一次与二次结合，共创发电机优化设计新方法

张举华电国际十里泉发电厂

一次与二次结合，共创发电机优化设计新方法

张举
华电国际十里泉发电厂

摘要：通过比较三台发电机主保护定量化设计的结果，进一步指出在大中型发电机定子绕组初步设计过程中，需要将发电机中性点侧的引出方式、内部可能出现的故障特征以及主保护方案等结合起来，进行综合、全面的考虑。发电机设计和继电保护彼此分离，很容易使发电机在整个运行过程中出现安全问题。因此，将两者结合起来，利于定子绕组计划的优化设计。

关键词：发电机设计；继电保护；主保护配置方案

引言

在很多大型发电机中，逐渐开始采用主保护配置方案的定量化设计，而这一设计已经被更多的设计院或者电厂所接受，并应用在实际中。近年来，随着工程量的不断增加，工程实践也积累了大量的经验，虽然部分发电机定子绕组形式得到了明确规定，但目前应用的主保护方案依然不尽人意，缺乏良好的保护性能，继而在很大程度上给发电机组运行的安全性、稳定性造成影响。因此，发电机定子绕组设计完成之后，需对发电机内部短路主保护系统进行研究，并综合发电机设计（一次）和继电保护（二次）的工作，才能使定子绕组得到更好的优化设计。

一、分析两台火力发电机内部故障的特征

A发电机额定功率330万MW，使用分数槽叠绕组，52极，定子槽数是540，每相四分支，一个分支总共有45个线圈；发电机有额定参数，其中PN是330MW，UN是20kV，IN是11207A。进一步分析此发电机定子绕组的展开图，能够清楚的掌握A发电机定子绕组实际存在且容易发生的内部短路问题。此发电机一共有540种同槽故障，而相同分支分匝间短路一共有300种，其中2匝故障数目为60种，3匝为84种，4匝为60种，5匝为84种，6匝为12种；相间短路故障一共有240种，其中同相不同分支匝间短路故障数目有24种，分支编号相同有56种，分支编号不同的故障数目有160种。

B发电机额定功率330万MW，使用了整数槽波绕组，20极，定子槽数是360，每相四分支，一个分支总共有30个线圈；发电机有额定参数，其中PN是330MW，UN是20kV，IN是11207A。分析此发电机定子绕组展开图可以看出，此定子绕组可能发生的内部短路情况有很多，存在360种同槽故障，没有同相同分支匝间短路故障，同相不同分支匝间短路故障有300种，其中24匝故障数目为150种，35匝故障数目为120种，40匝为30种；相间短路故障有60种，其中分支编号相同的有8种，分支编号不同的故障数目有52种。

通过上述数据可以看出，两台火力发电机采用了不同的绕组方式，其内部出现故障的特点也有很大差异。A发电机同槽故障主要是匝间短路，特别是小短路匝间故障比较多；B发电机同槽故障中没有同相同分支匝间短路故障。

二、比较两台火力发电机的主保护性能

根据定子绕组连接图，可以更好的发现发电机实际有可能出现的同槽故障，通过计算内部短路情况，便于了解各种类型的主保护方案性能，并根据优势互补、综合利用的原则进行设计，还要充分考虑发电机性能点侧分支引出个数等，从而在定量分析的基础上最终确定发电机的主保护配置方案。

虽然两台发电机的中性点侧分支引出方式没有明显区别，但故障特点有很大区别，从而使其保护性能有所区别。A发电机的主保护不能动作的故障比较多，只有86％的内部故障可以实现两种以上不同原理的主保护动作；B发电机对所有可能发生的故障，都采用了有两种以上的原理的主保护方案。

三、分析定子绕组连接方式不同的主保护配置方案的区别

由于两台发电机定子绕组不同连接形式的主保护配置方案在保护性能上都存在不同程度的差别，归根结底，还是因为发电机的定子绕组形式。分析之后可以发现，A发电机同槽故障同相不同分支匝间短路故障数目有24种，其中为大匝数故数目有12种，2个短路分支的短路点都位于发电机端，主保护方案都没有动作，其他12种故障是小匝数故障。

对于B发电机同样的主保护配置来说，相邻连接方式和相隔连接方式都存在性能上的差异，主要是因为定子绕组形式不同，导致各个分支的故障特点也有较大差异，同槽、端部故障发生在邻近电位的同相不同分支匝间短路，不管是出现在相隔分支间还是相邻分支之间，故障数目都没有太大差异。同时，相邻分支之间的短路故障也主要发生在每相的第1支与第2支之间或者第3支与第4支之间。

四、火力发电机中性点侧引出方式对继电保护性能具有较大影响

一般情况下，火力发电机额定功率140万MW，其额定参数主要为：PN是140MW，UN是13.8kV，IN是6891A，cosФ为0.85，If（）为627A，IfN为1748A，一共54槽，每相有2个分支，每个分支有9个线圈。通过分析此发电机定子绕组的展开图可以看出，此发电机同槽故障有54种，无同相同分支，同相不同分支有24种，相间短路有30种；端部故障有1077种，同相同分支有168种，同相不同分支有30种，相间短路有879种。通过分析，新型主保护方案不能动作故障数目仅为故障总数量的2％。而传统主保护方案不能动作的故障数目达到故障中数目的20％。由此可以看出，和传统主保护方案相比，当发电机定子绕组出现内部故障时，新型中性点侧引出方式和主保护方案的效果更好。

五、结语

发电机中应用的定子绕组灵活性很高，在设计过程中，不仅要充分满足电机的设计要求，还应该充分考虑在发电机连接形式不同时，产生的内部故障之间的差异性，同时也要分析此故障对主保护方案性能带来的影响，实现二次为一次服务、一次为二次提供条件的目标，将继电保护与发电机密切结合在一起，从而使发电机定子绕组得到优化设计，利于发电机的安全运行。

参考文献：

[1]王慧敏，夏长亮，乔照威，宋战锋.双馈风力发电机混合粒子群优化设计[J].天津大学学报.2012(02).