杨勇

（贵州乌江水电开发有限责任公司思林发电厂，贵州思南565100）

发电机主保护配置方案优化研究

杨勇

（贵州乌江水电开发有限责任公司思林发电厂，贵州思南565100）

大型发电机地位重要，其故障将严重影响机组及电力系统的安全稳定运行，研究有效的发电机主保护配置方案有重要意义。文章并对零序电流型横差保护、裂相横差保护、不完全纵差保护及完全纵差保护四种主保护的工作原理、构成形式进行了研究，在此基础上进一步提出了主保护的方案优化设计步骤和最终方案的确定方法，对大型发电机实施有效的保护有一定的现实指导意义。

发电机；主保护；短路；优化

1 概述

发电机是电力系统的心脏，随着发电机单机容量的不断增大，发电机故障对电力系统将产生更严重影响，甚至会破坏电力系统稳定性，引起系统瘫痪；同时由于大型发电机组造价昂贵，结构复杂，一旦遭受损坏，需要的检修期长，会带来很大的经济损失，对发电机主保护的安全性、快速性、灵敏性提出了更高的要求。此外，发电机内部故障破坏性强，但目前的发电机主保护动作率较低，且对于匝间短路还存在保护死区，因此必须对各种发电机主保护配置方案进行研究，提出最优化的主保护配置方案。

2 发电机内部故障主保护方案

目前发电机内部故障主保护主要有：零序电流型横差保护、裂相横差保护、不完全纵差保护和完全纵差保护，它们既可以保护发电机相间短路，也可以保护匝间短路，改善了发电机定子绕组内部故障主保护方案。

（1）零序电流型横差保护。零序电流型横差保护适用于多分支的定子绕组，所以在大型发电机内部短路主保护配置中应用广泛，对匝间短路有较高的灵敏度。以SF600-42/1308水轮发电机为例，对于并联支路数为6的发电机，可以将每相的1、2、3分支引出连在一起，形成中性点o1；再将每相4、5、6分支引出连在一起，形成中性点o2；然后在o1、o2之间装设一个电流互感器TA0，形成一套零序电流型横差保护，如图1a)所示。也可以将每相的1、2分支引出连在一起，形成中性点o1；将每相3、4分支引出连在一起，形成中性点o2；再将每相5、6分支引出连在一起，形成中性点o3；然后在o1与o2之间、o2与o3之间装设两个电流互感器TA01、TA02，形成两套零序电流型横差保护，如图1b)所示。

（2）裂相横差保护。由于发电机内部短路主保护设计中，最少要有一横一纵，而零序电流型横差保护不适用于机外只引出一个中性点的发电机。裂相横差保护将发电机中性点侧的并联分支直接分为2组(完全裂相横差保护)或舍弃其中某部分分支后将剩余绕组分为两组(不完全裂相保护)，要反应发电机内部故障的匝间短路，比较的是发电机同相间两部分电流的不平衡度。

对于并联支路数为6的SF600-42/1308水轮发电机而言，以B相为例，可以将1、2、3分支连在一起引出，再将4、5、6分支连在一起引出，分别装设电流互感器TA3、TA4，在两个电流互感器TA3、TA4之间形成完全裂相横差保护，如图2a)所示。也可以将1、2分支连在一起引出，再将5、6分支连在一起引出，分别装设电流互感器TA3、TA4，在两个电流互感器TA3、TA4之间形成不完全裂相横差保护，如图2b)所示。

研究表明零序横差保护和裂相横差保护对于匝间保护的灵敏度要优于不完全纵差保护，是匝间短路的主保护。但保护方案选择零序横差还是裂相横差，或两者都选，必须经过详细的主保护灵敏度分析来决定。

（3）不完全纵差保护。不完全纵差保护是“两纵”中比较常用的一种，将电流互感器接于中性点侧某相中部分并联分支绕组中，与机端侧电流互感器构成不完全纵差保护。如图3所示，并联支路数为6的发电机，以A、C相为例，在机端侧分别装设电流互感器TA7、TA9，在A、C两相中性点侧将1、2、3分支和4、5、6分支分别引出，并装设电流互感器TA1、TA6，在TA1与TA7、TA6与TA9之间分别构成引入分支数为3的两套不完全纵差保护。在应用不完全纵差保护前，必须进行发电机内部故障灵敏度分析计算，综合考虑不完全纵差保护对匝间短路和相间短路的灵敏度，考虑不完全纵差是否体现了反应匝间短路的优点，来确定是否选择不完全纵差保护。

（4）完全纵差保护。完全纵差保护是一种传统的纵差保护，比较发电机定子绕组首端(机端侧)和尾端(中性点侧)的电流是否平衡，对于定子绕组相间短路很灵敏，且只能够反应相间短路。完全纵差保护由中性点侧某相全部并联分支绕组接入的电流互感器，与相应机端侧的电流互感器共同构成，如图4所示，TA5、TA6与TA9一同构成C相的完全纵差保护。完全纵差保护能完全反应发电机定子绕组相间短路，但其对定子绕组同相同分支、同相异分支短路故障、定子绕组分支开焊故障完全不起作用。

图1 零序电流型横差保护

图2 裂相横差保护

图3 不完全纵差保护

图4 完全纵差保护

3 主保护配置方案优化设计

通过上文对四种主保护工作原理和动作性能的分析，进一步提出了主保护配置方案的优化设计方法，将主保护配置方案的基本设计方法与发电机实际发生的内部短路情况相结合，在此基础上，对可行方案进行性能对比，最终得到发电机内部短路主保护的最终配置方案。

（1）主保护定量化设计的基本步骤。通过前面的阐述对四种主保护性能已有了清楚地了解，现对主保护定量化设计的基本步骤作以下说明：①首先确定横差保护类型，优先考虑零序电流型横差保护，结合横差保护选型，确定发电机中性点侧定子绕组的引出方式，明确中性点个数、零序电流型横差保护套数或裂相横差保护类型(完全裂相或不完全裂相)；②对于发电机端部引出线相间短路和定子绕组各种故障，除横差保护外，还需装设纵差保护，优先考虑不完全纵差保护，形成“一横一纵”(一种横差保护和一种纵差保护)的初步格局；③在对“一横一纵”初步格局进行性能分析的基础上，再考虑其他主保护的取舍，这需要综合考虑各种指标——中性点侧TA的数目及安装位置、已有主保护配置方案不能动作故障及其性质等；④在确定主保护最终方案前，需对所有可行主保护组合方案的动作性能进行分析，逐一对比，最好地实现各主保护之间的综合利用，最终确定工作性能最优的主保护配置方案；⑤根据仿真短路电流结果、最终主保护配置方案，选择适合的保护用电流互感器的个数，型号和安装位置。

（2）主保护最终方案的确定。通过对发电机内部短路主保护可行方案的对比，可得到各主保护方案的动作性能，包括一种主保护动作故障数、双重化保护动作故障数、无主保护动作故障数及其拒动信息。从可行方案中确定最终主保护配置方案需综合考虑各项指标，同时也取决于所配置主保护之间的“合作”。在对各主保护组合方案性能分析的基础上，需对以下6点综合考虑，进而推荐最终的主保护配置方案：①中性点侧分支引出简单；②完成内部短路保护功能所用的保护方案简单；③电流互感器个数少；④主保护不可动作故障个数少；⑤主保护可双重化动作的故障个数多；⑥内部短路保护死区占故障总数的比重小。

4 结语

近年来，发电机组的装机容量、年发电量也在持续增长。内部短路是大型发电机典型的故障之一，发电机在发生内部短路时会产生带有极大危害的短路电流，这将直接或间接地给电力系统及人民生活造成巨大的经济损害，所以针对大型发电机内部短路配以适当的主保护十分地必要。文章针对大型发电机在内部短路时可能产生的问题，提出了发电机主保护配置方案的优化设计方法，为大型发电机配置高性能的主保护方案奠定了理论基础。

［1］王维俭,王祥珩,王赞基.大型发电机变压器内部故障分析与继电保护［M］.北京：中国电力出版社，2006.

［2］黄晶晶.发电机定子匝间保护的研究［D］.杭州：浙江大学，2008．

［3］鄢志超.发电机匝间短路相关问题的探讨［J］.浙江电力，2009，2（1）：14-19.

［4］刘俊宏,王维俭,王祥珩.发电机不完全纵差保护［J］.中国电力，1997，4（30）：34-37.

杨勇（1985-），男，贵州三穗人，大学本科，助理工程师，主要从事水电站电气一次设备检修维护工作。