大型抽水蓄能机组主保护优化设计研究

桂 林，刘正国，孙宇光，王祥珩，王维俭

（1.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京市 100084；2. 雅砻江流域水电开发有限公司，成都市 610051）

0 引言

国内抽水蓄能电站的建设已进入高潮，国网新源控股有限公司正在建设的大型抽蓄电站（单机300MW及以上）已达20座（另外35座抽蓄电站处于规划阶段），大型抽蓄机组结构复杂、造价昂贵，发生内部故障的后果极其严重，必须重视其主保护设计工作[1-4]。

运用“多回路分析法”，在完成大型抽蓄机组内部故障分析和主保护定量化设计的基础上，有必要根据其绕组形式所决定的故障特点的不同[5-6]，优化大型抽水蓄能机组主保护配置方案，在不降低主保护性能的前提下，简化发电机中性点侧铜环的布置[7-8]（抽蓄机组风洞空间有限）。

由于受额定转速的限制，在建和规划中的大型抽蓄机组多为每相4分支，包括额定转速428.6r/min（14极）的荒沟、文登、蟠龙、永泰、阜康、厦门、丰宁二期变速机组也都选择了每相4分支（采用不对称定子绕组）[9]，有必要对每相4分支大型发电电动机的主保护优化设计问题进行研究，为后续抽水蓄能电站的建设提供借鉴。

1 大型发电电动机主保护配置传统方案

按照传统设计方法（基于概念、经验和定性分析），大型发电电动机需配置完全纵差保护，以对付实际可能发生的相间短路；由于还存在匝间短路的可能，故需增设横差保护，零序电流型横差保护结构简单、功能全面而被优先选择。

其主保护配置传统方案如图1所示，根据发电电动机中性点侧分布中性点引出个数的不同，装设了1套或2套零序电流型横差（即单元件横差保护），每相4分支的广蓄B厂发电电动机甚至装设了3套零序电流型横差保护（引出了4个分布中性点）。

图1 大型发电电动机主保护配置传统方案Figure 1 Traditional scheme of main protection configuration for large-scale generator motor

2 大型发电电动机主保护配置优化方案

之所以要在溧阳、琼中、绩溪、敦化、天池、清原（每相4分支）等抽水蓄能电站发电机主保护设计中取消零序电流型横差保护（见图1），主要取决于抽蓄机组定子绕组形式所决定的故障特点（高转速+叠绕组使得每分支线圈数不太多/相邻分支沿电机内圆连续分布——小匝数匝间短路问题不太突出/同相不同分支匝间短路数不多（如表1和表2所示）以及运行经验的积累，定量分析已表明增设单元件横差保护对上述发电电动机保护死区的减少没有任何帮助。

表1 溧阳、琼中、绩溪、敦化、天池、清原抽蓄发电机实际可能发生的同槽故障Table 1 Actual slot faults of Liyang, Qiongzhong, Jixi, Dunhua, Tianchi and Qingyuan large pumped storage unit

表2 溧阳、琼中、绩溪、敦化、天池、清原抽蓄发电机实际可能发生的端部交叉故障Table 2 Actual end faults of Liyang, Qiongzhong, Jixi, Dunhua, Tianchi and Qingyuan large pumped storage unit

一般来说，完全裂相横差保护反应匝间短路的能力要优于零序电流型横差保护，因为完全裂相横差反应的是一相两部分之间的不平衡，而零序电流型横差则是将三相绕组分成几部分、反应流过中性点连线不平衡电流（为三相对应分支的和电流），其灵敏度可能受到其他相非故障分支电流的影响。下面以图2所示故障为例进行说明。

图2 一则大匝数同相同分支匝间短路Figure 2 A inter turn short circuit in a branch

图2中实线箭头所示故障为天池发电电动机在并网空载运行方式下，b相第1支路第2号线圈的下层边和b相第1支路第8号线圈的上层边发生同槽同相同分支匝间短路，短路匝数为6匝（对应的短路匝比为33.3%）。

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：

对应的横差保护灵敏度的计算过程如下所示：

如果将每相的1、3分支接在一起，形成中性点o1；再将每相的2、4分支接在一起，形成中性点o2；则流过o1-o2的零序电流：对应的零序电流型横差保护的灵敏系数为

（2）对故障相的完全裂相横差保护K10_12-34而言，其两侧电流分别为

另外，零序电流型横差（即单元件横差）保护用TA一次额定电流的选择一直是一个工程技术问题，需兼顾防误动和区内故障时的灵敏动作；该保护的优点是结构简单，功能全面，缺点则是过于简单，实际上就是过流保护。

对于单元件横差保护而言，不采用浮动门槛判据（动作值随机端相电流的增加而增大）则容易发生误动作，采用了该判据则必然降低保护的灵敏度，因为过流保护灵敏度的降低与保护定值的抬高成反比关系。

现场反馈：2015年9月4日，云鹏水电站220kV出线发生两相短路接地故障，发电机单元件横差保护误动作（未投浮动门槛判据——制动量整定过大，相当于未投），现场运行人员长时间纠结于是否需要抽出发电机转子进行检修，因为转子偏心或转子匝间短路均可能导致流过发电机中性点连线的电流增大，从而引起单元件横差保护的动作；若抽转子必然延长检修时间，影响电厂生产任务的完成。

图3 大型发a电电动机主b保护配置优c 化方案（一）Figure 3 Optimum scheme of main protection configuration fo1r la2r ge3- sc4ale generator motor（一）

图3 大型发电电动机主保护配置优化方案（二）Figure 3 Optimum scheme of main protection configuration for large-scale generator motor（二）

琼中抽水蓄能电站已于2018年7月29日全面投产发电，完成了与昌江核电站的工程配套，发电机主保护（K10+3）运行正常；溧阳5号发电电动机主保护配置方案（K10+222）则在2018年10月16日a1分支开焊时（见图4）灵敏动作，使得分支开焊故障未危及线棒和铁心，避免了故障的扩大，为发电机抢修和恢复供电赢得了时间。

图4 溧阳发电电动机（6×250MW/a=4）分支开焊故障Figure 4 A branch open welding fault of Liyang generator motor

所以在定量分析的基础上，有针对性地取消大型发电电动机的零序电流型横差保护，兼顾了设计的科学性和实用性，值得做进一步的推广应用；与图1所示发电机主保护传统配置方案类似，大型发电电动机主保护优化设计方案仍为“一横一纵”，只是用裂相横差保护代替了零序电流型横差保护，如图3所示。

对于一体化的微机保护装置，保护用TA信息资源共享，继电器的功能由软件来实现，即用“一段代码”来实现不同的主保护功能，也就不会出现程序中的某几行代码单独出现异常，从而影响到相应的主保护，所以可以降低双重化指标来取消单元件横差保护[10]。

通过取消单元件横差保护，可以减低CPU的负荷率，对于微机保护装置的正常运行是极为有利的，还可为其他异常工况保护（譬如定子接地保护）的计算赢得时间。

因为微机保护装置要求在每两个采样间隔之间（0.833ms）就要对所有的主保护计算一遍，如果主保护配置得过于冗余，一方面导致CPU负荷率上升，影响到保护装置的正常工作；另一方面使得定子接地等异常工况的计算间隔越拉越长，对于发电机的安全运行也是不利的，假如能早一点发现定子接地故障并及时切除，就可以把破坏严重的匝间或相间短路消灭在萌芽状态！[11]

3 结束语

（1）将内部故障分析用于主保护设计，根据发电机定子绕组形式所决定的内部故障特点的不同来决定其主保护配置方案，为大型抽水蓄能机组主保护配置方案的科学制定开辟了新途径。

（2）对于每相4分支的大型发电电动机，应在内部故障分析及主保护定量化设计的基础上，优先推荐“裂相横差+完全纵差保护”。