發電機主保護配置方案優化研究

楊勇

（貴州烏江水電開發有限責任公司思林發電廠，貴州思南565100）

發電機主保護配置方案優化研究

楊勇

（貴州烏江水電開發有限責任公司思林發電廠，貴州思南565100）

大型發電機地位重要，其故障將嚴重影響機組及電力系統的安全穩定運行，研究有效的發電機主保護配置方案有重要意義。文章并對零序電流型橫差保護、裂相橫差保護、不完全縱差保護及完全縱差保護四種主保護的工作原理、構成形式進行了研究，在此基礎上進一步提出了主保護的方案優化設計步驟和最終方案的確定方法，對大型發電機實施有效的保護有一定的現實指導意義。

發電機；主保護；短路；優化

1 概述

發電機是電力系統的心臟，隨著發電機單機容量的不斷增大，發電機故障對電力系統將產生更嚴重影響，甚至會破壞電力系統穩定性，引起系統癱瘓；同時由于大型發電機組造價昂貴，結構復雜，一旦遭受損壞，需要的檢修期長，會帶來很大的經濟損失，對發電機主保護的安全性、快速性、靈敏性提出了更高的要求。此外，發電機內部故障破壞性強，但目前的發電機主保護動作率較低，且對于匝間短路還存在保護死區，因此必須對各種發電機主保護配置方案進行研究，提出最優化的主保護配置方案。

2 發電機內部故障主保護方案

目前發電機內部故障主保護主要有：零序電流型橫差保護、裂相橫差保護、不完全縱差保護和完全縱差保護，它們既可以保護發電機相間短路，也可以保護匝間短路，改善了發電機定子繞組內部故障主保護方案。

（1）零序電流型橫差保護。零序電流型橫差保護適用于多分支的定子繞組，所以在大型發電機內部短路主保護配置中應用廣泛，對匝間短路有較高的靈敏度。以SF600-42/1308水輪發電機為例，對于并聯支路數為6的發電機，可以將每相的1、2、3分支引出連在一起，形成中性點o1；再將每相4、5、6分支引出連在一起，形成中性點o2；然后在o1、o2之間裝設一個電流互感器TA0，形成一套零序電流型橫差保護，如圖1a)所示。也可以將每相的1、2分支引出連在一起，形成中性點o1；將每相3、4分支引出連在一起，形成中性點o2；再將每相5、6分支引出連在一起，形成中性點o3；然后在o1與o2之間、o2與o3之間裝設兩個電流互感器TA01、TA02，形成兩套零序電流型橫差保護，如圖1b)所示。

（2）裂相橫差保護。由于發電機內部短路主保護設計中，最少要有一橫一縱，而零序電流型橫差保護不適用于機外只引出一個中性點的發電機。裂相橫差保護將發電機中性點側的并聯分支直接分為2組(完全裂相橫差保護)或舍棄其中某部分分支后將剩余繞組分為兩組(不完全裂相保護)，要反應發電機內部故障的匝間短路，比較的是發電機同相間兩部分電流的不平衡度。

對于并聯支路數為6的SF600-42/1308水輪發電機而言，以B相為例，可以將1、2、3分支連在一起引出，再將4、5、6分支連在一起引出，分別裝設電流互感器TA3、TA4，在兩個電流互感器TA3、TA4之間形成完全裂相橫差保護，如圖2a)所示。也可以將1、2分支連在一起引出，再將5、6分支連在一起引出，分別裝設電流互感器TA3、TA4，在兩個電流互感器TA3、TA4之間形成不完全裂相橫差保護，如圖2b)所示。

研究表明零序橫差保護和裂相橫差保護對于匝間保護的靈敏度要優于不完全縱差保護，是匝間短路的主保護。但保護方案選擇零序橫差還是裂相橫差，或兩者都選，必須經過詳細的主保護靈敏度分析來決定。

（3）不完全縱差保護。不完全縱差保護是“兩縱”中比較常用的一種，將電流互感器接于中性點側某相中部分并聯分支繞組中，與機端側電流互感器構成不完全縱差保護。如圖3所示，并聯支路數為6的發電機，以A、C相為例，在機端側分別裝設電流互感器TA7、TA9，在A、C兩相中性點側將1、2、3分支和4、5、6分支分別引出，并裝設電流互感器TA1、TA6，在TA1與TA7、TA6與TA9之間分別構成引入分支數為3的兩套不完全縱差保護。在應用不完全縱差保護前，必須進行發電機內部故障靈敏度分析計算，綜合考慮不完全縱差保護對匝間短路和相間短路的靈敏度，考慮不完全縱差是否體現了反應匝間短路的優點，來確定是否選擇不完全縱差保護。

（4）完全縱差保護。完全縱差保護是一種傳統的縱差保護，比較發電機定子繞組首端(機端側)和尾端(中性點側)的電流是否平衡，對于定子繞組相間短路很靈敏，且只能夠反應相間短路。完全縱差保護由中性點側某相全部并聯分支繞組接入的電流互感器，與相應機端側的電流互感器共同構成，如圖4所示，TA5、TA6與TA9一同構成C相的完全縱差保護。完全縱差保護能完全反應發電機定子繞組相間短路，但其對定子繞組同相同分支、同相異分支短路故障、定子繞組分支開焊故障完全不起作用。

圖1 零序電流型橫差保護

圖2 裂相橫差保護

圖3 不完全縱差保護

圖4 完全縱差保護

3 主保護配置方案優化設計

通過上文對四種主保護工作原理和動作性能的分析，進一步提出了主保護配置方案的優化設計方法，將主保護配置方案的基本設計方法與發電機實際發生的內部短路情況相結合，在此基礎上，對可行方案進行性能對比，最終得到發電機內部短路主保護的最終配置方案。

（1）主保護定量化設計的基本步驟。通過前面的闡述對四種主保護性能已有了清楚地了解，現對主保護定量化設計的基本步驟作以下說明：①首先確定橫差保護類型，優先考慮零序電流型橫差保護，結合橫差保護選型，確定發電機中性點側定子繞組的引出方式，明確中性點個數、零序電流型橫差保護套數或裂相橫差保護類型(完全裂相或不完全裂相)；②對于發電機端部引出線相間短路和定子繞組各種故障，除橫差保護外，還需裝設縱差保護，優先考慮不完全縱差保護，形成“一橫一縱”(一種橫差保護和一種縱差保護)的初步格局；③在對“一橫一縱”初步格局進行性能分析的基礎上，再考慮其他主保護的取舍，這需要綜合考慮各種指標——中性點側TA的數目及安裝位置、已有主保護配置方案不能動作故障及其性質等；④在確定主保護最終方案前，需對所有可行主保護組合方案的動作性能進行分析，逐一對比，最好地實現各主保護之間的綜合利用，最終確定工作性能最優的主保護配置方案；⑤根據仿真短路電流結果、最終主保護配置方案，選擇適合的保護用電流互感器的個數，型號和安裝位置。

（2）主保護最終方案的確定。通過對發電機內部短路主保護可行方案的對比，可得到各主保護方案的動作性能，包括一種主保護動作故障數、雙重化保護動作故障數、無主保護動作故障數及其拒動信息。從可行方案中確定最終主保護配置方案需綜合考慮各項指標，同時也取決于所配置主保護之間的“合作”。在對各主保護組合方案性能分析的基礎上，需對以下6點綜合考慮，進而推薦最終的主保護配置方案：①中性點側分支引出簡單；②完成內部短路保護功能所用的保護方案簡單；③電流互感器個數少；④主保護不可動作故障個數少；⑤主保護可雙重化動作的故障個數多；⑥內部短路保護死區占故障總數的比重小。

4 結語

近年來，發電機組的裝機容量、年發電量也在持續增長。內部短路是大型發電機典型的故障之一，發電機在發生內部短路時會產生帶有極大危害的短路電流，這將直接或間接地給電力系統及人民生活造成巨大的經濟損害，所以針對大型發電機內部短路配以適當的主保護十分地必要。文章針對大型發電機在內部短路時可能產生的問題，提出了發電機主保護配置方案的優化設計方法，為大型發電機配置高性能的主保護方案奠定了理論基礎。

［1］王維儉,王祥珩,王贊基.大型發電機變壓器內部故障分析與繼電保護［M］.北京：中國電力出版社，2006.

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［3］鄢志超.發電機匝間短路相關問題的探討［J］.浙江電力，2009，2（1）：14-19.

［4］劉俊宏,王維儉,王祥珩.發電機不完全縱差保護［J］.中國電力，1997，4（30）：34-37.

楊勇（1985-），男，貴州三穗人，大學本科，助理工程師，主要從事水電站電氣一次設備檢修維護工作。