zhuǎn)子接地保護配置方案的優(yōu)化

傳統(tǒng)定子接地保護主要是基于基波零序電壓和三次諧波原理，其中基波零序電壓原理必須在電壓升起后才有效，且在中性點附近發(fā)生接地故障時存在死區(qū)。三次諧波原理基本能彌補上述死區(qū)，但受定子繞組電容參數(shù)影響較大，靈敏度不足。豐滿發(fā)電機定子接地電容實測6.64μF，傳統(tǒng)定子接地保護靈敏度不足的問題更為突出。鑒于此情況，定子接地保護優(yōu)化為注入式原理。注入式保護具有更高的可靠性和靈敏度，同時還能檢測發(fā)電機停機狀態(tài)時的接地絕緣水平。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地保護主要采用切換采樣（乒乓式）原理，因為沒有注入源，只有在轉(zhuǎn)子升壓后才能反應(yīng)接地故障，但轉(zhuǎn)子絕緣下降往往發(fā)生在長期停機的時候。因此，轉(zhuǎn)子接地保護優(yōu)化為注入式保護。

4 繼電保護裝置用TA的選型方案

4.1 零序橫差TA的選型

通過仿真計算，在豐滿發(fā)電機實際可能發(fā)生的15120種內(nèi)部短路中，流過中性點連線的短路電流在628.4A以上的故障所占比率為90.94%（靈敏系數(shù)≥1.5，對應(yīng)的動作電流為5%Ign），其中中性點連線的短路電流超過18000A的故障所占比率為9.22%，還有9.06%的故障是零序電流保護的動作死區(qū)?；谪S滿發(fā)電機內(nèi)部短路時中性點連線電流的大小及其分布特點，選擇零序橫差TA的型號為5P30，容量為20VA，變比為600/1。選擇理由如下：

（1）當(dāng)中性點連線的短路電流超過30ICT（18000A）時，雖然TA有可能飽和，但由于零序橫差為過電流繼電器，可保證正確動作，且這部分故障所占比率僅為9.22%；

（2）當(dāng)中性點連線的短路電流小于ICT的15%（90A）時，這類故障的零序橫差保護靈敏度已低于0.21，本屬保護動作死區(qū)，所以在TA選型中，不考慮此類情況；

（3）當(dāng)中性點連線的短路電流在628.4～18000A時，TA二次電流復(fù)合誤差不超過5%。

4.2 機端和中性點側(cè)分支TA的選型

式中：Kssc——短路電流倍數(shù)；

Ign——發(fā)電機額定電流；

ITA——選取電流互感器的一次電流。

保護裝置到TA的最長距離為50m，故TA二次電纜考慮有0.44Ω（電纜截面選用4mm2），由于保護裝置自身負荷很輕（0.5～1.0Ω），所以發(fā)電機保護二次負荷按1.5Ω（Sa=1.5VA）考慮；變比為12000/1的TA內(nèi)阻按90Ω（Sin=90VA）考慮，選取的TA二次輸出容量Sn=20VA，額定準(zhǔn)確限值系數(shù)Kalf.n=30，則實際準(zhǔn)確限值系數(shù)的計算見式（2）。

式中：Kalf——實際準(zhǔn)確限值系數(shù)；

Kalf.n——額定準(zhǔn)確限值系數(shù)；

Sin——電流互感器內(nèi)阻消耗容量；

Sn——電流互感器二次輸出容量；

Sa——電流互感器二次負載消耗容量。

豐滿發(fā)電機差動保護用TA的實際準(zhǔn)確限值系數(shù)能夠滿足選型要求，復(fù)核結(jié)果見式（3）。

式中：Kalf——實際準(zhǔn)確限值系數(shù)；

K——暫態(tài)系數(shù)；

Kssc——短路電流倍數(shù)。

5 結(jié)束語

發(fā)電機主保護配置方案是一個多變量復(fù)雜系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計問題，必須兼顧科學(xué)性和實用性，兼顧“機”與“電”的設(shè)計和制造要求，盡量減少硬件投資，實現(xiàn)電氣一次和二次“雙贏”的最終目標(biāo)。本文以豐滿200MW發(fā)電機為例，研究了主保護配置方案的設(shè)計思路，可供同類新建、改建和擴建的水電站進行技術(shù)參考。