龍口發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)配置方案研究

國 棟 程曉坤 林 寧

龍口發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)配置方案研究

國 棟 程曉坤 林 寧

發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)配置對發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行發(fā)揮重要的作用，而主保護(hù)及TA配置存在多種不同的方案。發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)，不同的配置方案對于故障的動(dòng)作情況各不相同。分析了不同配置方案對應(yīng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部各種故障的動(dòng)作情況，選取的最佳配置方案確保了龍口發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行。

發(fā)電機(jī) 內(nèi)部故障 保護(hù)配置 TA配置

龍口水利樞紐位于黃河中游托克托至龍口段的尾部，左岸為山西省河曲縣，右岸為內(nèi)蒙古自治區(qū)準(zhǔn)格爾旗。其任務(wù)是對上游萬家寨電站發(fā)電流量進(jìn)行反調(diào)節(jié)，保證龍口至天橋河段不斷流，并擔(dān)負(fù)晉蒙電網(wǎng)部分調(diào)峰負(fù)荷。水庫正常蓄水位為898.00 m，總庫容1.957億m3。

電站裝有4臺單機(jī)容量為100 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組和1臺容量為20MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量420 MW，多年平均發(fā)電量為13.02億kW·h。

1 發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置原則

為兼顧定子繞組短路和機(jī)端引線短路，主保護(hù)配置方案中必須包括橫差保護(hù)和縱差保護(hù)，形成 “一橫一縱”的初步格局；需綜合考慮各種指標(biāo)——中性點(diǎn)側(cè)TA的數(shù)目和安裝位置、主保護(hù)配置方案拒動(dòng)故障數(shù)、2種不同原理主保護(hù)反應(yīng)同一故障的能力等等；盡量減少主保護(hù)配置方案所需的硬件投資 （中性點(diǎn)側(cè)引出方式和分支TA的數(shù)目）和保護(hù)方案的復(fù)雜程度。

2 龍口發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障不同保護(hù)及TA配置方案

根據(jù)不同的中性點(diǎn)側(cè)TA的配置 （是裝設(shè)相電流互感器還是裝設(shè)分支電流互感器）和中性點(diǎn)引出方式 （是引出1個(gè)中性點(diǎn)還是引出2個(gè)中性點(diǎn)），結(jié)合龍口發(fā)電機(jī)的故障特點(diǎn)，分析對比不同的主保護(hù)配置方案的性能如下。

2.1 發(fā)電機(jī)每相中性點(diǎn)側(cè)裝設(shè)1個(gè)相電流互感器，引出2個(gè)中性點(diǎn)

方案1（傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案）如圖1所示，將每相的第1分支接在一起，形成中性點(diǎn)O1；再將每相第2分支接在一起，形成中性點(diǎn)O2；在O1～O2之間接一個(gè)電流互感器TA0，構(gòu)成1套零序電流型橫差。并在每相中性點(diǎn)側(cè)裝設(shè)1個(gè)相電流互感器TA1～TA3和3個(gè)機(jī)端相電流互感器TA4～TA6，以構(gòu)成一套完全縱差保護(hù)。方案1（代號K01+3）的性能如表1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案1

表1 發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)方案1的動(dòng)作情況

2.2 發(fā)電機(jī)每相裝設(shè)1個(gè)分支TA，引出2個(gè)中性點(diǎn)

方案2如圖2所示，零序電流型橫差保護(hù)（代號01）的構(gòu)成與方案1相同，不同之處在于每相的第1分支（或第2分支）上裝設(shè)了分支電流互感器TA1～TA3，并有機(jī)端相電流互感器TA4～TA6，以構(gòu)成1套不完全縱差保護(hù)（兩側(cè)TA不同型，代號21）。方案2（代號K01+21L或K01+21R）的性能如表2所示。

表2 發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)方案2的動(dòng)作情況

2.3 發(fā)電機(jī)每相裝設(shè)2個(gè)分支TA，引出1個(gè)中性點(diǎn)由于微機(jī)保護(hù)信息資源可共享，利用圖3所示的中性點(diǎn)引出方式和分支TA的布置，可以實(shí)現(xiàn)龍口發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案3～5（“一橫一縱”或“一橫兩縱”），下面分述之。

方案3：完全裂相橫差保護(hù)（代號10）+完全縱差保護(hù)（代號3）。利用圖3中每相的2個(gè)分支電流互感器TA1～TA6，和3個(gè)機(jī)端相電流互感器TA7～TA9，以構(gòu)成1套完全裂相橫差和1套完全縱差保護(hù)（其中性點(diǎn)側(cè)相電流取自每相的2個(gè)分支TA）。方案3（代號K10+3）的性能如表3所示。

圖3 發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案3～5

表3 發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)方案3的動(dòng)作情況

方案4：完全裂相橫差保護(hù)（代號10）+不完全縱差保護(hù)（代號21=21L+21R）。利用圖3中每相的2個(gè)分支電流互感器TA1～TA6，可以構(gòu)成1套完全裂相橫差保護(hù)；利用上述分支TA和3個(gè)機(jī)端相電流互感器TA7～TA9，可以構(gòu)成1套或2套不完全縱差保護(hù)。方案4（代號K10+21）的性能如表4所示。

表4 發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)方案4的動(dòng)作情況

方案5：完全裂相橫差保護(hù)（代號10）+不完全縱差保護(hù)（代號21）+完全縱差保護(hù)（代號3）。利用圖3中每相的2個(gè)分支電流互感器TA1～TA6，可以構(gòu)成1套完全裂相橫差保護(hù)；利用上述分支TA 和3個(gè)機(jī)端相電流互感器TA7～TA9，可以構(gòu)成1套或2套不完全縱差和1套完全縱差保護(hù)。方案5（代號K10+21+3）的性能如表5所示。

表5 發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)方案5的動(dòng)作情況

2.4 發(fā)電機(jī)每相裝設(shè)2個(gè)分支TA，引出2個(gè)中性點(diǎn)

同上所述，利用圖4所示的中性點(diǎn)引出方式和分支TA的布置，可以實(shí)現(xiàn)龍口發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案6～9（“一橫兩縱”、 “兩橫一縱”或 “兩橫兩縱”），下面分述之。

圖4 發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案6～9

方案6：零序電流型橫差保護(hù)（代號01）+不完全縱差保護(hù)（代號21）+完全縱差保護(hù)（代號3）。如圖4所示，將每相的第1分支接在一起，形成中性點(diǎn)O1；再將每相的第2分支接在一起，形成中性點(diǎn)O2。在O1～O2之間接一個(gè)電流互感器TA0，在每相的第1和第2分支上裝設(shè)分支電流互感器TA1～TA6，并有機(jī)端相電流互感器TA7～TA9，以構(gòu)成1套零序電流型橫差、1套或2套不完全縱差和1套完全縱差保護(hù)。方案6（代號K01+21+3）的性能如表6所示。

表6 發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)方案6的動(dòng)作情況

方案7：零序電流型橫差保護(hù)（代號01）+完全裂相橫差保護(hù)（代號10）+不完全縱差保護(hù)（代號21）。利用圖4中性點(diǎn)O1～O2之間的電流互感器TA0，構(gòu)成1套零序電流型橫差保護(hù)；利用每相的2個(gè)分支電流互感器TA1～TA6，和3個(gè)機(jī)端相電流互感器TA7～TA9，以構(gòu)成1套完全裂相橫差和1套或2套不完全縱差保護(hù)。方案7（代號K01+10+21）的性能如表7所示。

表7 發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)方案7的動(dòng)作情況

方案8：零序電流型橫差保護(hù)（代號01）+完全裂相橫差保護(hù)（代號10）+完全縱差保護(hù)（代號21）。利用圖4中性點(diǎn)O1～O2之間的電流互感器TA0，構(gòu)成1套零序電流型橫差保護(hù)；利用每相的2個(gè)分支電流互感器TA1～TA6，和3個(gè)機(jī)端相電流互感器TA7～TA9，以構(gòu)成1套完全裂相橫差和1套完全縱差保護(hù)。方案8（代號K01+10+3）的性能如表8所示。

方案9：零序電流型橫差保護(hù)（代號01）+完全裂相橫差保護(hù) （代號10）+不完全縱差保護(hù) （代號21）+完全縱差保護(hù) （代號3）。利用圖4中性點(diǎn)O1～O2之間的電流互感器TA0，構(gòu)成1套零序電流型橫差保護(hù)；利用每相的2個(gè)分支電流互感器TA1～TA6，和3個(gè)機(jī)端相電流互感器TA7～TA9，以構(gòu)成1套完全裂相橫差、1套或2套不完全縱差和1套完全縱差保護(hù)。方案9（代號K01+10+21+3）的性能如表9所示。

表8 發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)方案8的動(dòng)作情況

表9 發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)方案9的動(dòng)作情況

3 保護(hù)及TA配置方案的性能和優(yōu)缺點(diǎn)分析對比

（1）方案1的優(yōu)點(diǎn)在于對于發(fā)生幾率高的相間短路都能靈敏動(dòng)作（由于采用了完全縱差保護(hù)），且類似方案在工程實(shí)踐中已得到廣泛應(yīng)用，積累了成熟的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。缺點(diǎn)在于對于所有的匝間短路，完全縱差保護(hù)均不能動(dòng)作，使得方案1兩種及以上不同原理主保護(hù)靈敏動(dòng)作故障數(shù)不多。

（2）方案2和方案1的不同之處在于使用了不完全縱差保護(hù)，由于不完全縱差保護(hù)兼有可能反應(yīng)匝間短路的優(yōu)點(diǎn)，使得方案1兩種及以上不同原理主保護(hù)靈敏動(dòng)作故障數(shù)增多。缺點(diǎn)在于其對相間短路存在保護(hù)死區(qū)，導(dǎo)致方案2不能動(dòng)作故障數(shù)較方案1增加了19種，且均為發(fā)生幾率高的相間短路。

（3）方案3相比于方案1的變化在于用完全裂相橫差保護(hù)代替了零序電流型橫差保護(hù)，使得中性點(diǎn)引出變得簡單。缺點(diǎn)同方案1，兩種及以上不同原理主保護(hù)靈敏動(dòng)作故障數(shù)較少。

（4）方案4～5、方案6～9相比于方案3，保護(hù)死區(qū)雖相同，但2種及以上不同原理主保護(hù)靈敏動(dòng)作故障數(shù)顯著增加，且方案4～5在實(shí)現(xiàn)上無需增加任何硬件投資，方案6～9則需增加1個(gè)零序電流型橫差保護(hù)用TA。方案5較方案4多了1種保護(hù)方式，且完全縱差對全波型繞組機(jī)組無明顯優(yōu)勢，使保護(hù)整定復(fù)雜。

綜上所述，推薦方案4（代號K10+21，如圖5所示）作為龍口發(fā)電機(jī)主保護(hù)和TA配置方案。龍口電站施工設(shè)計(jì)時(shí)采用了此方案，自從2009年第1臺機(jī)發(fā)電以來運(yùn)行良好。

圖5 發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)及全套TA配置推薦方案

4 結(jié)語

對于配置發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障保護(hù)的機(jī)組，建議均宜根據(jù)發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析確定不同配置的動(dòng)作情況，以便確定最經(jīng)濟(jì)、有效的方案，確保機(jī)組的內(nèi)部安全。

國 棟 女 高級工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

程曉坤 男 工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

林 寧 女 教授級高級工程師 中水北方勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司 天津 300222

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2015-08-14）