大型抽水蓄能機組主保護優(yōu)化設(shè)計研究

桂 林，劉正國，孫宇光，王祥珩，王維儉

（1.清華大學(xué)電機系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京市 100084；2. 雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，成都市 610051）

0 引言

國內(nèi)抽水蓄能電站的建設(shè)已進入高潮，國網(wǎng)新源控股有限公司正在建設(shè)的大型抽蓄電站（單機300MW及以上）已達20座（另外35座抽蓄電站處于規(guī)劃階段），大型抽蓄機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價昂貴，發(fā)生內(nèi)部故障的后果極其嚴(yán)重，必須重視其主保護設(shè)計工作[1-4]。

運用“多回路分析法”，在完成大型抽蓄機組內(nèi)部故障分析和主保護定量化設(shè)計的基礎(chǔ)上，有必要根據(jù)其繞組形式所決定的故障特點的不同[5-6]，優(yōu)化大型抽水蓄能機組主保護配置方案，在不降低主保護性能的前提下，簡化發(fā)電機中性點側(cè)銅環(huán)的布置[7-8]（抽蓄機組風(fēng)洞空間有限）。

由于受額定轉(zhuǎn)速的限制，在建和規(guī)劃中的大型抽蓄機組多為每相4分支，包括額定轉(zhuǎn)速428.6r/min（14極）的荒溝、文登、蟠龍、永泰、阜康、廈門、豐寧二期變速機組也都選擇了每相4分支（采用不對稱定子繞組）[9]，有必要對每相4分支大型發(fā)電電動機的主保護優(yōu)化設(shè)計問題進行研究，為后續(xù)抽水蓄能電站的建設(shè)提供借鑒。

1 大型發(fā)電電動機主保護配置傳統(tǒng)方案

按照傳統(tǒng)設(shè)計方法（基于概念、經(jīng)驗和定性分析），大型發(fā)電電動機需配置完全縱差保護，以對付實際可能發(fā)生的相間短路；由于還存在匝間短路的可能，故需增設(shè)橫差保護，零序電流型橫差保護結(jié)構(gòu)簡單、功能全面而被優(yōu)先選擇。

其主保護配置傳統(tǒng)方案如圖1所示，根據(jù)發(fā)電電動機中性點側(cè)分布中性點引出個數(shù)的不同，裝設(shè)了1套或2套零序電流型橫差（即單元件橫差保護），每相4分支的廣蓄B廠發(fā)電電動機甚至裝設(shè)了3套零序電流型橫差保護（引出了4個分布中性點）。

圖1 大型發(fā)電電動機主保護配置傳統(tǒng)方案Figure 1 Traditional scheme of main protection configuration for large-scale generator motor

2 大型發(fā)電電動機主保護配置優(yōu)化方案

之所以要在溧陽、瓊中、績溪、敦化、天池、清原（每相4分支）等抽水蓄能電站發(fā)電機主保護設(shè)計中取消零序電流型橫差保護（見圖1），主要取決于抽蓄機組定子繞組形式所決定的故障特點（高轉(zhuǎn)速+疊繞組使得每分支線圈數(shù)不太多/相鄰分支沿電機內(nèi)圓連續(xù)分布——小匝數(shù)匝間短路問題不太突出/同相不同分支匝間短路數(shù)不多（如表1和表2所示）以及運行經(jīng)驗的積累，定量分析已表明增設(shè)單元件橫差保護對上述發(fā)電電動機保護死區(qū)的減少沒有任何幫助。

表1 溧陽、瓊中、績溪、敦化、天池、清原抽蓄發(fā)電機實際可能發(fā)生的同槽故障Table 1 Actual slot faults of Liyang, Qiongzhong, Jixi, Dunhua, Tianchi and Qingyuan large pumped storage unit

表2 溧陽、瓊中、績溪、敦化、天池、清原抽蓄發(fā)電機實際可能發(fā)生的端部交叉故障Table 2 Actual end faults of Liyang, Qiongzhong, Jixi, Dunhua, Tianchi and Qingyuan large pumped storage unit

一般來說，完全裂相橫差保護反應(yīng)匝間短路的能力要優(yōu)于零序電流型橫差保護，因為完全裂相橫差反應(yīng)的是一相兩部分之間的不平衡，而零序電流型橫差則是將三相繞組分成幾部分、反應(yīng)流過中性點連線不平衡電流（為三相對應(yīng)分支的和電流），其靈敏度可能受到其他相非故障分支電流的影響。下面以圖2所示故障為例進行說明。

圖2 一則大匝數(shù)同相同分支匝間短路Figure 2 A inter turn short circuit in a branch

圖2中實線箭頭所示故障為天池發(fā)電電動機在并網(wǎng)空載運行方式下，b相第1支路第2號線圈的下層邊和b相第1支路第8號線圈的上層邊發(fā)生同槽同相同分支匝間短路，短路匝數(shù)為6匝（對應(yīng)的短路匝比為33.3%）。

各支路（包括短路附加支路）基波電流的大?。ㄓ行е?，單位為A，下同）和相位如下所示：

對應(yīng)的橫差保護靈敏度的計算過程如下所示：

如果將每相的1、3分支接在一起，形成中性點o1；再將每相的2、4分支接在一起，形成中性點o2；則流過o1-o2的零序電流：對應(yīng)的零序電流型橫差保護的靈敏系數(shù)為

（2）對故障相的完全裂相橫差保護K10_12-34而言，其兩側(cè)電流分別為

另外，零序電流型橫差（即單元件橫差）保護用TA一次額定電流的選擇一直是一個工程技術(shù)問題，需兼顧防誤動和區(qū)內(nèi)故障時的靈敏動作；該保護的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，功能全面，缺點則是過于簡單，實際上就是過流保護。

對于單元件橫差保護而言，不采用浮動門檻判據(jù)（動作值隨機端相電流的增加而增大）則容易發(fā)生誤動作，采用了該判據(jù)則必然降低保護的靈敏度，因為過流保護靈敏度的降低與保護定值的抬高成反比關(guān)系。

現(xiàn)場反饋：2015年9月4日，云鵬水電站220kV出線發(fā)生兩相短路接地故障，發(fā)電機單元件橫差保護誤動作（未投浮動門檻判據(jù)——制動量整定過大，相當(dāng)于未投），現(xiàn)場運行人員長時間糾結(jié)于是否需要抽出發(fā)電機轉(zhuǎn)子進行檢修，因為轉(zhuǎn)子偏心或轉(zhuǎn)子匝間短路均可能導(dǎo)致流過發(fā)電機中性點連線的電流增大，從而引起單元件橫差保護的動作；若抽轉(zhuǎn)子必然延長檢修時間，影響電廠生產(chǎn)任務(wù)的完成。

圖3 大型發(fā)a電電動機主b保護配置優(yōu)c 化方案（一）Figure 3 Optimum scheme of main protection configuration fo1r la2r ge3- sc4ale generator motor（一）

圖3 大型發(fā)電電動機主保護配置優(yōu)化方案（二）Figure 3 Optimum scheme of main protection configuration for large-scale generator motor（二）

瓊中抽水蓄能電站已于2018年7月29日全面投產(chǎn)發(fā)電，完成了與昌江核電站的工程配套，發(fā)電機主保護（K10+3）運行正常；溧陽5號發(fā)電電動機主保護配置方案（K10+222）則在2018年10月16日a1分支開焊時（見圖4）靈敏動作，使得分支開焊故障未危及線棒和鐵心，避免了故障的擴大，為發(fā)電機搶修和恢復(fù)供電贏得了時間。

圖4 溧陽發(fā)電電動機（6×250MW/a=4）分支開焊故障Figure 4 A branch open welding fault of Liyang generator motor

所以在定量分析的基礎(chǔ)上，有針對性地取消大型發(fā)電電動機的零序電流型橫差保護，兼顧了設(shè)計的科學(xué)性和實用性，值得做進一步的推廣應(yīng)用；與圖1所示發(fā)電機主保護傳統(tǒng)配置方案類似，大型發(fā)電電動機主保護優(yōu)化設(shè)計方案仍為“一橫一縱”，只是用裂相橫差保護代替了零序電流型橫差保護，如圖3所示。

對于一體化的微機保護裝置，保護用TA信息資源共享，繼電器的功能由軟件來實現(xiàn)，即用“一段代碼”來實現(xiàn)不同的主保護功能，也就不會出現(xiàn)程序中的某幾行代碼單獨出現(xiàn)異常，從而影響到相應(yīng)的主保護，所以可以降低雙重化指標(biāo)來取消單元件橫差保護[10]。

通過取消單元件橫差保護，可以減低CPU的負(fù)荷率，對于微機保護裝置的正常運行是極為有利的，還可為其他異常工況保護（譬如定子接地保護）的計算贏得時間。

因為微機保護裝置要求在每兩個采樣間隔之間（0.833ms）就要對所有的主保護計算一遍，如果主保護配置得過于冗余，一方面導(dǎo)致CPU負(fù)荷率上升，影響到保護裝置的正常工作；另一方面使得定子接地等異常工況的計算間隔越拉越長，對于發(fā)電機的安全運行也是不利的，假如能早一點發(fā)現(xiàn)定子接地故障并及時切除，就可以把破壞嚴(yán)重的匝間或相間短路消滅在萌芽狀態(tài)！[11]

3 結(jié)束語

（1）將內(nèi)部故障分析用于主保護設(shè)計，根據(jù)發(fā)電機定子繞組形式所決定的內(nèi)部故障特點的不同來決定其主保護配置方案，為大型抽水蓄能機組主保護配置方案的科學(xué)制定開辟了新途徑。

（2）對于每相4分支的大型發(fā)電電動機，應(yīng)在內(nèi)部故障分析及主保護定量化設(shè)計的基礎(chǔ)上，優(yōu)先推薦“裂相橫差+完全縱差保護”。