灘坑水電站發電機主保護定量化及優化設計研究

孫志久，干建麗

（浙江浙能北海水力發電有限公司，浙江省麗水市 323907）

0 引言

灘坑水電站位于浙江省青田縣境內的甌江支流小溪的中游河段，裝機容量3×200MW，是“十五”期間浙江省實施建設的最大水電工程。

按照傳統設計方法[1]，灘坑水電站（以下簡稱灘坑）發電機配置了完全縱差和單元件橫差保護，以對付發電機實際可能發生的相間和匝間短路故障，但在2010年一起發電機定子繞組匝間短路故障中，雖然2套橫差保護均動作于跳閘，但定子線棒仍然燒傷嚴重，僅大量線棒的更換和修復就花了一個多月的時間。

事后灘坑水電站聯合東方電機廠、南瑞繼保和清華大學對發電機中性點設備及保護配置進行了改造，在不改變發電機中性點側分支引出方式（“14-23”）的基礎上，通過裝設分支電流互感器來增設裂相橫差保護以提高發電機匝間短路保護的靈敏性[2-4]。該技改工作已成功實施，有必要對其進行歸納總結，為后續水電站技改工作的實施提供借鑒。

1 灘坑發電機內部故障特點的分析

灘坑發電機40極，定子槽數為480，每相4分支，每分支40個線圈；其額定參數為：UN=13.8kV，IN=9297.1A，cosφN=0.9，If0=754.9A，IfN=1301.6A。通過對東方電機廠提供的發電機定子繞組展開圖的分析[5-6]，灘坑發電機定子繞組實際可能發生的同槽和端部交叉故障如表1和表2所示。

表1 灘坑發電機480種同槽故障Tab.1 480 common slot faults in the shoal pit generator

表2 灘坑發電機10558種端部交叉故障Tab.2 The cross faults of 10558 kinds of end parts of shot-pit generator

由于灘坑發電機定子繞組采用的是整數槽（q=4）“全波繞組”（y1=10、y2=14），所以實際可能發生的內部故障中同相不同分支匝間短路所占比率較大（同槽和端部交叉故障中同相不同分支匝間短路所占比例分別為50%和24.8%），此時應密切注意圖1（a）所示發生在相近電位的同相不同分支匝間短路（兩短路點距離中性點位置相近）的構成與分布特點[7-9]，因為若將兩故障分支分到同一分支組中，則該同相不同分支匝間短路的短路回路電流將無法直接引入裂相橫差保護裝置的差動回路中，將增大主保護配置方案的動作死區，從而無法達到技改的目的。

圖1 灘坑發電機發生在相近電位的同相不同分支匝間短路示意圖及分布特點Fig.1 Shows the schematic diagram and distribution characteristics of the short circuit between the same phase andthe same phase of the similar potential

通過進一步的統計分析，發現灘坑發電機的相近電位同相不同分支匝間短路（兩短路點位置相差0～4匝）均發生在每相的1、3分支（或1、4分支，或2、3分支，或2、4分支）間，如圖1（b）所示。

2 灘坑發電機內部故障的仿真計算及主保護方案靈敏度的對比分析

運用“多回路分析法”，對灘坑發電機并網空載運行方式下所有可能發生的同槽和端部交叉故障進行了仿真計算（共計11038種），求出各種故障時每一支路電流的大小和相位（包括兩中性點間的零序電流），由此可得到各種短路狀態下進入各種主保護的動作電流和制動電流，在已整定的動作特性條件下，最終獲得相應主保護的靈敏系數Ksen；并能進一步發現對于圖2所示發生在相近電位的同相不同分支匝間短路，不同構成形式的裂相橫差保護的性能相差懸殊。

圖2中實線箭頭所示故障為灘坑發電機a相第1支路第31號線圈的下層邊和a相第3支路第31號線圈的上層邊發生端部同相不同分支匝間短路，兩短路點距中性點位置相同（根據灘坑發電機的定子繞組連接圖，a1和a3分支的線圈排列并不相同，這樣一來距中性點位置相同的兩短路點之間就存在電動勢差）。

圖2 一則相近電位的同相不同分支匝間短路Fig.2 Short circuit of the same phase with different branches of similar potential

故障相各支路（包括短路附加支路）基波電流的大小（有效值，單位為A，下同）和相位如下所示：

?a1=9328.26-37.86°、?a2=288.554.91°、

?a3=9320.51145.23°、?a4=244.06119.47°、

?short1=2646.14150.20°、?short2=2644.54-40.70°。

短路回路電流 ?a1=9328.26-37.86°和?a3=9320.51145.23°的大小相差不大、相位近于相反，這是由于短路回路電流?a1、?a3主要由直流勵磁直接感應電動勢差所產生（其他電流對它的影響很小），所以?a1和?a3近于反向；由于兩短路點距中性點位置相同，所以?a1和?a3的大小相差很小。通過互感的作用，兩個短路分支對其他分支的互感磁鏈基本相互抵消，從而導致其他分支的電流故障前后變化不大（其他回路電流主要由短路電流在相鄰支路的感應電動勢之差產生），非故障分支的電流都比較小。

因此，對于圖2（b）所示的完全裂相橫差保護（K10_13-24，將兩個故障分支分在同一支路組中），故障相故障分支的電流幾乎相互抵消，而故障相非故障分支的電流都比較小，使得流過分支電流互感器TA1和TA2的電流都不大，從而導致對應的裂相橫差保護的靈敏系數只有1.138；而采用將兩個故障分支分在不同支路組中的相鄰連接方式（無論是K10_12-34，還是K10_14-23）的完全裂相橫差保護[如圖2（a）和圖2（c）所示]都能保證靈敏動作，其對應的靈敏系數分別為27.366、26.105，因為此時數值較大的短路回路電流被引入裂相橫差保護的差動回路中。

上述規律性的認識與我們的常規認識和定性分析相一致，既說明了仿真計算的正確性，又將指導發電機分支引出方式的選擇和裂相橫差保護的構成。

3 灘坑發電機內部故障主保護及TA配置方案的分析對比

由于篇幅限制，主要對比一下傳統設計方案（如圖3所示）與定量化設計方案（如圖4和圖6所示）的差異，并明確其沿用原有分支分組方式（“14-23”）的合理性。

由表3可以看出，圖4所示相鄰連接的分支引出方式（“12-34”）的保護性能最優，這完全取決于灘坑發電機定子繞組形式所決定的故障特點，因為上述分支組合保證了所有的相近電位同相不同分支匝間短路的故障分支位于不同的分支組中[如圖1（b）所示]；之所以還存在保護死區則是因為某些相近電位同相不同分支匝間短路的故障點均在機端附近（當然故障分支電流也不大，因為故障點若在機端則故障不復存在）。

表3 灘坑發電機同槽和端部故障時傳統設計方案和定量化設計方案的動作情況Tab.3 Failure of pit generator in the same tank and end

圖3 灘坑發電機傳統設計方案及TA配置（相鄰連接，14-23）Fig.3 Traditional design scheme and TA configuration of tan keng generator

與“12-34”分支組合相對比，現有分支引出方式“14-23”的不能動作故障數增加了42種（僅占內部故障總數的0.4%），其不能動作故障類型均為發生在每相的1、4分支（或2、3分支）間的相近電位同相不同分支匝間短路，究其原因在于較大的短路回路電流無法引入差動回路中；由于兩個短路分支的短路點均靠近中性點側，考慮到壓差小的緣故，其發生的幾率其實很低。

圖4 灘坑發電機內部故障主保護及TA配置方案（相鄰連接，12-34）Fig.4 Main protection and TA configuration scheme for the internal failure of the tan pit generator

如上所述，分支引出方式的調整（譬如采用“12-34”的分支組合）確實提高了主保護配置方案的性能（見表3），但好處不大，因為減少的不能動作故障的發生幾率其實很低；而其對電機結構和制造工藝所帶來的難度卻大大增加，涉及銅環層數的調整乃至定子機座高度、大軸長度和整個軸系的重新計算，這是相當復雜的。故灘坑發電機在沿用現有分支引出方式（“14-23”）的基礎上優化主保護配置方案是合理的[見圖5（b）]，兼顧了技改工作的科學性和實用性。

畢竟發電機主保護配置方案的定量化及優化設計是一個多變量復雜系統的工程優化設計問題，必須兼顧設計的科學性和實用性；在不顯著降低主保護配置方案性能的前提下，發電機中性點側分支的引出必須考慮電機結構和制造工藝是否方便、是否有利于簡化保護方案和減少硬件投資。

對于灘坑發電機實際可能發生的11038種內部故障，圖6所示主保護配置技改方案不能動作故障數為54種（占內部故障總數的0.5%），對10822種內部故障（占內部故障總數的98%）有兩種及以上原理不同的主保護靈敏動作；相比于原有設計方案，其匝間短路的靈敏性得到進一步的提高，雙重化指標改善更加明顯（因為完全縱差不反應匝間短路）。

圖5 灘坑發電機技改前/后中性點側TA布置圖Fig.5 TA layout of the front/rear neutral point of the beach generator

圖6 灘坑發電機內部故障主保護及TA配置技改方案（相鄰連接，14-23）Fig.6 Main protection and TA configuration scheme for the internal fault of the tan pit generator

4 結論

（1） 相比于傳統設計方案，裂相橫差保護的增設能顯著提高主保護配置方案的匝間短路保護靈敏性，這已被國內外20余座每相4分支發電機主保護定量化設計的成果所證實。

（2） 發電機主保護配置技改方案的選擇應立足于定量分析，并綜合考慮工程實際條件和限制因素，兼顧技改工作的科學性和實用性。

（3） 浙江浙能北海水力發電有限公司聯合東方電機廠、南瑞繼保和清華大學對灘坑發電機中性點設備及保護改造工作的成功實施，將為后續水電站技改工作的實施提供借鑒，其在水電領域的推廣示范效應必將取得顯著的經濟效益和突出的社會效益。

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孫志久（1963—），男，高級工程師，從事水電機組運行及維護檢修管理工作。E-mail:673033670@qq.com

干建麗（1972—），女，工程師，從事發電廠繼電保護檢修維護工作。E-mail: 673429375@qq.com