大型发电机内部短路主保护性能分析及配置方案的选择

戈宝军, 文茹馨，杨 崑，吕艳玲



大型发电机内部短路主保护性能分析及配置方案的选择

戈宝军1, 文茹馨1，杨 崑2，吕艳玲1

（1. 哈尔滨理工大学，哈尔滨 150080；2. 哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040）

大型发电机内部短路主保护方案的配置是大型发电机安全可靠运行的前提基础，是电力设计者的重要任务。本文对大型发电机内部短路四种主保护的原理进行了详细的叙述，通过灵敏度计算分析软件对四种主保护的灵敏度进行分析，并根据对匝间短路和相间短路的分析结果总结了灵敏度的变化规律，并将定子绕组分为两个中性点和三个中性点两种情况讨论分支组合方式，归纳了主保护方案的配置方法及最终方案的确定方法，为大型发电机配置高性能的主保护方案提供了理论基础。

大型发电机；内部故障；灵敏性分析；定子绕组分支引出；主保护配置；方案选择

0 前言

大型发电机发生内部短路时会产生很大的短路电流，这个短路电流会严重威胁到发电机正常的安全运行，同时还会造成巨大的经济损失。为了保证电力系统的电能质量和输电的稳定性，给发电机配置高性能的内部短路主保护方案十分必要。

对于主保护配置问题，许多学者已经进行了多方面的研究工作。文献[1]提出了奇数多分支大型水轮发电机主保护设计过程的简化方法；为省去“枚举法”选择分支组合的巨大工作量，文献[2]提出了选择支路分支的两条原则；文献[3]～[6]分别对二滩电站、龙滩电站、沐若电站以及三峡等不同电站发电机的主保护配置方案进行分析和对比，详述了发电机主保护配置的定量化设计过程；文献[7]纠正了工程界以容量相等或相近为理由而互相搬用主保护配置方案的错误做法，提出了优化设计过程；文献[8]对发电机定子匝间短路的分析方法、各种匝间保护方法和滤波算法进行了深入的研究；文献[9~10]介绍了大型发电机内部故障电流的计算方法，并根据短路电流进行主保护配置的分析。上述文献中均以大型发电机为例介绍了发电机主保护配置的定量化设计过程，但是对主保护的性能分析不够详细，不利于设计者在配置高性能的主保护方案时做出最佳的选择。

为了给设计工作节约时间并提高主保护方案的性能，本文对四种主保护的工作性能进行了详细的分析，并将定子绕组分支分为两个中性点和三个中性点两种情况分别讨论其分支的引出方式，最后详述了大型发电机内部短路主保护设计的基本步骤及最终方案的选择方法，为后续大型水电站发电机的设计和主保护方案的选择提供借鉴。

1 灵敏度的计算

2 四种主保护及其性能分析

2.1 零序电流型横差保护

零序电流型横差保护，又称为单元件横差保护，它将定子绕组一分为两部分或三部分，检测各部分之间的零序环流[8]。零序电流型横差保护是一种过电流保护，当电流超过预定最大值时保护装置动作。适用于多分支的定子绕组，在大型发电机中应用广泛，对发电机定子绕组匝间短路有较高的灵敏度。

由于零序横差保护主要反应发电机定子绕组的匝间短路，现以并联支路数为6的SF600－42/1308水轮发电机为研究对象，对同相匝间短路的零序电流保护性能进行分析。对于同相同分支匝间短路来说，对该发电机A相第一分支匝间短路进行仿真计算，根据仿真结果计算其灵敏度。通过主保护分析程序对其仿真结果进行零序电流型横差保护的性能分析，得到如图1所示的灵敏度分散图。

图1 同相同分支匝间短路零序电流型保护灵敏度分散图

（a）为两个中性点时定子绕组分支组合135-246的灵敏度分散图，（b）为三个中性点时定子绕组分支组合12-34-56的灵敏度分散图，两图均对短路位置匝数相差奇数匝的同相同分支匝间短路进行了灵敏度分析。从图中可以看出，无论是两中性点定子绕组引出方式，还是三中性点的定子绕组引出方式，零点电流型横差保护灵敏性都随同相同分支匝间短路匝数的增加而增加。另外由于零序电流型横差保护比较的是内部故障时发电机两部分之间的不平衡，将整个定子绕组分成三部分，其各部分的不平衡度应大于分成两部分的不平衡度，所以三中性点引入两套零序电流性横差保护时灵敏性要优于一套零序电流型横差保护。

对于同相不同分支匝间短路来说，零序电流型横差保护的保护效果与构成保护电流互感器引入的分支有关。当发生短路的同相不同分支同时接入相同中性点时灵敏度要明显低于发生短路的同相不同分支同时接入不同中性点时的灵敏度。

2.2 裂相横差保护

由于发电机内部短路主保护设计中，最少要有一横一纵，而零序电流型横差保护不适用于机外只引出一中性点的发电机。裂相横差保护将发电机中性点侧的每相并联分支直接分为2组（完全裂相横差保护）或舍弃其中某一分支后将剩余绕组分为两组（不完全裂相保护），主要反应发电机内部故障的匝间短路，比较的是同相间两部分之间电流的不平衡度[8]。图2为SF600－42/1308水轮发电机组A相匝间短路时完全裂相横差保护与不完全裂相横差保护灵敏性的对比图。从（a）、（b）中可以看出无论是同相同分支匝间短路，还是同相不同分支匝间短路，对于小匝数短路不完全裂相横差保护的灵敏性与完全裂相横差保护灵敏性相差不大，甚至要好于完全裂相横差保护，但是随着短路匝比的增加，不完全裂相横差保护的灵敏性逐渐变差，相反，完全裂相横差保护的灵敏性变好。对于不完全裂相横差保护，当故障分支恰好为被舍弃的分支时，故障相绕组其余分支的不平衡度会很小，会导致故障相不完全裂相横差保护灵敏性的降低。

图2 同相间匝间短路两种裂相横差保护灵敏性对比图

发电机正常运行时，各分支绕组电动势相等，流过相等的负荷电流。当同相间发生匝间短路时，各分支电动势分配发生变化，产生电动势差。当产生的电流差大于保护整定值，裂相横差保护动作；当产生电流差较小时，保护存在死区。根据灵敏性分析易知，小匝数同相间短路为裂相横差保护可能出现的保护死区。

2.3 不完全纵差保护

不完全纵差保护是“两纵”中比较常用的一种，将电流互感器接于中性点侧每相部分并联分支绕组中，与机端侧电流互感器构成不完全纵差保护。不完全纵差保护不仅能反映相间短路，同时还能反映匝间短路。匝间短路的灵敏性与引入分支数相关联，图3、4分别为匝间短路和相间短路在中性点侧接入分支数为2和3时不完全纵差保护的灵敏度对比图，由图3可以发现随着中性点侧引入分支数的增加，匝间短路灵敏性减小。相间短路的灵敏性也与引入分支数相关联，且与匝间短路相反，随中性点侧引入分支的增加，相间短路的灵敏性增加，如图4所示。

图3 不同分支引入数时不完全纵差保护匝间短路灵敏性对比图

图4 不同分支引入数时不完全纵差保护相间短路灵敏性对比图

2.4 完全纵差保护

完全纵差保护是一种传统的纵差保护，比较发电机定子绕组首端（机端侧）和尾端（中性点侧）的电流是否平衡，对于定子绕组相间短路很灵敏，且只能够反应相间短路故障。完全纵差保护由中性点侧某相全部并联分支绕组接入的电流互感器，与相应机端侧的电流互感器共同构成。

3 发电机内部短路主保护方案的配置

3.1 定子绕组分支引出方式

对于大型发电机来说，定子绕组分支数较多，分支引出组合复杂，所以对定子绕组分支引出方式的讨论十分必要。为了更详细地讨论定子绕组分支的引出方式，本文将分支引出方式分为两个中性点和三个中性点两种情况分别讨论。

表1 两个中性点时分支组合分配情况

表2 三个中性点时分支组合分配情况

3.2 主保护的构成

大型发电机主保护一般以主保护的组合形式配置，最少要“一横一纵”两种主保护进行组合，横差保护优先考虑零序电流型横差保护，再考虑其他主保护的取舍。为了提高主保护配置方案的性能，在不增设电流互感器TA的前提下，可在零序电流型横差保护的基础上增设裂相横差保护。

图5（a）为两个中性点下主保护配置，可以组成的主保护有（以a相为例）：

零序电流型横差保护：TA0；

完全裂相横差保护：TA1-TA2；

完全纵差保护：(TA1+TA2)-TA7；

不完全纵差保护：TA1-TA7；TA2-TA7。

三个中性点下主保护配置如图5（b）所示，除了上述主保护配置，还可以组成的主保护有（以a相为例）：

零序电流型横差保护：TA01；TA02；

不完全裂相横差保护：TA1-TA2。

（a） 两个中性点主保护配置图

（b） 三个中性点主保护配置图

图5 主保护配置图

3.3 主保护组合方案的配置方法

在给大型发电机配置主保护组合方案之前，需对发电机故障集进行详细的统计，并对故障集中的故障进行空载状态下短路电流的仿真，而后才可以进行主保护方案的配置工作[3-7]。对SF600－42/1308水轮发电机实际可能发生的内部短路进行故障类型分析，具体分配如表3所示。

表3 SF600－42/1308水轮发电机内部故障分析

由于负载状态下的灵敏度要比空载状态下的灵敏度大得多，导致负载状态的保护死区不明显，会给最终主保护配置工作加大难度，不利于主保护最终配置的选择，所以灵敏度的计算需要的内部短路仿真电流为空载状态下的短路电流。通过对SF600－42/1308水轮发电机内部短路主保护可行方案灵敏性的计算和对比，可得到各主保护方案的动作性能，包括只有一种主保护动作故障数、双重化主保护动作故障数、拒动故障数及相应拒动故障信息。从可行方案中确定最终主保护配置方案需综合考虑各项指标，同时也取决于所配置主保护之间的“合作”。在对各主保护组合方案性能分析的基础上，还需对以下几点综合考虑，进而推荐最终的主保护配置方案：

（1）中性点侧分支引出简单

（2）完成内部短路保护功能所用的保护方案简单

（3）电流互感器个数少

（4）主保护不可动作故障个数少

（5）主保护可双重化动作的故障个数多

（6）内部短路保护死区占故障总数的比重小

经过多因素的综合考虑，SF600－42/1308水轮发电机采用135-246分支组合方式，图6是该发电机内部故障主保护的推荐方案。推荐方案存在的保护死区为所有可行方案的共同死区：小匝数同相同分支匝间短路和机端侧大匝数同相不同分支匝间短路，保护死区与本文提到的主保护性能分析相符。

图6 SF600－42/1308水轮发电机内部故障主保护推荐方案

4 结论

本文通过对大型发电机内部短路主保护配置方案的研究，可以得出以下结论：

（1）通过对四种主保护工作原理和工作性能的分析，发现主保护存在一定的规律性，例如同相同分支匝间短路横差保护灵敏性随匝数的增加而呈上升趋势；对于小匝数匝间短路完全裂相横差保护的保护效果要稍优于不完全裂相横差保护的保护效果；随着匝数的增加，不完全裂相横差保护灵敏性将明显优于完全裂相横差保护；不完全纵差保护与引入分支个数有关等。

（2）定子绕组分支的引出方式与主保护的保护效果息息相关，通过对不同中性点情况的分析，更加明确了定子绕组分支引出方式种类、个数以及不同分支组合方式对匝间短路保护效果的影响，更加方便设计者主保护方案的对比和分析。

（3）灵敏度计算需要的仿真电流为空载状态下的短路电流，这有利于保护死区的分析和主保护方案的对比和选择。

（4）通过对主保护配置方案设计过程进行详述，总结了最终推荐方案的确定方法，为后续大型发电机主保护配置的设计提供了借鉴，为型发电机更安全、更可靠的运行奠定基础。

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The Analysis of Main Protection Performance and the Selection of Configuration Scheme for Internal Short Circuit of Large Generators

GE Baojun1, WEN Ruxin1, YANG Kun2, LV Yanling1

(1. Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China；2. Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The main protection configuration scheme for internal short circuit of large generators is the premise foundation of its safe and reliable operation. It is an important task of power designers. In this paper, the principle of the four kinds of main protection for the internal short circuit of large generators has been carried on the detailed narration. The sensitivities of fourmain protections were analyzed through the software for calculation and analysis of the sensitivity. The laws of sensitivity according to the analysis results of inter-turn short circuit and interphase short circuit were summarized. The ways of the stator winding branches combination were discussed in two different conditions—two neutral points and three neutral points. The method of the main protection configuration scheme and the method for determining of the final scheme were summarized. This paper provides the theoretical basis for high-performance main protection configuration scheme of large generators.

large generators; internal faults; sensitivity analysis; the ways of the stator winding branches combination; main protection configuration; scheme selection

TM31

A

1000-3983(2014)01-0010-05

国家科技重大专项资助项目（2009ZX06004-013-04-01）

2013-11-12

戈宝军(1960-)，1999年毕业于哈尔滨工业大学电机与电器专业，2004年清华大学电气工程学科博士后流动站出站，主要从事大型机电能量转换装置的基础理论与运行研究工作，教授，博士生导师。

审稿人：孙玉田