大型抽水蓄能機組主保護優化設計研究

桂 林，劉正國，孫宇光，王祥珩，王維儉

（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. 雅礱江流域水電開發有限公司，成都市 610051）

0 引言

國內抽水蓄能電站的建設已進入高潮，國網新源控股有限公司正在建設的大型抽蓄電站（單機300MW及以上）已達20座（另外35座抽蓄電站處于規劃階段），大型抽蓄機組結構復雜、造價昂貴，發生內部故障的后果極其嚴重，必須重視其主保護設計工作[1-4]。

運用“多回路分析法”，在完成大型抽蓄機組內部故障分析和主保護定量化設計的基礎上，有必要根據其繞組形式所決定的故障特點的不同[5-6]，優化大型抽水蓄能機組主保護配置方案，在不降低主保護性能的前提下，簡化發電機中性點側銅環的布置[7-8]（抽蓄機組風洞空間有限）。

由于受額定轉速的限制，在建和規劃中的大型抽蓄機組多為每相4分支，包括額定轉速428.6r/min（14極）的荒溝、文登、蟠龍、永泰、阜康、廈門、豐寧二期變速機組也都選擇了每相4分支（采用不對稱定子繞組）[9]，有必要對每相4分支大型發電電動機的主保護優化設計問題進行研究，為后續抽水蓄能電站的建設提供借鑒。

1 大型發電電動機主保護配置傳統方案

按照傳統設計方法（基于概念、經驗和定性分析），大型發電電動機需配置完全縱差保護，以對付實際可能發生的相間短路；由于還存在匝間短路的可能，故需增設橫差保護，零序電流型橫差保護結構簡單、功能全面而被優先選擇。

其主保護配置傳統方案如圖1所示，根據發電電動機中性點側分布中性點引出個數的不同，裝設了1套或2套零序電流型橫差（即單元件橫差保護），每相4分支的廣蓄B廠發電電動機甚至裝設了3套零序電流型橫差保護（引出了4個分布中性點）。

圖1 大型發電電動機主保護配置傳統方案Figure 1 Traditional scheme of main protection configuration for large-scale generator motor

2 大型發電電動機主保護配置優化方案

之所以要在溧陽、瓊中、績溪、敦化、天池、清原（每相4分支）等抽水蓄能電站發電機主保護設計中取消零序電流型橫差保護（見圖1），主要取決于抽蓄機組定子繞組形式所決定的故障特點（高轉速+疊繞組使得每分支線圈數不太多/相鄰分支沿電機內圓連續分布——小匝數匝間短路問題不太突出/同相不同分支匝間短路數不多（如表1和表2所示）以及運行經驗的積累，定量分析已表明增設單元件橫差保護對上述發電電動機保護死區的減少沒有任何幫助。

表1 溧陽、瓊中、績溪、敦化、天池、清原抽蓄發電機實際可能發生的同槽故障Table 1 Actual slot faults of Liyang, Qiongzhong, Jixi, Dunhua, Tianchi and Qingyuan large pumped storage unit

表2 溧陽、瓊中、績溪、敦化、天池、清原抽蓄發電機實際可能發生的端部交叉故障Table 2 Actual end faults of Liyang, Qiongzhong, Jixi, Dunhua, Tianchi and Qingyuan large pumped storage unit

一般來說，完全裂相橫差保護反應匝間短路的能力要優于零序電流型橫差保護，因為完全裂相橫差反應的是一相兩部分之間的不平衡，而零序電流型橫差則是將三相繞組分成幾部分、反應流過中性點連線不平衡電流（為三相對應分支的和電流），其靈敏度可能受到其他相非故障分支電流的影響。下面以圖2所示故障為例進行說明。

圖2 一則大匝數同相同分支匝間短路Figure 2 A inter turn short circuit in a branch

圖2中實線箭頭所示故障為天池發電電動機在并網空載運行方式下，b相第1支路第2號線圈的下層邊和b相第1支路第8號線圈的上層邊發生同槽同相同分支匝間短路，短路匝數為6匝（對應的短路匝比為33.3%）。

各支路（包括短路附加支路）基波電流的大?。ㄓ行е担瑔挝粸锳，下同）和相位如下所示：

對應的橫差保護靈敏度的計算過程如下所示：

如果將每相的1、3分支接在一起，形成中性點o1；再將每相的2、4分支接在一起，形成中性點o2；則流過o1-o2的零序電流：對應的零序電流型橫差保護的靈敏系數為

（2）對故障相的完全裂相橫差保護K10_12-34而言，其兩側電流分別為

另外，零序電流型橫差（即單元件橫差）保護用TA一次額定電流的選擇一直是一個工程技術問題，需兼顧防誤動和區內故障時的靈敏動作；該保護的優點是結構簡單，功能全面，缺點則是過于簡單，實際上就是過流保護。

對于單元件橫差保護而言，不采用浮動門檻判據（動作值隨機端相電流的增加而增大）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。

現場反饋：2015年9月4日，云鵬水電站220kV出線發生兩相短路接地故障，發電機單元件橫差保護誤動作（未投浮動門檻判據——制動量整定過大，相當于未投），現場運行人員長時間糾結于是否需要抽出發電機轉子進行檢修，因為轉子偏心或轉子匝間短路均可能導致流過發電機中性點連線的電流增大，從而引起單元件橫差保護的動作；若抽轉子必然延長檢修時間，影響電廠生產任務的完成。

圖3 大型發a電電動機主b保護配置優c 化方案（一）Figure 3 Optimum scheme of main protection configuration fo1r la2r ge3- sc4ale generator motor（一）

圖3 大型發電電動機主保護配置優化方案（二）Figure 3 Optimum scheme of main protection configuration for large-scale generator motor（二）

瓊中抽水蓄能電站已于2018年7月29日全面投產發電，完成了與昌江核電站的工程配套，發電機主保護（K10+3）運行正常；溧陽5號發電電動機主保護配置方案（K10+222）則在2018年10月16日a1分支開焊時（見圖4）靈敏動作，使得分支開焊故障未危及線棒和鐵心，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4 溧陽發電電動機（6×250MW/a=4）分支開焊故障Figure 4 A branch open welding fault of Liyang generator motor

所以在定量分析的基礎上，有針對性地取消大型發電電動機的零序電流型橫差保護，兼顧了設計的科學性和實用性，值得做進一步的推廣應用；與圖1所示發電機主保護傳統配置方案類似，大型發電電動機主保護優化設計方案仍為“一橫一縱”，只是用裂相橫差保護代替了零序電流型橫差保護，如圖3所示。

對于一體化的微機保護裝置，保護用TA信息資源共享，繼電器的功能由軟件來實現，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，所以可以降低雙重化指標來取消單元件橫差保護[10]。

通過取消單元件橫差保護，可以減低CPU的負荷率，對于微機保護裝置的正常運行是極為有利的，還可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，如果主保護配置得過于冗余，一方面導致CPU負荷率上升，影響到保護裝置的正常工作；另一方面使得定子接地等異常工況的計算間隔越拉越長，對于發電機的安全運行也是不利的，假如能早一點發現定子接地故障并及時切除，就可以把破壞嚴重的匝間或相間短路消滅在萌芽狀態！[11]

3 結束語

（1）將內部故障分析用于主保護設計，根據發電機定子繞組形式所決定的內部故障特點的不同來決定其主保護配置方案，為大型抽水蓄能機組主保護配置方案的科學制定開辟了新途徑。

（2）對于每相4分支的大型發電電動機，應在內部故障分析及主保護定量化設計的基礎上，優先推薦“裂相橫差+完全縱差保護”。