丰满水电站重建工程发电机主保护配置方案研究

王振羽，罗 胤，万 君，宋明钰，曹永闯，赵 颖

（1.丰满大坝重建工程建设局，吉林省吉林市 132108；2.河南天池抽水蓄能有限公司，河南省南阳市 473000）

0 引言

原丰满水电站始建于1937年伪满时期，到1943年首台机组发电，后经续建、改建及扩建，共安装12台水轮发电机组，总装机容量1002.5MW。丰满水电站全面治理（重建）工程于2012年10月获国家发展改革委核准。按照恢复电站原任务和功能，在原大坝下游120m处新建一座大坝，系我国首个大坝重建的重点工程项目。新建电站安装6台单机200MW的混流式水轮发电机组，保留原三期2台140MW机组，总装机容量1480MW。工程以发电为主，兼有防洪、灌溉、城市及工业用水、养殖和旅游等综合作用。

丰满水电站重建工程（以下简称丰满）发电机采用半波绕组，64极，定子槽数为720，每相4分支，每分支60个线圈。发电机额定参数为：PN=200MW，UN=15.75kV，IN=8379A，cosΦ=0.875，If0=1240A，IfN=2281A。为确保机组安全运行，必须正确决定其主保护配置方案，而主保护方案的选择需要针对实际短路的条件和特征、故障仿真计算的结果，以及发电机中性点侧的引出方式和分支电流互感器（TA）位置等条件进行取舍[1，2]。

1 发电机内部故障的类型和数量

发电机定子绕组的结构形式有叠绕组和波绕组，而波绕组又分为全波绕组和半波绕组。绕组形式不同，实际可能发生内部故障的特点就不同，内部故障的类型和数量也不同，将对发电机主保护方案的定量化设计有很大影响。

丰满发电机定子采用半波绕组具有一定优势：第一，相对于叠绕组发电机而言，波绕组发电机内部短路中同相同分支匝间短路所占比率较小；第二，相对于全波绕组而言，半波绕组的接线方式存在反绕现象（先绕N极下若干线圈，再反绕S极下若干线圈），小匝数同相同分支匝间短路必然存在，但所占比率不大，且可通过调整绕组分支电势的构成进一步减少小匝数同相同分支匝间短路的存在比率；第三，半波绕组具有抑制转子偏心振动的能力，半波绕组可利用转子偏心产生的分支环流将转子“推回”至中心位置。同时，若主保护方案能够保留一套完全差动保护，当机组状态监测装置显示上导轴承的摆度及气隙同心度等超标，横差保护动作而完全纵差保护未动作（不反应分支不平衡电流），即可区分内部短路或转子偏心[3]。

根据发电机定子绕组展开图，实际可能发生定子槽内上、下层线棒间短路共720种，定子绕组端部短路共14400种，具体故障的类型和数量见表1。通过进一步分析发现：对于同槽故障的192种同相不同分支匝间短路而言，均发生在相邻分支间。对于端部故障的1296种同相不同分支匝间短路而言，也均发生在相邻分支间。因此，应着重分析同相不同分支匝间短路的构成与分布特点，因为同相不同分支匝间短路的回路电流，可能由于分支分组的不合理，而无法直接引入保护装置的差动回路，将增大主保护的动作死区。

表1 丰满发电机内部故障类型和数量统计Table 1 Statistics on the type and quantity of generator internal faults

2 发电机主保护方案灵敏度分析

2.1 差动保护的故障反应能力分析

发电机差动保护包括裂相横差、零序电流型横差、完全或不完全纵差。从原理上看，裂相横差保护比较的是发电机内部故障时一相两部分之间的不平衡；不完全纵差保护比较的是部分分支与整个相绕组之间的不平衡；零序电流型横差保护则是将整个定子绕组分成两部分，比较这两部分之间的不平衡；完全纵差保护比较的是机端相电流与其中性点侧相电流之间的不平衡。就总体反映匝间故障的能力而言，裂相横差一般要高于不完全纵差和零序电流型横差，完全纵差则不反应匝间故障，但对相间故障有很高的灵敏度[4-6]。

2.2 典型故障特征及灵敏度分析

运用多回路分析法，对丰满发电机并网运行方式下所有可能发生的同槽和端部交叉故障进行了仿真计算（共计15120种），求出各种故障时每支路电流的大小和相位（包括两中性点间的电流），由此可得到各种短路状态下差动保护的动作电流和制动电流，在已整定的动作特性条件下，最终获得相应主保护的灵敏系数。下面针对一则相近电位的同相不同分支匝间短路为例，分析完全裂相横差保护在不同分支分组方式下的灵敏度。

图1模拟的故障为丰满发电机在并网运行方式下，a相第1支路第16号线圈的下层边和a相第2支路第8号线圈的上层边发生端部同相不同分支匝间短路，两短路点距中性点位置相差8匝。表2为模拟故障状态下，各分支电流的大小和相位。通过表2发现，故障分支Ia1和Ia2的大小相差不大、相位近于相反。这是由于故障分支电流Ia1和Ia2主要由直流励磁感应电动势差所产生，所以Ia1和Ia2近于反向；由于两短路点距中性点位置相差不大，所以Ia1和Ia2的大小相差也不大。通过互感作用，两个短路分支对其他分支的互感磁链基本相互抵消，从而导致其他分支的电流故障前后变化不大。因此，图1（a）所示的完全裂相横差保护，流过分支TA1和TA2的电流都不大，从而导致对应的裂相横差保护灵敏系数很小；而图1（b）和图1（c）将两个故障分支分在不同支路组中的连接方式，完全裂相横差保护对应的灵敏系数均很大，因为此时数值较大的短路电流被引入差动回路中。上述规律性的认识与定性分析相一致，又进一步说明仿真计算的必要性，同时还应进一步将仿真计算结果应用到主保护配置方案的选择上来。

图1 一则相近电位的同相不同分支匝间短路Figure 1 Interturn short circuit of same phase different branch with adjacent potential

表2 一则相近电位的同相不同分支匝间 短路电流大小和相位Table 2 Magnitude of current and phase position of interturn short circuit of same phase different branch with adjacent potential

3 发电机主保护配置方案的选择及优化

3.1 主保护配置方案的原则

为防止发电机定子绕组相间短路，匝间短路和分支开焊，发电机主保护配置方案必须包括纵、横差保护。由于各主保护的原理不同，均存在各自的保护死区，需按照“优势互补、综合利用”的原则来制定主保护配置方案[7-9]。具体要求如下：第一，发电机内部故障的死区最小，即主保护范围最大；第二，发电机定子绕组任一点故障宜有两种不同原理的主保护灵敏动作；第三，充分考虑发电机中性点引出方式及分支分组的合理性，在定量分析的基础上实现主保护最优配置；第四，完成保护功能的前提下，尽量减小所需硬件的投资（如TA的数量等）；第五，兼顾发电机的本体设计和制造的要求，实现电气一次和二次的“双赢”。

3.2 纵、横差保护配置方案的选择

丰满发电机定子每相含4个并联分支，总结已有4分支水轮发电机的设计经验，主要分析中性点侧引出6个出线端子的布局。初步拟定每相装设两个分支组TA（其中TA按一块保护屏配置，计及双重化的需要另一块保护屏完全拷贝），考虑不同发电机中性点侧引出方式（这里按12-34、13-24、14-23三种分支组合情况探讨）主保护方案的配置，结合丰满发电机故障特点，分析以下6种主保护配置方案的性能。

方案一：发电机中性点侧引出2个中性点——1套零序横差＋1套完全纵差；

方案二：发电机中性点侧引出1个中性点——1套完全裂相横差＋2套不完全纵差；

方案三：发电机中性点侧引出1个中性点——1套完全裂相横差＋1套完全纵差；

方案四：发电机中性点侧引出2个中性点——1套完全裂相横差+2套不完全纵差+1套零序电流横差；

方案五：发电机中性点侧引出2个中性点——1套完全裂相横差+1套完全纵差+1套零序横差；

方案六：发电机中性点侧引出2个中性点——1套完全裂相横差+2套不完全纵差+1套完全纵差。

通过仿真计算，6种主保护配置方案对发电机内部相间及匝间故障的反应能力已有清晰的概念，具体仿真结果见表3。

表3 各主保护配置方案故障反应性能Table 3 Fault response performance for various main protection configuration schemes

续表

对比6种主保护配置方案可以得出以下分析：

（1）方案一存在较大保护死区，不能动作故障数有388种（占故障总数的2.57%），仅对10072种内部故障（占故障总数的66.61%）有两种及以上原理的不同主保护灵敏动作。

（2）方案四、五、六采用“13-24”分支组合的保护死区最少，不能动作的216种故障基本上都是小匝数同相同分支匝间短路，对应的短路匝比大多≤5%；但方案六相对于方案四而言，增加一套差动保护；而方案五相对于方案四而言，减少了一套差动保护，简化了保护装置构成和计算工作量。

（3）相对于方案五而言，方案二和方案三的中性点引出方式变得简单，但不能动作故障数增加了12种，两种及以上不同原理主保护灵敏动作故障数减少了4028种，因此不推荐采用方案二和方案三。

综上所述，选择方案五（“两横一纵”）作为丰满发电机差动保护配置方案，具体配置见图2（仅画出单相示意）。对于实际可能发生的15120种内部故障，不能动作故障数有216种（占总数的1.43%，不能动作的故障类型大多是短路匝比≤5%的同相同分支匝间故障），对14720种内部故障（占总数的97.35%）有两种及以上原理不同的主保护灵敏动作。

图2 丰满发电机差动保护配置方案Figure 2 Fengman generator differential protection configuration scheme

3.3 定、转子接地保护配置方案的优化

传统定子接地保护主要是基于基波零序电压和三次谐波原理，其中基波零序电压原理必须在电压升起后才有效，且在中性点附近发生接地故障时存在死区。三次谐波原理基本能弥补上述死区，但受定子绕组电容参数影响较大，灵敏度不足。丰满发电机定子接地电容实测6.64µF，传统定子接地保护灵敏度不足的问题更为突出。鉴于此情况，定子接地保护优化为注入式原理。注入式保护具有更高的可靠性和灵敏度，同时还能检测发电机停机状态时的接地绝缘水平。传统转子接地保护主要采用切换采样（乒乓式）原理，因为没有注入源，只有在转子升压后才能反应接地故障，但转子绝缘下降往往发生在长期停机的时候。因此，转子接地保护优化为注入式保护。

4 继电保护装置用TA的选型方案

4.1 零序横差TA的选型

通过仿真计算，在丰满发电机实际可能发生的15120种内部短路中，流过中性点连线的短路电流在628.4A以上的故障所占比率为90.94%（灵敏系数≥1.5，对应的动作电流为5%Ign），其中中性点连线的短路电流超过18000A的故障所占比率为9.22%，还有9.06%的故障是零序电流保护的动作死区。基于丰满发电机内部短路时中性点连线电流的大小及其分布特点，选择零序横差TA的型号为5P30，容量为20VA，变比为600/1。选择理由如下：

（1）当中性点连线的短路电流超过30ICT（18000A）时，虽然TA有可能饱和，但由于零序横差为过电流继电器，可保证正确动作，且这部分故障所占比率仅为9.22%；

（2）当中性点连线的短路电流小于ICT的15%（90A）时，这类故障的零序横差保护灵敏度已低于0.21，本属保护动作死区，所以在TA选型中，不考虑此类情况；

（3）当中性点连线的短路电流在628.4～18000A时，TA二次电流复合误差不超过5%。

4.2 机端和中性点侧分支TA的选型

式中：Kssc——短路电流倍数；

Ign——发电机额定电流；

ITA——选取电流互感器的一次电流。

保护装置到TA的最长距离为50m，故TA二次电缆考虑有0.44Ω（电缆截面选用4mm2），由于保护装置自身负荷很轻（0.5～1.0Ω），所以发电机保护二次负荷按1.5Ω（Sa=1.5VA）考虑；变比为12000/1的TA内阻按90Ω（Sin=90VA）考虑，选取的TA二次输出容量Sn=20VA，额定准确限值系数Kalf.n=30，则实际准确限值系数的计算见式（2）。

式中：Kalf——实际准确限值系数；

Kalf.n——额定准确限值系数；

Sin——电流互感器内阻消耗容量；

Sn——电流互感器二次输出容量；

Sa——电流互感器二次负载消耗容量。

丰满发电机差动保护用TA的实际准确限值系数能够满足选型要求，复核结果见式（3）。

式中：Kalf——实际准确限值系数；

K——暂态系数；

Kssc——短路电流倍数。

5 结束语

发电机主保护配置方案是一个多变量复杂系统的工程优化设计问题，必须兼顾科学性和实用性，兼顾“机”与“电”的设计和制造要求，尽量减少硬件投资，实现电气一次和二次“双赢”的最终目标。本文以丰满200MW发电机为例，研究了主保护配置方案的设计思路，可供同类新建、改建和扩建的水电站进行技术参考。