犍为和桥巩发电机主保护设计特点及异同分析

2021-09-07林杰梅

水电与抽水蓄能 2021年4期

林杰梅，桂林

（1.中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，广西壮族自治区南宁市 530007；2.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，北京市 100084）

0 引言

犍为航电枢纽电站位于四川乐山市犍为县境内，总装机容量50万kW（9×55.6MW），共装设9台灯泡贯流式机组，其中1号/2号机组由东方电机有限公司（简称东电）供货，3号/4号/7号/8号机组由东芝水电设备（杭州）有限公司（简称东芝）供货，5号/6号/9号机组由浙富控股集团股份有限公司（简称浙富）供货。电站于2020年5月底首台机发电，2021年4月底全部机组并网发电。

桥巩水电站位于广西来宾市，是红水河的第九个梯级水电站。电站总装机456MW（8×57MW），共装设8台灯泡贯流式机组，由天津阿尔斯通水电设备有限公司（简称天阿）和东方电机有限公司各提供4台。电站于2008年7月首台机发电，2009年12月全部机组并网发电。

两个电站的发电机主保护都进行了基于全面内部故障分析的定量化设计，确定发电机主保护的配置方案。尽管两个电站的发电机同为贯流机，容量近乎相同，定子绕组均为两分支，但是间隔10年的两个设计方案既有相同之处，也有不同之处。下面对两个电站发电机主保护的特点和异同进行分析和介绍，为相关工程应用提供参考。

1 犍为发电机主保护定量化设计

1.1 发电机参数及故障特点

犍为东电、东芝、浙富发电机的参数基本相同，均为：单机容量55.6MW，定子绕组每相两分支，采用分数槽“半波绕组”，72极。东电和浙富的定子绕组每分支为81个线圈，定子槽数为486槽；东芝的定子绕组每分支为63个线圈，定子槽数为378槽。

通过对各发电机定子绕组展开图的分析，得出定子绕组实际可能发生的内部短路故障类型、数量统计及特点。从统计结果可以看出，由于犍为发电机每分支线圈数很多，使得同相同分支匝间短路的小短路匝比（短路匝比=短路匝数/每分支线圈数）问题突出；东电、浙富发电机4匝及以下的共有408种，占故障总数的7.00%；东芝发电机3匝及以下的共有306种，占故障总数的8.00%。端部故障中同相不同分支所占比率不大。

1.2 主保护方案对比分析

对于犍为发电机，对比分析了4种主保护配置方案：

方案一：传统设计方案——发电机引出2个中性点，中性点侧每相装设1个相电流互感器（TA），配置一套单元件横差保护、一套完全纵差保护；

方案二：发电机引出1个中性点，中性点侧每相装设两个分支TA，配置一套完全裂相横差保护、两套不完全纵差保护；

方案三：发电机引出1个中性点，中性点侧每相装设两个分支TA，配置一套完全裂相横差保护、一套完全纵差保护；

方案四：发电机引出2个中性点，中性点侧每相装设两个分支TA，配置一套完全裂相横差保护、一套完全纵差保护、一套单元件横差保护。

1.3 保护方案的动作情况

限于篇幅，以下仅列出犍为东电发电机各方案的动作情况（见表1）：

表1 犍为东电发电机各方案的动作情况Table 1 Performance of main protection configuration schemes of Qianwei DEC generator

1.4 最终方案的选定

综合考虑各种指标——中性点侧TA的数目和安装位置、主保护配置方案拒动故障数、两种不同原理主保护反应同一故障的能力等，同时考虑在完成相同保护功能的前提下，尽量减少主保护配置方案所需的硬件投资和保护方案的复杂程度，最终选定方案三作为犍为发电机的主保护和TA配置方案，见图1。

图1 犍为发电机主保护配置方案三（选定方案）Figure 1 Main protection configuration scheme 3（selected scheme） of Qianwei generator

对于犍为东电、东芝、浙富发电机，以上保护方案的死区分别为5.4%、8.5%、5.6%，双重化指标分别为72.9%、68.7%、72.8%。

2 桥巩发电机主保护定量化设计

2.1 发电机参数及故障特点

桥巩东电、天阿发电机除定子绕组形式外，参数基本相同：额定功率为57MW，定子绕组每相两分支，每分支81线圈，定子槽数为486，72极。东电的定子绕组为分数槽波绕组，天阿为分数槽叠绕组。

根据发电机内部故障分析结果可以看出，桥巩东电发电机与犍为东电发电机一样，实际可能发生的内部短路中小匝数同相同分支匝间短路（短路匝比≤5%）所占比率较大，共有408种，占故障总数的7.00%。天阿发电机采用叠绕组，每个分支集中分布于电机内圆的某一区域，同相的两个分支沿电机内圆连续分布，使得定子绕组实际可能发生的内部短路中同相不同分支匝间短路所占比率很小[9]。而同相同分支匝间短路的短路匝数不大，均为小短路匝比（最大短路匝比为4/81 ≈4.9%），小匝数同分支匝间短路占故障总数的17.9%，主保护灵敏度问题更加突出。

2.2 主保护配置方案对比分析

2.2.1 东电发电机

东电发电机分析对比了5个主保护配置方案。限于篇幅，本文仅对其中2个性能最优的方案进行介绍：

方案二：发电机引出1个中性点，中性点侧每相装设两个分支TA，配置一套完全裂相横差保护、两套不完全纵差保护；

方案三：发电机引出2个中性点，中性点侧每相装设两个分支TA，配置一套完全裂相横差保护、两套不完全纵差保护、一套单元件横差保护。

保护方案的动作情况见表2。

从表2可以看出，从保护死区和保护的双重化程度看，方案二和方案三的性能差不多。

表2 桥巩东电发电机主保护配置方案的比较Table 2 Comparison of various main protection configuration schemes of Qiaogong DEC generator

方案二的动作死区为150种同分支匝间短路，正确动作率为97.43%；能使方案三中至少两种主保护灵敏动作的故障有5380种，双重化程度为92.25%。

方案三比方案二多装设一套单元件横差保护，动作死区相对方案二减少两种，正确动作率增加0.03%；双重化保护范围增加32种同分支匝间短路，双重化程度增加0.55%。

2.2.2 天阿发电机

天阿发电机分析对比了9个主保护配置方案。限于篇幅，本文仅对其中4个方案进行介绍：

方案三：配置一套完全裂相横差保护、一套完全纵差保护；

方案四：配置一套完全裂相横差保护、两套不完全纵差保护；

方案七：配置一套单元件横差保护、一套完全裂相横差保护、两套不完全纵差保护；

方案八：配置一套单元件横差保护、一套完全裂相横差保护、一套完全纵差保护。

保护方案的动作情况见表3。

表3 桥巩天阿发电机各主保护配置方案的动作情况Table 3 Performance of main protection configuration schemes of Qiaogong ALSTOM generator

从表3可以看出：

4个方案的保护死区均一样；

方案四与方案三相比，两种及以上不同原理主保护灵敏动作故障数可以增加47种，占故障总数的1.8%；

方案七比方案四多装设一套单元件横差保护，但双重化程度不变；

方案八比方案三多装设一套单元件横差保护，双重化保护范围增加28种，占故障总数的1.05%。

2.3 最终方案的选定

综合考虑各种指标，本着方便电站统一运行管理的原则，桥巩东电和天阿发电机确定采用统一的方案，即一套完全裂相横差保护加两套不完全纵差保护，分别对应东电方案比选的方案二和天阿方案比选的方案四，见图2。

图2 桥巩发电机主保护选定方案Figure 2 Selected scheme of main protection of Qiaogong generator

该方案对东电、天阿机组的正确动作率分别为97.43%、84.5%，双重化指标分别为92.25%、81.8%。

3 犍为和桥巩发电机主保护方案特点及异同分析

从以上介绍可以看出，除了桥巩天阿机组采用叠绕组，犍为和桥巩的其他发电机参数基本相同，尤其是犍为和桥巩东电发电机的参数一模一样。但是两个电站最终采用的保护方案并不完全一样，犍为采用的是一套裂相横差保护加一套完全纵差保护，桥巩采用的是一套裂相横差保护加两套不完全纵差保护。前后间隔10年设计的两个项目，其发电机主保护方案既有相同之处，也有不同的地方，现分析如下。

3.1 不同之处—纵差保护方案

为了兼顾定子绕组内部短路和机端引线短路，发电机主保护配置方案中必须包含横差保护和纵差保护[10]。对于纵差保护，桥巩采用的是两套不完全纵差保护，而犍为采用的是两套完全纵差保护。这是根据两种保护方案的不同性能特点，并结合工程经验积累总结，发电机主保护定量化设计理念的相应变化。

由于完全纵差保护对同相的匝间短路毫无作用；而对于匝间短路，尽管不完全纵差保护的性能不如裂相横差保护，但比起完全纵差保护，还是能起到更大的保护作用。因此对于两分支的发电机，配置2套不完全纵差保护，比配置1套完全纵差保护，由于前者能反应匝间短路，从而提高了双重化指标。这从桥巩天阿和犍为的方案比选中可以看出来：

（1）从桥巩天阿的方案比选可以看出，其选定方案（方案四）与方案三（与犍为的选定方案相同）相比，两种及以上不同原理主保护灵敏动作故障数可以增加47种，占故障总数的1.8%。

（2）犍为的东电、东芝、浙富发电机，采用选定方案（方案三）的双重化指标分别为72.9%、68.7%、72.8%。若将完全纵差保护换成两套不完全纵差保护（方案二，与桥巩的选定方案相同），双重化指标可以分别提高13.5%、10.9%、13.3%。

发电机主保护定量化研究设计之初，提高双重化指标是仅次于减小保护死区的考虑因素。因此，2007年设计的桥巩电站选用了两套不完全纵差保护。而随着工程经验积累总结，设计理念发生了一定变化。2017年做定量化设计的犍为电站，尽管装设两套不完全纵差保护的方案比装设一套完全纵差保护对双重化指标的提高更明显，但是推荐方案却是选择一套完全纵差保护，主要考虑以下因素：

（1）运行实践表明，对于叠绕组或“半波绕组”的水轮发电机，在主保护配置方案中保留一套完全纵差保护，有助于偏心振动引起事故的分析，这在凤滩等电站已得到证实[4]。

（2）微机保护装置是用软件来实现继电器的功能，即用“一段代码”来实现不同的主保护功能，也就不会出现程序中的某几行代码单独出现异常，从而影响到相应的主保护[5]，所以对于一体化结构的微机保护装置，在主保护定量化设计时可适当降低双重化指标的要求。

（3）对于单机容量只有55.6MW的犍为发电机，不再过分强调对于任一种内部短路，都有两种及以上不同原理的主保护灵敏动作。

3.2 相同之处—横差保护方案

3.2.1 均首选裂相横差保护

横差保护的方案有两种：裂相横差保护和单元件横差保护。由于犍为和桥巩定子绕组每相仅两分支，可考虑的裂相横差保护和单元件横差保护都只有一种构成方式。

应该首选哪种横差保护，桥巩和犍为均通过定量化计算，对两种保护能够动作的故障数进行统计后决定。表4为桥巩东电发电机在联网空载运行状态下，两种横差保护方案的灵敏性统计对比。所有内部故障共5832种，从表4可以看出，一套单元件横差保护能对4466种内部故障灵敏动作，正确动作率仅为76.58%；而一套裂相横差保护可以保护5618种内部故障，正确动作率能达到96.33%。裂相横差保护的正确动作率明显大于单元件横差保护[8]，所以对于桥巩东电发电机，首先确定采用裂相横差保护。桥巩其他机组和犍为机组的定量化设计结果与桥巩天阿机组基本相同，本文不再赘述。

两种横差保护的性能差异，主要体现在对同相同分支匝间短路和不同相而编号相同的相间短路故障的动作情况上，这从表4可以看出来。

表4 桥巩东电发电机单元件横差保护与裂相横差保护的灵敏性统计对比[7]Table 4 Comparison of sensitivity between zero-sequence current transverse differential protection and split phase transverse differential protection of Qiaogong DEC generator

小匝数的同分支匝间短路是各种常用主保护的共同死区。而对这类故障，裂相横差保护的灵敏度一般要高于单元件横差保护。因为单元件横差保护是将整个定子绕组分成两部分，比较的是一台发电机两部分之间的不平衡；而裂相横差保护反应的是一相两部分之间的不平衡。当发生小匝数同相同分支匝间短路时，其对相绕组不平衡度的影响应大于对整个定子绕组不平衡度的影响，所以裂相横差保护反应小匝数同相同分支匝间短路的灵敏性一般高于单元件横差保护。在联网空载运行工况下，桥巩东电发电机对408种同分支小匝数（4匝及以下）匝间短路，单元件横差保护仅能反应其中的22种，而裂相横差保护可以对其中的260种灵敏动作；裂相横差保护死区中的同分支匝间短路只有150种，比单元件横差保护少316种。

对于相间短路，如果是不同相而分支编号相同的分支间发生短路，由于短路回路电流不直接流过两中性点连线，单元件横差保护的灵敏度比较低。从表4可以看出，桥巩东电发电机共有3878种故障分支编号相同的相间短路，单元件横差保护对其中的900种无法灵敏动作，远远多于裂相横差保护的64种。

根据两种横差保护的灵敏性统计对比，结合两种保护的性能差异分析，对于横差保护的配置方案，两个电站均首选裂相横差保护。

3.2.2 均弃用单元件横差保护

在已确定的“完全裂相横差保护＋不完全/完全纵差保护”这“一横一纵”的初步格局的基础上，考虑是否还有必要配置单元件横差保护，需要综合考虑各种指标——减少保护死区的能力、安装中性点连线间TA的方便程度、保护方案的复杂程度等。桥巩和犍为经过定量化计算，对装设前后的保护性能进行了对比，综合考虑各种因素后，确定不再装设单元件横差保护。

以下为根据表1～表3的数据，得出的各推荐方案加装单元件横差保护前后的保护死区对比，见表5。

从表5可以看出，增设单元件横差保护后，可减少一些保护死区，但相对故障总数占比很小，而且这些保护死区基本都是短路匝比小于5%的同相同分支匝间短路，发生概率很小，对主保护性能影响不大。同时，如果装设单元件横差保护，发电机需引出两个中性点，中性点连线上安装零序电流互感器。由于贯流式发电机通常采用内支撑结构，而且依据东电的设计习惯，发电机侧TA一般都布置在内支撑结构里面，安装空间更加有限，减少单元件横差保护用TA的布置有利于电机设计[3]。因此，桥巩、犍为都舍弃了单元件横差保护的装设。

表5 推荐方案加装单元件横差保护前后的保护死区对比Table 5 Comparison of protection dead zone of recommended schemes installing zero-sequence current transverse differential protection or not

桥巩、犍为均弃用单元件横差保护，除了主要考虑以上因素外，还考虑以下两方面因素：

（1）微机保护装置可以考虑降低双重化指标要求。

根据表1～表3，还可以得出推荐方案加装单元件横差保护前后的双重化指标对比情况。对于犍为各发电机，双重化指标都有比较明显的提高（大约为18%）。但是微机保护装置是用软件来工作，可以降低双重化指标来取消单元件横差保护。同时，通过取消单元件横差保护，还可以减小保护装置CPU的负荷率，为其他异常工况保护（譬如定子接地保护）的计算赢得时间。因为微机保护装置要求在每两个采样间隔之间（0.833ms）就要对所有的主保护计算一遍，减少主保护配置的冗余度，可缩短定子接地等异常工况的计算间隔，能早一点发现定子接地故障并及时切除，把破坏严重的匝间或相间短路消灭在萌芽状态[6]。

（2）单元件横差保护本身的不足。

1）信号源方面。

单元件横差保护用TA一次额定电流的选择需要兼顾防误动和区内故障时的灵敏动作，一直是一个工程技术问题。难度在于不同工况下（半载/满载/甩负荷/区外故障等）流过发电机中性点连线不平衡电流实测值的掌握，以及发电机内部故障时流过中性点连线短路电流大小及分布情况的了解。譬如四川宝珠寺水电站（4×175MW）开机后实测流过发电机中性点连线的不平衡电流的基波分量就已经大于250A，不得已更换了原200/5A的单元件横差保护用TA。

2）保护原理方面。

单元件横差保护实际上就是过流保护，保护原理过于简单；而裂相横差保护和完全纵差保护为比率制动特性，兼顾了区外故障时的防误动和区内故障时的防拒动。

对于单元件横差保护而言，不采用浮动门槛判据则容易发生误动作，采用了该判据则必然降低保护的灵敏度，因为过流保护灵敏度的降低与保护定值的抬高成反比关系。若不经过运行实践的检验就贸然降低定值则直接带来保护误动作的风险，云南景洪和瑞丽江水电站机组投运初期都发生过类似事故。