豐滿水電站重建工程發電機主保護配置方案研究

王振羽，羅 胤，萬 君，宋明鈺，曹永闖，趙 穎

（1.豐滿大壩重建工程建設局，吉林省吉林市 132108；2.河南天池抽水蓄能有限公司，河南省南陽市 473000）

0 引言

原豐滿水電站始建于1937年偽滿時期，到1943年首臺機組發電，后經續建、改建及擴建，共安裝12臺水輪發電機組，總裝機容量1002.5MW。豐滿水電站全面治理（重建）工程于2012年10月獲國家發展改革委核準。按照恢復電站原任務和功能，在原大壩下游120m處新建一座大壩，系我國首個大壩重建的重點工程項目。新建電站安裝6臺單機200MW的混流式水輪發電機組，保留原三期2臺140MW機組，總裝機容量1480MW。工程以發電為主，兼有防洪、灌溉、城市及工業用水、養殖和旅游等綜合作用。

豐滿水電站重建工程（以下簡稱豐滿）發電機采用半波繞組，64極，定子槽數為720，每相4分支，每分支60個線圈。發電機額定參數為：PN=200MW，UN=15.75kV，IN=8379A，cosΦ=0.875，If0=1240A，IfN=2281A。為確保機組安全運行，必須正確決定其主保護配置方案，而主保護方案的選擇需要針對實際短路的條件和特征、故障仿真計算的結果，以及發電機中性點側的引出方式和分支電流互感器（TA）位置等條件進行取舍[1，2]。

1 發電機內部故障的類型和數量

發電機定子繞組的結構形式有疊繞組和波繞組，而波繞組又分為全波繞組和半波繞組。繞組形式不同，實際可能發生內部故障的特點就不同，內部故障的類型和數量也不同，將對發電機主保護方案的定量化設計有很大影響。

豐滿發電機定子采用半波繞組具有一定優勢：第一，相對于疊繞組發電機而言，波繞組發電機內部短路中同相同分支匝間短路所占比率較小；第二，相對于全波繞組而言，半波繞組的接線方式存在反繞現象（先繞N極下若干線圈，再反繞S極下若干線圈），小匝數同相同分支匝間短路必然存在，但所占比率不大，且可通過調整繞組分支電勢的構成進一步減少小匝數同相同分支匝間短路的存在比率；第三，半波繞組具有抑制轉子偏心振動的能力，半波繞組可利用轉子偏心產生的分支環流將轉子“推回”至中心位置。同時，若主保護方案能夠保留一套完全差動保護，當機組狀態監測裝置顯示上導軸承的擺度及氣隙同心度等超標，橫差保護動作而完全縱差保護未動作（不反應分支不平衡電流），即可區分內部短路或轉子偏心[3]。

根據發電機定子繞組展開圖，實際可能發生定子槽內上、下層線棒間短路共720種，定子繞組端部短路共14400種，具體故障的類型和數量見表1。通過進一步分析發現：對于同槽故障的192種同相不同分支匝間短路而言，均發生在相鄰分支間。對于端部故障的1296種同相不同分支匝間短路而言，也均發生在相鄰分支間。因此，應著重分析同相不同分支匝間短路的構成與分布特點，因為同相不同分支匝間短路的回路電流，可能由于分支分組的不合理，而無法直接引入保護裝置的差動回路，將增大主保護的動作死區。

表1 豐滿發電機內部故障類型和數量統計Table 1 Statistics on the type and quantity of generator internal faults

2 發電機主保護方案靈敏度分析

2.1 差動保護的故障反應能力分析

發電機差動保護包括裂相橫差、零序電流型橫差、完全或不完全縱差。從原理上看，裂相橫差保護比較的是發電機內部故障時一相兩部分之間的不平衡；不完全縱差保護比較的是部分分支與整個相繞組之間的不平衡；零序電流型橫差保護則是將整個定子繞組分成兩部分，比較這兩部分之間的不平衡；完全縱差保護比較的是機端相電流與其中性點側相電流之間的不平衡。就總體反映匝間故障的能力而言，裂相橫差一般要高于不完全縱差和零序電流型橫差，完全縱差則不反應匝間故障，但對相間故障有很高的靈敏度[4-6]。

2.2 典型故障特征及靈敏度分析

運用多回路分析法，對豐滿發電機并網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15120種），求出各種故障時每支路電流的大小和相位（包括兩中性點間的電流），由此可得到各種短路狀態下差動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。下面針對一則相近電位的同相不同分支匝間短路為例，分析完全裂相橫差保護在不同分支分組方式下的靈敏度。

圖1模擬的故障為豐滿發電機在并網運行方式下，a相第1支路第16號線圈的下層邊和a相第2支路第8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差8匝。表2為模擬故障狀態下，各分支電流的大小和相位。通過表2發現，故障分支Ia1和Ia2的大小相差不大、相位近于相反。這是由于故障分支電流Ia1和Ia2主要由直流勵磁感應電動勢差所產生，所以Ia1和Ia2近于反向；由于兩短路點距中性點位置相差不大，所以Ia1和Ia2的大小相差也不大。通過互感作用，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。因此，圖1（a）所示的完全裂相橫差保護，流過分支TA1和TA2的電流都不大，從而導致對應的裂相橫差保護靈敏系數很小；而圖1（b）和圖1（c）將兩個故障分支分在不同支路組中的連接方式，完全裂相橫差保護對應的靈敏系數均很大，因為此時數值較大的短路電流被引入差動回路中。上述規律性的認識與定性分析相一致，又進一步說明仿真計算的必要性，同時還應進一步將仿真計算結果應用到主保護配置方案的選擇上來。

圖1 一則相近電位的同相不同分支匝間短路Figure 1 Interturn short circuit of same phase different branch with adjacent potential

表2 一則相近電位的同相不同分支匝間 短路電流大小和相位Table 2 Magnitude of current and phase position of interturn short circuit of same phase different branch with adjacent potential

3 發電機主保護配置方案的選擇及優化

3.1 主保護配置方案的原則

為防止發電機定子繞組相間短路，匝間短路和分支開焊，發電機主保護配置方案必須包括縱、橫差保護。由于各主保護的原理不同，均存在各自的保護死區，需按照“優勢互補、綜合利用”的原則來制定主保護配置方案[7-9]。具體要求如下：第一，發電機內部故障的死區最小，即主保護范圍最大；第二，發電機定子繞組任一點故障宜有兩種不同原理的主保護靈敏動作；第三，充分考慮發電機中性點引出方式及分支分組的合理性，在定量分析的基礎上實現主保護最優配置；第四，完成保護功能的前提下，盡量減小所需硬件的投資（如TA的數量等）；第五，兼顧發電機的本體設計和制造的要求，實現電氣一次和二次的“雙贏”。

3.2 縱、橫差保護配置方案的選擇

豐滿發電機定子每相含4個并聯分支，總結已有4分支水輪發電機的設計經驗，主要分析中性點側引出6個出線端子的布局。初步擬定每相裝設兩個分支組TA（其中TA按一塊保護屏配置，計及雙重化的需要另一塊保護屏完全拷貝），考慮不同發電機中性點側引出方式（這里按12-34、13-24、14-23三種分支組合情況探討）主保護方案的配置，結合豐滿發電機故障特點，分析以下6種主保護配置方案的性能。

方案一：發電機中性點側引出2個中性點——1套零序橫差＋1套完全縱差；

方案二：發電機中性點側引出1個中性點——1套完全裂相橫差＋2套不完全縱差；

方案三：發電機中性點側引出1個中性點——1套完全裂相橫差＋1套完全縱差；

方案四：發電機中性點側引出2個中性點——1套完全裂相橫差+2套不完全縱差+1套零序電流橫差；

方案五：發電機中性點側引出2個中性點——1套完全裂相橫差+1套完全縱差+1套零序橫差；

方案六：發電機中性點側引出2個中性點——1套完全裂相橫差+2套不完全縱差+1套完全縱差。

通過仿真計算，6種主保護配置方案對發電機內部相間及匝間故障的反應能力已有清晰的概念，具體仿真結果見表3。

表3 各主保護配置方案故障反應性能Table 3 Fault response performance for various main protection configuration schemes

續表

對比6種主保護配置方案可以得出以下分析：

（1）方案一存在較大保護死區，不能動作故障數有388種（占故障總數的2.57%），僅對10072種內部故障（占故障總數的66.61%）有兩種及以上原理的不同主保護靈敏動作。

（2）方案四、五、六采用“13-24”分支組合的保護死區最少，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，對應的短路匝比大多≤5%；但方案六相對于方案四而言，增加一套差動保護；而方案五相對于方案四而言，減少了一套差動保護，簡化了保護裝置構成和計算工作量。

（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減少了4028種，因此不推薦采用方案二和方案三。

綜上所述，選擇方案五（“兩橫一縱”）作為豐滿發電機差動保護配置方案，具體配置見圖2（僅畫出單相示意）。對于實際可能發生的15120種內部故障，不能動作故障數有216種（占總數的1.43%，不能動作的故障類型大多是短路匝比≤5%的同相同分支匝間故障），對14720種內部故障（占總數的97.35%）有兩種及以上原理不同的主保護靈敏動作。

圖2 豐滿發電機差動保護配置方案Figure 2 Fengman generator differential protection configuration scheme

3.3 定、轉子接地保護配置方案的優化

傳統定子接地保護主要是基于基波零序電壓和三次諧波原理，其中基波零序電壓原理必須在電壓升起后才有效，且在中性點附近發生接地故障時存在死區。三次諧波原理基本能彌補上述死區，但受定子繞組電容參數影響較大，靈敏度不足。豐滿發電機定子接地電容實測6.64μF，傳統定子接地保護靈敏度不足的問題更為突出。鑒于此情況，定子接地保護優化為注入式原理。注入式保護具有更高的可靠性和靈敏度，同時還能檢測發電機停機狀態時的接地絕緣水平。傳統轉子接地保護主要采用切換采樣（乒乓式）原理，因為沒有注入源，只有在轉子升壓后才能反應接地故障，但轉子絕緣下降往往發生在長期停機的時候。因此，轉子接地保護優化為注入式保護。

4 繼電保護裝置用TA的選型方案

4.1 零序橫差TA的選型

通過仿真計算，在豐滿發電機實際可能發生的15120種內部短路中，流過中性點連線的短路電流在628.4A以上的故障所占比率為90.94%（靈敏系數≥1.5，對應的動作電流為5%Ign），其中中性點連線的短路電流超過18000A的故障所占比率為9.22%，還有9.06%的故障是零序電流保護的動作死區。基于豐滿發電機內部短路時中性點連線電流的大小及其分布特點，選擇零序橫差TA的型號為5P30，容量為20VA，變比為600/1。選擇理由如下：

（1）當中性點連線的短路電流超過30ICT（18000A）時，雖然TA有可能飽和，但由于零序橫差為過電流繼電器，可保證正確動作，且這部分故障所占比率僅為9.22%；

（2）當中性點連線的短路電流小于ICT的15%（90A）時，這類故障的零序橫差保護靈敏度已低于0.21，本屬保護動作死區，所以在TA選型中，不考慮此類情況；

（3）當中性點連線的短路電流在628.4～18000A時，TA二次電流復合誤差不超過5%。

4.2 機端和中性點側分支TA的選型

式中：Kssc——短路電流倍數；

Ign——發電機額定電流；

ITA——選取電流互感器的一次電流。

保護裝置到TA的最長距離為50m，故TA二次電纜考慮有0.44Ω（電纜截面選用4mm2），由于保護裝置自身負荷很輕（0.5～1.0Ω），所以發電機保護二次負荷按1.5Ω（Sa=1.5VA）考慮；變比為12000/1的TA內阻按90Ω（Sin=90VA）考慮，選取的TA二次輸出容量Sn=20VA，額定準確限值系數Kalf.n=30，則實際準確限值系數的計算見式（2）。

式中：Kalf——實際準確限值系數；

Kalf.n——額定準確限值系數；

Sin——電流互感器內阻消耗容量；

Sn——電流互感器二次輸出容量；

Sa——電流互感器二次負載消耗容量。

豐滿發電機差動保護用TA的實際準確限值系數能夠滿足選型要求，復核結果見式（3）。

式中：Kalf——實際準確限值系數；

K——暫態系數；

Kssc——短路電流倍數。

5 結束語

發電機主保護配置方案是一個多變量復雜系統的工程優化設計問題，必須兼顧科學性和實用性，兼顧“機”與“電”的設計和制造要求，盡量減少硬件投資，實現電氣一次和二次“雙贏”的最終目標。本文以豐滿200MW發電機為例，研究了主保護配置方案的設計思路，可供同類新建、改建和擴建的水電站進行技術參考。