丰满重建水电站发电机内部故障主保护配置方案

林子阳

（松花江水力发电有限公司丰满大坝重建工程建设局，吉林 吉林132000）

0 引言

丰满水电站是中国最早的水电站，位于吉林省吉林市松花江上。2012年10月，丰满水电站全面治理重建工程正式启动。重建电站将新建6台单机200MW混流式水轮发电机。

丰满重建发电机（以下简称发电机）额定参数为：PN=200MW，UN=17.75kV，IN=8379A，cosφN=0.875，Ifo=1240A，IfN=2281A。

如果想使发电机安全运行，那么正确的选择主保护配置方案至关重要。然而在选择的过程中，难免会存在盲目性。因此，本文针对发电机实际存在的短路条件和特征，为其计算各种主保护的灵敏度，科学取舍，做出正确的决定。

对于发电机来说，常见的短路故障是定子绕组短路和发电机端引线短路。所以本文选取的方案必须要有横差保护和纵差保护，“一横一纵”将成为主保护方案的初步格局。当然有些指标是需要综合考虑的，如中性点侧电流互感器的数量及安装位置、主保护配置方案拒动故障数、两种不同原理主保护反应同一故障的能力等。从经济投资角度看，在可以完成相同保护功能的条件下，减少主保护配置方案的硬件投资和减少保护方案的复杂程度同样需要考虑。本文将在此基础上讨论发电机内部故障主保护配置方案。

1 发电机内部故障类型及相应数量

针对发电机绕组展开图分析该发电机定子绕组实际可能发生的内部短路情况，统计得出如下数据。

（1）定子槽内的上层、下层线棒间的短路故障共有720种。针对同槽故障，不难分析得出，同相同分支的匝间短路共191种，占26.67%，其中最小短路匝数为24匝、有12种，最大短路匝数为43匝、也有12种；同相不同分支匝间短路共192种，占26.67%；相间短路共336种，占46.67%。

（2）定子绕组端部的交叉处短路故障共有14400种。针对端部故障，不难分析得出，同相同分支短路共2736种，占19%，其中最小短路匝数为1匝、有84种，最大短路匝数为59匝、也有12种；同相不同分支匝间短路1296种，占9%；相间短路10368种，占72%。

2 发电机内部故障保护配置方案

根据发电机的内部故障类型及其相应数量，通过改变不同的发电机中性点侧引出方式，结合丰满发电机的内部故障特点，分析对比提出6种不同的主保护配置方案。

（1）方案一——1套零序电流型横差保护+1套完全纵差保护

按照传统设计方法，大型水轮发电机应配置有完全纵差保护，用来应对实际运行时可能发生的相间短路；同时在实际运行中还存在匝间短路的可能性，因此应增加横差保护。此外零序电流型横差保护因其结构简单、功能全面而被优先选择。

考虑到丰满发电机中性点引出和分支分组方式的不同，方案一的构成如图1所示，在o1和o2之间接一个电流互感器（TA0），用来构成一套零序电流型横差保护；利用每相已存在的2个分支电流互感器（TA1～TA6）和机端相电流互感器（TA7～TA9），进而构成一套完全纵差保护。

图1 方案一发电机主保护配置示意图（传统设计方案）

方案一的性能如表1所示。

表1 在方案一下出现同槽和端部故障时的动作情况

（2）方案二——1套完全裂相横差保护+2套不完全纵差保护

方案二如图2所示，将每相4个分支一分为二，共装了6个分支电流互感器（TA1～TA6）和机端相电流互感器（TA7～TA9），进而构成1套完全裂相横差保护和2套不完全纵差保护。

方案二的性能如表2所示。

（3）方案三——1套完全裂相横差保护+1套完全纵差保护

方案三如图3所示，就是将方案二的2套不完全纵差保护用1套完全纵差保护代替。

方案三的性能如表3所示。

图2 方案二发电机主保护配置示意图

表2 在方案二下出现同槽和端部故障时的动作情况

图3 方案三发电机主保护配置示意图

表3 在方案三下出现同槽和端部故障时的动作情况

（4）方案四——1套完全裂相横差保护+2套不完全纵差保护+1套零序电流型横差保护

方案四如图4所示，通过将每相的1、2两个分支连接到一起，形成中性点o1；再将每相的3、4两个分支连接到一起，形成中性点o2。

在o1和o2之间连接一个电流互感器（TA0），同时在每相的1、2两个分支和3、4两个分支上装设分支电流互感器（TA1～TA6），在机端装设相电流互感器（TA7～TA9），进而构成1套零序电流型横差保护、1套完全裂相横差保护和2套不完全纵差保护，其实就是在方案二的基础上增加了1套零序电流型横差保护。

图4 方案四发电机主保护配置示意图

方案四的性能如表4所示。

表4 在方案四下出现同槽和端部故障时的动作情况

（5）方案五——1套完全裂相横差保护+1套完全纵差保护+1套零序电流型横差保护

方案五如图5所示，就是将方案四的2套不完全纵差保护用1套完全纵差保护代替。

图5 方案五发电机主保护配置示意图

方案五的性能如表5所示。

（6）方案六——1套完全裂相横差保护+2套不完全纵差保护+1套零序电流型横差保护+1套完全纵差保护。

方案六如图6所示，就是在方案四的基础上增设了1套完全纵差保护。

表5 在方案五下出现同槽和端部故障时的动作情况

图6 方案六发电机主保护配置示意图

方案六的性能如表6所示。

表6 在方案六下出现同槽和端部故障时的动作情况

3 保护配置方案的性能和优缺点分析对比

（1）传统设计方案存在较大的保护死区，不能动作故障数有388种。究其原因在于传统设计方案仅凭概念、经验和定性分析来确定，未经全面的内部短路分析计算及主保护定量化设计过程，方案的选取难免存在盲目性。

（2）方案四～方案六的保护死区最少，不能动作的216种故障基本上都是小匝数同相同分支匝间短路；但方案四和方案六的两种及以上不同原理主保护灵敏动作故障数要比方案五多48种，考虑到微机保护装置是用软件来实现继电器的功能，可适当降低对双重化指标的要求。

方案六相对于方案四而言，需增加1套差动保护方案；而方案五相对于方案四而言，则减少了1套差动保护，这样做可以简化保护装置的构成和计算的工作量。同时对于继电保护人员来说，完全纵差保护被其熟悉，并且已广泛的应用到实践运行中。

大量运行实践也已证明，对采用集中布置叠绕组或者半波绕组的水轮发电机，在主保护配置方案中保留1套完全纵差保护，有利于对偏心振动引起的事故进行分析，这已在凤滩、彭水、深溪沟、天荒坪抽水蓄能等电站得到证实。

（3）相对于方案五而言，方案二和方案三的中性点引出方式变得简单，但不能动作故障数增加了12种，两种及以上不同原理主保护灵敏动作故障数最多减少了4028种。

（4）发电机主保护配置方案的设计并非是一个单一变量简单的系统，而是一个多变量且复杂的系统。因此，方案的确立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等因素必须在发电机中性点侧分支引出时被综合考虑。

通过以上对比分析，推荐使用方案五（图7）作为发电机的主保护配置方案。丰满重建水电站在施工设计时也采用了此方案。

4 结束语

通过对丰满重建水电站内部故障的仿真计算，结合中性点侧电流互感器的数量及安装位置、主保护配置方案拒动故障数、两种不同原理主保护反应同一故障的能力等综合因素考虑，最终确认了主保护配置方案为1套完全裂相横差保护+1套完全纵差保护+1套零序电流型横差保护。同时在以后配置发电机内部故障主保护时，建议根据发电机的内部结构，分析确定不同配置的动作情况，以选取最经济、最可行的方案，这样才能确保发电机的安全。

图7 推荐方案发电机内部故障主保护配置示意图