豐滿水電站重建工程發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案研究

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(yáng)市 473000）

0 引言

原豐滿水電站始建于1937年偽滿時(shí)期，到1943年首臺(tái)機(jī)組發(fā)電，后經(jīng)續(xù)建、改建及擴(kuò)建，共安裝12臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1002.5MW。豐滿水電站全面治理（重建）工程于2012年10月獲國(guó)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(guó)首個(gè)大壩重建的重點(diǎn)工程項(xiàng)目。新建電站安裝6臺(tái)單機(jī)200MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，保留原三期2臺(tái)140MW機(jī)組，總裝機(jī)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(jiǎn)稱豐滿）發(fā)電機(jī)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(gè)線圈。發(fā)電機(jī)額定參數(shù)為：PN=200MW，UN=15.75kV，IN=8379A，cosΦ=0.875，If0=1240A，IfN=2281A。為確保機(jī)組安全運(yùn)行，必須正確決定其主保護(hù)配置方案，而主保護(hù)方案的選擇需要針對(duì)實(shí)際短路的條件和特征、故障仿真計(jì)算的結(jié)果，以及發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的引出方式和分支電流互感器（TA）位置等條件進(jìn)行取舍[1，2]。

1 發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的類型和數(shù)量

發(fā)電機(jī)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(shí)際可能發(fā)生內(nèi)部故障的特點(diǎn)就不同，內(nèi)部故障的類型和數(shù)量也不同，將對(duì)發(fā)電機(jī)主保護(hù)方案的定量化設(shè)計(jì)有很大影響。

豐滿發(fā)電機(jī)定子采用半波繞組具有一定優(yōu)勢(shì)：第一，相對(duì)于疊繞組發(fā)電機(jī)而言，波繞組發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路中同相同分支匝間短路所占比率較?。坏诙?，相對(duì)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(shì)的構(gòu)成進(jìn)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(dòng)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(shí)，若主保護(hù)方案能夠保留一套完全差動(dòng)保護(hù)，當(dāng)機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)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(hù)動(dòng)作而完全縱差保護(hù)未動(dòng)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(jī)定子繞組展開圖，實(shí)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(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)：對(duì)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(duì)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(diǎn)，因?yàn)橥嗖煌种г验g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(hù)裝置的差動(dòng)回路，將增大主保護(hù)的動(dòng)作死區(qū)。

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

2 發(fā)電機(jī)主保護(hù)方案靈敏度分析

2.1 差動(dòng)保護(hù)的故障反應(yīng)能力分析

發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)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(hù)比較的是發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)一相兩部分之間的不平衡；不完全縱差保護(hù)比較的是部分分支與整個(gè)相繞組之間的不平衡；零序電流型橫差保護(hù)則是將整個(gè)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(hù)比較的是機(jī)端相電流與其中性點(diǎn)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(duì)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(yùn)用多回路分析法，對(duì)豐滿發(fā)電機(jī)并網(wǎng)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)15120種），求出各種故障時(shí)每支路電流的大小和相位（包括兩中性點(diǎn)間的電流），由此可得到各種短路狀態(tài)下差動(dòng)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)。下面針對(duì)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(hù)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(jī)在并網(wǎng)運(yùn)行方式下，a相第1支路第16號(hào)線圈的下層邊和a相第2支路第8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(lì)磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)差所產(chǎn)生，所以Ia1和Ia2近于反向；由于兩短路點(diǎn)距中性點(diǎn)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(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。因此，圖1（a）所示的完全裂相橫差保護(hù)，流過分支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)靈敏系數(shù)很??；而圖1（b）和圖1（c）將兩個(gè)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(hù)對(duì)應(yīng)的靈敏系數(shù)均很大，因?yàn)榇藭r(shí)數(shù)值較大的短路電流被引入差動(dòng)回路中。上述規(guī)律性的認(rèn)識(shí)與定性分析相一致，又進(jìn)一步說明仿真計(jì)算的必要性，同時(shí)還應(yīng)進(jìn)一步將仿真計(jì)算結(jié)果應(yīng)用到主保護(hù)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(jī)主保護(hù)配置方案的選擇及優(yōu)化

3.1 主保護(hù)配置方案的原則

為防止發(fā)電機(jī)定子繞組相間短路，匝間短路和分支開焊，發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案必須包括縱、橫差保護(hù)。由于各主保護(hù)的原理不同，均存在各自的保護(hù)死區(qū)，需按照“優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、綜合利用”的原則來制定主保護(hù)配置方案[7-9]。具體要求如下：第一，發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的死區(qū)最小，即主保護(hù)范圍最大；第二，發(fā)電機(jī)定子繞組任一點(diǎn)故障宜有兩種不同原理的主保護(hù)靈敏動(dòng)作；第三，充分考慮發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出方式及分支分組的合理性，在定量分析的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)主保護(hù)最優(yōu)配置；第四，完成保護(hù)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(jī)的本體設(shè)計(jì)和制造的要求，實(shí)現(xiàn)電氣一次和二次的“雙贏”。

3.2 縱、橫差保護(hù)配置方案的選擇

豐滿發(fā)電機(jī)定子每相含4個(gè)并聯(lián)分支，總結(jié)已有4分支水輪發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，主要分析中性點(diǎn)側(cè)引出6個(gè)出線端子的布局。初步擬定每相裝設(shè)兩個(gè)分支組TA（其中TA按一塊保護(hù)屏配置，計(jì)及雙重化的需要另一塊保護(hù)屏完全拷貝），考慮不同發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)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(hù)方案的配置，結(jié)合豐滿發(fā)電機(jī)故障特點(diǎn)，分析以下6種主保護(hù)配置方案的性能。

方案一：發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出2個(gè)中性點(diǎn)——1套零序橫差＋1套完全縱差；

方案二：發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出1個(gè)中性點(diǎn)——1套完全裂相橫差＋2套不完全縱差；

方案三：發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出1個(gè)中性點(diǎn)——1套完全裂相橫差＋1套完全縱差；

方案四：發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出2個(gè)中性點(diǎn)——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(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出2個(gè)中性點(diǎn)——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(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出2個(gè)中性點(diǎn)——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(jì)算，6種主保護(hù)配置方案對(duì)發(fā)電機(jī)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(hù)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(duì)比6種主保護(hù)配置方案可以得出以下分析：

（1）方案一存在較大保護(hù)死區(qū)，不能動(dòng)作故障數(shù)有388種（占故障總數(shù)的2.57%），僅對(duì)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(hù)靈敏動(dòng)作。

（2）方案四、五、六采用“13-24”分支組合的保護(hù)死區(qū)最少，不能動(dòng)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(duì)應(yīng)的短路匝比大多≤5%；但方案六相對(duì)于方案四而言，增加一套差動(dòng)保護(hù)；而方案五相對(duì)于方案四而言，減少了一套差動(dòng)保護(hù)，簡(jiǎn)化了保護(hù)裝置構(gòu)成和計(jì)算工作量。

（3）相對(duì)于方案五而言，方案二和方案三的中性點(diǎn)引出方式變得簡(jiǎn)單，但不能動(dòng)作故障數(shù)增加了12種，兩種及以上不同原理主保護(hù)靈敏動(dòng)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(jī)差動(dòng)保護(hù)配置方案，具體配置見圖2（僅畫出單相示意）。對(duì)于實(shí)際可能發(fā)生的15120種內(nèi)部故障，不能動(dòng)作故障數(shù)有216種（占總數(shù)的1.43%，不能動(dòng)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(duì)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(hù)靈敏動(dòng)作。

圖2 豐滿發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)配置方案Figure 2 Fengman generator differential protection configuration scheme

3.3 定、轉(zhuǎn)子接地保護(hù)配置方案的優(yōu)化

傳統(tǒng)定子接地保護(hù)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(diǎn)附近發(fā)生接地故障時(shí)存在死區(qū)。三次諧波原理基本能彌補(bǔ)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(jī)定子接地電容實(shí)測(cè)6.64μF，傳統(tǒng)定子接地保護(hù)靈敏度不足的問題更為突出。鑒于此情況，定子接地保護(hù)優(yōu)化為注入式原理。注入式保護(hù)具有更高的可靠性和靈敏度，同時(shí)還能檢測(cè)發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)時(shí)的接地絕緣水平。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)主要采用切換采樣（乒乓式）原理，因?yàn)闆]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(zhǎng)期停機(jī)的時(shí)候。因此，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)優(yōu)化為注入式保護(hù)。

4 繼電保護(hù)裝置用TA的選型方案

4.1 零序橫差TA的選型

通過仿真計(jì)算，在豐滿發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的15120種內(nèi)部短路中，流過中性點(diǎn)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(duì)應(yīng)的動(dòng)作電流為5%Ign），其中中性點(diǎn)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(hù)的動(dòng)作死區(qū)?；谪S滿發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路時(shí)中性點(diǎn)連線電流的大小及其分布特點(diǎn)，選擇零序橫差TA的型號(hào)為5P30，容量為20VA，變比為600/1。選擇理由如下：

（1）當(dāng)中性點(diǎn)連線的短路電流超過30ICT（18000A）時(shí)，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(dòng)作，且這部分故障所占比率僅為9.22%；

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

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

4.2 機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)分支TA的選型

式中：Kssc——短路電流倍數(shù)；

Ign——發(fā)電機(jī)額定電流；

ITA——選取電流互感器的一次電流。

保護(hù)裝置到TA的最長(zhǎng)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(hù)裝置自身負(fù)荷很輕（0.5～1.0Ω），所以發(fā)電機(jī)保護(hù)二次負(fù)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(shí)際準(zhǔn)確限值系數(shù)的計(jì)算見式（2）。

式中：Kalf——實(shí)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(fù)載消耗容量。

豐滿發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)用TA的實(shí)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(shí)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(yǔ)

發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案是一個(gè)多變量復(fù)雜系統(tǒng)的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，必須兼顧科學(xué)性和實(shí)用性，兼顧“機(jī)”與“電”的設(shè)計(jì)和制造要求，盡量減少硬件投資，實(shí)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(jī)為例，研究了主保護(hù)配置方案的設(shè)計(jì)思路，可供同類新建、改建和擴(kuò)建的水電站進(jìn)行技術(shù)參考。