柔性光学电流互感器在瀑布沟水力发电总厂的应用研究

童 松，桂 林，刘 灏，汤炳章，郑传健，王 光

（1. 国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川省汉源县 625304；2. 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；3. 南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

0 引言

瀑布沟水力发电总厂是国家能源集团公司目前装机容量最大的水电厂，位于四川省雅安市汉源县和凉山州甘洛县境内，负责管理瀑布沟和深溪沟两座水电站，其中瀑布沟总装机容量360万kW，装设6台600MW混流式机组；深溪沟总装机容量66万kW，装设4台165MW轴流转浆式机组。

瀑布沟发电机采用分数槽（q=15/4 ）叠绕组（定子绕组节距为y1=10 ），48极，定子槽数为540，每相6分支，每分支30个线圈。发电电动机额定参数为：PN=600MW，UN=20kV，IN=19244.5A ，cosφN=0.9 ，If0=1559.9A ，IfN=2725.6A 。

2010年瀑布沟水电站投产时，其发电机主保护配置方案由零序电流型横差+裂相横差+完全纵差保护构成，分支分组方式为123-456，保护死区高达10.6%。

为了解决这个问题，在不改变现有发电机分支分组和中性点侧铜环引出方式的前提下，通过柔性光学电流互感器（简称TA）的灵活装设来虚拟分支引出方式，实现送入发电机保护装置的分支电流（或分支组电流）的重新组合，在定量分析的基础上优化瀑布沟发电机主保护配置方案，以减少保护死区，为后续发电机主保护技改工作奠定基础。

深溪沟发电机则在运行中出现过转子偏心振动导致分支不平衡电流增大及相应的不完全裂相横差保护报警的现象，如何实现转子偏心振动的准确判断有助于深溪沟水电站的安全稳定运行。

1 每相6分支水轮发电机主保护设计研究小结[1-6]

对于每相6分支的发电机而言，如果定子绕组采用波绕组（譬如锦屏一级/锦屏二级/官地发电机），通常采用“3-3”分支分组方式，主保护配置方案由零序电流型横差+裂相横差+完全纵差保护构成（“两横一纵”），如图1所示。

具体的分支引出方式（相邻连接或相隔连接）则取决于相近电位同相不同分支匝间短路的分布特点，如图2所示。

由于相近电位同相不同分支匝间短路分布特点的不同，锦屏二级发电机采用相邻连接的分支引出方式（123-456），使得两个故障分支始终被分在不同的支路组中［如图2（a）所示］，从而保证了对应的主保护方案能够灵敏动作，因为此时数值比较大的短路回路电流被引入差动回路中。

图1 基于电磁型TA的波绕组发电机（a=6）主保护配置推荐方案（3-3分支分组）Figure 1 Recommended main protection configuration scheme of wave winding generator （a=6） based on electromagnetic type TA （3-3 branch grouping）

图2 锦屏一级/二级发电机相近电位同相 不同分支匝间短路的分布示意图Figure 2 Distribution diagram of short circuit between different branches in the same phase with similar potential in the Jinping generators

而对于锦屏一级发电机，由于其相近电位同相不同分支匝间短路发生在每相的1、4分支（或2、5分支，或3、6分支）间，当分支引出方式采用相邻连接（“123-456”）或相隔连接（“135-246”），均能保证将两个故障分支分在不同的支路组中［如图2（b）所示］，应在定量分析的基础上确定锦屏一级发电机最终的分支引出方式，如图1（a）所示。

而对于采用叠绕组的每相6分支发电机而言（譬如二滩/两河口发电机），应立足于采用“2-2-2”分支分组方式，主保护配置方案由不完全裂相横差+不完全纵差+完全纵差保护构成（“一横两纵”），且不完全纵差保护中性点侧接入分支恰好是不完全裂相横差保护舍弃的分支，如图3所示。

图3 基于电磁型TA的叠绕组发电机（二滩/两河口）主保护配置推荐方案（相邻连接/12-34-56）Figure 3 Recommended main protection configuration scheme of lap winding generator （Ertan/Lianghekou）based on electromagnetic type TA

2 瀑布沟发电机内部故障特点分析与主保护优化设计研究

通过对东方电机有限公司提供的发电机定子绕组展开图的分析（任两线棒在槽内或端部交叉就认为存在同槽故障或端部交叉故障的可能[7-8]），瀑布沟发电机实际可能发生的内部短路如表1和表2所示。

表1 瀑布沟发电机540种同槽故障Table 1 540 instances of slot faults of Pubugou generator

表2 瀑布沟发电机4464种端部交叉故障Table 2 4464 instances of end faults of Pubugou generator

从表1、表2可以看出，对于采用叠绕组的瀑布沟发电机，小匝数匝间短路必然存在，这是因为同槽故障中的同相同分支匝间短路只可能发生在相邻N、S极下的线圈间，从而导致同相同分支匝间短路的短路匝数不大；端部故障中的同相同分支匝间短路则可能发生在同一极下的相邻线圈之间，对应的短路匝数更小。

且随着发电机转速的降低，每分支线圈数反而增多，小短路匝比匝间短路（短路匝数/每分支线圈数≤10%）主保护灵敏度问题突出，使其分支分组方式（“2-2-2”）和主保护配置方案的构成不同于采用波绕组的每相6分支发电机（如前所述）。

在已装设完全纵差保护对付所有相间短路的基础上，通过增设不完全裂相横差保护和不完全纵差保护来提高对小匝数匝间短路的灵敏度，且不完全纵差保护中性点侧接入分支恰好是不完全裂相横差保护舍弃的分支（在不增加硬件投资的基础上实现了上述主保护性能之间的互补），如图3所示。

下面具体对比一下，瀑布沟发电机采用图1（b）和图3所示主保护配置方案的性能差异，如表3所示。

表3 瀑布沟发电机同槽和端部故障时现有设计方案和优化设计方案的动作情况Table 3 Operation of existing protection scheme and optimized design protection scheme of Pubugou generator when slot faults and end faults occur

从表3可以看出，图3所示“12-34-56”分支分组方式下“不完全裂相横差+不完全纵差+完全纵差保护”构成的主保护配置优化方案，其不能动作故障数相对于现有主保护配置方案［见图1（b）］减少了186种，占瀑布沟发电机内部故障总数的3.7%。

3 基于柔性光学TA的瀑布沟发电主保护优化设计方案

柔性光学TA温度漂移和振动敏感性问题的解决[9-12]，为其在发电机上的应用奠定了坚实的基础；基于柔性光学TA的发电机差动保护已在沙河抽水蓄能电站（50MW/2013年）、谏壁火电厂（300MW/2015年）和观音岩水电站（600MW/2015年）投运，运行情况良好，经历了区外故障的考验。

柔性光学TA绕制灵活的优点（如图4所示，黑色导体为光学TA的二次光缆）可以保证在不改变现有发电机分支引出方式的前提下，通过光学电流互感器的灵活装设来实现送入发电机保护装置的分支电流（或分支组电流）的重新组合，从而提高相应主保护配置方案的性能。

图4 柔性光学TA用于观音岩水轮发电机主保护实例（左侧为光学TA/右侧为TPY型TA）Figure 4 An example of main protection of Guanyinan hydro-generator using flexible optical TA（Optical TA on the left/ TPY TA on the right）

如图5所示，在保持现有的分支分组方式“123-456”不变的前提下，通过在每相的1/2分支组、3/4分支组和5/6分支组上绕制柔性光学TA，并与机端绕制的柔性光学电流互感器TA10～TA12相比较，来构成瀑布沟发电机主保护优化设计方案：

图5 基于柔性光学TA瀑布沟发电机主保护优化设计方案Figure 5 Optimal design scheme of main protection for Pubugou generator based on flexible optics TA

（1）不完全裂相横差保护两侧电流分别取自每相第1、2分支组的TA和每相第5、6分支组的TA。

（2）不完全纵差保护中性点侧电流取自每相第3、4分支组的TA。

（3）完全纵差保护中性点侧相电流取自每相的三个分支组TA电流之和。

因此瀑布沟发电机铜环引出还是按照“123-456”来实现（简单可行），而主保护配置却是每相6分支水轮发电机在“12-34-56”分支分组方式下才能实现的方案，这就是虚拟分支引出方式的意义所在。

对于瀑布沟发电机实际可能发生的5004种内部故障，优化后的主保护配置方案保护死区为6.9%，这主要是因为瀑布沟发电机实际可能发生的内部故障中小匝数匝间短路（对应的短路匝比≤10%）占了12.2%。

4 基于柔性光学TA的深溪沟发电完全纵差保护的实现

深溪沟发电机采用分数槽（q=65/22 ）“半波绕组”（定子绕组节距为y1=10、y2=8 ，如图6所示），66极（90.9r/min），定子槽数为585，每相3分支，每分支65个线圈。

从图6可以看出，由于深溪沟发电机每个分支集中布置于定子内圆的某一区域（大概60%的范围），同相的3个分支沿电机内圆交叉分布，当转子中心由O点偏移到O1点，偏向a1分支的同时必然偏离a3分支，导致a1/a3分支的感应电势不再相等，分支间出现不平衡电流，该不平衡电流又恰好进入不完全裂相横差保护的差动回路，从而造成保护装置报警；同理，深溪沟发电机配置的不完全纵差保护和零序电流型横差保护也会反应转子偏心振动导致的分支不平衡电流。

图6 深溪沟发电机转子偏心示意图Figure 6 Schematic diagram of rotor eccentricity of Shenxigou generator

从图7（b）可以看出，完全纵差保护比较的是机端和中性点侧相电流的不平衡，理论上不反应分支不平衡电流（上述横差和不完全纵差保护均有所反应），故对于采用集中布置绕组的叠绕组或“半波绕组”发电机，在主保护配置方案中保留一套完全纵差保护，有助于转子偏心振动引起事故的分析（同时需监测上导轴承的摆度和气隙同心度等），这在彭水［5×350MW/叠绕组/每相5分支，如图7（a）所示］电站已得到证实——彭水2号发电机首次零起升压试验时不完全裂相横差（反应12-45分支电流的不平衡）动作切机（差动回路不平衡电流已达0.23Ign，经检查发现定子内圆不圆/转子偏心严重），不完全纵差保护也已报警，但其完全纵差保护未动作。

图7 转子偏心对集中布置绕组支路平衡性和完全纵差保护性能的影响Figure 7 The effect of rotor eccentricity on the branch balance of the centrally arranged windings and the performance of complete longitudinal differential protection

图8 深溪沟发电机基于电磁型分支TA的不完全裂相横差保护和基于柔性光学TA的完全纵差保护Figure 8 Incomplete split-phase transverse differential protection based on electromagnetic branch TA and complete longitudinal differential protection based on flexible optical TA of Shenxigou generator

所以，通过在深溪沟发电机机端和中性点侧绕制柔性光学相电流互感器来构成完全纵差保护，并结合水轮发电机状态监测装置的数据分析，可提高深溪沟发电机的监测水平，保障深溪沟水电站的安全稳定运行。

5 结束语

基于柔性光学TA的瀑布沟发电机主保护优化设计方案可进一步减少现有主保护配置方案的保护死区，且无需调整发电机现有分支分组方式和中性点侧铜环布置，简单可行，可为后续瀑布沟发电机主保护技改工作奠定基础。

基于柔性光学TA的完全纵差保护的装设有助于提高深溪沟发电机的监测水平，若横差或不完全纵差保护报警而完全纵差保护未动作，且上导轴承的摆度超标，则可判断为转子偏心振动。