滩坑水电站发电机主保护定量化及优化设计研究

孙志久，干建丽

（浙江浙能北海水力发电有限公司，浙江省丽水市 323907）

0 引言

滩坑水电站位于浙江省青田县境内的瓯江支流小溪的中游河段，装机容量3×200MW，是“十五”期间浙江省实施建设的最大水电工程。

按照传统设计方法[1]，滩坑水电站（以下简称滩坑）发电机配置了完全纵差和单元件横差保护，以对付发电机实际可能发生的相间和匝间短路故障，但在2010年一起发电机定子绕组匝间短路故障中，虽然2套横差保护均动作于跳闸，但定子线棒仍然烧伤严重，仅大量线棒的更换和修复就花了一个多月的时间。

事后滩坑水电站联合东方电机厂、南瑞继保和清华大学对发电机中性点设备及保护配置进行了改造，在不改变发电机中性点侧分支引出方式（“14-23”）的基础上，通过装设分支电流互感器来增设裂相横差保护以提高发电机匝间短路保护的灵敏性[2-4]。该技改工作已成功实施，有必要对其进行归纳总结，为后续水电站技改工作的实施提供借鉴。

1 滩坑发电机内部故障特点的分析

滩坑发电机40极，定子槽数为480，每相4分支，每分支40个线圈；其额定参数为：UN=13.8kV，IN=9297.1A，cosφN=0.9，If0=754.9A，IfN=1301.6A。通过对东方电机厂提供的发电机定子绕组展开图的分析[5-6]，滩坑发电机定子绕组实际可能发生的同槽和端部交叉故障如表1和表2所示。

表1 滩坑发电机480种同槽故障Tab.1 480 common slot faults in the shoal pit generator

表2 滩坑发电机10558种端部交叉故障Tab.2 The cross faults of 10558 kinds of end parts of shot-pit generator

由于滩坑发电机定子绕组采用的是整数槽（q=4）“全波绕组”（y1=10、y2=14），所以实际可能发生的内部故障中同相不同分支匝间短路所占比率较大（同槽和端部交叉故障中同相不同分支匝间短路所占比例分别为50%和24.8%），此时应密切注意图1（a）所示发生在相近电位的同相不同分支匝间短路（两短路点距离中性点位置相近）的构成与分布特点[7-9]，因为若将两故障分支分到同一分支组中，则该同相不同分支匝间短路的短路回路电流将无法直接引入裂相横差保护装置的差动回路中，将增大主保护配置方案的动作死区，从而无法达到技改的目的。

图1 滩坑发电机发生在相近电位的同相不同分支匝间短路示意图及分布特点Fig.1 Shows the schematic diagram and distribution characteristics of the short circuit between the same phase andthe same phase of the similar potential

通过进一步的统计分析，发现滩坑发电机的相近电位同相不同分支匝间短路（两短路点位置相差0～4匝）均发生在每相的1、3分支（或1、4分支，或2、3分支，或2、4分支）间，如图1（b）所示。

2 滩坑发电机内部故障的仿真计算及主保护方案灵敏度的对比分析

运用“多回路分析法”，对滩坑发电机并网空载运行方式下所有可能发生的同槽和端部交叉故障进行了仿真计算（共计11038种），求出各种故障时每一支路电流的大小和相位（包括两中性点间的零序电流），由此可得到各种短路状态下进入各种主保护的动作电流和制动电流，在已整定的动作特性条件下，最终获得相应主保护的灵敏系数Ksen；并能进一步发现对于图2所示发生在相近电位的同相不同分支匝间短路，不同构成形式的裂相横差保护的性能相差悬殊。

图2中实线箭头所示故障为滩坑发电机a相第1支路第31号线圈的下层边和a相第3支路第31号线圈的上层边发生端部同相不同分支匝间短路，两短路点距中性点位置相同（根据滩坑发电机的定子绕组连接图，a1和a3分支的线圈排列并不相同，这样一来距中性点位置相同的两短路点之间就存在电动势差）。

图2 一则相近电位的同相不同分支匝间短路Fig.2 Short circuit of the same phase with different branches of similar potential

故障相各支路（包括短路附加支路）基波电流的大小（有效值，单位为A，下同）和相位如下所示：

İa1=9328.26-37.86°、İa2=288.554.91°、

İa3=9320.51145.23°、İa4=244.06119.47°、

İshort1=2646.14150.20°、İshort2=2644.54-40.70°。

短路回路电流 İa1=9328.26-37.86°和İa3=9320.51145.23°的大小相差不大、相位近于相反，这是由于短路回路电流İa1、İa3主要由直流励磁直接感应电动势差所产生（其他电流对它的影响很小），所以İa1和İa3近于反向；由于两短路点距中性点位置相同，所以İa1和İa3的大小相差很小。通过互感的作用，两个短路分支对其他分支的互感磁链基本相互抵消，从而导致其他分支的电流故障前后变化不大（其他回路电流主要由短路电流在相邻支路的感应电动势之差产生），非故障分支的电流都比较小。

因此，对于图2（b）所示的完全裂相横差保护（K10_13-24，将两个故障分支分在同一支路组中），故障相故障分支的电流几乎相互抵消，而故障相非故障分支的电流都比较小，使得流过分支电流互感器TA1和TA2的电流都不大，从而导致对应的裂相横差保护的灵敏系数只有1.138；而采用将两个故障分支分在不同支路组中的相邻连接方式（无论是K10_12-34，还是K10_14-23）的完全裂相横差保护[如图2（a）和图2（c）所示]都能保证灵敏动作，其对应的灵敏系数分别为27.366、26.105，因为此时数值较大的短路回路电流被引入裂相横差保护的差动回路中。

上述规律性的认识与我们的常规认识和定性分析相一致，既说明了仿真计算的正确性，又将指导发电机分支引出方式的选择和裂相横差保护的构成。

3 滩坑发电机内部故障主保护及TA配置方案的分析对比

由于篇幅限制，主要对比一下传统设计方案（如图3所示）与定量化设计方案（如图4和图6所示）的差异，并明确其沿用原有分支分组方式（“14-23”）的合理性。

由表3可以看出，图4所示相邻连接的分支引出方式（“12-34”）的保护性能最优，这完全取决于滩坑发电机定子绕组形式所决定的故障特点，因为上述分支组合保证了所有的相近电位同相不同分支匝间短路的故障分支位于不同的分支组中[如图1（b）所示]；之所以还存在保护死区则是因为某些相近电位同相不同分支匝间短路的故障点均在机端附近（当然故障分支电流也不大，因为故障点若在机端则故障不复存在）。

表3 滩坑发电机同槽和端部故障时传统设计方案和定量化设计方案的动作情况Tab.3 Failure of pit generator in the same tank and end

图3 滩坑发电机传统设计方案及TA配置（相邻连接，14-23）Fig.3 Traditional design scheme and TA configuration of tan keng generator

与“12-34”分支组合相对比，现有分支引出方式“14-23”的不能动作故障数增加了42种（仅占内部故障总数的0.4%），其不能动作故障类型均为发生在每相的1、4分支（或2、3分支）间的相近电位同相不同分支匝间短路，究其原因在于较大的短路回路电流无法引入差动回路中；由于两个短路分支的短路点均靠近中性点侧，考虑到压差小的缘故，其发生的几率其实很低。

图4 滩坑发电机内部故障主保护及TA配置方案（相邻连接，12-34）Fig.4 Main protection and TA configuration scheme for the internal failure of the tan pit generator

如上所述，分支引出方式的调整（譬如采用“12-34”的分支组合）确实提高了主保护配置方案的性能（见表3），但好处不大，因为减少的不能动作故障的发生几率其实很低；而其对电机结构和制造工艺所带来的难度却大大增加，涉及铜环层数的调整乃至定子机座高度、大轴长度和整个轴系的重新计算，这是相当复杂的。故滩坑发电机在沿用现有分支引出方式（“14-23”）的基础上优化主保护配置方案是合理的[见图5（b）]，兼顾了技改工作的科学性和实用性。

毕竟发电机主保护配置方案的定量化及优化设计是一个多变量复杂系统的工程优化设计问题，必须兼顾设计的科学性和实用性；在不显著降低主保护配置方案性能的前提下，发电机中性点侧分支的引出必须考虑电机结构和制造工艺是否方便、是否有利于简化保护方案和减少硬件投资。

对于滩坑发电机实际可能发生的11038种内部故障，图6所示主保护配置技改方案不能动作故障数为54种（占内部故障总数的0.5%），对10822种内部故障（占内部故障总数的98%）有两种及以上原理不同的主保护灵敏动作；相比于原有设计方案，其匝间短路的灵敏性得到进一步的提高，双重化指标改善更加明显（因为完全纵差不反应匝间短路）。

图5 滩坑发电机技改前/后中性点侧TA布置图Fig.5 TA layout of the front/rear neutral point of the beach generator

图6 滩坑发电机内部故障主保护及TA配置技改方案（相邻连接，14-23）Fig.6 Main protection and TA configuration scheme for the internal fault of the tan pit generator

4 结论

（1） 相比于传统设计方案，裂相横差保护的增设能显著提高主保护配置方案的匝间短路保护灵敏性，这已被国内外20余座每相4分支发电机主保护定量化设计的成果所证实。

（2） 发电机主保护配置技改方案的选择应立足于定量分析，并综合考虑工程实际条件和限制因素，兼顾技改工作的科学性和实用性。

（3） 浙江浙能北海水力发电有限公司联合东方电机厂、南瑞继保和清华大学对滩坑发电机中性点设备及保护改造工作的成功实施，将为后续水电站技改工作的实施提供借鉴，其在水电领域的推广示范效应必将取得显著的经济效益和突出的社会效益。

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孙志久（1963—），男，高级工程师，从事水电机组运行及维护检修管理工作。E-mail:673033670@qq.com

干建丽（1972—），女，工程师，从事发电厂继电保护检修维护工作。E-mail: 673429375@qq.com