一例水电机组跳机事故引起的横差保护应用分析

刘海峰，徐浩

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

一例水电机组跳机事故引起的横差保护应用分析

刘海峰，徐浩

(国网湖南省电力公司电力科学研究院，湖南长沙410007)

介绍了湖南某水电厂6号机组跳机事故的发生过程及原因，并基于保护动作情况，进一步探讨了该机组配备的2种横差保护的动作特性和缺陷。通过对横差不平衡电流与发电机机端电流的相关性分析和现场试验结果，给出了横差保护的比率制动特性整定方法。

水电机组；横差保护；比率制动特性；外部故障

发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量具有决定性作用〔1－3〕，同时大型发电机本身十分贵重，因此，应该针对各类故障和不正常运行状态对其装设功能完善的保护设备〔4－5〕。横差保护是发电机定子绕组匝间短路(同分支匝间短路及同相不同分支之间的匝间短路)、线棒开焊的主保护，已获得了广泛的应用〔6－7〕。横差保护适用于定子绕组分支多、中性点引出端子多于一个的发电机，其保护功能是通过测量中性点连接线电流来实现的，在中性点连接线的电流超过整定值时保护出口动作〔8〕。由于只需装配一个电流互感器于中性点连接线上，不存在因电流互感器特性不同而产生的不平衡电流，因此横差保护动作电流小、灵敏度高，习惯上也被称为高灵敏度单元件横差保护。

从原理上分，横差保护主要包括传统的横差过流保护和具有比率制动特性的横差保护。其中，前者整定值较高，具有较好的躲外部故障的能力，但灵敏度低；后者借用纵差保护的思想，引入机端相电流制动，获得了较高的灵敏度，但因启动电流较小而容易受到外部故障的影响。本文基于湖南某水电厂6号机组的一次跳机事故，对2种横差保护的性能机理作对比分析。

1 事故过程及分析

1.1 事故概况

该水电厂6号机组于20世纪70年代完成安装并投入运行。事故发生前系统运行方式如图1所示，图中实心矩形表示开关在合位，空心矩形表示开关在分位。由该图可知，事故发生前，6号机组(有功功率为74.42 MW；无功功率为3.04 Mvar)和2号机组处运行状态，其中6号机组的功率分别通过C线路和联络变向110 kV及220 kV系统送电；5号机组处于停运状态。此外，110 kV C线路运行，另外1条出线处于热备状态，故障期间当地有雷雨大风。

图1 事故相关系统结构图

1.2 事故分析

6号机组配置了横差保护和完全纵差保护，可有效应对各种匝间短路、线棒开焊、相间短路及多点接地等故障。而由于中性点分支绕组上未安装单独TA，该绕组无法实现不完全纵差及裂相横差保护，因此绕组匝间故障主要由单元件横差保护处理。发电机中性点连接线之间装有1台TA，在发电机正常运行时反应中性点连接线上的不平衡电流。发电机保护TA示意图见图2。

图2 发电机保护TA示意图

事故发生时发电机保护装置的故障录波如图3所示。

图3 发电机保护装置故障录波图

以图示左边时标线(时间为8.33 ms)为相对零点，图示右边时标线时刻为33.33 ms，此时故障尚未发生，机组中性点连接线流过的量值为1.419 A的不平衡差流。随后，电压、电流波形出现了明显的波动，机端电压略有减小，机端和中性点A，C相电流变大，B相电流变小，同时横差电流逐渐变大。至78.33 ms时，三相电流分别达到4.16 A，2.4 A，4.47 A；横差电流达到2.34 A，满足保护动作条件致保护出口跳闸，42 ms后，开关跳开。

事故发生后，通过对水轮机组一二次设备的试验检查确认机组本身没有故障，通过对线路故障录波数据和对侧变电站进行检查，确认在110 kV C线路对侧变电站35 kV侧发生了相间短路故障，由于线路长度仅为1.7 km，三相不平衡电流流过6号机组，导致横差电流超过保护动作值而动作。

2 横差保护原理的对比分析

2.1 原理简介

6号机组配置了两种横差保护，分别是横差过流保护和具有比率制动特性的横差保护，二者的保护原理分别如式(1)，(2)所示:

式中Iset为动作电流整定值；Iop为横差电流；Iop.0为横差最小动作电流整定值；Ires为制动电流，取机端三相电流的最大值；Ires.0为最小制动电流整定值；S为可靠系数一般取1.2即可。为论述方便，将2种保护原理分别另称为原理1和原理2。图4给出了这2种保护原理的动作特性示意曲线，其中，M1对应原理1，M2对应原理2，斜率为k，曲线上方为动作区。

图4 2种保护原理的动作特性曲线图

该厂实际采用的是原理2具有比率制动特性的横差保护，发电机额定电流为3 690 A，发电机出口互感器变比5 000/5，横差互感器变比为1 000/ 5，定值整定为Iop.0＝2.25 A，Ires.0＝4.2 A，S＝0.5。

2.2 横差过流保护

发电机横差不平衡电流主要由机组机械结构、电磁结构和气隙的不对性、摆度超标、磁极制造原因造成的形状不完全一致以及机组运行中的磁场畸变等因素造成。尽管水轮发电机在设计制造时采取了多种措施来保证各支路在电气结构上的对称性，如将绕组设计成由多个绕组并联构成且分布均匀、将磁极等电磁部件设计成一致、在机组安装时要保证定子/转子圆度及定转子气隙偏差在合理范围等，然而实际制造、安装等过程中不可能做到完全对称，因此发电机并联支路中会有环流产生。此外，机组在带负荷后或者故障情况下气隙磁场会发生不同程度的畸变，这种磁场畸变与机械结构不对称相结合，将对横差电流幅值产生较大的影响。

相对而言，原理1较简单，但由于横差不平衡电流的影响因素复杂多样、精确量化近乎不可能〔9〕。根据文献〔10〕DL/T684—2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》规定，原理1的动作电流有2种整定方法，一种是按躲过发电机外部不对称短路故障或发电机转子偏心产生的最大不平衡电流整定，由于难以通过短路试验的方法进行不平衡电流的测量，所以一般取经验公式，如式(3)所示:

式中Ign为发电机的额定电流；na为横差电流互感器变比。另一种整定方法需对由短路试验测得的基波和三次谐波不平衡电流进行线性外推估算〔11〕，如下式所示:

式中Iunb.1.max和Iunb.3.max分别为由发电机常规短路试验时的实测基波和3次谐波不平衡电流Iunb.1和Iunb.3的线性外推估算值；k3为三次谐波滤过比；Kap为非周系数，取1.5～2.0；Krel为可靠系数，取1.3～1.5。

式(3)和(4)的整定值都较高。若该电厂6号机组采用式(3)的整定方法，则整定值为3.69～5.535 A，在此次整个事故过程中横差电流都未越过该限定值，由此证明了原理1的躲过外部故障能力强。

2.3 比率制动特性的横差保护

原理2的动作曲线由两段构成:在相电流小于最小制动电流时，为无制动特性的过流保护；在相电流超过最小制动电流时，制动量随相电流线性变化，以期躲过发电机外部短路故障。理论上来讲，原理2正确动作的前提是横差电流随机端电流成线性变化。那么，其动作门槛值躲过正常运行时的最大不平衡电流即可，原理2可有效兼顾选择性和灵敏性，获得比原理1更好的保护性能。目前普遍认为横差不平衡电流产生与机端电流或短路电流的关系是横差电流与机端电流成线性关系〔6－7〕，该观点由对若干机组的相关仿真结果归纳而来。

同时，借此次故障检查契机，对6号机组在不同负荷工况下的机端电流与横差电流进行了实际测试，并将本次故障时的实际值也做了线性度计算。如表1和图5所示。

表1 横差电流随机端电流变化试验结果

图5 横差电流与机端电流比值图

最后一个点为本次故障的数据。试验结果表明该机组横差电流随机端电流的增大而增大，从工程角度近似认为成线性关系。

基于二者基本成线性关系的前提，对于比率制动特性的横差保护，最小动作电流Iop.0整定值需躲过正常运行时最大不平衡电流，正常运行过程时靠该定值躲过最大不平衡电流。当区外故障时，动作电流超过机端额定电流，进入制动区，通过制动特性来防止保护误动，Ires.0可取机端额定电流，由此来获得比较高的灵敏度。按此分析对于本台机组，取Ires.0为3.7 A，可靠系数取厂家推荐值1.2，横差电流与机端电流的比例取0.5，最小动作电流Iop.0取正常运行时横差最大不平衡电流的m倍，即1.78 m。那么保护不误动的条件是

根据本次故障时机端电流4.37 A来校核，可得m＞1.1，考虑其可靠性，可以取1.3～1.5。

从横差电流产生的原因来分析，横差电流由不同分支绕组的内电动势不平衡程度和内阻抗决定，并与前者其呈线性正比关系，与发电机主气隙磁通的大小和分布有着直接的关系。主气隙磁通大小与发电机定子绕组电流、励磁绕组电流及两者所产生的磁动势的夹角有关；主气隙磁通的分布与电机的内部结构有关，主要表现为转子静态偏心、动态偏心、铁芯形状以及分支绕组电气参数的对称程度等。所以，不平衡电流的产生的原因有机械的，也有电磁的，精确计算不平衡电流的大小几乎不可能〔9〕。

可见，这种方式下其整定只能通过经验值进行初始整定，然后再通过大量的实际运行和故障数据来进行校核修正。而且不同机组横差电流与机端电流的近似线性比例关系并不相同，需要进行实测。其定值整定的合理性比较难以通过理论计算的方式进行校验，并缺乏相应的技术规程支持，厂家说明书也没有给出整定原则。所以本机组的初始整定值并不合适，没有躲过外部短路故障。

3 结语

本文首先通过分析指出湖南某水电厂6号机组跳机事故是由对侧变压器35 kV低压侧相间短路引起发电机中性点不平衡电流超过整定值造成的。然后以该事故为基础，深入探讨了横差过流保护和具有比率制动特性的横差保护的动作特性和存在的问题。结合该电厂的有关试验结果和相关文献论述，认为横差过流保护原理简单，应用经验丰富，整定依据比较成熟，但灵敏度较低。而具有比率制动特性的横差保护虽然灵敏度较高，但整定和校核都比较困难，需要根据经验值进行初始整定，然后再通过大量的实际运行和故障数据来进行校核修正。由于一般这两种原理的横差保护在装置中是同时具有的，所以建议开始先采用横差过流保护，以可靠性为主；并根据经验值初始整定比率制动横差保护，待通过实际运行和故障数据进行校核修正后，再投采用比率制动横差保护，退出横差过流保护或两者同时投入运行，以提高横差保护的灵敏度。

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Analysis on transverse differential protection application based on a hydroelectric generating accident

LIU Haifeng，XU Hao
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The paper analyzes the process and cause of the tripping accident of a certain unit in a hydropower plant，and in terms of the protection actions，explores operating characteristics and defects of two transverse differential protection further. According to correlation analysis between transverse differential unbalance current and generator terminal current，the paper proposes the setting method of transverse differential protection at last.

hydro-electric generating；transverse differential protection；ratio braking characteristics；external fault

TM773.4

B

1008-0198(2017)01-0052-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.013

刘海峰(1980)，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为电力系统继电保护与控制技术、智能变电站技术。

2016-04-14 改回日期:2017-01-20

徐浩(1987)，男，博士，主要研究方向为电力系统继电保护与控制技术。