豐滿重建水電站發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)配置方案

林子陽

（松花江水力發(fā)電有限公司豐滿大壩重建工程建設(shè)局，吉林 吉林132000）

0 引言

豐滿水電站是中國最早的水電站，位于吉林省吉林市松花江上。2012年10月，豐滿水電站全面治理重建工程正式啟動。重建電站將新建6臺單機(jī)200MW混流式水輪發(fā)電機(jī)。

豐滿重建發(fā)電機(jī)（以下簡稱發(fā)電機(jī)）額定參數(shù)為：PN=200MW，UN=17.75kV，IN=8379A，cosφN=0.875，Ifo=1240A，IfN=2281A。

如果想使發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，那么正確的選擇主保護(hù)配置方案至關(guān)重要。然而在選擇的過程中，難免會存在盲目性。因此，本文針對發(fā)電機(jī)實(shí)際存在的短路條件和特征，為其計(jì)算各種主保護(hù)的靈敏度，科學(xué)取舍，做出正確的決定。

對于發(fā)電機(jī)來說，常見的短路故障是定子繞組短路和發(fā)電機(jī)端引線短路。所以本文選取的方案必須要有橫差保護(hù)和縱差保護(hù)，“一橫一縱”將成為主保護(hù)方案的初步格局。當(dāng)然有些指標(biāo)是需要綜合考慮的，如中性點(diǎn)側(cè)電流互感器的數(shù)量及安裝位置、主保護(hù)配置方案拒動故障數(shù)、兩種不同原理主保護(hù)反應(yīng)同一故障的能力等。從經(jīng)濟(jì)投資角度看，在可以完成相同保護(hù)功能的條件下，減少主保護(hù)配置方案的硬件投資和減少保護(hù)方案的復(fù)雜程度同樣需要考慮。本文將在此基礎(chǔ)上討論發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)配置方案。

1 發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障類型及相應(yīng)數(shù)量

針對發(fā)電機(jī)繞組展開圖分析該發(fā)電機(jī)定子繞組實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部短路情況，統(tǒng)計(jì)得出如下數(shù)據(jù)。

（1）定子槽內(nèi)的上層、下層線棒間的短路故障共有720種。針對同槽故障，不難分析得出，同相同分支的匝間短路共191種，占26.67%，其中最小短路匝數(shù)為24匝、有12種，最大短路匝數(shù)為43匝、也有12種；同相不同分支匝間短路共192種，占26.67%；相間短路共336種，占46.67%。

（2）定子繞組端部的交叉處短路故障共有14400種。針對端部故障，不難分析得出，同相同分支短路共2736種，占19%，其中最小短路匝數(shù)為1匝、有84種，最大短路匝數(shù)為59匝、也有12種；同相不同分支匝間短路1296種，占9%；相間短路10368種，占72%。

2 發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障保護(hù)配置方案

根據(jù)發(fā)電機(jī)的內(nèi)部故障類型及其相應(yīng)數(shù)量，通過改變不同的發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出方式，結(jié)合豐滿發(fā)電機(jī)的內(nèi)部故障特點(diǎn)，分析對比提出6種不同的主保護(hù)配置方案。

（1）方案一——1套零序電流型橫差保護(hù)+1套完全縱差保護(hù)

按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，大型水輪發(fā)電機(jī)應(yīng)配置有完全縱差保護(hù)，用來應(yīng)對實(shí)際運(yùn)行時(shí)可能發(fā)生的相間短路；同時(shí)在實(shí)際運(yùn)行中還存在匝間短路的可能性，因此應(yīng)增加橫差保護(hù)。此外零序電流型橫差保護(hù)因其結(jié)構(gòu)簡單、功能全面而被優(yōu)先選擇。

考慮到豐滿發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引出和分支分組方式的不同，方案一的構(gòu)成如圖1所示，在o1和o2之間接一個(gè)電流互感器（TA0），用來構(gòu)成一套零序電流型橫差保護(hù)；利用每相已存在的2個(gè)分支電流互感器（TA1～TA6）和機(jī)端相電流互感器（TA7～TA9），進(jìn)而構(gòu)成一套完全縱差保護(hù)。

圖1 方案一發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置示意圖（傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案）

方案一的性能如表1所示。

表1 在方案一下出現(xiàn)同槽和端部故障時(shí)的動作情況

（2）方案二——1套完全裂相橫差保護(hù)+2套不完全縱差保護(hù)

方案二如圖2所示，將每相4個(gè)分支一分為二，共裝了6個(gè)分支電流互感器（TA1～TA6）和機(jī)端相電流互感器（TA7～TA9），進(jìn)而構(gòu)成1套完全裂相橫差保護(hù)和2套不完全縱差保護(hù)。

方案二的性能如表2所示。

（3）方案三——1套完全裂相橫差保護(hù)+1套完全縱差保護(hù)

方案三如圖3所示，就是將方案二的2套不完全縱差保護(hù)用1套完全縱差保護(hù)代替。

方案三的性能如表3所示。

圖2 方案二發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置示意圖

表2 在方案二下出現(xiàn)同槽和端部故障時(shí)的動作情況

圖3 方案三發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置示意圖

表3 在方案三下出現(xiàn)同槽和端部故障時(shí)的動作情況

（4）方案四——1套完全裂相橫差保護(hù)+2套不完全縱差保護(hù)+1套零序電流型橫差保護(hù)

方案四如圖4所示，通過將每相的1、2兩個(gè)分支連接到一起，形成中性點(diǎn)o1；再將每相的3、4兩個(gè)分支連接到一起，形成中性點(diǎn)o2。

在o1和o2之間連接一個(gè)電流互感器（TA0），同時(shí)在每相的1、2兩個(gè)分支和3、4兩個(gè)分支上裝設(shè)分支電流互感器（TA1～TA6），在機(jī)端裝設(shè)相電流互感器（TA7～TA9），進(jìn)而構(gòu)成1套零序電流型橫差保護(hù)、1套完全裂相橫差保護(hù)和2套不完全縱差保護(hù)，其實(shí)就是在方案二的基礎(chǔ)上增加了1套零序電流型橫差保護(hù)。

圖4 方案四發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置示意圖

方案四的性能如表4所示。

表4 在方案四下出現(xiàn)同槽和端部故障時(shí)的動作情況

（5）方案五——1套完全裂相橫差保護(hù)+1套完全縱差保護(hù)+1套零序電流型橫差保護(hù)

方案五如圖5所示，就是將方案四的2套不完全縱差保護(hù)用1套完全縱差保護(hù)代替。

圖5 方案五發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置示意圖

方案五的性能如表5所示。

（6）方案六——1套完全裂相橫差保護(hù)+2套不完全縱差保護(hù)+1套零序電流型橫差保護(hù)+1套完全縱差保護(hù)。

方案六如圖6所示，就是在方案四的基礎(chǔ)上增設(shè)了1套完全縱差保護(hù)。

表5 在方案五下出現(xiàn)同槽和端部故障時(shí)的動作情況

圖6 方案六發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置示意圖

方案六的性能如表6所示。

表6 在方案六下出現(xiàn)同槽和端部故障時(shí)的動作情況

3 保護(hù)配置方案的性能和優(yōu)缺點(diǎn)分析對比

（1）傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案存在較大的保護(hù)死區(qū)，不能動作故障數(shù)有388種。究其原因在于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案僅憑概念、經(jīng)驗(yàn)和定性分析來確定，未經(jīng)全面的內(nèi)部短路分析計(jì)算及主保護(hù)定量化設(shè)計(jì)過程，方案的選取難免存在盲目性。

（2）方案四～方案六的保護(hù)死區(qū)最少，不能動作的216種故障基本上都是小匝數(shù)同相同分支匝間短路；但方案四和方案六的兩種及以上不同原理主保護(hù)靈敏動作故障數(shù)要比方案五多48種，考慮到微機(jī)保護(hù)裝置是用軟件來實(shí)現(xiàn)繼電器的功能，可適當(dāng)降低對雙重化指標(biāo)的要求。

方案六相對于方案四而言，需增加1套差動保護(hù)方案；而方案五相對于方案四而言，則減少了1套差動保護(hù)，這樣做可以簡化保護(hù)裝置的構(gòu)成和計(jì)算的工作量。同時(shí)對于繼電保護(hù)人員來說，完全縱差保護(hù)被其熟悉，并且已廣泛的應(yīng)用到實(shí)踐運(yùn)行中。

大量運(yùn)行實(shí)踐也已證明，對采用集中布置疊繞組或者半波繞組的水輪發(fā)電機(jī)，在主保護(hù)配置方案中保留1套完全縱差保護(hù)，有利于對偏心振動引起的事故進(jìn)行分析，這已在鳳灘、彭水、深溪溝、天荒坪抽水蓄能等電站得到證實(shí)。

（3）相對于方案五而言，方案二和方案三的中性點(diǎn)引出方式變得簡單，但不能動作故障數(shù)增加了12種，兩種及以上不同原理主保護(hù)靈敏動作故障數(shù)最多減少了4028種。

（4）發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案的設(shè)計(jì)并非是一個(gè)單一變量簡單的系統(tǒng)，而是一個(gè)多變量且復(fù)雜的系統(tǒng)。因此，方案的確立必須兼顧設(shè)計(jì)的科學(xué)性和實(shí)用性；在不顯著降低主保護(hù)配置方案性能的前提下，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)和制造工藝是否方便、是否有利于簡化保護(hù)方案和減少硬件投資等因素必須在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)分支引出時(shí)被綜合考慮。

通過以上對比分析，推薦使用方案五（圖7）作為發(fā)電機(jī)的主保護(hù)配置方案。豐滿重建水電站在施工設(shè)計(jì)時(shí)也采用了此方案。

4 結(jié)束語

通過對豐滿重建水電站內(nèi)部故障的仿真計(jì)算，結(jié)合中性點(diǎn)側(cè)電流互感器的數(shù)量及安裝位置、主保護(hù)配置方案拒動故障數(shù)、兩種不同原理主保護(hù)反應(yīng)同一故障的能力等綜合因素考慮，最終確認(rèn)了主保護(hù)配置方案為1套完全裂相橫差保護(hù)+1套完全縱差保護(hù)+1套零序電流型橫差保護(hù)。同時(shí)在以后配置發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)時(shí)，建議根據(jù)發(fā)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析確定不同配置的動作情況，以選取最經(jīng)濟(jì)、最可行的方案，這樣才能確保發(fā)電機(jī)的安全。

圖7 推薦方案發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)配置示意圖