二滩发电机主保护技术改进工作研究

桂 林，郭玉恒 ，陈 俊，王祥珩 ，王维俭

（1.清华大学 电机系 电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084；2.二滩水力发电厂，四川 攀枝花 617000；3.南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

二滩水电站（6×550 MW）位于四川省西南部的雅砻江下游［1］，是我国20世纪建成投产的最大水电站，第一台机组于1998年8月并网发电，1999年12月6台机组全部投产发电。笔者计划利用发电机现有中性点引出方式及分支组电流互感器（TA）（每相6分支一分为三，引出3个中性点，每相装设3个分支组TA）对其主保护配置方案进行技术改造。

考虑到微机保护强调TA资源共享、且用软件来实现继电器的功能，在讨论主保护技术改进方案时，设计单位提出在已有零序电流型横差和完全纵差保护的基础上，再利用每相的3个分支组TA，增加3套不完全裂相横差保护和3套不完全纵差保护，以提高主保护配置方案的性能，但这样必然加重保护装置的负担，因而遭到保护装置生产厂家的反对。

有必要在发电机内部短路分析计算的基础上［2-3］，经主保护定量化设计过程［4-5］，对上述二滩发电机主保护初步技术改进方案（共配置了8套主保护方案）进行优化，以兼顾保护性能和保护装置稳定运行的需要。

在完成上述主保护配置方案优化设计的同时，还发现其在分支引出和主保护设计上的特点不同于以往偶数多分支水轮发电机［6］，譬如锦屏二级（8×600 MW）和观音岩（5×600 MW）发电机（每相也为6分支），有必要对二滩发电机主保护技术改进工作进行归纳总结，找出规律性的认识，为后续大型水电站新建或技术改进项目提供借鉴。

1 二滩发电机主保护技术改进工作的实施

二滩发电机采用分数槽（q=27/7）叠绕组（定子绕组节距为y1=10）、42极，定子槽数为486，每相6分支，每分支27个线圈。发电机额定参数为：PN=550 MW，UN=18 kV，IN=19 630 A，cos φN=0.9，If0=1 587 A，IfN=2709 A。

根据对二滩水力发电厂提供的发电机定子绕组展开图的分析，该发电机定子绕组实际可能发生的内部短路如表1所示。同槽故障即槽内故障，指的是同槽上下层线棒之间由于绝缘损坏而导致的短路；端部故障即端部交叉故障，指的是定子绕组端部交叉处绝缘损坏而导致的短路。

对于水轮发电机而言，由于水头等因素的影响，即使是相同容量的发电机，其绕组形式也可能不同，叠绕或波绕（连接方式又有所不同）均可能采用，导致实际可能发生的故障特点不同。

由于二滩发电机采用的是叠绕组，每个分支集中分布于电机内圆的某一区域，同相的6个分支沿电机内圆连续分布（如图1（a）所示），使得定子绕组内部短路中同相不同分支匝间短路所占比率很小，如表1统计结果所示。

表1 定子绕组内部短路故障Tab.1 Internal short circuit of stator winding

另外，对于叠绕组发电机而言，同相同分支匝间短路必然存在；且随着发电机极对数和定子槽数的增加，每分支线圈数逐渐增多，使得同相同分支匝间短路中小短路匝比问题（短路匝数/分支线圈数＜5%，短路匝电流很大，但这时的短路安匝数却很小，保护用TA采集的故障电流信号也很小，这是现有主保护方案共同的保护死区）逐渐突出，将不利于发电机主保护性能的提高。

针对二滩发电机实际可能发生的内部故障特点和现有中性点引出方式及分支组TA，通过全面的内部短路分析计算及主保护的定量化设计过程，最终推荐的主保护配置方案如图2所示。

图1 6分支发电机支路布置示意图Fig.1 Schematic diagram of branch disposal of generator with six windings

图2 二滩发电机主保护优化方案Fig.2 Optimized main protection scheme of Ertan hydroelectric generator

将每相的第1、2分支接在一起，形成中性点o1；将每相的第3、4分支或第5、6分支接在一起，分别形成中性点o2或o3。在o1和o3、o2和o3之间接2个P级 TA（5P20-500/250/5 A）：TA01和 TA02，以构成 2套零序电流型横差保护（保护屏A、B各1套）。

利用每相的第 1、2分支组，3、4分支组和 5、6分支组上装设的5P型TA（5P20-8 000/1.666 7 A）：TA1—TA9，与机端 5P 型相 TA（5P20-24000/5 A）：TA10—TA12构成1套不完全裂相横差、1套不完全纵差和1套完全纵差保护，其具体构成如下：

a.不完全裂相横差保护两侧电流分别取自每相第1、2分支组的TA和每相第5、6分支组的TA，而不完全纵差保护中性点侧电流则取自每相第3、4分支组的TA；

b.完全纵差保护中性点侧相电流取自每相的3个分支组TA电流之和。

对于二滩发电机实际可能发生的4500种内部故障，图2所示主保护配置方案不能动作的故障有185种（占内部故障总数的4.1%），对3933种内部故障（占内部故障总数的87.4%）有2种及以上原理不同的主保护灵敏动作；而技术改进前主保护配置方案不能动作的故障有372种，双重化指标为86.6%。

在完成上述主保护设计方案的同时，笔者也对比了图2所示推荐方案（共4套主保护方案）与设计院所提方案——需在图2所示方案基础上增设2套不完全裂相横差保护（其两侧电流分别取自每相第1、2分支组的TA和每相第3、4分支组的TA，或者取自每相第3、4分支组的TA和每相第5、6分支组的TA）和2套不完全纵差保护（其中性点侧电流分别取自每相第1、2分支组的TA或每相第5、6分支组的TA）的差异，如表2和表3所示。

上述含8套主保护的配置方案对于二滩发电机的4500种内部故障，不能动作的故障有132种，相比于图2所示的推荐方案，保护死区故障减少了53种（占内部故障总数的1.2%），且不能动作的故障类型均为小匝数同相同分支匝间短路，对应的短路匝比大都小于5%，由于压差小［7］，运行实践表明其发生的几率很低。

表2 并网空载时，各主保护配置方案动作情况（同槽故障）Tab.2 Operating conditions of two main protection schemes during grid-connection without load（fault happens in wedge）

表3 并网空载时，各主保护配置方案动作情况（端部故障）Tab.3 Operating conditions of two main protection schemes during grid-connection without load（fault happens in stator ends）

考虑到微机保护装置虽极大地扩展了发电机主保护的种类和功能，但基于现在的软硬件水平，在每2个采样间隔之间完成上述8套主保护方案的运算将加重保护装置的负担，可能引发CPU工作的不稳定（负荷率太高），从而影响保护装置的正常工作，故综合考虑保护性能和保护装置的稳定运行，最终推荐图2所示主保护配置方案作为二滩发电机主保护的优化方案。上述主保护技术改进工作已于2011年12月实施，保护装置一直运行正常。

2 反思偶数多分支水轮发电机主保护的优化设计过程

反思二滩发电机主保护技术改进过程，不难发现其主保护设计的特点为将每相6个分支一分为三，引出3个中性点，每相装设3个分支组TA，显著区别于同为每相6个分支的锦屏二级（q=4，定子432槽，每分支绕电机内圆4/3圈）和观音岩发电机（q=3，定子594槽，每分支绕电机内圆一圈）的主保护设计方案［8］，即将每相6个分支一分为二，引出2个中性点，每相装设2个分支组TA（如图3所示，具体说明见文献［8］），究其原因在于绕组形式所决定的故障特点的不同。

图3 锦屏二级和观音岩发电机内部故障主保护及TA配置推荐方案（3-3分支分组）Fig.3 Main protection and current transformer configuration scheme recommended for internal fault of Jinping second-stage generators and Guanyinyan generators

不同于叠绕组偶数多分支发电机，锦屏二级和观音岩发电机所采用的整数槽全波绕组的接线方式（如图1（b）所示），使得实际可能发生的内部短路中不存在小匝数同相同分支匝间短路（如表4所示），而其发生在相近电位间的同相不同分支匝间短路的分布特点又如图4所示（图中的1～6分别代表同一相的6个分支），当采用“123-456”这种分支引出方式时，发生在相近电位的同相不同分支匝间短路的2个故障分支始终被分在不同的支路组中，从而保证了对应的主保护方案能够灵敏动作，因为此时数值比较大的短路回路电流被引入差动回路中，最终使得图3所示主保护配置方案不仅实现了无动作死区，且对所有实际可能发生的内部故障有2种及以上原理不同的主保护灵敏动作，保护性能非常优异，分支引出和TA的布置也不困难。

表4 锦屏二级和观音岩发电机实际故障情况Tab.4 Actual faults of Jinping second-stage generators and Guanyinyan generators

图4 锦屏二级和观音岩发电机发生相近电位的同相不同分支匝间短路的分布特点Fig.4 Distribution of com-phase inter-branch short circuits of Jinping second-stage generators and Guanyinyan generators

类似的分支分组和主保护配置方案在其他波绕组偶数多分支发电机（如三峡右岸HEC，龙滩、小湾、向家坝HEC、溪洛渡HEC、溪洛渡VOITH、金安桥、糯扎渡等）的主保护设计中也得到了验证和应用［9-13］。

但是对于叠绕组偶数多分支的二滩发电机，与图3类似的分支分组和主保护配置的性能则存在较大的保护死区；考虑到图3类似方案不能动作的故障类型基本为小匝数同相同分支匝间短路，而不完全裂相横差保护［14］和中性点侧接入分支数减少的不完全纵差保护［4］反应小匝数匝间短路的能力又要优于其他主保护方案，故在保护方案的构成时做以下调整：首先利用图2所示的每相的3个分支组TA，与机端相TA相配合，构成1套完全纵差保护，它对二滩发电机所有的相间短路都能灵敏动作；在构成不完全裂相横差和不完全纵差保护时，既要考虑前者两侧TA的完全同型（区外故障时不平衡电流较小），又需考虑后者与前者在保护性能上的互补（不完全纵差保护中性点侧接入分支恰好是不完全裂相横差保护舍弃的分支，且不增加任何硬件投资）；上述保护方案的配置兼顾了相间和匝间短路保护的要求，但确实增加了电机设计和TA安装的难度，究其原因在于叠绕组偶数多分支发电机内部故障中小匝数同相同分支匝间短路所占比率较大［15-16］，增大了主保护设计的难度。

综上所述，对于叠绕组偶数多分支发电机应立足于引出3个中性点、每相装设3个分支组TA，在保护方案的选择上既要考虑保护性能的互补，又要保障保护装置的稳定运行。

3 结论

a.二滩水电站发电机主保护技术改进工作的顺利完成，既给后续水电站发电机主保护技术改进项目的实施提供了借鉴，即如何利用现有发电机中性点引出方式和分支TA的布置来实现主保护方案的优化设计，又拓展了叠绕组偶数多分支发电机主保护设计思路，即在分支分组和主保护配置方面均不同于波绕组偶数多分支发电机，究其原因还是在于定子绕组形式所决定的发电机内部故障特点的不同。

b.叠绕组偶数多分支水轮发电机主保护的设计过程就是如何将其简化为一台每相3个分支组的发电机，在保护方案的选择上既要考虑保护性能的互补，又要兼顾保护装置的稳定运行。

c.波绕组偶数多分支水轮发电机主保护的设计过程则是如何将其简化为一台每相2个分支组的发电机，分支的合理分组取决于发电机的故障特点，特别是发生在相近电位的同相不同分支匝间短路的分布特点。

d.大型发电机继电保护装置的稳定运行不仅需要二次设备厂家在保护原理和配置上进行优化，也需要发电机厂家的配合与协调。