柔性光學(xué)電流互感器在瀑布溝水力發(fā)電總廠的應(yīng)用研究

童 松，桂 林，劉 灝，湯炳章，鄭傳健，王 光

（1. 國(guó)電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川省漢源縣 625304；2. 清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市 100084；3. 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

瀑布溝水力發(fā)電總廠是國(guó)家能源集團(tuán)公司目前裝機(jī)容量最大的水電廠，位于四川省雅安市漢源縣和涼山州甘洛縣境內(nèi)，負(fù)責(zé)管理瀑布溝和深溪溝兩座水電站，其中瀑布溝總裝機(jī)容量360萬kW，裝設(shè)6臺(tái)600MW混流式機(jī)組；深溪溝總裝機(jī)容量66萬kW，裝設(shè)4臺(tái)165MW軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組。

瀑布溝發(fā)電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽（q=15/4 ）疊繞組（定子繞組節(jié)距為y1=10 ），48極，定子槽數(shù)為540，每相6分支，每分支30個(gè)線圈。發(fā)電電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)為：PN=600MW，UN=20kV，IN=19244.5A ，cosφN=0.9 ，If0=1559.9A ，IfN=2725.6A 。

2010年瀑布溝水電站投產(chǎn)時(shí)，其發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案由零序電流型橫差+裂相橫差+完全縱差保護(hù)構(gòu)成，分支分組方式為123-456，保護(hù)死區(qū)高達(dá)10.6%。

為了解決這個(gè)問題，在不改變現(xiàn)有發(fā)電機(jī)分支分組和中性點(diǎn)側(cè)銅環(huán)引出方式的前提下，通過柔性光學(xué)電流互感器（簡(jiǎn)稱TA）的靈活裝設(shè)來虛擬分支引出方式，實(shí)現(xiàn)送入發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的分支電流（或分支組電流）的重新組合，在定量分析的基礎(chǔ)上優(yōu)化瀑布溝發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案，以減少保護(hù)死區(qū)，為后續(xù)發(fā)電機(jī)主保護(hù)技改工作奠定基礎(chǔ)。

深溪溝發(fā)電機(jī)則在運(yùn)行中出現(xiàn)過轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)導(dǎo)致分支不平衡電流增大及相應(yīng)的不完全裂相橫差保護(hù)報(bào)警的現(xiàn)象，如何實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)的準(zhǔn)確判斷有助于深溪溝水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1 每相6分支水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)設(shè)計(jì)研究小結(jié)[1-6]

對(duì)于每相6分支的發(fā)電機(jī)而言，如果定子繞組采用波繞組（譬如錦屏一級(jí)/錦屏二級(jí)/官地發(fā)電機(jī)），通常采用“3-3”分支分組方式，主保護(hù)配置方案由零序電流型橫差+裂相橫差+完全縱差保護(hù)構(gòu)成（“兩橫一縱”），如圖1所示。

具體的分支引出方式（相鄰連接或相隔連接）則取決于相近電位同相不同分支匝間短路的分布特點(diǎn)，如圖2所示。

由于相近電位同相不同分支匝間短路分布特點(diǎn)的不同，錦屏二級(jí)發(fā)電機(jī)采用相鄰連接的分支引出方式（123-456），使得兩個(gè)故障分支始終被分在不同的支路組中［如圖2（a）所示］，從而保證了對(duì)應(yīng)的主保護(hù)方案能夠靈敏動(dòng)作，因?yàn)榇藭r(shí)數(shù)值比較大的短路回路電流被引入差動(dòng)回路中。

圖1 基于電磁型TA的波繞組發(fā)電機(jī)（a=6）主保護(hù)配置推薦方案（3-3分支分組）Figure 1 Recommended main protection configuration scheme of wave winding generator （a=6） based on electromagnetic type TA （3-3 branch grouping）

圖2 錦屏一級(jí)/二級(jí)發(fā)電機(jī)相近電位同相 不同分支匝間短路的分布示意圖Figure 2 Distribution diagram of short circuit between different branches in the same phase with similar potential in the Jinping generators

而對(duì)于錦屏一級(jí)發(fā)電機(jī)，由于其相近電位同相不同分支匝間短路發(fā)生在每相的1、4分支（或2、5分支，或3、6分支）間，當(dāng)分支引出方式采用相鄰連接（“123-456”）或相隔連接（“135-246”），均能保證將兩個(gè)故障分支分在不同的支路組中［如圖2（b）所示］，應(yīng)在定量分析的基礎(chǔ)上確定錦屏一級(jí)發(fā)電機(jī)最終的分支引出方式，如圖1（a）所示。

而對(duì)于采用疊繞組的每相6分支發(fā)電機(jī)而言（譬如二灘/兩河口發(fā)電機(jī)），應(yīng)立足于采用“2-2-2”分支分組方式，主保護(hù)配置方案由不完全裂相橫差+不完全縱差+完全縱差保護(hù)構(gòu)成（“一橫兩縱”），且不完全縱差保護(hù)中性點(diǎn)側(cè)接入分支恰好是不完全裂相橫差保護(hù)舍棄的分支，如圖3所示。

圖3 基于電磁型TA的疊繞組發(fā)電機(jī)（二灘/兩河口）主保護(hù)配置推薦方案（相鄰連接/12-34-56）Figure 3 Recommended main protection configuration scheme of lap winding generator （Ertan/Lianghekou）based on electromagnetic type TA

2 瀑布溝發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障特點(diǎn)分析與主保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

通過對(duì)東方電機(jī)有限公司提供的發(fā)電機(jī)定子繞組展開圖的分析（任兩線棒在槽內(nèi)或端部交叉就認(rèn)為存在同槽故障或端部交叉故障的可能[7-8]），瀑布溝發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部短路如表1和表2所示。

表1 瀑布溝發(fā)電機(jī)540種同槽故障Table 1 540 instances of slot faults of Pubugou generator

表2 瀑布溝發(fā)電機(jī)4464種端部交叉故障Table 2 4464 instances of end faults of Pubugou generator

從表1、表2可以看出，對(duì)于采用疊繞組的瀑布溝發(fā)電機(jī)，小匝數(shù)匝間短路必然存在，這是因?yàn)橥酃收现械耐嗤种г验g短路只可能發(fā)生在相鄰N、S極下的線圈間，從而導(dǎo)致同相同分支匝間短路的短路匝數(shù)不大；端部故障中的同相同分支匝間短路則可能發(fā)生在同一極下的相鄰線圈之間，對(duì)應(yīng)的短路匝數(shù)更小。

且隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，每分支線圈數(shù)反而增多，小短路匝比匝間短路（短路匝數(shù)/每分支線圈數(shù)≤10%）主保護(hù)靈敏度問題突出，使其分支分組方式（“2-2-2”）和主保護(hù)配置方案的構(gòu)成不同于采用波繞組的每相6分支發(fā)電機(jī)（如前所述）。

在已裝設(shè)完全縱差保護(hù)對(duì)付所有相間短路的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)不完全裂相橫差保護(hù)和不完全縱差保護(hù)來提高對(duì)小匝數(shù)匝間短路的靈敏度，且不完全縱差保護(hù)中性點(diǎn)側(cè)接入分支恰好是不完全裂相橫差保護(hù)舍棄的分支（在不增加硬件投資的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了上述主保護(hù)性能之間的互補(bǔ)），如圖3所示。

下面具體對(duì)比一下，瀑布溝發(fā)電機(jī)采用圖1（b）和圖3所示主保護(hù)配置方案的性能差異，如表3所示。

表3 瀑布溝發(fā)電機(jī)同槽和端部故障時(shí)現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的動(dòng)作情況Table 3 Operation of existing protection scheme and optimized design protection scheme of Pubugou generator when slot faults and end faults occur

從表3可以看出，圖3所示“12-34-56”分支分組方式下“不完全裂相橫差+不完全縱差+完全縱差保護(hù)”構(gòu)成的主保護(hù)配置優(yōu)化方案，其不能動(dòng)作故障數(shù)相對(duì)于現(xiàn)有主保護(hù)配置方案［見圖1（b）］減少了186種，占瀑布溝發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障總數(shù)的3.7%。

3 基于柔性光學(xué)TA的瀑布溝發(fā)電主保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

柔性光學(xué)TA溫度漂移和振動(dòng)敏感性問題的解決[9-12]，為其在發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；基于柔性光學(xué)TA的發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)已在沙河抽水蓄能電站（50MW/2013年）、諫壁火電廠（300MW/2015年）和觀音巖水電站（600MW/2015年）投運(yùn)，運(yùn)行情況良好，經(jīng)歷了區(qū)外故障的考驗(yàn)。

柔性光學(xué)TA繞制靈活的優(yōu)點(diǎn)（如圖4所示，黑色導(dǎo)體為光學(xué)TA的二次光纜）可以保證在不改變現(xiàn)有發(fā)電機(jī)分支引出方式的前提下，通過光學(xué)電流互感器的靈活裝設(shè)來實(shí)現(xiàn)送入發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置的分支電流（或分支組電流）的重新組合，從而提高相應(yīng)主保護(hù)配置方案的性能。

圖4 柔性光學(xué)TA用于觀音巖水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)實(shí)例（左側(cè)為光學(xué)TA/右側(cè)為TPY型TA）Figure 4 An example of main protection of Guanyinan hydro-generator using flexible optical TA（Optical TA on the left/ TPY TA on the right）

如圖5所示，在保持現(xiàn)有的分支分組方式“123-456”不變的前提下，通過在每相的1/2分支組、3/4分支組和5/6分支組上繞制柔性光學(xué)TA，并與機(jī)端繞制的柔性光學(xué)電流互感器TA10～TA12相比較，來構(gòu)成瀑布溝發(fā)電機(jī)主保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案：

圖5 基于柔性光學(xué)TA瀑布溝發(fā)電機(jī)主保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Figure 5 Optimal design scheme of main protection for Pubugou generator based on flexible optics TA

（1）不完全裂相橫差保護(hù)兩側(cè)電流分別取自每相第1、2分支組的TA和每相第5、6分支組的TA。

（2）不完全縱差保護(hù)中性點(diǎn)側(cè)電流取自每相第3、4分支組的TA。

（3）完全縱差保護(hù)中性點(diǎn)側(cè)相電流取自每相的三個(gè)分支組TA電流之和。

因此瀑布溝發(fā)電機(jī)銅環(huán)引出還是按照“123-456”來實(shí)現(xiàn)（簡(jiǎn)單可行），而主保護(hù)配置卻是每相6分支水輪發(fā)電機(jī)在“12-34-56”分支分組方式下才能實(shí)現(xiàn)的方案，這就是虛擬分支引出方式的意義所在。

對(duì)于瀑布溝發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的5004種內(nèi)部故障，優(yōu)化后的主保護(hù)配置方案保護(hù)死區(qū)為6.9%，這主要是因?yàn)槠俨紲习l(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部故障中小匝數(shù)匝間短路（對(duì)應(yīng)的短路匝比≤10%）占了12.2%。

4 基于柔性光學(xué)TA的深溪溝發(fā)電完全縱差保護(hù)的實(shí)現(xiàn)

深溪溝發(fā)電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽（q=65/22 ）“半波繞組”（定子繞組節(jié)距為y1=10、y2=8 ，如圖6所示），66極（90.9r/min），定子槽數(shù)為585，每相3分支，每分支65個(gè)線圈。

從圖6可以看出，由于深溪溝發(fā)電機(jī)每個(gè)分支集中布置于定子內(nèi)圓的某一區(qū)域（大概60%的范圍），同相的3個(gè)分支沿電機(jī)內(nèi)圓交叉分布，當(dāng)轉(zhuǎn)子中心由O點(diǎn)偏移到O1點(diǎn)，偏向a1分支的同時(shí)必然偏離a3分支，導(dǎo)致a1/a3分支的感應(yīng)電勢(shì)不再相等，分支間出現(xiàn)不平衡電流，該不平衡電流又恰好進(jìn)入不完全裂相橫差保護(hù)的差動(dòng)回路，從而造成保護(hù)裝置報(bào)警；同理，深溪溝發(fā)電機(jī)配置的不完全縱差保護(hù)和零序電流型橫差保護(hù)也會(huì)反應(yīng)轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)導(dǎo)致的分支不平衡電流。

圖6 深溪溝發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子偏心示意圖Figure 6 Schematic diagram of rotor eccentricity of Shenxigou generator

從圖7（b）可以看出，完全縱差保護(hù)比較的是機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)相電流的不平衡，理論上不反應(yīng)分支不平衡電流（上述橫差和不完全縱差保護(hù)均有所反應(yīng)），故對(duì)于采用集中布置繞組的疊繞組或“半波繞組”發(fā)電機(jī)，在主保護(hù)配置方案中保留一套完全縱差保護(hù)，有助于轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)引起事故的分析（同時(shí)需監(jiān)測(cè)上導(dǎo)軸承的擺度和氣隙同心度等），這在彭水［5×350MW/疊繞組/每相5分支，如圖7（a）所示］電站已得到證實(shí)——彭水2號(hào)發(fā)電機(jī)首次零起升壓試驗(yàn)時(shí)不完全裂相橫差（反應(yīng)12-45分支電流的不平衡）動(dòng)作切機(jī)（差動(dòng)回路不平衡電流已達(dá)0.23Ign，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)定子內(nèi)圓不圓/轉(zhuǎn)子偏心嚴(yán)重），不完全縱差保護(hù)也已報(bào)警，但其完全縱差保護(hù)未動(dòng)作。

圖7 轉(zhuǎn)子偏心對(duì)集中布置繞組支路平衡性和完全縱差保護(hù)性能的影響Figure 7 The effect of rotor eccentricity on the branch balance of the centrally arranged windings and the performance of complete longitudinal differential protection

圖8 深溪溝發(fā)電機(jī)基于電磁型分支TA的不完全裂相橫差保護(hù)和基于柔性光學(xué)TA的完全縱差保護(hù)Figure 8 Incomplete split-phase transverse differential protection based on electromagnetic branch TA and complete longitudinal differential protection based on flexible optical TA of Shenxigou generator

所以，通過在深溪溝發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)繞制柔性光學(xué)相電流互感器來構(gòu)成完全縱差保護(hù)，并結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)分析，可提高深溪溝發(fā)電機(jī)的監(jiān)測(cè)水平，保障深溪溝水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語

基于柔性光學(xué)TA的瀑布溝發(fā)電機(jī)主保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可進(jìn)一步減少現(xiàn)有主保護(hù)配置方案的保護(hù)死區(qū)，且無需調(diào)整發(fā)電機(jī)現(xiàn)有分支分組方式和中性點(diǎn)側(cè)銅環(huán)布置，簡(jiǎn)單可行，可為后續(xù)瀑布溝發(fā)電機(jī)主保護(hù)技改工作奠定基礎(chǔ)。

基于柔性光學(xué)TA的完全縱差保護(hù)的裝設(shè)有助于提高深溪溝發(fā)電機(jī)的監(jiān)測(cè)水平，若橫差或不完全縱差保護(hù)報(bào)警而完全縱差保護(hù)未動(dòng)作，且上導(dǎo)軸承的擺度超標(biāo)，則可判斷為轉(zhuǎn)子偏心振動(dòng)。