一次與二次結合，共創發電機優化設計新方法

張舉華電國際十里泉發電廠

一次與二次結合，共創發電機優化設計新方法

張舉
華電國際十里泉發電廠

摘要：通過比較三臺發電機主保護定量化設計的結果，進一步指出在大中型發電機定子繞組初步設計過程中，需要將發電機中性點側的引出方式、內部可能出現的故障特征以及主保護方案等結合起來，進行綜合、全面的考慮。發電機設計和繼電保護彼此分離，很容易使發電機在整個運行過程中出現安全問題。因此，將兩者結合起來，利于定子繞組計劃的優化設計。

關鍵詞：發電機設計；繼電保護；主保護配置方案

引言

在很多大型發電機中，逐漸開始采用主保護配置方案的定量化設計，而這一設計已經被更多的設計院或者電廠所接受，并應用在實際中。近年來，隨著工程量的不斷增加，工程實踐也積累了大量的經驗，雖然部分發電機定子繞組形式得到了明確規定，但目前應用的主保護方案依然不盡人意，缺乏良好的保護性能，繼而在很大程度上給發電機組運行的安全性、穩定性造成影響。因此，發電機定子繞組設計完成之后，需對發電機內部短路主保護系統進行研究，并綜合發電機設計（一次）和繼電保護（二次）的工作，才能使定子繞組得到更好的優化設計。

一、分析兩臺火力發電機內部故障的特征

A發電機額定功率330萬MW，使用分數槽疊繞組，52極，定子槽數是540，每相四分支，一個分支總共有45個線圈；發電機有額定參數，其中PN是330MW，UN是20kV，IN是11207A。進一步分析此發電機定子繞組的展開圖，能夠清楚的掌握A發電機定子繞組實際存在且容易發生的內部短路問題。此發電機一共有540種同槽故障，而相同分支分匝間短路一共有300種，其中2匝故障數目為60種，3匝為84種，4匝為60種，5匝為84種，6匝為12種；相間短路故障一共有240種，其中同相不同分支匝間短路故障數目有24種，分支編號相同有56種，分支編號不同的故障數目有160種。

B發電機額定功率330萬MW，使用了整數槽波繞組，20極，定子槽數是360，每相四分支，一個分支總共有30個線圈；發電機有額定參數，其中PN是330MW，UN是20kV，IN是11207A。分析此發電機定子繞組展開圖可以看出，此定子繞組可能發生的內部短路情況有很多，存在360種同槽故障，沒有同相同分支匝間短路故障，同相不同分支匝間短路故障有300種，其中24匝故障數目為150種，35匝故障數目為120種，40匝為30種；相間短路故障有60種，其中分支編號相同的有8種，分支編號不同的故障數目有52種。

通過上述數據可以看出，兩臺火力發電機采用了不同的繞組方式，其內部出現故障的特點也有很大差異。A發電機同槽故障主要是匝間短路，特別是小短路匝間故障比較多；B發電機同槽故障中沒有同相同分支匝間短路故障。

二、比較兩臺火力發電機的主保護性能

根據定子繞組連接圖，可以更好的發現發電機實際有可能出現的同槽故障，通過計算內部短路情況，便于了解各種類型的主保護方案性能，并根據優勢互補、綜合利用的原則進行設計，還要充分考慮發電機性能點側分支引出個數等，從而在定量分析的基礎上最終確定發電機的主保護配置方案。

雖然兩臺發電機的中性點側分支引出方式沒有明顯區別，但故障特點有很大區別，從而使其保護性能有所區別。A發電機的主保護不能動作的故障比較多，只有86％的內部故障可以實現兩種以上不同原理的主保護動作；B發電機對所有可能發生的故障，都采用了有兩種以上的原理的主保護方案。

三、分析定子繞組連接方式不同的主保護配置方案的區別

由于兩臺發電機定子繞組不同連接形式的主保護配置方案在保護性能上都存在不同程度的差別，歸根結底，還是因為發電機的定子繞組形式。分析之后可以發現，A發電機同槽故障同相不同分支匝間短路故障數目有24種，其中為大匝數故數目有12種，2個短路分支的短路點都位于發電機端，主保護方案都沒有動作，其他12種故障是小匝數故障。

對于B發電機同樣的主保護配置來說，相鄰連接方式和相隔連接方式都存在性能上的差異，主要是因為定子繞組形式不同，導致各個分支的故障特點也有較大差異，同槽、端部故障發生在鄰近電位的同相不同分支匝間短路，不管是出現在相隔分支間還是相鄰分支之間，故障數目都沒有太大差異。同時，相鄰分支之間的短路故障也主要發生在每相的第1支與第2支之間或者第3支與第4支之間。

四、火力發電機中性點側引出方式對繼電保護性能具有較大影響

一般情況下，火力發電機額定功率140萬MW，其額定參數主要為：PN是140MW，UN是13.8kV，IN是6891A，cosФ為0.85，If（）為627A，IfN為1748A，一共54槽，每相有2個分支，每個分支有9個線圈。通過分析此發電機定子繞組的展開圖可以看出，此發電機同槽故障有54種，無同相同分支，同相不同分支有24種，相間短路有30種；端部故障有1077種，同相同分支有168種，同相不同分支有30種，相間短路有879種。通過分析，新型主保護方案不能動作故障數目僅為故障總數量的2％。而傳統主保護方案不能動作的故障數目達到故障中數目的20％。由此可以看出，和傳統主保護方案相比，當發電機定子繞組出現內部故障時，新型中性點側引出方式和主保護方案的效果更好。

五、結語

發電機中應用的定子繞組靈活性很高，在設計過程中，不僅要充分滿足電機的設計要求，還應該充分考慮在發電機連接形式不同時，產生的內部故障之間的差異性，同時也要分析此故障對主保護方案性能帶來的影響，實現二次為一次服務、一次為二次提供條件的目標，將繼電保護與發電機密切結合在一起，從而使發電機定子繞組得到優化設計，利于發電機的安全運行。

參考文獻：

[1]王慧敏，夏長亮，喬照威，宋戰鋒.雙饋風力發電機混合粒子群優化設計[J].天津大學學報.2012(02).