反思低转速大型水轮发电机定子绕组形式的选择

桂 林，铎 良，杨忠国，邱阿瑞，王祥珩

(1.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084；2.东方电气集团东方电机有限公司，德阳 618000；3.天津阿尔斯通水电设备有限公司，天津 300400)

前言

现阶段，多分支大型水轮发电机主保护配置方案的设计多在内部短路分析计算的基础上，经定量化设计过程来完成。由于水轮发电机定子绕组形式的选择较灵活，对于同一台发电机，叠绕组和波绕组（有“全波绕组”和“半波绕组”之分，两者的连接方式有所不同）均可能采用[1-2]，而不同定子绕组形式所决定的发电机内部故障特点是不一样的，使得某些绕组形式的发电机难以取得令人满意的保护性能；特别是近年来出于抑制转子偏心振动的目的，某些低转速大型水轮发电机采用或改用集中布置的叠绕组或“半波绕组”，虽有利于改善发电机组的运行质量，但对由此带来的发电机主保护性能的变化则注意不够，将给发电机的安全运行带来隐患。

本文以糯扎渡 DEC（6×650MW）、梨园（4×600MW）和观音岩TAH（3×600MW）发电机主保护设计为例，通过定子绕组形式的合理选择，减少短路匝数/每分支线圈数小于5%的同相同分支匝间短路故障数，在电机设计阶段就为主保护性能的提高做准备。

1 不同绕组形式发电机内部故障特点及主保护性能的分析对比[3-8]

糯扎渡DEC发电机48极，定子槽数为576，每相8分支，发电机定子绕组原选择整数槽（q=4）“全波绕组”，如图1（a）所示，后改用整数槽（q=4）“半波绕组”，如图1（b）所示。

图1 糯扎渡DEC发电机可能采用的定子绕组示意图

基于DEC提供的发电机定子绕组接线图，设计变更前后发电机内部故障数及变化对比如表1所示。对于采用“全波绕组”的糯扎渡DEC发电机，内部故障中不存在小匝数同相同分支匝间短路；而改用“半波绕组”之后，小匝数同相同分支匝间短路在内部故障中也就占有了一定比率。

表1 糯扎渡DEC、梨园和观音岩TAH发电机实际可能发生的同槽和端部交叉故障

图2 糯扎渡DEC发电机内部故障主保护及TA配置推荐方案

由于糯扎渡DEC发电机内部故障中小匝数匝间短路数的增加，使得图2所示主保护配置方案（均由零序电流型横差、完全裂相横差和完全纵差保护构成），对于设计变更前的糯扎渡DEC发电机，保护死区仅为0.06%；而对于采用“半波绕组”的糯扎渡DEC发电机，保护死区则增大到1.09%；倘若定子绕组形式变更为叠绕组，则保护死区必将随着小匝数匝间短路数的增加而进一步增大，这从梨园和观音岩TAH发电机主保护性能的对比中可以清楚地看出。

梨园发电机64极，定子槽数为720，每相8分支，采用分数槽（q=15/4）叠绕组，如图3（a）所示；观音岩TAH发电机66极，定子槽数为594，每相6分支，采用整数槽（q=3）“全波绕组”，如图3（b）所示。基于天阿提供的发电机定子绕组接线图，两台发电机内部短路数及对比如表1所示。

从表1的对比中可以看出，采用“全波绕组”的观音岩TAH发电机，小匝数同相同分支匝间短路在同槽和端部故障中都不存在，而对于采用叠绕组的梨园发电机而言，则小匝数同相同分支匝间短路所占比率较大，将严重影响主保护方案的性能。

以至于采用图2（b）所示主保护配置方案，梨园发电机不能动作故障数占内部故障总数的比率高达13.7%，不能动作故障类型都是同相同分支匝间短路，且故障位置多在绕组端部；而采用类似图2（a）所示主保护配置方案的观音岩TAH发电机，不仅没有保护死区，且对全部10089种内部短路有原理不同的两种及以上主保护灵敏动作。

图3 梨园和观音岩TAH发电机定子绕组示意图

2 从电机设计的角度简析集中布置绕组发电机抑制转子偏心振动的能力[7]

由于现场安装水平有限，在吊装大型水轮发电机转子时，往往都会发生一定程度的偏心现象；而采用不同的发电机定子绕组形式及连接方式时，转子偏心对同相各支路平衡性的影响又是不一样的。

若定子绕组为图4（a）所示集中布置的叠绕组，则影响最大；若为每分支沿定子内圆360º分布布置的“全波绕组”，如图4（c）所示，则气隙偏移对各支路没影响；气隙偏移对图4（b）所示同为集中布置的“半波绕组”各支路的影响，则介于叠绕组和“全波绕组”之间。电机设计理论[1]及仿真结果[8]也都验证了上述观点。

图4 每相4分支水轮发电机定子绕组分布示意图

而上述集中布置的两种绕组形式恰恰是利用转子偏心产生的分支环流来抵消气隙不均匀引起的磁拉力，又将发生偏心的转子“推回”中心位置，这也是近年来某些低转速的大型水轮发电机仍然采用或改用集中布置绕组的主要原因。下面以一台联网带载两极发电机的定性分析和一台700MW水轮发电机的现场实测结果为例进行说明。

图5两极发电机定子绕组用等效的集中线圈代表，假定转子逆时针旋转且转子中心由O点偏移至O1点，图示瞬间定子绕组感应电动势达到最大且其方向如图所示；由于发电机带的多是感性负载，当转子逆时针转过90º电角度至图中虚线磁极所示位置时，定子绕组中的电流才达到最大，方向如图5所示。此时定子电流产生的磁链方向与转子磁链方向相反，使得图中虚线所示N、S极的受力方向相反；由于S极下的气隙较N极小，势必又把转子“推回”中心位置。

图5 转子偏心对集中布置绕组支路平衡性的影响

某700MW水轮发电机（采用分数槽“半波绕组”，每个分支绕电机内圆约1/3圈）单机空载时机组振动的实测结果也验证了上述观点。对比每相并联分支打开和再次连上时机组的振动情况，则前者较后者明显加剧，气隙最大偏移量也从后者的零点几毫米增大为前者的1.8mm。

3 合理选择发电机定子绕组形式，兼顾电机设计和继电保护的要求

在不显著降低主保护配置方案性能的前提下，发电机中性点引出方式及分支分组必须考虑电机设计和制造是否方便，是否有利于减少保护方案的构成和所需的硬件投资。

但是对于低转速的梨园发电机而言，由于其保护死区过大，不得不在天阿电机设计人员的配合之下（调整了发电机每分支机端和中性点的出线位置），改变了发电机中性点侧引出方式和分支TA的布置（如图6所示），采用“3-2-3”的中性点引出方式，并在每相上装设3个分支TA，以增设主保护方案来进一步减小保护死区，使得图6所示主保护配置方案的保护死区减小为9.7%，相比于原主保护配置方案，保护死区虽有所减小但收效不大，且增加了发电机中性点侧铜环布置和TA安装的难度，增加的主保护方案必将加重保护装置的负担，可能引发CPU工作的不稳定（负荷率太高），又将影响到保护装置的正常工作。

图6 梨园发电机内部故障主保护及TA配置推荐方案（相邻连接，123-45-678）

综上所述，对于低转速的大型水轮发电机，若采用叠绕组，则其线圈连接方式决定同相同分支匝间短路必然存在，并且转速越低，对应的发电机极对数和定子槽数必将增加，小短路匝比问题愈发突出（因为每分支线圈数逐渐增多），仅仅依靠主保护的定量化设计难以取得令人满意的保护性能，因为常用主保护方案均不反应小匝数匝间短路。

行之有效的解决措施是通过与电机厂的合作，有针对性地选择发电机的定子绕组形式，同时满足电机设计和继电保护的需求。对于低转速的大型水轮发电机应优先选择“半波绕组”，在满足电机设计经济性要求和抑制转子偏心振动的同时，于绕组设计阶段就力求减少继电保护的动作死区，这是因为就“半波绕组”而言，其小匝数同相同分支匝间短路仅存在于绕向相反的线圈之间，数量有限，且通过调整“半波绕组”分支电势的构成方式还可进一步减少小匝数匝间短路所占的比率，以进一步提高主保护配置方案的性能。

其次，在“半波绕组”发电机主保护配置方案中有目的地保留完全纵差保护，以区分主保护动作的原因是转子偏心振动还是内部短路；当机组状态监测装置显示上导轴承的摆度及气隙同心度等均未超标，横差保护动作完全而纵差保护未动作（不反应分支不平衡电流）时，则可判断事故为转子偏心振动引起，这在凤滩（2×200MW）、彭水（5×350MW）等电站已得到证实，大大减少了故障检修的时间。

4 结语

（1）低转速大型水轮发电机应优先选择“半波绕组”，既抑制了转子偏心振动，又改善了主保护方案的性能，实现了电机设计和主保护设计的“双赢”。

（2）发电机定子绕组形式的选择应兼顾电机设计和继电保护的要求，为发电机主保护性能的显著提高创造条件。

[1] 白延年.水轮发电机设计与计算[M].北京:机械工业出版社,1982.

[2] 许实章.交流电机的绕组理论[M].北京:机械工业出版社,1985.

[3] 王维俭,王祥珩,王赞基.大型发电机变压器内部故障分析与继电保护[M].北京:中国电力出版社,2006.

[4] 桂林.大型发电机主保护配置方案优化设计的研究[D].北京:清华大学,2003.

[5] 桂林,王维俭,孙宇光,等.三峡右岸发电机主保护配置方案设计研究总结[J].电力系统自动化,2005,29(13):69-75.

[6] 桂林,王祥珩,孙宇光,等.向家坝和溪洛渡水电站发电机主保护设计总结[J].电力自动化设备,2010,30(7):30-33.

[7] 桂林,王祥珩,孙宇光,等.叠绕组水轮发电机内部故障特点与主保护性能分析.电力系统自动化,2010,34(7):70-74.

[8] 诸嘉慧,邱阿瑞.转子偏心对不同绕组形式大型凸极同步发电机支路感应电动势的影响[J].电工技术学报,2009,24(7):1-5.