清遠抽水蓄能電站發電機—變壓器組保護設計與整定的新進展

桂 林，王霏霏，王祥珩

（1.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；2.清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853）

清遠抽水蓄能電站發電機—變壓器組保護設計與整定的新進展

桂 林1，王霏霏2，王祥珩1

（1.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；2.清遠蓄能發電有限公司，廣東省清遠市 511853）

清遠抽水蓄能電站已投產發電，有必要對其發電機—變壓器組（簡稱發變組）保護設計與整定的新進展進行歸納總結。本文在全面的內部短路仿真計算的基礎上，經定量化設計過程完成了清遠發電電動機主保護的設計，并兼顧電機設計與TA安裝的要求；通過增設跳閘允許電流元件，提高了SIEMENS失步保護區分失步振蕩和穩定搖擺的能力；在發電機定子接地保護和主變壓器低壓側接地保護定值整定時，注意到GCB開斷所帶來的發電機或主變壓器低壓側不接地系統電容值的變化，為后續抽水蓄能電站的建設提供借鑒。

大型抽水蓄能機組；主保護設計；內部短路計算；失步保護；接地保護

0 引言

清遠抽水蓄能電站位于廣東省清遠市清新區太平鎮，屬國家“十一五”重點工程，電站總裝機容量128萬kW，安裝4臺320MW可逆式發電機組，首臺機組于2015年12月投產發電。

隨著響水澗、仙游、清遠等一批抽水蓄能電站的投入運行，國內抽水蓄能電站的建設已進入發展高潮，有必要對最大單機容量的每相7分支的清遠抽蓄發變組保護設計與整定的特點進行歸納總結，為后續抽水蓄能電站的建設提供借鑒。

1 清遠發電電動機主保護的定量化設計

清遠發電電動機采用整數槽（q=8）“半波繞組”（定子繞組節距為y1=26、y2=26），14極，定子槽數為336，每相7分支，每分支16個線圈。根據對東芝水電設備（杭州）有限公司提供的定子繞組展開圖的分析[1-2]，清遠發電電動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 清遠發電電動機336種同槽故障

表2 清遠發電電動機15120種端部交叉故障

運用多回路分析法[3-6]，對清遠發電電動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15456種），得到發電機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的大小），以此為基礎進行主保護方案的靈敏度分析，又能清楚認識到每種保護能靈敏反應哪些短路和不反應哪些短路，從而使得主保護配置方案的性能對比建立在定量分析的基礎之上，并考慮所采用的中性點引出和分支分組方式對電機設計和TA安裝的影響。

類似發電機主保護定量化設計方法已在水電領域得到推廣應用，已對國內外78座大中型水電站和11座抽水蓄能電站（仙游、清遠、溧陽、仙居、洪屏、深圳、瓊中、績溪、豐寧抽蓄一期、敦化、伊朗AZAD）的發電機進行了定子繞組內部故障的分析和主保護方案的定量化設計，相關設計成果已得到現場運行實踐的檢驗，在發電機定子繞組內部匝間短路、相間短路和分支開焊時靈敏動作，避免了故障的擴大，為發電機搶修和恢復供電贏得了時間。

圖1 清遠發電電動機可能采用的分支分組和中性點引出方式

對于每相7分支的清遠發電電動機而言，其可能采用的分支分組方式有“3-1-3” 和“3-4”兩種（如圖1所示），對應的主保護配置方案的性能見表3。圖1（a）所示（“3-1-3分支分組方式”）主保護配置方案的性能要遠優于圖1（b）（“3-4分支分組方式”），原因在于其同相不同分支匝間短路所占比率大（見表1和表2），且相近電位的同相不同分支匝間短路（如圖2所示，兩短路點距離中性點位置相近）的故障特征是故障分支電流大但相位相反，在某些連接方式下（將兩故障分支分到同一分支組中）的短路回路電流無法直接引入保護裝置的差動回路中以提高靈敏度，將成為主保護配置方案的動作死區[7-9]。

圖2 發生在相近電位的同相不同分支匝間短路

而在“3-4分支分組方式”下，無論上述相近電位的同相不同分支匝間短路是多發生在相鄰還是相隔分支間，“123-4567”或“135-2467”分支分組方式都無法做到將兩故障分支始終分到不同的分支組中去。

表3 清遠發電電動機同槽和端部故障時不同主保護配置方案的動作情況

再從發電機中性點側銅環布置和分支組TA安裝的難易程度來看，在“3-1-3分支分組方式”下，相隔分支分組的中性點引出方式遠比相鄰分支分組的情況復雜，對應的匯流銅環層數高達11層，電機制造廠目前還無法做到！

最終推薦圖3所示方案作為清遠發電電動機主保護配置方案，對于其實際可能發生的15456種內部故障，不能動作故障數為186種（占內部故障總數的1.2%），不能動作的故障類型中沒有發生幾率高的相間短路，對15125種內部故障（占內部故障總數的97.9%）有兩種及以上原理不同的主保護靈敏動作，保護性能已非常優異；且對應的中性點側匯流銅環層數為6層，大大降低了電機設計的難度，有利于發電機的安全運行。

圖3 清遠發電電動機內部故障主保護及TA配置推薦方案（相鄰連接，123-4-567）

如上所述，即使在發電電動機主保護定量化設計中兼顧了設計的科學性和實用性，清遠發電電動機中性點側銅環布置和TA安裝的難度還是很大，畢竟較常規水電而言，高轉速抽蓄機組的風洞空間更有限，以至于深圳抽蓄發電電動機（a=7）只好將中性點側TA布置在風洞外，以保證電流互感器自身的運行安全。

這就要求我們從電機設計上尋求突破，不對稱定子繞組的采用（a=4）將解決上述14極發電機銅環布置和TA安裝遇到的困難，同時也簡化了主保護的設計。

2 清遠發電電動機失步保護的優化設計

清遠抽蓄發變組保護裝置由SIEMENS公司提供，其發電機失步保護采用遮擋器原理[10]，相應的動作特性如圖4所示。

圖4 SIEMENS失步保護阻抗特性

當正序電流大于120%Ign且負序電流小于20%Ign時判為失步振蕩，可明確區分失步振蕩與短路故障，但在區分失步振蕩與穩定搖擺時存在不足，保護裝置在機端阻抗軌跡抵達阻抗平面縱軸（對應的δ=180°）時即發跳閘脈沖，其實機端阻抗軌跡并未從另一個方向離開工作區，如圖5所示。

圖5 某發電機失磁過程中機端阻抗軌跡同時穿越失步保護動作區

針對上述不足，SIEMENS公司技術人員提出可增設跳閘允許電流元件來閉鎖發電機穩定搖擺過程中失步保護的動作，即以機端阻抗軌跡從對側穿出遮擋器動作區時流過發電機機端的電流為界，小于該電流才允許失步保護發出跳閘脈沖（保護裝置若能直接反應兩側功角的連續變化過程則更好），避免在某些特殊應用場合擴大故障范圍。

3 清遠抽蓄發電機定子接地保護與主變壓器低壓側接地保護整定的異同

為避免定子接地故障燒損鐵芯和發展為危害嚴重的匝間或相間短路，《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》（DL/T 684—2012）明確規定，發電機基波零序電壓定子接地保護定值上躲過主變壓器高壓側接地傳遞過電壓的影響，則延時不必再與主變壓器高壓側接地后備保護的長延時去配合，一般整定為0.5s。

對于經高阻接地的清遠抽蓄發電機而言，由于發電機每相電容值已達1.8μF，故利用圖6所示等效電路計算所得主變壓器高壓側接地傳遞過電壓數值不會太大，通過合理整定基波零序電壓定子接地保護的定值可有效保護發電機絕大部分定子繞組的接地故障。

圖6 清蓄發電機定子接地保護傳遞電壓計算用簡化電路（GCB兩側電容值均為0.13μF）

但是當發電機機端斷路器（GCB）開斷、主變壓器單獨與500kV系統相聯時，發電機定子繞組每相對地電容已不起作用，但GCB主變壓器側所聯抑制操作過電壓的小電容（0.13μF）仍然在起作用（見圖7），所以主變壓器高壓側接地傳遞過電壓的數值雖有所增大，但變化不大，通過合理整定主變壓器低壓側接地保護的定值和延時（仍為短延時），既能對主變壓器低壓側不接地系統發生的接地故障提供有效保護，又能與發電機定子接地保護在定值和延時上取得配合（兩者均能反映15.75kV母線的3UL0信號）。

圖7 清蓄主變壓器低壓側接地保護傳遞電壓計算用電路

若GCB斷開后處于檢修狀態，則GCB主變壓器側所聯小電容（0.13μF）也不起作用，圖7所示等效電路就不再存在大的電容來拉低主變壓器高壓側接地所產生的傳遞過電壓，此時對應的3UL0高達165V（二次值）。主變壓器低壓側接地電壓保護就難以通過定值來躲過主變壓器高壓側接地傳遞過電壓的影響，現多依靠延時配合，當然也可拉入主變壓器高壓側零序電壓作為閉鎖量。

對于核電站而言，為給主變壓器低壓側不接地系統接地故障提供有效保護（核島調試時間長），則通過增設高壓廠用變壓器高壓側接地變壓器（與發電機高阻接地方式類似），并合理選擇其一次電阻值（一般為3000Ω左右）來拉低主變壓器高壓側接地傳遞過電壓。

4 結論

（1）在全面的內部短路分析計算的基礎上，經定量化及優化設計過程來確定發電電動機主保護配置方案，已在國產化抽水蓄能電站得到推廣應用。

（2）14極發電電動機采用不對稱定子繞組（a=4）可實現電機設計和主保護設計的“共贏”。

（3）增設跳閘允許電流元件提高了SIEMENS失步保護區分失步振蕩和穩定搖擺的能力。

（4）在發電機定子接地保護和主變壓器低壓側接地保護定值整定時，需注意GCB開斷所帶來的發電機或主變壓器低壓側不接地系統電容值的變化。

[1]白延年.水輪發電機設計與計算.北京：機械工業出版社，1982.

[2]許實章.交流電機的繞組理論.北京：機械工業出版社，1985.

[3]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用（第二版）.北京：中國電力出版社，2002.

[4]高景德，王祥珩，李發海.交流電機及其系統的分析（第二版）.北京：清華大學出版社，2005.

[5]桂林.大型發電機主保護配置方案優化設計的研究[D].北京：清華大學，2003.

[6]桂林.大型水輪發電機主保護定量化設計過程的合理簡化及大型汽輪發電機新型中性點引出方式的研究[D].清華大學博士后研究報告，2006.

[7]桂林，王維儉，孫宇光，等.三峽右岸發電機主保護配置方案設計研究總結.電力系統自動化，2005，29（13）：69-75.

[8]桂林，王祥珩，孫宇光，等.巨型水輪發電機定子繞組設計建議——由發電機主保護定量化設計引出的反思.電力系統自動化，2009，33（4）：45-48.

[9]桂林，王祥珩，孫宇光，等.向家壩和溪洛渡水電站發電機主保護設計總結.電力自動化設備，2010，30（7）：30-33.

桂 林（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向：大機組保護及故障分析。E-mail：guilin99@mails.tsinghua.edu.cn

王霏霏（1983—），女，碩士，工程師，主要研究方向：繼電保護設備調試和運維管理。E-mail：wangfeifei815@163.com

王祥珩（1940—），男，教授，博士生導師，主要研究方向：電機分析與控制、電機故障及保護、電氣傳動及其自動化等。E-mail：wangxh@mail.tsinghua.edu.cn

New Progress of Design and Setting of the Generator Transformer Protection for Qingyuan Pumped Storage Power Station

GUI Lin1，WANG Feifei2，WANG Xiangheng1
（1.Dept.of Electrical Engineering，State Key Laboratory of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment，Tsinghua University，Beijing 10084，China; 2.Qingyuan Pumped storage Power Generation Co.，Ltd.Qingyuan Qinyuan 511853，China）

As Qingyuan pumped storage power station has already put into operation，it’s necessary to make a summary of the new advances in its design and settings of the generatortransformer unit protection Based on the comprehensive internal fault simulation and with consideration of the generator design and the installation of CT，the quantitative and optimization design of main protection for Qingyuan generator has been completed; By adding new trip-permitted current components，the ability of SIEMENS generator out-of-step protection to distinguish between out-of-step oscillation and stable oscillation has been enhanced; When it comes to the protection settings of generator stator ground fault and low voltage side of main transformer ground fault，the change in generator’s capacitance and low voltage side of main transformer’s capacitance brought by GCB interrupting operation is taken into consideration.Above experiences can be used as a reference for the construction of pumped storage power station in the future.

large-sized pumped storage groups; main protection design; internal fault simulation; out-of-step protection; ground fault protection