灘坑水電站發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化及優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

孫志久，干建麗

（浙江浙能北海水力發(fā)電有限公司，浙江省麗水市 323907）

0 引言

灘坑水電站位于浙江省青田縣境內(nèi)的甌江支流小溪的中游河段，裝機(jī)容量3×200MW，是“十五”期間浙江省實(shí)施建設(shè)的最大水電工程。

按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[1]，灘坑水電站（以下簡(jiǎn)稱灘坑）發(fā)電機(jī)配置了完全縱差和單元件橫差保護(hù)，以對(duì)付發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的相間和匝間短路故障，但在2010年一起發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路故障中，雖然2套橫差保護(hù)均動(dòng)作于跳閘，但定子線棒仍然燒傷嚴(yán)重，僅大量線棒的更換和修復(fù)就花了一個(gè)多月的時(shí)間。

事后灘坑水電站聯(lián)合東方電機(jī)廠、南瑞繼保和清華大學(xué)對(duì)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)備及保護(hù)配置進(jìn)行了改造，在不改變發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)分支引出方式（“14-23”）的基礎(chǔ)上，通過(guò)裝設(shè)分支電流互感器來(lái)增設(shè)裂相橫差保護(hù)以提高發(fā)電機(jī)匝間短路保護(hù)的靈敏性[2-4]。該技改工作已成功實(shí)施，有必要對(duì)其進(jìn)行歸納總結(jié)，為后續(xù)水電站技改工作的實(shí)施提供借鑒。

1 灘坑發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障特點(diǎn)的分析

灘坑發(fā)電機(jī)40極，定子槽數(shù)為480，每相4分支，每分支40個(gè)線圈；其額定參數(shù)為：UN=13.8kV，IN=9297.1A，cosφN=0.9，If0=754.9A，IfN=1301.6A。通過(guò)對(duì)東方電機(jī)廠提供的發(fā)電機(jī)定子繞組展開圖的分析[5-6]，灘坑發(fā)電機(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 灘坑發(fā)電機(jī)480種同槽故障Tab.1 480 common slot faults in the shoal pit generator

表2 灘坑發(fā)電機(jī)10558種端部交叉故障Tab.2 The cross faults of 10558 kinds of end parts of shot-pit generator

由于灘坑發(fā)電機(jī)定子繞組采用的是整數(shù)槽（q=4）“全波繞組”（y1=10、y2=14），所以實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部故障中同相不同分支匝間短路所占比率較大（同槽和端部交叉故障中同相不同分支匝間短路所占比例分別為50%和24.8%），此時(shí)應(yīng)密切注意圖1（a）所示發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短路（兩短路點(diǎn)距離中性點(diǎn)位置相近）的構(gòu)成與分布特點(diǎn)[7-9]，因?yàn)槿魧晒收戏种Х值酵环种ЫM中，則該同相不同分支匝間短路的短路回路電流將無(wú)法直接引入裂相橫差保護(hù)裝置的差動(dòng)回路中，將增大主保護(hù)配置方案的動(dòng)作死區(qū)，從而無(wú)法達(dá)到技改的目的。

圖1 灘坑發(fā)電機(jī)發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短路示意圖及分布特點(diǎn)Fig.1 Shows the schematic diagram and distribution characteristics of the short circuit between the same phase andthe same phase of the similar potential

通過(guò)進(jìn)一步的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)灘坑發(fā)電機(jī)的相近電位同相不同分支匝間短路（兩短路點(diǎn)位置相差0～4匝）均發(fā)生在每相的1、3分支（或1、4分支，或2、3分支，或2、4分支）間，如圖1（b）所示。

2 灘坑發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的仿真計(jì)算及主保護(hù)方案靈敏度的對(duì)比分析

運(yùn)用“多回路分析法”，對(duì)灘坑發(fā)電機(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)11038種），求出各種故障時(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），由此可得到各種短路狀態(tài)下進(jìn)入各種主保護(hù)的動(dòng)作電流和制動(dòng)電流，在已整定的動(dòng)作特性條件下，最終獲得相應(yīng)主保護(hù)的靈敏系數(shù)Ksen；并能進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)對(duì)于圖2所示發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短路，不同構(gòu)成形式的裂相橫差保護(hù)的性能相差懸殊。

圖2中實(shí)線箭頭所示故障為灘坑發(fā)電機(jī)a相第1支路第31號(hào)線圈的下層邊和a相第3支路第31號(hào)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(diǎn)距中性點(diǎn)位置相同（根據(jù)灘坑發(fā)電機(jī)的定子繞組連接圖，a1和a3分支的線圈排列并不相同，這樣一來(lái)距中性點(diǎn)位置相同的兩短路點(diǎn)之間就存在電動(dòng)勢(shì)差）。

圖2 一則相近電位的同相不同分支匝間短路Fig.2 Short circuit of the same phase with different branches of similar potential

故障相各支路（包括短路附加支路）基波電流的大小（有效值，單位為A，下同）和相位如下所示：

?a1=9328.26-37.86°、?a2=288.554.91°、

?a3=9320.51145.23°、?a4=244.06119.47°、

?short1=2646.14150.20°、?short2=2644.54-40.70°。

短路回路電流 ?a1=9328.26-37.86°和?a3=9320.51145.23°的大小相差不大、相位近于相反，這是由于短路回路電流?a1、?a3主要由直流勵(lì)磁直接感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差所產(chǎn)生（其他電流對(duì)它的影響很小），所以?a1和?a3近于反向；由于兩短路點(diǎn)距中性點(diǎn)位置相同，所以?a1和?a3的大小相差很小。通過(guò)互感的作用，兩個(gè)短路分支對(duì)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（其他回路電流主要由短路電流在相鄰支路的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之差產(chǎn)生），非故障分支的電流都比較小。

因此，對(duì)于圖2（b）所示的完全裂相橫差保護(hù)（K10_13-24，將兩個(gè)故障分支分在同一支路組中），故障相故障分支的電流幾乎相互抵消，而故障相非故障分支的電流都比較小，使得流過(guò)分支電流互感器TA1和TA2的電流都不大，從而導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的裂相橫差保護(hù)的靈敏系數(shù)只有1.138；而采用將兩個(gè)故障分支分在不同支路組中的相鄰連接方式（無(wú)論是K10_12-34，還是K10_14-23）的完全裂相橫差保護(hù)[如圖2（a）和圖2（c）所示]都能保證靈敏動(dòng)作，其對(duì)應(yīng)的靈敏系數(shù)分別為27.366、26.105，因?yàn)榇藭r(shí)數(shù)值較大的短路回路電流被引入裂相橫差保護(hù)的差動(dòng)回路中。

上述規(guī)律性的認(rèn)識(shí)與我們的常規(guī)認(rèn)識(shí)和定性分析相一致，既說(shuō)明了仿真計(jì)算的正確性，又將指導(dǎo)發(fā)電機(jī)分支引出方式的選擇和裂相橫差保護(hù)的構(gòu)成。

3 灘坑發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)及TA配置方案的分析對(duì)比

由于篇幅限制，主要對(duì)比一下傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案（如圖3所示）與定量化設(shè)計(jì)方案（如圖4和圖6所示）的差異，并明確其沿用原有分支分組方式（“14-23”）的合理性。

由表3可以看出，圖4所示相鄰連接的分支引出方式（“12-34”）的保護(hù)性能最優(yōu)，這完全取決于灘坑發(fā)電機(jī)定子繞組形式所決定的故障特點(diǎn)，因?yàn)樯鲜龇种ЫM合保證了所有的相近電位同相不同分支匝間短路的故障分支位于不同的分支組中[如圖1（b）所示]；之所以還存在保護(hù)死區(qū)則是因?yàn)槟承┫嘟娢煌嗖煌种г验g短路的故障點(diǎn)均在機(jī)端附近（當(dāng)然故障分支電流也不大，因?yàn)楣收宵c(diǎn)若在機(jī)端則故障不復(fù)存在）。

表3 灘坑發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和定量化設(shè)計(jì)方案的動(dòng)作情況Tab.3 Failure of pit generator in the same tank and end

圖3 灘坑發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及TA配置（相鄰連接，14-23）Fig.3 Traditional design scheme and TA configuration of tan keng generator

與“12-34”分支組合相對(duì)比，現(xiàn)有分支引出方式“14-23”的不能動(dòng)作故障數(shù)增加了42種（僅占內(nèi)部故障總數(shù)的0.4%），其不能動(dòng)作故障類型均為發(fā)生在每相的1、4分支（或2、3分支）間的相近電位同相不同分支匝間短路，究其原因在于較大的短路回路電流無(wú)法引入差動(dòng)回路中；由于兩個(gè)短路分支的短路點(diǎn)均靠近中性點(diǎn)側(cè)，考慮到壓差小的緣故，其發(fā)生的幾率其實(shí)很低。

圖4 灘坑發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)及TA配置方案（相鄰連接，12-34）Fig.4 Main protection and TA configuration scheme for the internal failure of the tan pit generator

如上所述，分支引出方式的調(diào)整（譬如采用“12-34”的分支組合）確實(shí)提高了主保護(hù)配置方案的性能（見表3），但好處不大，因?yàn)闇p少的不能動(dòng)作故障的發(fā)生幾率其實(shí)很低；而其對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝所帶來(lái)的難度卻大大增加，涉及銅環(huán)層數(shù)的調(diào)整乃至定子機(jī)座高度、大軸長(zhǎng)度和整個(gè)軸系的重新計(jì)算，這是相當(dāng)復(fù)雜的。故灘坑發(fā)電機(jī)在沿用現(xiàn)有分支引出方式（“14-23”）的基礎(chǔ)上優(yōu)化主保護(hù)配置方案是合理的[見圖5（b）]，兼顧了技改工作的科學(xué)性和實(shí)用性。

畢竟發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案的定量化及優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)多變量復(fù)雜系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，必須兼顧設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)用性；在不顯著降低主保護(hù)配置方案性能的前提下，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)分支的引出必須考慮電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝是否方便、是否有利于簡(jiǎn)化保護(hù)方案和減少硬件投資。

對(duì)于灘坑發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的11038種內(nèi)部故障，圖6所示主保護(hù)配置技改方案不能動(dòng)作故障數(shù)為54種（占內(nèi)部故障總數(shù)的0.5%），對(duì)10822種內(nèi)部故障（占內(nèi)部故障總數(shù)的98%）有兩種及以上原理不同的主保護(hù)靈敏動(dòng)作；相比于原有設(shè)計(jì)方案，其匝間短路的靈敏性得到進(jìn)一步的提高，雙重化指標(biāo)改善更加明顯（因?yàn)橥耆v差不反應(yīng)匝間短路）。

圖5 灘坑發(fā)電機(jī)技改前/后中性點(diǎn)側(cè)TA布置圖Fig.5 TA layout of the front/rear neutral point of the beach generator

圖6 灘坑發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)及TA配置技改方案（相鄰連接，14-23）Fig.6 Main protection and TA configuration scheme for the internal fault of the tan pit generator

4 結(jié)論

（1） 相比于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，裂相橫差保護(hù)的增設(shè)能顯著提高主保護(hù)配置方案的匝間短路保護(hù)靈敏性，這已被國(guó)內(nèi)外20余座每相4分支發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)的成果所證實(shí)。

（2） 發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置技改方案的選擇應(yīng)立足于定量分析，并綜合考慮工程實(shí)際條件和限制因素，兼顧技改工作的科學(xué)性和實(shí)用性。

（3） 浙江浙能北海水力發(fā)電有限公司聯(lián)合東方電機(jī)廠、南瑞繼保和清華大學(xué)對(duì)灘坑發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)設(shè)備及保護(hù)改造工作的成功實(shí)施，將為后續(xù)水電站技改工作的實(shí)施提供借鑒，其在水電領(lǐng)域的推廣示范效應(yīng)必將取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益和突出的社會(huì)效益。

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

WANG Weijian. Principle and application of electric main equipment relay protection （second edition）[M]. Beijing: China Electric Power Press，2002.

[2]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）[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社，2005.

GAN Jingde，WANG Xiangheng，LI Faihai. Analysis of ac motor and its system （second edition）[M]. Beijing: Tsinghua University Press，2005.

[3]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.

GUI Lin. Research on optimization design of main protection configuration scheme for large power generators[D].Beijing:Tsinghua University，2003.

[4]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].北京：清華大學(xué)，2006.

GUI Lin. A reasonable simplification of the design process of the main protection of large hydro turbine generators and the research on the new type of neutral point extraction of large turbogenerators[D].Beijing:Tsinghua University，2006.

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

BAI Yannian. Design and calculation of turbine generator[M].Beijing: Mechanical Industry Press，1982.

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

XU Shizhang. Theory of winding of ac motor[M]. Beijing:Mechanical Industry Press，1985.

[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)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2005，29（13）: 69-75.

GUI Lin，WANG Weijian，SUN Yuguang，etc. Research summary of the design of the main protection configuration scheme for the right bank of the three gorges hydropower station[J]. Automation of Power System，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[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2009，33（4）: 45-48.

GUI Lin，WANG Xiangheng，SUN Yuguang，etc. Design proposal for stator windings of giant hydro-generator stator windings - reflections on the design of the design of the main protection of generators[J]. Power System Automation，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)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備，2010，30（7）: 30-33.

GUI Lin，WANG Xiangheng，SUN Yuguang，etc. Summary of the main protection design of power generators in xiangjiaba and xiludu hydropower station[J]. Power Automation Equipment，2010，30（7）: 30-33.

孫志久（1963—），男，高級(jí)工程師，從事水電機(jī)組運(yùn)行及維護(hù)檢修管理工作。E-mail:673033670@qq.com

干建麗（1972—），女，工程師，從事發(fā)電廠繼電保護(hù)檢修維護(hù)工作。E-mail: 673429375@qq.com