豐滿重建水電站發電機內部故障主保護配置方案

林子陽

（松花江水力發電有限公司豐滿大壩重建工程建設局，吉林 吉林132000）

0 引言

豐滿水電站是中國最早的水電站，位于吉林省吉林市松花江上。2012年10月，豐滿水電站全面治理重建工程正式啟動。重建電站將新建6臺單機200MW混流式水輪發電機。

豐滿重建發電機（以下簡稱發電機）額定參數為：PN=200MW，UN=17.75kV，IN=8379A，cosφN=0.875，Ifo=1240A，IfN=2281A。

如果想使發電機安全運行，那么正確的選擇主保護配置方案至關重要。然而在選擇的過程中，難免會存在盲目性。因此，本文針對發電機實際存在的短路條件和特征，為其計算各種主保護的靈敏度，科學取舍，做出正確的決定。

對于發電機來說，常見的短路故障是定子繞組短路和發電機端引線短路。所以本文選取的方案必須要有橫差保護和縱差保護，“一橫一縱”將成為主保護方案的初步格局。當然有些指標是需要綜合考慮的，如中性點側電流互感器的數量及安裝位置、主保護配置方案拒動故障數、兩種不同原理主保護反應同一故障的能力等。從經濟投資角度看，在可以完成相同保護功能的條件下，減少主保護配置方案的硬件投資和減少保護方案的復雜程度同樣需要考慮。本文將在此基礎上討論發電機內部故障主保護配置方案。

1 發電機內部故障類型及相應數量

針對發電機繞組展開圖分析該發電機定子繞組實際可能發生的內部短路情況，統計得出如下數據。

（1）定子槽內的上層、下層線棒間的短路故障共有720種。針對同槽故障，不難分析得出，同相同分支的匝間短路共191種，占26.67%，其中最小短路匝數為24匝、有12種，最大短路匝數為43匝、也有12種；同相不同分支匝間短路共192種，占26.67%；相間短路共336種，占46.67%。

（2）定子繞組端部的交叉處短路故障共有14400種。針對端部故障，不難分析得出，同相同分支短路共2736種，占19%，其中最小短路匝數為1匝、有84種，最大短路匝數為59匝、也有12種；同相不同分支匝間短路1296種，占9%；相間短路10368種，占72%。

2 發電機內部故障保護配置方案

根據發電機的內部故障類型及其相應數量，通過改變不同的發電機中性點側引出方式，結合豐滿發電機的內部故障特點，分析對比提出6種不同的主保護配置方案。

（1）方案一——1套零序電流型橫差保護+1套完全縱差保護

按照傳統設計方法，大型水輪發電機應配置有完全縱差保護，用來應對實際運行時可能發生的相間短路；同時在實際運行中還存在匝間短路的可能性，因此應增加橫差保護。此外零序電流型橫差保護因其結構簡單、功能全面而被優先選擇。

考慮到豐滿發電機中性點引出和分支分組方式的不同，方案一的構成如圖1所示，在o1和o2之間接一個電流互感器（TA0），用來構成一套零序電流型橫差保護；利用每相已存在的2個分支電流互感器（TA1～TA6）和機端相電流互感器（TA7～TA9），進而構成一套完全縱差保護。

圖1 方案一發電機主保護配置示意圖（傳統設計方案）

方案一的性能如表1所示。

表1 在方案一下出現同槽和端部故障時的動作情況

（2）方案二——1套完全裂相橫差保護+2套不完全縱差保護

方案二如圖2所示，將每相4個分支一分為二，共裝了6個分支電流互感器（TA1～TA6）和機端相電流互感器（TA7～TA9），進而構成1套完全裂相橫差保護和2套不完全縱差保護。

方案二的性能如表2所示。

（3）方案三——1套完全裂相橫差保護+1套完全縱差保護

方案三如圖3所示，就是將方案二的2套不完全縱差保護用1套完全縱差保護代替。

方案三的性能如表3所示。

圖2 方案二發電機主保護配置示意圖

表2 在方案二下出現同槽和端部故障時的動作情況

圖3 方案三發電機主保護配置示意圖

表3 在方案三下出現同槽和端部故障時的動作情況

（4）方案四——1套完全裂相橫差保護+2套不完全縱差保護+1套零序電流型橫差保護

方案四如圖4所示，通過將每相的1、2兩個分支連接到一起，形成中性點o1；再將每相的3、4兩個分支連接到一起，形成中性點o2。

在o1和o2之間連接一個電流互感器（TA0），同時在每相的1、2兩個分支和3、4兩個分支上裝設分支電流互感器（TA1～TA6），在機端裝設相電流互感器（TA7～TA9），進而構成1套零序電流型橫差保護、1套完全裂相橫差保護和2套不完全縱差保護，其實就是在方案二的基礎上增加了1套零序電流型橫差保護。

圖4 方案四發電機主保護配置示意圖

方案四的性能如表4所示。

表4 在方案四下出現同槽和端部故障時的動作情況

（5）方案五——1套完全裂相橫差保護+1套完全縱差保護+1套零序電流型橫差保護

方案五如圖5所示，就是將方案四的2套不完全縱差保護用1套完全縱差保護代替。

圖5 方案五發電機主保護配置示意圖

方案五的性能如表5所示。

（6）方案六——1套完全裂相橫差保護+2套不完全縱差保護+1套零序電流型橫差保護+1套完全縱差保護。

方案六如圖6所示，就是在方案四的基礎上增設了1套完全縱差保護。

表5 在方案五下出現同槽和端部故障時的動作情況

圖6 方案六發電機主保護配置示意圖

方案六的性能如表6所示。

表6 在方案六下出現同槽和端部故障時的動作情況

3 保護配置方案的性能和優缺點分析對比

（1）傳統設計方案存在較大的保護死區，不能動作故障數有388種。究其原因在于傳統設計方案僅憑概念、經驗和定性分析來確定，未經全面的內部短路分析計算及主保護定量化設計過程，方案的選取難免存在盲目性。

（2）方案四～方案六的保護死區最少，不能動作的216種故障基本上都是小匝數同相同分支匝間短路；但方案四和方案六的兩種及以上不同原理主保護靈敏動作故障數要比方案五多48種，考慮到微機保護裝置是用軟件來實現繼電器的功能，可適當降低對雙重化指標的要求。

方案六相對于方案四而言，需增加1套差動保護方案；而方案五相對于方案四而言，則減少了1套差動保護，這樣做可以簡化保護裝置的構成和計算的工作量。同時對于繼電保護人員來說，完全縱差保護被其熟悉，并且已廣泛的應用到實踐運行中。

大量運行實踐也已證明，對采用集中布置疊繞組或者半波繞組的水輪發電機，在主保護配置方案中保留1套完全縱差保護，有利于對偏心振動引起的事故進行分析，這已在鳳灘、彭水、深溪溝、天荒坪抽水蓄能等電站得到證實。

（3）相對于方案五而言，方案二和方案三的中性點引出方式變得簡單，但不能動作故障數增加了12種，兩種及以上不同原理主保護靈敏動作故障數最多減少了4028種。

（4）發電機主保護配置方案的設計并非是一個單一變量簡單的系統，而是一個多變量且復雜的系統。因此，方案的確立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等因素必須在發電機中性點側分支引出時被綜合考慮。

通過以上對比分析，推薦使用方案五（圖7）作為發電機的主保護配置方案。豐滿重建水電站在施工設計時也采用了此方案。

4 結束語

通過對豐滿重建水電站內部故障的仿真計算，結合中性點側電流互感器的數量及安裝位置、主保護配置方案拒動故障數、兩種不同原理主保護反應同一故障的能力等綜合因素考慮，最終確認了主保護配置方案為1套完全裂相橫差保護+1套完全縱差保護+1套零序電流型橫差保護。同時在以后配置發電機內部故障主保護時，建議根據發電機的內部結構，分析確定不同配置的動作情況，以選取最經濟、最可行的方案，這樣才能確保發電機的安全。

圖7 推薦方案發電機內部故障主保護配置示意圖