龙口发电机内部故障主保护配置方案研究

国 栋 程晓坤 林 宁

龙口发电机内部故障主保护配置方案研究

国 栋 程晓坤 林 宁

发电机内部故障主保护配置对发电机的安全运行发挥重要的作用，而主保护及TA配置存在多种不同的方案。发电机内部故障时，不同的配置方案对于故障的动作情况各不相同。分析了不同配置方案对应发电机内部各种故障的动作情况，选取的最佳配置方案确保了龙口发电机组的安全运行。

发电机 内部故障 保护配置 TA配置

龙口水利枢纽位于黄河中游托克托至龙口段的尾部，左岸为山西省河曲县，右岸为内蒙古自治区准格尔旗。其任务是对上游万家寨电站发电流量进行反调节，保证龙口至天桥河段不断流，并担负晋蒙电网部分调峰负荷。水库正常蓄水位为898.00 m，总库容1.957亿m3。

电站装有4台单机容量为100 MW的轴流转桨式水轮发电机组和1台容量为20MW的混流式水轮发电机组，总装机容量420 MW，多年平均发电量为13.02亿kW·h。

1 发电机主保护配置原则

为兼顾定子绕组短路和机端引线短路，主保护配置方案中必须包括横差保护和纵差保护，形成 “一横一纵”的初步格局；需综合考虑各种指标——中性点侧TA的数目和安装位置、主保护配置方案拒动故障数、2种不同原理主保护反应同一故障的能力等等；尽量减少主保护配置方案所需的硬件投资 （中性点侧引出方式和分支TA的数目）和保护方案的复杂程度。

2 龙口发电机内部故障不同保护及TA配置方案

根据不同的中性点侧TA的配置 （是装设相电流互感器还是装设分支电流互感器）和中性点引出方式 （是引出1个中性点还是引出2个中性点），结合龙口发电机的故障特点，分析对比不同的主保护配置方案的性能如下。

2.1 发电机每相中性点侧装设1个相电流互感器，引出2个中性点

方案1（传统设计方案）如图1所示，将每相的第1分支接在一起，形成中性点O1；再将每相第2分支接在一起，形成中性点O2；在O1～O2之间接一个电流互感器TA0，构成1套零序电流型横差。并在每相中性点侧装设1个相电流互感器TA1～TA3和3个机端相电流互感器TA4～TA6，以构成一套完全纵差保护。方案1（代号K01+3）的性能如表1所示。

图1 发电机主保护配置方案1

表1 发电机同槽和端部故障时方案1的动作情况

2.2 发电机每相装设1个分支TA，引出2个中性点

方案2如图2所示，零序电流型横差保护（代号01）的构成与方案1相同，不同之处在于每相的第1分支（或第2分支）上装设了分支电流互感器TA1～TA3，并有机端相电流互感器TA4～TA6，以构成1套不完全纵差保护（两侧TA不同型，代号21）。方案2（代号K01+21L或K01+21R）的性能如表2所示。

表2 发电机同槽和端部故障时方案2的动作情况

2.3 发电机每相装设2个分支TA，引出1个中性点由于微机保护信息资源可共享，利用图3所示的中性点引出方式和分支TA的布置，可以实现龙口发电机主保护配置方案3～5（“一横一纵”或“一横两纵”），下面分述之。

方案3：完全裂相横差保护（代号10）+完全纵差保护（代号3）。利用图3中每相的2个分支电流互感器TA1～TA6，和3个机端相电流互感器TA7～TA9，以构成1套完全裂相横差和1套完全纵差保护（其中性点侧相电流取自每相的2个分支TA）。方案3（代号K10+3）的性能如表3所示。

图3 发电机主保护配置方案3～5

表3 发电机同槽和端部故障时方案3的动作情况

方案4：完全裂相横差保护（代号10）+不完全纵差保护（代号21=21L+21R）。利用图3中每相的2个分支电流互感器TA1～TA6，可以构成1套完全裂相横差保护；利用上述分支TA和3个机端相电流互感器TA7～TA9，可以构成1套或2套不完全纵差保护。方案4（代号K10+21）的性能如表4所示。

表4 发电机同槽和端部故障时方案4的动作情况

方案5：完全裂相横差保护（代号10）+不完全纵差保护（代号21）+完全纵差保护（代号3）。利用图3中每相的2个分支电流互感器TA1～TA6，可以构成1套完全裂相横差保护；利用上述分支TA 和3个机端相电流互感器TA7～TA9，可以构成1套或2套不完全纵差和1套完全纵差保护。方案5（代号K10+21+3）的性能如表5所示。

表5 发电机同槽和端部故障时方案5的动作情况

2.4 发电机每相装设2个分支TA，引出2个中性点

同上所述，利用图4所示的中性点引出方式和分支TA的布置，可以实现龙口发电机主保护配置方案6～9（“一横两纵”、 “两横一纵”或 “两横两纵”），下面分述之。

图4 发电机主保护配置方案6～9

方案6：零序电流型横差保护（代号01）+不完全纵差保护（代号21）+完全纵差保护（代号3）。如图4所示，将每相的第1分支接在一起，形成中性点O1；再将每相的第2分支接在一起，形成中性点O2。在O1～O2之间接一个电流互感器TA0，在每相的第1和第2分支上装设分支电流互感器TA1～TA6，并有机端相电流互感器TA7～TA9，以构成1套零序电流型横差、1套或2套不完全纵差和1套完全纵差保护。方案6（代号K01+21+3）的性能如表6所示。

表6 发电机同槽和端部故障时方案6的动作情况

方案7：零序电流型横差保护（代号01）+完全裂相横差保护（代号10）+不完全纵差保护（代号21）。利用图4中性点O1～O2之间的电流互感器TA0，构成1套零序电流型横差保护；利用每相的2个分支电流互感器TA1～TA6，和3个机端相电流互感器TA7～TA9，以构成1套完全裂相横差和1套或2套不完全纵差保护。方案7（代号K01+10+21）的性能如表7所示。

表7 发电机同槽和端部故障时方案7的动作情况

方案8：零序电流型横差保护（代号01）+完全裂相横差保护（代号10）+完全纵差保护（代号21）。利用图4中性点O1～O2之间的电流互感器TA0，构成1套零序电流型横差保护；利用每相的2个分支电流互感器TA1～TA6，和3个机端相电流互感器TA7～TA9，以构成1套完全裂相横差和1套完全纵差保护。方案8（代号K01+10+3）的性能如表8所示。

方案9：零序电流型横差保护（代号01）+完全裂相横差保护 （代号10）+不完全纵差保护 （代号21）+完全纵差保护 （代号3）。利用图4中性点O1～O2之间的电流互感器TA0，构成1套零序电流型横差保护；利用每相的2个分支电流互感器TA1～TA6，和3个机端相电流互感器TA7～TA9，以构成1套完全裂相横差、1套或2套不完全纵差和1套完全纵差保护。方案9（代号K01+10+21+3）的性能如表9所示。

表8 发电机同槽和端部故障时方案8的动作情况

表9 发电机同槽和端部故障时方案9的动作情况

3 保护及TA配置方案的性能和优缺点分析对比

（1）方案1的优点在于对于发生几率高的相间短路都能灵敏动作（由于采用了完全纵差保护），且类似方案在工程实践中已得到广泛应用，积累了成熟的运行经验。缺点在于对于所有的匝间短路，完全纵差保护均不能动作，使得方案1两种及以上不同原理主保护灵敏动作故障数不多。

（2）方案2和方案1的不同之处在于使用了不完全纵差保护，由于不完全纵差保护兼有可能反应匝间短路的优点，使得方案1两种及以上不同原理主保护灵敏动作故障数增多。缺点在于其对相间短路存在保护死区，导致方案2不能动作故障数较方案1增加了19种，且均为发生几率高的相间短路。

（3）方案3相比于方案1的变化在于用完全裂相横差保护代替了零序电流型横差保护，使得中性点引出变得简单。缺点同方案1，两种及以上不同原理主保护灵敏动作故障数较少。

（4）方案4～5、方案6～9相比于方案3，保护死区虽相同，但2种及以上不同原理主保护灵敏动作故障数显著增加，且方案4～5在实现上无需增加任何硬件投资，方案6～9则需增加1个零序电流型横差保护用TA。方案5较方案4多了1种保护方式，且完全纵差对全波型绕组机组无明显优势，使保护整定复杂。

综上所述，推荐方案4（代号K10+21，如图5所示）作为龙口发电机主保护和TA配置方案。龙口电站施工设计时采用了此方案，自从2009年第1台机发电以来运行良好。

图5 发电机内部故障主保护及全套TA配置推荐方案

4 结语

对于配置发电机内部故障保护的机组，建议均宜根据发电机的内部结构，分析确定不同配置的动作情况，以便确定最经济、有效的方案，确保机组的内部安全。

国 栋 女 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

程晓坤 男 工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

林 宁 女 教授级高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

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