犍為和橋鞏發電機主保護設計特點及異同分析

林杰梅，桂 林

（1.中國能源建設集團廣西電力設計研究院有限公司，廣西壯族自治區南寧市 530007；2.清華大學電機系電力系統及發電設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，總裝機容量50萬kW（9×55.6MW），共裝設9臺燈泡貫流式機組，其中1號/2號機組由東方電機有限公司（簡稱東電）供貨，3號/4號/7號/8號機組由東芝水電設備（杭州）有限公司（簡稱東芝）供貨，5號/6號/9號機組由浙富控股集團股份有限公司（簡稱浙富）供貨。電站于2020年5月底首臺機發電，2021年4月底全部機組并網發電。

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456MW（8×57MW），共裝設8臺燈泡貫流式機組，由天津阿爾斯通水電設備有限公司（簡稱天阿）和東方電機有限公司各提供4臺。電站于2008年7月首臺機發電，2009年12月全部機組并網發電。

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

1 犍為發電機主保護定量化設計

1.1 發電機參數及故障特點

犍為東電、東芝、浙富發電機的參數基本相同，均為：單機容量55.6MW，定子繞組每相兩分支，采用分數槽“半波繞組”，72極。東電和浙富的定子繞組每分支為81個線圈，定子槽數為486槽；東芝的定子繞組每分支為63個線圈，定子槽數為378槽。

通過對各發電機定子繞組展開圖的分析，得出定子繞組實際可能發生的內部短路故障類型、數量統計及特點。從統計結果可以看出，由于犍為發電機每分支線圈數很多，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/每分支線圈數）問題突出；東電、浙富發電機4匝及以下的共有408種，占故障總數的7.00%；東芝發電機3匝及以下的共有306種，占故障總數的8.00%。端部故障中同相不同分支所占比率不大。

1.2 主保護方案對比分析

對于犍為發電機，對比分析了4種主保護配置方案：

方案一：傳統設計方案——發電機引出2個中性點，中性點側每相裝設1個相電流互感器（TA），配置一套單元件橫差保護、一套完全縱差保護；

方案二：發電機引出1個中性點，中性點側每相裝設兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護、兩套不完全縱差保護；

方案三：發電機引出1個中性點，中性點側每相裝設兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護、一套完全縱差保護；

方案四：發電機引出2個中性點，中性點側每相裝設兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護、一套完全縱差保護、一套單元件橫差保護。

1.3 保護方案的動作情況

限于篇幅，以下僅列出犍為東電發電機各方案的動作情況（見表1）：

表1 犍為東電發電機各方案的動作情況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——中性點側TA的數目和安裝位置、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，同時考慮在完成相同保護功能的前提下，盡量減少主保護配置方案所需的硬件投資和保護方案的復雜程度，最終選定方案三作為犍為發電機的主保護和TA配置方案，見圖1。

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

對于犍為東電、東芝、浙富發電機，以上保護方案的死區分別為5.4%、8.5%、5.6%，雙重化指標分別為72.9%、68.7%、72.8%。

2 橋鞏發電機主保護定量化設計

2.1 發電機參數及故障特點

橋鞏東電、天阿發電機除定子繞組形式外，參數基本相同：額定功率為57MW，定子繞組每相兩分支，每分支81線圈，定子槽數為486，72極。東電的定子繞組為分數槽波繞組，天阿為分數槽疊繞組。

根據發電機內部故障分析結果可以看出，橋鞏東電發電機與犍為東電發電機一樣，實際可能發生的內部短路中小匝數同相同分支匝間短路（短路匝比≤5%）所占比率較大，共有408種，占故障總數的7.00%。天阿發電機采用疊繞組，每個分支集中分布于電機內圓的某一區域，同相的兩個分支沿電機內圓連續分布，使得定子繞組實際可能發生的內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不大，均為小短路匝比（最大短路匝比為4/81 ≈4.9%），小匝數同分支匝間短路占故障總數的17.9%，主保護靈敏度問題更加突出。

2.2 主保護配置方案對比分析

2.2.1 東電發電機

東電發電機分析對比了5個主保護配置方案。限于篇幅，本文僅對其中2個性能最優的方案進行介紹：

方案二：發電機引出1個中性點，中性點側每相裝設兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護、兩套不完全縱差保護；

方案三：發電機引出2個中性點，中性點側每相裝設兩個分支TA，配置一套完全裂相橫差保護、兩套不完全縱差保護、一套單元件橫差保護。

保護方案的動作情況見表2。

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

表2 橋鞏東電發電機主保護配置方案的比較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一套單元件橫差保護，動作死區相對方案二減少兩種，正確動作率增加0.03%；雙重化保護范圍增加32種同分支匝間短路，雙重化程度增加0.55%。

2.2.2 天阿發電機

天阿發電機分析對比了9個主保護配置方案。限于篇幅，本文僅對其中4個方案進行介紹：

方案三：配置一套完全裂相橫差保護、一套完全縱差保護；

方案四：配置一套完全裂相橫差保護、兩套不完全縱差保護；

方案七：配置一套單元件橫差保護、一套完全裂相橫差保護、兩套不完全縱差保護；

方案八：配置一套單元件橫差保護、一套完全裂相橫差保護、一套完全縱差保護。

保護方案的動作情況見表3。

表3 橋鞏天阿發電機各主保護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個方案的保護死區均一樣；

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

方案七比方案四多裝設一套單元件橫差保護，但雙重化程度不變；

方案八比方案三多裝設一套單元件橫差保護，雙重化保護范圍增加28種，占故障總數的1.05%。

2.3 最終方案的選定

綜合考慮各種指標，本著方便電站統一運行管理的原則，橋鞏東電和天阿發電機確定采用統一的方案，即一套完全裂相橫差保護加兩套不完全縱差保護，分別對應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 橋鞏發電機主保護選定方案Figure 2 Selected scheme of main protection of Qiaogong generator

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

3 犍為和橋鞏發電機主保護方案特點及異同分析

從以上介紹可以看出，除了橋鞏天阿機組采用疊繞組，犍為和橋鞏的其他發電機參數基本相同，尤其是犍為和橋鞏東電發電機的參數一模一樣。但是兩個電站最終采用的保護方案并不完全一樣，犍為采用的是一套裂相橫差保護加一套完全縱差保護，橋鞏采用的是一套裂相橫差保護加兩套不完全縱差保護。前后間隔10年設計的兩個項目，其發電機主保護方案既有相同之處，也有不同的地方，現分析如下。

3.1 不同之處—縱差保護方案

為了兼顧定子繞組內部短路和機端引線短路，發電機主保護配置方案中必須包含橫差保護和縱差保護[10]。對于縱差保護，橋鞏采用的是兩套不完全縱差保護，而犍為采用的是兩套完全縱差保護。這是根據兩種保護方案的不同性能特點，并結合工程經驗積累總結，發電機主保護定量化設計理念的相應變化。

由于完全縱差保護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的性能不如裂相橫差保護，但比起完全縱差保護，還是能起到更大的保護作用。因此對于兩分支的發電機，配置2套不完全縱差保護，比配置1套完全縱差保護，由于前者能反應匝間短路，從而提高了雙重化指標。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靈敏動作故障數可以增加47種，占故障總數的1.8%。

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

發電機主保護定量化研究設計之初，提高雙重化指標是僅次于減小保護死區的考慮因素。因此，2007年設計的橋鞏電站選用了兩套不完全縱差保護。而隨著工程經驗積累總結，設計理念發生了一定變化。2017年做定量化設計的犍為電站，盡管裝設兩套不完全縱差保護的方案比裝設一套完全縱差保護對雙重化指標的提高更明顯，但是推薦方案卻是選擇一套完全縱差保護，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”的水輪發電機，在主保護配置方案中保留一套完全縱差保護，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）微機保護裝置是用軟件來實現繼電器的功能，即用“一段代碼”來實現不同的主保護功能，也就不會出現程序中的某幾行代碼單獨出現異常，從而影響到相應的主保護[5]，所以對于一體化結構的微機保護裝置，在主保護定量化設計時可適當降低雙重化指標的要求。

（3）對于單機容量只有55.6MW的犍為發電機，不再過分強調對于任一種內部短路，都有兩種及以上不同原理的主保護靈敏動作。

3.2 相同之處—橫差保護方案

3.2.1 均首選裂相橫差保護

橫差保護的方案有兩種：裂相橫差保護和單元件橫差保護。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和單元件橫差保護都只有一種構成方式。

應該首選哪種橫差保護，橋鞏和犍為均通過定量化計算，對兩種保護能夠動作的故障數進行統計后決定。表4為橋鞏東電發電機在聯網空載運行狀態下，兩種橫差保護方案的靈敏性統計對比。所有內部故障共5832種，從表4可以看出，一套單元件橫差保護能對4466種內部故障靈敏動作，正確動作率僅為76.58%；而一套裂相橫差保護可以保護5618種內部故障，正確動作率能達到96.33%。裂相橫差保護的正確動作率明顯大于單元件橫差保護[8]，所以對于橋鞏東電發電機，首先確定采用裂相橫差保護。橋鞏其他機組和犍為機組的定量化設計結果與橋鞏天阿機組基本相同，本文不再贅述。

兩種橫差保護的性能差異，主要體現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 橋鞏東電發電機單元件橫差保護與裂相橫差保護的靈敏性統計對比[7]Table 4 Comparison of sensitivity between zero-sequence current transverse differential protection and split phase transverse differential protection of Qiaogong DEC generator

小匝數的同分支匝間短路是各種常用主保護的共同死區。而對這類故障，裂相橫差保護的靈敏度一般要高于單元件橫差保護。因為單元件橫差保護是將整個定子繞組分成兩部分，比較的是一臺發電機兩部分之間的不平衡；而裂相橫差保護反應的是一相兩部分之間的不平衡。當發生小匝數同相同分支匝間短路時，其對相繞組不平衡度的影響應大于對整個定子繞組不平衡度的影響，所以裂相橫差保護反應小匝數同相同分支匝間短路的靈敏性一般高于單元件橫差保護。在聯網空載運行工況下，橋鞏東電發電機對408種同分支小匝數（4匝及以下）匝間短路，單元件橫差保護僅能反應其中的22種，而裂相橫差保護可以對其中的260種靈敏動作；裂相橫差保護死區中的同分支匝間短路只有150種，比單元件橫差保護少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，單元件橫差保護的靈敏度比較低。從表4可以看出，橋鞏東電發電機共有3878種故障分支編號相同的相間短路，單元件橫差保護對其中的900種無法靈敏動作，遠遠多于裂相橫差保護的64種。

根據兩種橫差保護的靈敏性統計對比，結合兩種保護的性能差異分析，對于橫差保護的配置方案，兩個電站均首選裂相橫差保護。

3.2.2 均棄用單元件橫差保護

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

以下為根據表1～表3的數據，得出的各推薦方案加裝單元件橫差保護前后的保護死區對比，見表5。

從表5可以看出，增設單元件橫差保護后，可減少一些保護死區，但相對故障總數占比很小，而且這些保護死區基本都是短路匝比小于5%的同相同分支匝間短路，發生概率很小，對主保護性能影響不大。同時，如果裝設單元件橫差保護，發電機需引出兩個中性點，中性點連線上安裝零序電流互感器。由于貫流式發電機通常采用內支撐結構，而且依據東電的設計習慣，發電機側TA一般都布置在內支撐結構里面，安裝空間更加有限，減少單元件橫差保護用TA的布置有利于電機設計[3]。因此，橋鞏、犍為都舍棄了單元件橫差保護的裝設。

表5 推薦方案加裝單元件橫差保護前后 的保護死區對比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，除了主要考慮以上因素外，還考慮以下兩方面因素：

（1）微機保護裝置可以考慮降低雙重化指標要求。

根據表1～表3，還可以得出推薦方案加裝單元件橫差保護前后的雙重化指標對比情況。對于犍為各發電機，雙重化指標都有比較明顯的提高（大約為18%）。但是微機保護裝置是用軟件來工作，可以降低雙重化指標來取消單元件橫差保護。同時，通過取消單元件橫差保護，還可以減小保護裝置CPU的負荷率，為其他異常工況保護（譬如定子接地保護）的計算贏得時間。因為微機保護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計算一遍，減少主保護配置的冗余度，可縮短定子接地等異常工況的計算間隔，能早一點發現定子接地故障并及時切除，把破壞嚴重的匝間或相間短路消滅在萌芽狀態[6]。

（2）單元件橫差保護本身的不足。

1）信號源方面。

單元件橫差保護用TA一次額定電流的選擇需要兼顧防誤動和區內故障時的靈敏動作，一直是一個工程技術問題。難度在于不同工況下（半載/滿載/甩負荷/區外故障等）流過發電機中性點連線不平衡電流實測值的掌握，以及發電機內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）開機后實測流過發電機中性點連線的不平衡電流的基波分量就已經大于250A，不得已更換了原200/5A的單元件橫差保護用TA。

2）保護原理方面。

單元件橫差保護實際上就是過流保護，保護原理過于簡單；而裂相橫差保護和完全縱差保護為比率制動特性，兼顧了區外故障時的防誤動和區內故障時的防拒動。

對于單元件橫差保護而言，不采用浮動門檻判據則容易發生誤動作，采用了該判據則必然降低保護的靈敏度，因為過流保護靈敏度的降低與保護定值的抬高成反比關系。若不經過運行實踐的檢驗就貿然降低定值則直接帶來保護誤動作的風險，云南景洪和瑞麗江水電站機組投運初期都發生過類似事故。

4 結語

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

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

（3）由于貫流機組的結構特點，減少單元件橫差保護用TA的布置有利于電機設計，同時考慮單元件橫差保護本身的不足，兩分支貫流機可舍棄單元件橫差保護的裝設。