桂 林，郭玉恒 ，陳 俊，王祥珩 ，王維儉

（1.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 100084；2.二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000；3.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

二灘水電站（6×550 MW）位于四川省西南部的雅礱江下游［1］，是我國(guó)20世紀(jì)建成投產(chǎn)的最大水電站，第一臺(tái)機(jī)組于1998年8月并網(wǎng)發(fā)電，1999年12月6臺(tái)機(jī)組全部投產(chǎn)發(fā)電。筆者計(jì)劃利用發(fā)電機(jī)現(xiàn)有中性點(diǎn)引出方式及分支組電流互感器（TA）（每相6分支一分為三，引出3個(gè)中性點(diǎn)，每相裝設(shè)3個(gè)分支組TA）對(duì)其主保護(hù)配置方案進(jìn)行技術(shù)改造。

考慮到微機(jī)保護(hù)強(qiáng)調(diào)TA資源共享、且用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電器的功能，在討論主保護(hù)技術(shù)改進(jìn)方案時(shí)，設(shè)計(jì)單位提出在已有零序電流型橫差和完全縱差保護(hù)的基礎(chǔ)上，再利用每相的3個(gè)分支組TA，增加3套不完全裂相橫差保護(hù)和3套不完全縱差保護(hù)，以提高主保護(hù)配置方案的性能，但這樣必然加重保護(hù)裝置的負(fù)擔(dān)，因而遭到保護(hù)裝置生產(chǎn)廠家的反對(duì)。

有必要在發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路分析計(jì)算的基礎(chǔ)上［2-3］，經(jīng)主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)過(guò)程［4-5］，對(duì)上述二灘發(fā)電機(jī)主保護(hù)初步技術(shù)改進(jìn)方案（共配置了8套主保護(hù)方案）進(jìn)行優(yōu)化，以兼顧保護(hù)性能和保護(hù)裝置穩(wěn)定運(yùn)行的需要。

在完成上述主保護(hù)配置方案優(yōu)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，還發(fā)現(xiàn)其在分支引出和主保護(hù)設(shè)計(jì)上的特點(diǎn)不同于以往偶數(shù)多分支水輪發(fā)電機(jī)［6］，譬如錦屏二級(jí)（8×600 MW）和觀音巖（5×600 MW）發(fā)電機(jī)（每相也為6分支），有必要對(duì)二灘發(fā)電機(jī)主保護(hù)技術(shù)改進(jìn)工作進(jìn)行歸納總結(jié)，找出規(guī)律性的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)大型水電站新建或技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目提供借鑒。

1 二灘發(fā)電機(jī)主保護(hù)技術(shù)改進(jìn)工作的實(shí)施

二灘發(fā)電機(jī)采用分?jǐn)?shù)槽（q=27/7）疊繞組（定子繞組節(jié)距為y1=10）、42極，定子槽數(shù)為486，每相6分支，每分支27個(gè)線圈。發(fā)電機(jī)額定參數(shù)為：PN=550 MW，UN=18 kV，IN=19 630 A，cos φN=0.9，If0=1 587 A，IfN=2709 A。

根據(jù)對(duì)二灘水力發(fā)電廠提供的發(fā)電機(jī)定子繞組展開(kāi)圖的分析，該發(fā)電機(jī)定子繞組實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部短路如表1所示。同槽故障即槽內(nèi)故障，指的是同槽上下層線棒之間由于絕緣損壞而導(dǎo)致的短路；端部故障即端部交叉故障，指的是定子繞組端部交叉處絕緣損壞而導(dǎo)致的短路。

對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)而言，由于水頭等因素的影響，即使是相同容量的發(fā)電機(jī)，其繞組形式也可能不同，疊繞或波繞（連接方式又有所不同）均可能采用，導(dǎo)致實(shí)際可能發(fā)生的故障特點(diǎn)不同。

由于二灘發(fā)電機(jī)采用的是疊繞組，每個(gè)分支集中分布于電機(jī)內(nèi)圓的某一區(qū)域，同相的6個(gè)分支沿電機(jī)內(nèi)圓連續(xù)分布（如圖1（a）所示），使得定子繞組內(nèi)部短路中同相不同分支匝間短路所占比率很小，如表1統(tǒng)計(jì)結(jié)果所示。

表1 定子繞組內(nèi)部短路故障Tab.1 Internal short circuit of stator winding

另外，對(duì)于疊繞組發(fā)電機(jī)而言，同相同分支匝間短路必然存在；且隨著發(fā)電機(jī)極對(duì)數(shù)和定子槽數(shù)的增加，每分支線圈數(shù)逐漸增多，使得同相同分支匝間短路中小短路匝比問(wèn)題（短路匝數(shù)/分支線圈數(shù)＜5%，短路匝電流很大，但這時(shí)的短路安匝數(shù)卻很小，保護(hù)用TA采集的故障電流信號(hào)也很小，這是現(xiàn)有主保護(hù)方案共同的保護(hù)死區(qū)）逐漸突出，將不利于發(fā)電機(jī)主保護(hù)性能的提高。

針對(duì)二灘發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部故障特點(diǎn)和現(xiàn)有中性點(diǎn)引出方式及分支組TA，通過(guò)全面的內(nèi)部短路分析計(jì)算及主保護(hù)的定量化設(shè)計(jì)過(guò)程，最終推薦的主保護(hù)配置方案如圖2所示。

圖1 6分支發(fā)電機(jī)支路布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of branch disposal of generator with six windings

圖2 二灘發(fā)電機(jī)主保護(hù)優(yōu)化方案Fig.2 Optimized main protection scheme of Ertan hydroelectric generator

將每相的第1、2分支接在一起，形成中性點(diǎn)o1；將每相的第3、4分支或第5、6分支接在一起，分別形成中性點(diǎn)o2或o3。在o1和o3、o2和o3之間接2個(gè)P級(jí) TA（5P20-500/250/5 A）：TA01和 TA02，以構(gòu)成 2套零序電流型橫差保護(hù)（保護(hù)屏A、B各1套）。

利用每相的第 1、2分支組，3、4分支組和 5、6分支組上裝設(shè)的5P型TA（5P20-8 000/1.666 7 A）：TA1—TA9，與機(jī)端 5P 型相 TA（5P20-24000/5 A）：TA10—TA12構(gòu)成1套不完全裂相橫差、1套不完全縱差和1套完全縱差保護(hù)，其具體構(gòu)成如下：

a.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，而不完全縱差保護(hù)中性點(diǎn)側(cè)電流則取自每相第3、4分支組的TA；

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

對(duì)于二灘發(fā)電機(jī)實(shí)際可能發(fā)生的4500種內(nèi)部故障，圖2所示主保護(hù)配置方案不能動(dòng)作的故障有185種（占內(nèi)部故障總數(shù)的4.1%），對(duì)3933種內(nèi)部故障（占內(nèi)部故障總數(shù)的87.4%）有2種及以上原理不同的主保護(hù)靈敏動(dòng)作；而技術(shù)改進(jìn)前主保護(hù)配置方案不能動(dòng)作的故障有372種，雙重化指標(biāo)為86.6%。

在完成上述主保護(hù)設(shè)計(jì)方案的同時(shí)，筆者也對(duì)比了圖2所示推薦方案（共4套主保護(hù)方案）與設(shè)計(jì)院所提方案——需在圖2所示方案基礎(chǔ)上增設(shè)2套不完全裂相橫差保護(hù)（其兩側(cè)電流分別取自每相第1、2分支組的TA和每相第3、4分支組的TA，或者取自每相第3、4分支組的TA和每相第5、6分支組的TA）和2套不完全縱差保護(hù)（其中性點(diǎn)側(cè)電流分別取自每相第1、2分支組的TA或每相第5、6分支組的TA）的差異，如表2和表3所示。

上述含8套主保護(hù)的配置方案對(duì)于二灘發(fā)電機(jī)的4500種內(nèi)部故障，不能動(dòng)作的故障有132種，相比于圖2所示的推薦方案，保護(hù)死區(qū)故障減少了53種（占內(nèi)部故障總數(shù)的1.2%），且不能動(dòng)作的故障類(lèi)型均為小匝數(shù)同相同分支匝間短路，對(duì)應(yīng)的短路匝比大都小于5%，由于壓差小［7］，運(yùn)行實(shí)踐表明其發(fā)生的幾率很低。

表2 并網(wǎng)空載時(shí)，各主保護(hù)配置方案動(dòng)作情況（同槽故障）Tab.2 Operating conditions of two main protection schemes during grid-connection without load（fault happens in wedge）

表3 并網(wǎng)空載時(shí)，各主保護(hù)配置方案動(dòng)作情況（端部故障）Tab.3 Operating conditions of two main protection schemes during grid-connection without load（fault happens in stator ends）

考慮到微機(jī)保護(hù)裝置雖極大地?cái)U(kuò)展了發(fā)電機(jī)主保護(hù)的種類(lèi)和功能，但基于現(xiàn)在的軟硬件水平，在每2個(gè)采樣間隔之間完成上述8套主保護(hù)方案的運(yùn)算將加重保護(hù)裝置的負(fù)擔(dān)，可能引發(fā)CPU工作的不穩(wěn)定（負(fù)荷率太高），從而影響保護(hù)裝置的正常工作，故綜合考慮保護(hù)性能和保護(hù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，最終推薦圖2所示主保護(hù)配置方案作為二灘發(fā)電機(jī)主保護(hù)的優(yōu)化方案。上述主保護(hù)技術(shù)改進(jìn)工作已于2011年12月實(shí)施，保護(hù)裝置一直運(yùn)行正常。

2 反思偶數(shù)多分支水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程

反思二灘發(fā)電機(jī)主保護(hù)技術(shù)改進(jìn)過(guò)程，不難發(fā)現(xiàn)其主保護(hù)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)為將每相6個(gè)分支一分為三，引出3個(gè)中性點(diǎn)，每相裝設(shè)3個(gè)分支組TA，顯著區(qū)別于同為每相6個(gè)分支的錦屏二級(jí)（q=4，定子432槽，每分支繞電機(jī)內(nèi)圓4/3圈）和觀音巖發(fā)電機(jī)（q=3，定子594槽，每分支繞電機(jī)內(nèi)圓一圈）的主保護(hù)設(shè)計(jì)方案［8］，即將每相6個(gè)分支一分為二，引出2個(gè)中性點(diǎn)，每相裝設(shè)2個(gè)分支組TA（如圖3所示，具體說(shuō)明見(jiàn)文獻(xiàn)［8］），究其原因在于繞組形式所決定的故障特點(diǎn)的不同。

圖3 錦屏二級(jí)和觀音巖發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)及TA配置推薦方案（3-3分支分組）Fig.3 Main protection and current transformer configuration scheme recommended for internal fault of Jinping second-stage generators and Guanyinyan generators

不同于疊繞組偶數(shù)多分支發(fā)電機(jī)，錦屏二級(jí)和觀音巖發(fā)電機(jī)所采用的整數(shù)槽全波繞組的接線方式（如圖1（b）所示），使得實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部短路中不存在小匝數(shù)同相同分支匝間短路（如表4所示），而其發(fā)生在相近電位間的同相不同分支匝間短路的分布特點(diǎn)又如圖4所示（圖中的1～6分別代表同一相的6個(gè)分支），當(dāng)采用“123-456”這種分支引出方式時(shí)，發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短路的2個(gè)故障分支始終被分在不同的支路組中，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，最終使得圖3所示主保護(hù)配置方案不僅實(shí)現(xiàn)了無(wú)動(dòng)作死區(qū)，且對(duì)所有實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部故障有2種及以上原理不同的主保護(hù)靈敏動(dòng)作，保護(hù)性能非常優(yōu)異，分支引出和TA的布置也不困難。

表4 錦屏二級(jí)和觀音巖發(fā)電機(jī)實(shí)際故障情況Tab.4 Actual faults of Jinping second-stage generators and Guanyinyan generators

圖4 錦屏二級(jí)和觀音巖發(fā)電機(jī)發(fā)生相近電位的同相不同分支匝間短路的分布特點(diǎn)Fig.4 Distribution of com-phase inter-branch short circuits of Jinping second-stage generators and Guanyinyan generators

類(lèi)似的分支分組和主保護(hù)配置方案在其他波繞組偶數(shù)多分支發(fā)電機(jī)（如三峽右岸HEC，龍灘、小灣、向家壩HEC、溪洛渡HEC、溪洛渡VOITH、金安橋、糯扎渡等）的主保護(hù)設(shè)計(jì)中也得到了驗(yàn)證和應(yīng)用［9-13］。

但是對(duì)于疊繞組偶數(shù)多分支的二灘發(fā)電機(jī)，與圖3類(lèi)似的分支分組和主保護(hù)配置的性能則存在較大的保護(hù)死區(qū)；考慮到圖3類(lèi)似方案不能動(dòng)作的故障類(lèi)型基本為小匝數(shù)同相同分支匝間短路，而不完全裂相橫差保護(hù)［14］和中性點(diǎn)側(cè)接入分支數(shù)減少的不完全縱差保護(hù)［4］反應(yīng)小匝數(shù)匝間短路的能力又要優(yōu)于其他主保護(hù)方案，故在保護(hù)方案的構(gòu)成時(shí)做以下調(diào)整：首先利用圖2所示的每相的3個(gè)分支組TA，與機(jī)端相TA相配合，構(gòu)成1套完全縱差保護(hù)，它對(duì)二灘發(fā)電機(jī)所有的相間短路都能靈敏動(dòng)作；在構(gòu)成不完全裂相橫差和不完全縱差保護(hù)時(shí)，既要考慮前者兩側(cè)TA的完全同型（區(qū)外故障時(shí)不平衡電流較?。?，又需考慮后者與前者在保護(hù)性能上的互補(bǔ)（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，且不增加任何硬件投資）；上述保護(hù)方案的配置兼顧了相間和匝間短路保護(hù)的要求，但確實(shí)增加了電機(jī)設(shè)計(jì)和TA安裝的難度，究其原因在于疊繞組偶數(shù)多分支發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障中小匝數(shù)同相同分支匝間短路所占比率較大［15-16］，增大了主保護(hù)設(shè)計(jì)的難度。

綜上所述，對(duì)于疊繞組偶數(shù)多分支發(fā)電機(jī)應(yīng)立足于引出3個(gè)中性點(diǎn)、每相裝設(shè)3個(gè)分支組TA，在保護(hù)方案的選擇上既要考慮保護(hù)性能的互補(bǔ)，又要保障保護(hù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)論

a.二灘水電站發(fā)電機(jī)主保護(hù)技術(shù)改進(jìn)工作的順利完成，既給后續(xù)水電站發(fā)電機(jī)主保護(hù)技術(shù)改進(jìn)項(xiàng)目的實(shí)施提供了借鑒，即如何利用現(xiàn)有發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出方式和分支TA的布置來(lái)實(shí)現(xiàn)主保護(hù)方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)，又拓展了疊繞組偶數(shù)多分支發(fā)電機(jī)主保護(hù)設(shè)計(jì)思路，即在分支分組和主保護(hù)配置方面均不同于波繞組偶數(shù)多分支發(fā)電機(jī)，究其原因還是在于定子繞組形式所決定的發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障特點(diǎn)的不同。

b.疊繞組偶數(shù)多分支水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)的設(shè)計(jì)過(guò)程就是如何將其簡(jiǎn)化為一臺(tái)每相3個(gè)分支組的發(fā)電機(jī)，在保護(hù)方案的選擇上既要考慮保護(hù)性能的互補(bǔ)，又要兼顧保護(hù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

c.波繞組偶數(shù)多分支水輪發(fā)電機(jī)主保護(hù)的設(shè)計(jì)過(guò)程則是如何將其簡(jiǎn)化為一臺(tái)每相2個(gè)分支組的發(fā)電機(jī)，分支的合理分組取決于發(fā)電機(jī)的故障特點(diǎn)，特別是發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短路的分布特點(diǎn)。

d.大型發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行不僅需要二次設(shè)備廠家在保護(hù)原理和配置上進(jìn)行優(yōu)化，也需要發(fā)電機(jī)廠家的配合與協(xié)調(diào)。