王维俭1，孙宇光1，王祥珩1，桂 林1，谢 敏2
（1．清华大学，北京100084；2．广西电力勘察设计研究院，广西南宁530023）
摘 要：针对现有发电机主保护设计方法的不科学性，提出新的设计思路、步骤和方法，彻底改变了以往完全凭概念、经验和传统习惯的做法，逐步做到主设备继电保护设计工作的定量化，即以正确的发电机内部短路分析计算为基础，校核各种主保护方案的灵敏系数，由此择优确定发电机定子绕组中性点侧的分支引出方式，结合电机的实际情况和各种保护方案的优缺点，按照“优势互补、综合利用”的原则，最终确定该发电机主保护的配置方案。
关键词：发电机；主保护；内部短路；设计方法
1 引言
清华大学电机系和广西电力勘察设计研究院一致认识到原有发电机主保护配置方案设计的主观随意性、缺乏严格科学的定量分析，造成不同型号的发电机配置了相同的主保护，不清楚这些保护究竟对发电机的哪些短路故障有多大灵敏度，更不知道还有哪些实际可能发生的短路和开焊故障发电机主保护将拒动。在这种技术基础上，对大型发电机主保护的双重化又何从谈起？例如一台700 MW发电机，定子槽内短路绝大部分（88．9％）为同相的匝间短路，仅11．1％为相间短路，即使装设两套传统（完全）纵差保护，对88．9％的短路仍没起到双重化主保护的作用，远远没有尽到继电保护的责任。
有鉴于此，两单位的继电保护技术人员，计划以广西平班电厂和恶滩电厂的发电机主保护设计任务为例，共同探讨主设备主保护设计的新思路和新方法，与国内同行共商。
2 恶滩电站扩建工程发电机基本情况
恶滩发电机单机额定功率为150 MW，96极，定子槽数为792，每相3分支，每分支88槽。发电机额定参数为：UN＝15．75 kV，IN＝6 284．1 A，cosN＝0．875，If0＝951．41 A，IfN＝1744．1 A。有机端断路器，升压变及系统等值电抗（折合到发电机电压级）约为0．2 p．u．。
要特别指出，恶滩发电机的定子绕组在空间布置上比较特殊，每相的3个分支的对应线圈的空间位置不是完全对称的，致使与各支路有关的内部故障的短路点位置也不完全对称。所以，我们必须对每相每分支可能发生的内部短路都进行详细的计算，而不能只从一相或一个分支的故障结果推广到所有的定子内部故障。这使得计算的工作量大大增加。
3 恶滩发电机定子绕组内部短路的设计和主保护规划
根据对恶滩发电机绕组展开图的分析，该发电机定子绕组实际可能发生的内部短路如表1和表2所示：
·定子槽内上、下层线棒间短路共792种（等于定子槽数）。通过对同槽故障性质的分析，发现同相同分支匝间短路378种（占47．73％），其中短路匝数为2、4匝的故障数分别为57、57，短路匝比分别只有2．27％、4．55％。可见，同相同分支的小匝数匝间短路共有114种，占同槽故障数的14．39％。同相不同分支匝间短路54种（占6．82％），短路匝数均在9～100匝之间。相间短路360种（占45．45％），其中属于不同相而分支编号相同的分支（例如a1对b1）间发生短路的有285种，所占比率为79．17％。
·定子绕组端部交叉处短路共11 088种。通过对端部交叉故障（简称为端部故障）性质的分析，发现同相同分支匝间短路2 520种（占22．73％），短路匝数为1、2、3、4匝的故障数分别为135、78、135、78，短路匝比分别只有1．14％、2．27％、3．41％、4．55％。可见，同相同分支的小匝数匝间短路共有426种，占端部故障数的3．84％。同相不同分支匝间短路360种（占3．25％），其中两个分支的短路点均靠近机端的故障有18种、短路匝数为170～173匝。相间短路8 208种（占74％），其中属于不同相而分支编号相同的分支间发生短路的有5 889种，所占比例为71．75％。
有了这台发电机定子绕组短路（还有分支开焊）的全貌，初步建立主保护的大致轮廓为：
·因为匝间短路比例较大（同槽故障54．6％，端部故障26％），所以必须装设横差保护，究竟采用何种横差保护，应由内部短路分析计算决定。
·考虑端部三相引线短路时，各种横差保护均不反应，而且内部短路时横差保护尚有动作死区，所以必须装设纵差保护。首先不考虑采用传统（完全）纵差保护，因为它对所有匝间短路均不反应，可供选择的一定只能是不完全纵差保护，至于不完全纵差保护装设几套？每一套不完全纵差保护选取哪几个中性点侧分支电流？这些深层次问题，也必须经内部短路分析计算才能确定。
4 发电机中性点引出方式和零序电流型横差保护的选型
发电机中性点侧分支的引出方式直接影响装设一套或两套零序横差保护的问题，间接影响不完全纵差保护究竟选取哪个中性点侧分支电流，还与裂相横差保护的选型有关（完全或不完全裂相横差）。
由于各种主保护方案中零序电流型横差保护功能好、设备（电流互感器）少，所以在决定采用一套或两套零序电流型横差保护的选型过程中，同时确定中性点侧分支的引出方式。
4．1 零序电流型横差保护的灵敏性分析及有关互感器的选型
恶滩发电机每相3分支，如果引出3个中性点（将每相的第i分支接在一起，形成中性点oi（i＝1，2，3）），可以构成两套零序电流型横差保护（如图1）；如果只引出2个中性点（例如将每相的第1分支接在一起，形成中性点o1；再将每相的第2、3分支都接在一起，形成中性点o23），就只能构成一套零序电流型横差保护（如图2）。
4．1．1 零序电流型横差保护的灵敏性统计
应用“多回路分析软件”全面计算11880种内部短路，获得发电机各分支的短路电流大小和相位，然后根据发电机中性点引出方式，计算各种零序电流型横差保护的动作电流大小。设定零序横差保护的整定值为0．05 p．u．，就可求出它们各自的灵敏系数Ksen。
·恶滩发电机单机或联网空载运行状态下零序横差保护对槽内故障的灵敏性，见表3和表4。
从表3和表4可清楚地知道，恶滩电站发电机装设两套零序横差保护比一套的灵敏度高，前者仅多用一台电流互感器，保护性能明显提高。
·恶滩发电机单机或联网空载运行状态下零序横差保护对端部故障的灵敏性，见表5和表6。
表3、表4、表5和表6同样表明，恶滩发电机应装设两套零序电流型横差保护。
4．1．2 零序电流型横差
保护用互感器TAO的选型
零序电流型横差保护完全不同于纵差保护，它只用一台互感器，因此不像纵差保护那样对互感器有严格的误差要求。但是零序横差保护在发电机各种内部短路条件下，流过的短路电流大小悬殊，给互感器一次额定电流和变比选择带来困难。
为正确选择TAO的变比，除了一次额定电流应大于发电机最大负荷条件下两中性点连线的最大不平衡电流（此电流必须实测，为此应预设2～3个一次额定电流）外，还必须计算发电机内部短路时中性点连线的最大和最小电流。按内部故障的最大横差电流校验互感器的短路电流倍数，勿使互感器过度饱和；按内部故障的最小横差电流校验保护的灵敏系数Ksen是否大于1．5～2．0。
通过内部故障仿真计算，已知恶滩发电机内部短路时流过中性点连线的最大／最小短路电流分别为：
·通过对恶滩发电机单机空载及并网空载两种运行状态下所有可能发生的792种同槽故障的仿真计算，同槽故障时流过中性点连线O1O2的短路电流最大，为I00．max＝29 620．11 A，对应的运行状态为并网空载，对应的故障类型为机端侧附近的大匝数的同相同分支匝间短路c1（88）c1（2），即恶滩发电机在c相第1分支发生同槽的第2号线圈的下层边与第88号线圈的上层边之间的短路，短路匝数为86匝；同槽故障时流过中性点连线O2O3的短路电流最小，为I00．min＝4．854 A，对应的运行状态为单机空载，对应的故障类型为小匝数的同相同分支匝间短路a1（34）a1（40），即恶滩发电机在a相第1分支发生同槽的第34号线圈的上层边与第40号线圈的下层边之间的短路，短路匝数为6匝。
·通过对恶滩发电机单机空载及并网空载两种运行状态下所有可能发生的11 088种端部交叉故障的仿真计算，端部故障时流过中性点连线O2O3的短路电流最大，为I00．max＝31 008．89A，对应的运行状态为并网空载，对应的故障类型为机端侧附近的大匝数的同相同分支匝间短路a3（1）a3（88），即恶滩发电机a相第3分支第1号线圈的上层边和a相第3分支第88号线圈的下层边发生端部交叉短路，短路匝数为87匝；端部故障时流过中性点连线O2O3的短路电流最小，为I00．min＝2．486 A，对应的运行状态为单机空载，对应的故障类型为小匝数的同相同分支匝间短路a1（37）a1（36），即恶滩发电机a相第1分支第36号线圈的下层边和a相第1分支第37号线圈的上层边发生端部交叉短路，短路匝数仅1匝。
从上述数据可知，中性点连线最大电流约30000 A，为额定电流的5倍左右；最小电流仅2～5 A，不到额定电流的0．1％，这些小电流的故障均非零序电流型横差保护所能反应，选择电流互感器一次额定电流和变比时不予考虑。
基于以下理由，最终选择零序横差保护的电流互感器型号为5P20—1000／5 A：
·考虑恶滩发电机容量中等（150 MW），不装设灵敏段（低定值、小变比）和不灵敏段（高定值、大变比）零序横差保护，所以只装设一段，只有一个互感器变比要选择。
·流过零序电流型横差保护Ⅰ的一次短路电流在20 000 A以下的内部故障有11 685种，占98．36％；流过零序电流型横差保护Ⅲ的一次短路电流在20 000 A以下的内部故障有11 624种，占97．85％，5P20—1000／5 A互感器能保证误差小于5％。余下约1％～2％的内部故障，短路电流在30000 A及以下，该互感器的误差可能超过10％，但这并不影响零序电流型横差保护的灵敏动作。
·二次负荷不大，二次额定电流可以选较大值5A。
·绝大多数中性点连线电流大于150 A，1000／5A的互感器已能准确工作（一次电流应大于1000×15％）；而且零序横差保护的整定动作电流为6284．1×5％＝314 A，1000／5 A互感器正处于良好工作状态。
4．2 零序电流型横差保护配置方案的确定和评估
综合统计对比各种零序电流型横差保护的灵敏性见表7。
从表7可以清楚地看出到，在单机空载运行状态下，引出2个中性点装设的1套零序电流型横差保护最多可对9 930种内部故障起到有效的保护；而如果引出3个中性点、装设2套零序电流型横差保护，可有效保护的最多故障数能达到10 862种，增加了932种、占所有故障数的7．85％。考虑到多引出1个中性点、并增加1个中性点连线之间的互感器需付出的代价并不大，但对保护性能的改善却是非常明显的，建议引出3个中性点，并采用图1（c）所示的两套零序电流型横差保护（Ⅰ与Ⅲ）。
最终决定采用两套零序电流型横差保护，该保护方案对恶滩发电机内部短路不能灵敏动作的故障数见表8。为此必须增设其它保护，解决余下的约1000种内部故障的保护。
5 恶滩发电机的第2种主保护——不完全纵差保护
为兼顾定子绕组短路和机端引线短路，主保护总配置方案中既要包括横差保护，又要包括纵差保护，因为无论零序电流型横差保护或裂相横差保护，均不反应机端引线短路。从表8可以看出，两套零序电流型横差保护Ⅰ与Ⅲ的死区中，同相同分支的匝间短路占到了80％以上，而完全纵差保护不反应同相的匝间短路，所以应先考虑装设不完全纵差保护。
恶滩发电机每相3分支，如果每相只有1个分支安装电流互感器，就只能配置1套不完全纵差保护；如果每相在2个分支上安装电流互感器，则可以配置2套不完全纵差保护。
5．1 不完全纵差保护的灵敏性分析
恶滩发电机可能装设的不完全纵差保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的构成如图3所示，其中Ⅰ取各相第1分支电流，Ⅱ取各相第2分支电流，Ⅲ取各相第3分支电流。
前已确定装设两套零序电流型横差保护，它们均有一部分不能保护的发电机内部故障，增设不完全纵差保护后改善保护性能的结果见表9和表10。
从表9和表10可见，增设一套不完全纵差保护Ⅱ，可使单机空载下灵敏动作故障数增加72＋390种，如果再增设一套纵差保护Ⅰ，则灵敏动作故障数增至92＋501种。
对于联网空载运行状态下的灵敏性统计见表11和表12。
通过以上分析计算，各种不完全纵差保护与两套零序电流型横差保护I型与III组合后取得的灵敏性改善情况见表13。
从表13可以看到，在安装两套零序电流型横差保护Ⅰ与Ⅲ后，只要再装一套不完全纵差保护Ⅱ（参见图7），不能动作的故障数就已经减少到了5％以内（单机空载运行时：556种（4．68％）；联网空载运行时：533种（4．49％），基本满足技术要求。
如果条件允许、可以在每相再多装一个分支电流互感器、并再安装一套不完全纵差保护Ⅰ，那么在单机空载运行时又可多保护131种（1．10％）、在联网空载运行时又可多保护124种（1．04％）内部故障。
当然对恶滩发电机而言，即使装设两套零序电流型横差保护和两套不完全纵差保护，仍有400余种内部短路得不到保护（Ksen＜1．5）。
6 恶滩发电机的第3种主保护--不完全裂相横差保护
如果已确定要装两套不完全纵差保护，则每相3分支中必有2个分支已装设互感器，这时为进一步提高保护灵敏性和保护范围，可在不加互感器的条件下增设不完全裂相横差保护Ⅰ（参见图6），后差保护，能够在单机空载运行时多保护119种内部故障，在联网空载运行时多保护116种内部故障，相对于总故障数11880的比例仅约1%，但绝对数量仍超过100种，应该说有一定的提高作用。
装设以上五种主保护后，对恶滩发电机尚不能保护的情况见表16。
从表16可以看出，在安装了两套零序电流型横差保护Ⅰ与Ⅲ、两套不完全纵差保护Ⅰ与Ⅱ、一套不完全裂相横差保护Ⅰ之后，仍然不能灵敏动作的内部短路几乎都是同相同分支匝间短路了，所以再增加完全差动保护也无济于事，徒然增加互感器。
7 恶滩发电机主保护配置的三种方案评估
7．1 装设两套零序电流型横差保护（Ⅰ、Ⅲ）和一套不完全纵差保护Ⅱ（图4）—方案一
方案一的动作情况见表17和表18。它需要8台电流互感器。
7．2 装设两套零序电流型横差保护（Ⅰ、Ⅲ）和两套不完全纵差保护（I、II）（图5）--方案二
方案二的动作情况见表19和表20。它需要11台互感器。
7.3 装设两套零序电流型横差（I、II）、两套不完全纵差（I、II）和一套不完全裂相横差保护（I）（图6）--方案三
方案三也需要11台互感器，动作情况如表21和表22。
7.4 恶滩发电机主保护的最终配置方案
已完成恶滩发电机主保护方案的全部分析论证工作，每一步的决定均建立在定量的科学基础上。最终要在三个总配置方案中选定一个，这与发电机本身容量和重要性有关。如强调保护性能的完善，当首推方案三；如考虑机组容量不大，要求设备（互感器）少、方案简单，则当选方案一，后者的不能动作数已在5％以内，对比目前通常设计的方案，性能已大有提高。
对于上述的三套主保护配置方案，在发电机满载联网运行时，发生1分支的开焊断线，也有很好的灵敏性，见表23。
8 结论
本文详细介绍了一台发电机主保护方案设计的全过程，阐述了作者的设计思路、观点和具体方法。由于完全改变过去不重定量、仅凭概念和经验的设计方法，新方法要求设计人员（包括整定计算的运行人员）化费较多的精力和时间，以求取得高质量的设计成果，确保发电机的安全运行。随着设计工作经验的积累，繁重的计算工作量有望简化；即将公开发行的《发电机内部故障分析软件》，为推广新设计方法创造了条件。
参考文献：
［1］ 王维俭，桂林，王祥珩．论大型发电机微机主保护设计的科学性［J］．电力自动化设备，2002，22（2）：1－7．
［2］ 王维俭，桂林，王祥珩，等．大型水轮发电机微机型主保护设计方法再商榷［J］．继电器，2002，30（9）：1－6．
［3］ 王维俭，桂林，王祥珩，等．不同型号的发电机应配置不同的主保护［J］．电力自动化设备，2002，22（12）：1－5．
［4］ 王维俭．电气主设备继电保护原理与应用（第2版）［M］．北京：中国电力出版社，2002．
本文关键字：发电机 电工文摘，电工技术 - 电工文摘
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