林杰梅，桂 林

（1.中國能源建設(shè)集團(tuán)廣西電力設(shè)計研究院有限公司，廣西壯族自治區(qū)南寧市 530007；2.清華大學(xué)電機(jī)系電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京市 100084）

0 引言

犍為航電樞紐電站位于四川樂山市犍為縣境內(nèi)，總裝機(jī)容量50萬kW（9×55.6MW），共裝設(shè)9臺燈泡貫流式機(jī)組，其中1號/2號機(jī)組由東方電機(jī)有限公司（簡稱東電）供貨，3號/4號/7號/8號機(jī)組由東芝水電設(shè)備（杭州）有限公司（簡稱東芝）供貨，5號/6號/9號機(jī)組由浙富控股集團(tuán)股份有限公司（簡稱浙富）供貨。電站于2020年5月底首臺機(jī)發(fā)電，2021年4月底全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

橋鞏水電站位于廣西來賓市，是紅水河的第九個梯級水電站。電站總裝機(jī)456MW（8×57MW），共裝設(shè)8臺燈泡貫流式機(jī)組，由天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司（簡稱天阿）和東方電機(jī)有限公司各提供4臺。電站于2008年7月首臺機(jī)發(fā)電，2009年12月全部機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

兩個電站的發(fā)電機(jī)主保護(hù)都進(jìn)行了基于全面內(nèi)部故障分析的定量化設(shè)計，確定發(fā)電機(jī)主保護(hù)的配置方案。盡管兩個電站的發(fā)電機(jī)同為貫流機(jī)，容量近乎相同，定子繞組均為兩分支，但是間隔10年的兩個設(shè)計方案既有相同之處，也有不同之處。下面對兩個電站發(fā)電機(jī)主保護(hù)的特點和異同進(jìn)行分析和介紹，為相關(guān)工程應(yīng)用提供參考。

1 犍為發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計

1.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)及故障特點

犍為東電、東芝、浙富發(fā)電機(jī)的參數(shù)基本相同，均為：單機(jī)容量55.6MW，定子繞組每相兩分支，采用分?jǐn)?shù)槽“半波繞組”，72極。東電和浙富的定子繞組每分支為81個線圈，定子槽數(shù)為486槽；東芝的定子繞組每分支為63個線圈，定子槽數(shù)為378槽。

通過對各發(fā)電機(jī)定子繞組展開圖的分析，得出定子繞組實際可能發(fā)生的內(nèi)部短路故障類型、數(shù)量統(tǒng)計及特點。從統(tǒng)計結(jié)果可以看出，由于犍為發(fā)電機(jī)每分支線圈數(shù)很多，使得同相同分支匝間短路的小短路匝比（短路匝比=短路匝數(shù)/每分支線圈數(shù)）問題突出；東電、浙富發(fā)電機(jī)4匝及以下的共有408種，占故障總數(shù)的7.00%；東芝發(fā)電機(jī)3匝及以下的共有306種，占故障總數(shù)的8.00%。端部故障中同相不同分支所占比率不大。

1.2 主保護(hù)方案對比分析

對于犍為發(fā)電機(jī)，對比分析了4種主保護(hù)配置方案：

方案一：傳統(tǒng)設(shè)計方案——發(fā)電機(jī)引出2個中性點，中性點側(cè)每相裝設(shè)1個相電流互感器（TA），配置一套單元件橫差保護(hù)、一套完全縱差保護(hù)；

方案二：發(fā)電機(jī)引出1個中性點，中性點側(cè)每相裝設(shè)兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護(hù)、兩套不完全縱差保護(hù)；

方案三：發(fā)電機(jī)引出1個中性點，中性點側(cè)每相裝設(shè)兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護(hù)、一套完全縱差保護(hù)；

方案四：發(fā)電機(jī)引出2個中性點，中性點側(cè)每相裝設(shè)兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護(hù)、一套完全縱差保護(hù)、一套單元件橫差保護(hù)。

1.3 保護(hù)方案的動作情況

限于篇幅，以下僅列出犍為東電發(fā)電機(jī)各方案的動作情況（見表1）：

表1 犍為東電發(fā)電機(jī)各方案的動作情況Table 1 Performance of main protection configuration schemes of Qianwei DEC generator

1.4 最終方案的選定

綜合考慮各種指標(biāo)——中性點側(cè)TA的數(shù)目和安裝位置、主保護(hù)配置方案拒動故障數(shù)、兩種不同原理主保護(hù)反應(yīng)同一故障的能力等，同時考慮在完成相同保護(hù)功能的前提下，盡量減少主保護(hù)配置方案所需的硬件投資和保護(hù)方案的復(fù)雜程度，最終選定方案三作為犍為發(fā)電機(jī)的主保護(hù)和TA配置方案，見圖1。

圖1 犍為發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案三（選定方案）Figure 1 Main protection configuration scheme 3（selected scheme） of Qianwei generator

對于犍為東電、東芝、浙富發(fā)電機(jī)，以上保護(hù)方案的死區(qū)分別為5.4%、8.5%、5.6%，雙重化指標(biāo)分別為72.9%、68.7%、72.8%。

2 橋鞏發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計

2.1 發(fā)電機(jī)參數(shù)及故障特點

橋鞏東電、天阿發(fā)電機(jī)除定子繞組形式外，參數(shù)基本相同：額定功率為57MW，定子繞組每相兩分支，每分支81線圈，定子槽數(shù)為486，72極。東電的定子繞組為分?jǐn)?shù)槽波繞組，天阿為分?jǐn)?shù)槽疊繞組。

根據(jù)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障分析結(jié)果可以看出，橋鞏東電發(fā)電機(jī)與犍為東電發(fā)電機(jī)一樣，實際可能發(fā)生的內(nèi)部短路中小匝數(shù)同相同分支匝間短路（短路匝比≤5%）所占比率較大，共有408種，占故障總數(shù)的7.00%。天阿發(fā)電機(jī)采用疊繞組，每個分支集中分布于電機(jī)內(nèi)圓的某一區(qū)域，同相的兩個分支沿電機(jī)內(nèi)圓連續(xù)分布，使得定子繞組實際可能發(fā)生的內(nèi)部短路中同相不同分支匝間短路所占比率很小[9]。而同相同分支匝間短路的短路匝數(shù)不大，均為小短路匝比（最大短路匝比為4/81 ≈4.9%），小匝數(shù)同分支匝間短路占故障總數(shù)的17.9%，主保護(hù)靈敏度問題更加突出。

2.2 主保護(hù)配置方案對比分析

2.2.1 東電發(fā)電機(jī)

東電發(fā)電機(jī)分析對比了5個主保護(hù)配置方案。限于篇幅，本文僅對其中2個性能最優(yōu)的方案進(jìn)行介紹：

方案二：發(fā)電機(jī)引出1個中性點，中性點側(cè)每相裝設(shè)兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護(hù)、兩套不完全縱差保護(hù)；

方案三：發(fā)電機(jī)引出2個中性點，中性點側(cè)每相裝設(shè)兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護(hù)、兩套不完全縱差保護(hù)、一套單元件橫差保護(hù)。

保護(hù)方案的動作情況見表2。

從表2可以看出，從保護(hù)死區(qū)和保護(hù)的雙重化程度看，方案二和方案三的性能差不多。

表2 橋鞏東電發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案的比較Table 2 Comparison of various main protection configuration schemes of Qiaogong DEC generator

方案二的動作死區(qū)為150種同分支匝間短路，正確動作率為97.43%；能使方案三中至少兩種主保護(hù)靈敏動作的故障有5380種，雙重化程度為92.25%。

方案三比方案二多裝設(shè)一套單元件橫差保護(hù)，動作死區(qū)相對方案二減少兩種，正確動作率增加0.03%；雙重化保護(hù)范圍增加32種同分支匝間短路，雙重化程度增加0.55%。

2.2.2 天阿發(fā)電機(jī)

天阿發(fā)電機(jī)分析對比了9個主保護(hù)配置方案。限于篇幅，本文僅對其中4個方案進(jìn)行介紹：

方案三：配置一套完全裂相橫差保護(hù)、一套完全縱差保護(hù)；

方案四：配置一套完全裂相橫差保護(hù)、兩套不完全縱差保護(hù)；

方案七：配置一套單元件橫差保護(hù)、一套完全裂相橫差保護(hù)、兩套不完全縱差保護(hù)；

方案八：配置一套單元件橫差保護(hù)、一套完全裂相橫差保護(hù)、一套完全縱差保護(hù)。

保護(hù)方案的動作情況見表3。

表3 橋鞏天阿發(fā)電機(jī)各主保護(hù)配置方案的動作情況Table 3 Performance of main protection configuration schemes of Qiaogong ALSTOM generator

從表3可以看出：

4個方案的保護(hù)死區(qū)均一樣；

方案四與方案三相比，兩種及以上不同原理主保護(hù)靈敏動作故障數(shù)可以增加47種，占故障總數(shù)的1.8%；

方案七比方案四多裝設(shè)一套單元件橫差保護(hù)，但雙重化程度不變；

方案八比方案三多裝設(shè)一套單元件橫差保護(hù)，雙重化保護(hù)范圍增加28種，占故障總數(shù)的1.05%。

2.3 最終方案的選定

綜合考慮各種指標(biāo)，本著方便電站統(tǒng)一運行管理的原則，橋鞏東電和天阿發(fā)電機(jī)確定采用統(tǒng)一的方案，即一套完全裂相橫差保護(hù)加兩套不完全縱差保護(hù)，分別對應(yīng)東電方案比選的方案二和天阿方案比選的方案四，見圖2。

圖2 橋鞏發(fā)電機(jī)主保護(hù)選定方案Figure 2 Selected scheme of main protection of Qiaogong generator

該方案對東電、天阿機(jī)組的正確動作率分別為97.43%、84.5%，雙重化指標(biāo)分別為92.25%、81.8%。

3 犍為和橋鞏發(fā)電機(jī)主保護(hù)方案特點及異同分析

從以上介紹可以看出，除了橋鞏天阿機(jī)組采用疊繞組，犍為和橋鞏的其他發(fā)電機(jī)參數(shù)基本相同，尤其是犍為和橋鞏東電發(fā)電機(jī)的參數(shù)一模一樣。但是兩個電站最終采用的保護(hù)方案并不完全一樣，犍為采用的是一套裂相橫差保護(hù)加一套完全縱差保護(hù)，橋鞏采用的是一套裂相橫差保護(hù)加兩套不完全縱差保護(hù)。前后間隔10年設(shè)計的兩個項目，其發(fā)電機(jī)主保護(hù)方案既有相同之處，也有不同的地方，現(xiàn)分析如下。

3.1 不同之處—縱差保護(hù)方案

為了兼顧定子繞組內(nèi)部短路和機(jī)端引線短路，發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案中必須包含橫差保護(hù)和縱差保護(hù)[10]。對于縱差保護(hù)，橋鞏采用的是兩套不完全縱差保護(hù)，而犍為采用的是兩套完全縱差保護(hù)。這是根據(jù)兩種保護(hù)方案的不同性能特點，并結(jié)合工程經(jīng)驗積累總結(jié)，發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計理念的相應(yīng)變化。

由于完全縱差保護(hù)對同相的匝間短路毫無作用；而對于匝間短路，盡管不完全縱差保護(hù)的性能不如裂相橫差保護(hù)，但比起完全縱差保護(hù)，還是能起到更大的保護(hù)作用。因此對于兩分支的發(fā)電機(jī)，配置2套不完全縱差保護(hù)，比配置1套完全縱差保護(hù)，由于前者能反應(yīng)匝間短路，從而提高了雙重化指標(biāo)。這從橋鞏天阿和犍為的方案比選中可以看出來：

（1）從橋鞏天阿的方案比選可以看出，其選定方案（方案四）與方案三（與犍為的選定方案相同）相比，兩種及以上不同原理主保護(hù)靈敏動作故障數(shù)可以增加47種，占故障總數(shù)的1.8%。

（2）犍為的東電、東芝、浙富發(fā)電機(jī)，采用選定方案（方案三）的雙重化指標(biāo)分別為72.9%、68.7%、72.8%。若將完全縱差保護(hù)換成兩套不完全縱差保護(hù)（方案二，與橋鞏的選定方案相同），雙重化指標(biāo)可以分別提高13.5%、10.9%、13.3%。

發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化研究設(shè)計之初，提高雙重化指標(biāo)是僅次于減小保護(hù)死區(qū)的考慮因素。因此，2007年設(shè)計的橋鞏電站選用了兩套不完全縱差保護(hù)。而隨著工程經(jīng)驗積累總結(jié)，設(shè)計理念發(fā)生了一定變化。2017年做定量化設(shè)計的犍為電站，盡管裝設(shè)兩套不完全縱差保護(hù)的方案比裝設(shè)一套完全縱差保護(hù)對雙重化指標(biāo)的提高更明顯，但是推薦方案卻是選擇一套完全縱差保護(hù)，主要考慮以下因素：

（1）運行實踐表明，對于疊繞組或“半波繞組”的水輪發(fā)電機(jī)，在主保護(hù)配置方案中保留一套完全縱差保護(hù)，有助于偏心振動引起事故的分析，這在鳳灘等電站已得到證實[4]。

（2）微機(jī)保護(hù)裝置是用軟件來實現(xiàn)繼電器的功能，即用“一段代碼”來實現(xiàn)不同的主保護(hù)功能，也就不會出現(xiàn)程序中的某幾行代碼單獨出現(xiàn)異常，從而影響到相應(yīng)的主保護(hù)[5]，所以對于一體化結(jié)構(gòu)的微機(jī)保護(hù)裝置，在主保護(hù)定量化設(shè)計時可適當(dāng)降低雙重化指標(biāo)的要求。

（3）對于單機(jī)容量只有55.6MW的犍為發(fā)電機(jī)，不再過分強(qiáng)調(diào)對于任一種內(nèi)部短路，都有兩種及以上不同原理的主保護(hù)靈敏動作。

3.2 相同之處—橫差保護(hù)方案

3.2.1 均首選裂相橫差保護(hù)

橫差保護(hù)的方案有兩種：裂相橫差保護(hù)和單元件橫差保護(hù)。由于犍為和橋鞏定子繞組每相僅兩分支，可考慮的裂相橫差保護(hù)和單元件橫差保護(hù)都只有一種構(gòu)成方式。

應(yīng)該首選哪種橫差保護(hù)，橋鞏和犍為均通過定量化計算，對兩種保護(hù)能夠動作的故障數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計后決定。表4為橋鞏東電發(fā)電機(jī)在聯(lián)網(wǎng)空載運行狀態(tài)下，兩種橫差保護(hù)方案的靈敏性統(tǒng)計對比。所有內(nèi)部故障共5832種，從表4可以看出，一套單元件橫差保護(hù)能對4466種內(nèi)部故障靈敏動作，正確動作率僅為76.58%；而一套裂相橫差保護(hù)可以保護(hù)5618種內(nèi)部故障，正確動作率能達(dá)到96.33%。裂相橫差保護(hù)的正確動作率明顯大于單元件橫差保護(hù)[8]，所以對于橋鞏東電發(fā)電機(jī)，首先確定采用裂相橫差保護(hù)。橋鞏其他機(jī)組和犍為機(jī)組的定量化設(shè)計結(jié)果與橋鞏天阿機(jī)組基本相同，本文不再贅述。

兩種橫差保護(hù)的性能差異，主要體現(xiàn)在對同相同分支匝間短路和不同相而編號相同的相間短路故障的動作情況上，這從表4可以看出來。

表4 橋鞏東電發(fā)電機(jī)單元件橫差保護(hù)與裂相橫差保護(hù)的靈敏性統(tǒng)計對比[7]Table 4 Comparison of sensitivity between zero-sequence current transverse differential protection and split phase transverse differential protection of Qiaogong DEC generator

小匝數(shù)的同分支匝間短路是各種常用主保護(hù)的共同死區(qū)。而對這類故障，裂相橫差保護(hù)的靈敏度一般要高于單元件橫差保護(hù)。因為單元件橫差保護(hù)是將整個定子繞組分成兩部分，比較的是一臺發(fā)電機(jī)兩部分之間的不平衡；而裂相橫差保護(hù)反應(yīng)的是一相兩部分之間的不平衡。當(dāng)發(fā)生小匝數(shù)同相同分支匝間短路時，其對相繞組不平衡度的影響應(yīng)大于對整個定子繞組不平衡度的影響，所以裂相橫差保護(hù)反應(yīng)小匝數(shù)同相同分支匝間短路的靈敏性一般高于單元件橫差保護(hù)。在聯(lián)網(wǎng)空載運行工況下，橋鞏東電發(fā)電機(jī)對408種同分支小匝數(shù)（4匝及以下）匝間短路，單元件橫差保護(hù)僅能反應(yīng)其中的22種，而裂相橫差保護(hù)可以對其中的260種靈敏動作；裂相橫差保護(hù)死區(qū)中的同分支匝間短路只有150種，比單元件橫差保護(hù)少316種。

對于相間短路，如果是不同相而分支編號相同的分支間發(fā)生短路，由于短路回路電流不直接流過兩中性點連線，單元件橫差保護(hù)的靈敏度比較低。從表4可以看出，橋鞏東電發(fā)電機(jī)共有3878種故障分支編號相同的相間短路，單元件橫差保護(hù)對其中的900種無法靈敏動作，遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于裂相橫差保護(hù)的64種。

根據(jù)兩種橫差保護(hù)的靈敏性統(tǒng)計對比，結(jié)合兩種保護(hù)的性能差異分析，對于橫差保護(hù)的配置方案，兩個電站均首選裂相橫差保護(hù)。

3.2.2 均棄用單元件橫差保護(hù)

在已確定的“完全裂相橫差保護(hù)＋不完全/完全縱差保護(hù)”這“一橫一縱”的初步格局的基礎(chǔ)上，考慮是否還有必要配置單元件橫差保護(hù)，需要綜合考慮各種指標(biāo)——減少保護(hù)死區(qū)的能力、安裝中性點連線間TA的方便程度、保護(hù)方案的復(fù)雜程度等。橋鞏和犍為經(jīng)過定量化計算，對裝設(shè)前后的保護(hù)性能進(jìn)行了對比，綜合考慮各種因素后，確定不再裝設(shè)單元件橫差保護(hù)。

以下為根據(jù)表1～表3的數(shù)據(jù)，得出的各推薦方案加裝單元件橫差保護(hù)前后的保護(hù)死區(qū)對比，見表5。

從表5可以看出，增設(shè)單元件橫差保護(hù)后，可減少一些保護(hù)死區(qū)，但相對故障總數(shù)占比很小，而且這些保護(hù)死區(qū)基本都是短路匝比小于5%的同相同分支匝間短路，發(fā)生概率很小，對主保護(hù)性能影響不大。同時，如果裝設(shè)單元件橫差保護(hù)，發(fā)電機(jī)需引出兩個中性點，中性點連線上安裝零序電流互感器。由于貫流式發(fā)電機(jī)通常采用內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)，而且依據(jù)東電的設(shè)計習(xí)慣，發(fā)電機(jī)側(cè)TA一般都布置在內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)里面，安裝空間更加有限，減少單元件橫差保護(hù)用TA的布置有利于電機(jī)設(shè)計[3]。因此，橋鞏、犍為都舍棄了單元件橫差保護(hù)的裝設(shè)。

表5 推薦方案加裝單元件橫差保護(hù)前后 的保護(hù)死區(qū)對比Table 5 Comparison of protection dead zone of recommended schemes installing zero-sequence current transverse differential protection or not

橋鞏、犍為均棄用單元件橫差保護(hù)，除了主要考慮以上因素外，還考慮以下兩方面因素：

（1）微機(jī)保護(hù)裝置可以考慮降低雙重化指標(biāo)要求。

根據(jù)表1～表3，還可以得出推薦方案加裝單元件橫差保護(hù)前后的雙重化指標(biāo)對比情況。對于犍為各發(fā)電機(jī)，雙重化指標(biāo)都有比較明顯的提高（大約為18%）。但是微機(jī)保護(hù)裝置是用軟件來工作，可以降低雙重化指標(biāo)來取消單元件橫差保護(hù)。同時，通過取消單元件橫差保護(hù)，還可以減小保護(hù)裝置CPU的負(fù)荷率，為其他異常工況保護(hù)（譬如定子接地保護(hù)）的計算贏得時間。因為微機(jī)保護(hù)裝置要求在每兩個采樣間隔之間（0.833ms）就要對所有的主保護(hù)計算一遍，減少主保護(hù)配置的冗余度，可縮短定子接地等異常工況的計算間隔，能早一點發(fā)現(xiàn)定子接地故障并及時切除，把破壞嚴(yán)重的匝間或相間短路消滅在萌芽狀態(tài)[6]。

（2）單元件橫差保護(hù)本身的不足。

1）信號源方面。

單元件橫差保護(hù)用TA一次額定電流的選擇需要兼顧防誤動和區(qū)內(nèi)故障時的靈敏動作，一直是一個工程技術(shù)問題。難度在于不同工況下（半載/滿載/甩負(fù)荷/區(qū)外故障等）流過發(fā)電機(jī)中性點連線不平衡電流實測值的掌握，以及發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時流過中性點連線短路電流大小及分布情況的了解。譬如四川寶珠寺水電站（4×175MW）開機(jī)后實測流過發(fā)電機(jī)中性點連線的不平衡電流的基波分量就已經(jīng)大于250A，不得已更換了原200/5A的單元件橫差保護(hù)用TA。

2）保護(hù)原理方面。

單元件橫差保護(hù)實際上就是過流保護(hù)，保護(hù)原理過于簡單；而裂相橫差保護(hù)和完全縱差保護(hù)為比率制動特性，兼顧了區(qū)外故障時的防誤動和區(qū)內(nèi)故障時的防拒動。

對于單元件橫差保護(hù)而言，不采用浮動門檻判據(jù)則容易發(fā)生誤動作，采用了該判據(jù)則必然降低保護(hù)的靈敏度，因為過流保護(hù)靈敏度的降低與保護(hù)定值的抬高成反比關(guān)系。若不經(jīng)過運行實踐的檢驗就貿(mào)然降低定值則直接帶來保護(hù)誤動作的風(fēng)險，云南景洪和瑞麗江水電站機(jī)組投運初期都發(fā)生過類似事故。

4 結(jié)語

（1）對于兩分支的貫流機(jī)組，主保護(hù)配置方案可考慮“完全裂相橫差保護(hù)＋不完全/完全縱差保護(hù)”兩種格局，相關(guān)設(shè)計理念在近十幾年的發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化設(shè)計研究發(fā)展過程中有一定變化。

（2）對于疊繞組或“半波繞組”的水輪發(fā)電機(jī)，在主保護(hù)配置方案中保留一套完全縱差保護(hù)，有助于偏心振動引起事故的分析[4]。同時根據(jù)微機(jī)保護(hù)裝置是用軟件來工作的原理，主保護(hù)定量化設(shè)計可適當(dāng)降低雙重化指標(biāo)的要求。因此對于兩分支貫流機(jī)，縱差保護(hù)推薦選用一套完全縱差保護(hù)代替兩套不完全縱差保護(hù)。

（3）由于貫流機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點，減少單元件橫差保護(hù)用TA的布置有利于電機(jī)設(shè)計，同時考慮單元件橫差保護(hù)本身的不足，兩分支貫流機(jī)可舍棄單元件橫差保護(hù)的裝設(shè)。