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柘溪250 MW水轮发电机主保护配置方案设计

0引言

　　多分支水轮发电机定子绕组结构的差异导致各发电机可能发生的各种内部短路故障形式（故障集）并不一致，即使同一容量的多分支发电机，当绕组形式和结构参数存在差异时，主保护配置方案并不一定相同；而且，对于同一台发电机，当中性点侧分支组合方式不同时，同一主保护配置原理（如零序横差，或裂相横差等）的保护效果也不一致。因此，多分支发电机主保护方案的设计需要针对整个故障集内故障形式、故障暂态仿真结果，以及不同保护方案下的保护效果展开，以确定优化的发电机中性点引出形式和主保护配置方案，保证机组及系统的安全运行。文章将以柘溪大型多分支发电机为对象，详细探讨其主保护配置方案的优化设计工作，为国内相关研究和工程应用提供参考。

　　1柘溪大型发电机内部短路故障集及特点

　　柘溪水力发电厂原装机容量447。5MW，扩建工程将新增2台单机容量为250MW的混流式水轮发电机组，由天津ALSTOM水电设备有限公司生产，发电机机端额定电压15。75kV，额定电流为10182。6A；定子铁芯为528槽，每相定子绕组由4分支并联组成，每分支含定子线圈44匝；转子32对极，每极极面下有6根阻尼棒。

　　根据发电机定子绕组的结构形式，可以确定该发电机可能发生的各种短路情况作为仿真分析的对象，即发电机内部短路故障集，主要考虑定子同槽内和端部可能发生的各种短路故障。根据短路故障点的电气位置，故障集又可以分为同相同分支短路（FSB）、同相异分支短路（FSP）和异相短路故障（FDP）。

　　图1多分支发电机内部短路故障示意图（1。jpg）

　　柘溪多分支发电机定子绕组采用双层叠绕形式，每相绕组均匀地分布在定子铁芯圆周上，其中A相各分支的分布情况如图2所示。其内部故障形式主要有以下特点：①定子线圈的叠绕形式使得同相同分支各匝线圈分布比较集中，同相同分支匝间短路故障的匝差比较小；②对于同相异支短路而言，由于各分支槽位重叠部分较少，因此同相异分支短路故障数并不多，而且各分支分布方式为1—2—3—4—1，因此同相异分支短路只会发生在相邻的分支间（例如A3分支只可能与A2、A4分支发生同相异分支短路）。另外，由于各重叠部分均为相邻分支的首端部分和首端部分或尾端部分和尾端部分，因此同相异分支短路均为小匝差故障形式。

　　图2柘溪发电机定子A相各分支分布图（2。jpg）

　　分析表明，柘溪发电机定子内部可能发生3696种短路故障形式，具体统计如表1所示。

　　表1柘溪发电机内部短路故障集

　　 同相同支 同相异支 异相 总数

　　槽内故障 268 20 240 528

　　端部故障 568 8 2592 3168

　　总数 836 28 2832 3696

　　对836种同相同分支和28种同相异分支短路故障的匝差统计情况如表2所示。可见柘溪发电机存在大量的小匝差短路故障，例如同相同分支匝间短路最大匝差不超过4匝，而同相异分支短路的最大匝差仅为1匝。大量的小匝差匝间短路故障容易形成故障死区，这在后文将有详细的阐述。

　　表2内部短路故障匝差统计

　　故障形式 0匝 1匝 2匝 3匝 4匝 5匝及以上

　　同相同分支 0 336 278 134 88 0

　　同相异分支 10 18 0 0 0 0

　　从表2中发现，柘溪发电机还可能存在匝差为0匝的匝间短路故障，例如A相第1分支中性点侧第1匝与A相第2分支第1匝发生短路故障（A1_1。00_A2_1。00）。需要说明的是，由于柘溪发电机定子绕组的特点，位于同相不同分支的“0”匝差短路，故障点并不一定等电位。具体而言，该发电机定子同相的1分支和3分支定子线圈各匝的绕行规律相同，所得定子各匝电动势矢量图一致；同相第2分支与第4分支的匝电势也是一致的。但是，奇数分支和偶数分支之间的匝电势却并不重合。

　　图3分别给出了定子各相奇数分支和偶数分支部分匝电势的向量图。其中，奇数和偶数分支各匝的电势分别如图中的虚线和实线所示，为简化标注，图中只给出了奇数分支各匝电势标注说明（实线表示的偶数分支的匝电势标注省略），图中还有三条虚直线代表整个定子绕组三相电势的方向。

　　图3柘溪发电机定子匝电势局部放大图（2。jpg）

　　仿真分析表明，这些“0匝”的同相异分支匝问短路故障还存在很强的故障电气特性，例如A1_1。00_A2_1。00金属性短路故障下，其短路环电流和零序横差电流的仿真波形如图4所示；故障后一个周波内的短路环和零序横差电流的基波有效值分别可达12154A和360A。因此，“0匝”的同相异分支短路故障可能导致横差保护动作，这是柘溪发电机定子绕组和内部短路故障集的一个重要特点。

　　图4A1_1。00_A2_1。00短路故障电流（2。jpg）

　　2引出两个中性点情况下的主保护方案

　　2。1分支组合方式的选择分析

　　发电机定子分支引出两个中性点时的CT分布情况如图5所示。由于柘溪发电机定子每相含4个并联分支，这里主要考虑12—34、l3—24和14—23三种分支组合形式。

　　图5引出两个中性点时的主保护CT配置图（3。jpg）

　　2。2横差保护分析

　　表3统计了各种分支组合情况下零序横差（图5中CT01）、裂相横差（以A相为例，由图6中CT2和CT3构成）以及两种横差保护联合作用时的保护效果，其中，零序横差保护选择0。04IN（407A）作为动作门槛；裂相横差保护采用比率制动特性，差动门槛选择为0。2IN、斜率S=0。3、拐点Ires0=1。0IN。

　　表3零序横差和裂相横差保护可动作故障数统计

　　保护方案 分支引出方式 同相同支（836） 同相异支（28） 异相（2832） 共计（3696）

　　零序横差 12—34 571 18 2536 3125

　　 13—24 492 24 2832 3348

　　 14—23 554 16 2816 3386

　　裂相横差 12—34 347 10 2830 3187

　　 13—24 263 20 2824 3107

　　 14—23 361 14 2808 3183

　　零序横差+裂相横差 12—34 586 18 2832 3436

　　 13—24 517 24 2832 3373

　　 14—23 578 16 2832 3426

　　由表3可知，柘溪发电机横差保护主要有以下特点：

　　（1）两种横差保护对同相异支故障动作灵敏度不高。以第1种分支组合为例，零序横差和裂相横差保护对同相异分支动作数目分别为18和10种。分析其原因，主要是由于同相异分支短路匝差都太小（不超过1匝）所造成。

　　（2）仅就同相异分支短路故障的保护效果而言，相隔分支组合（13—24）组合要强于其它两种情况。其原因是由于柘溪发电机同相异分支短路只可能发生在相邻分支之间，如第2分支只可能与第1、3分支发生同相异分支短路，采用分支相隔组合时，两个短路点就位于了图5所示的不同分支组中，因此，保护效果要比采用相邻分支组合时（两个短路点位于同一个分支组之中）强。

　　（3）零序横差和裂相横差保护对异相短路故障均有较高的动作率。

　　（4）单套横差保护下，同相同分支短路故障动作率不高。分析其原因，主要是由于同相同分支短路匝差都太小所造成的。可见，对于柘溪发电机内部短路故障，需要加强同相同分支匝问和同相异分支短路故障的保护力度。

　　（5）零序横差和裂相横差保护的故障动作效果存在互补作用，可考虑同时装设。

　　2。3纵差保护分析

　　表4列出了各种分支组合方式下各种纵差保护的动作效果统计。表中所述的不完全纵差l和2分别是指由图5所示第1或者第2个分支组合的CT与机端主引出线所构成的不完全纵差保护。这里选择的纵差保护判据为比率制动特性，差动门槛选择为0。2IN、斜率S=0。3、拐点Ires0=1。0IN。

　　表4纵差保护可动作故障数统计

　　分支引出方式 纵差保护方案 同相同支（836） 同相异支（28） 异相（2832） 共计（3696）

　　12—34 不完全纵差1 38 5 2638 2681

　　 不完全纵差2 37 5 2652 2694

　　 双不完全纵差 41 6 2832 2879

　　 完全纵差 0 0 2832 2832

　　13—24 不完全纵差1 51 18 2811 2880

　　 不完全纵差2 50 18 2773 2841

　　 双不完全纵差 54 18 2832 2904

　　 完全纵差 0 0 2832 2832

　　14—23 不完全纵差1 20 14 2806 2840

　　 不完全纵差2 22 14 2803 2839

　　 双不完全纵差 22 14 2832 2868

　　 完全纵差 0 0 2832 2832

　　由表4可知，纵差保护主要有以下特点：

　　（1）完全纵差保护对同相同分支和同相异分支短路故障没有保护作用，但对2832种异相短路故障可以全部动作；

　　（2）不完全纵差保护对各种故障形式都有保护作用，对同相同分支和同相异分支短路故障动作率不高；

　　（3）单套不完全纵差保护对相间故障有较高动作率，但只有双不完全纵差才可对异相短路故障100％动作。

　　2。4保护方案的选择

　　由于以上各种保护及其单独的组合情况对同相同分支和同相异分支短路故障的动作率有限，现研究横差保护和纵差保护联合作用时的保护效果，统计情况如表5所示。

　　表5组合保护方案下可动作故障数统计

　　分支引出方式 组合保护方案 同相同支（836） 同相异支（28） 异相（2832） 共计（3696）

　　12—34 零差+裂相+不完全纵差1 586 l8 2832 3436

　　 零差+裂相+不完全纵差2 586 18 2832 3436

　　 零差+裂相+双不完全纵差 586 18 2832 3436

　　 零差+裂相+完全纵差 586 l8 2832 3436

　　13—24 零差+裂相+不完全纵差1 517 24 2832 3373

　　 零差+裂相+不完全纵差2 517 24 2832 3373

　　 零差+裂相+双不完全纵差 517 24 2832 3373

　　 零差+裂相+完全纵差 517 24 2832 3373

　　14—23 零差+裂相+不完全纵差1 578 16 2832 3426

　　 零差+裂相+不完全纵差2 578 16 2832 3426

　　 零差+裂相+双不完全纵差 578 16 2832 3426

　　 零差+裂相+完全纵差 578 16 2832 3426

　　由以上分析可知柘溪发电机在各种分支组合方式下的主保护配置方案主要有以下特点：

　　（1）对于所列举的3种中性点侧分支组合方式，我们推荐选择12—34的分支组合形式，可达到最高的故障动作率。

　　（2）比较表3和表5可知，对于裂相横差和零序横差都不动作的匝间短路故障，不完全纵差保护没有任何补充作用。

　　（3）裂相横差和零序横差的联合保护对异相故障已有极高的故障动作率，表3所采用的判据下可全部动作；进一步研究表明，当提高零序横差或者裂相横差保护判据门槛时，组合的横差保护并不能保证异相故障全部动作。而保护方案设计过程中，现场定值尚未确定，为了确保异相故障有更高的动作率，建议增加一套纵差保护，至少可以为异相故障提供双重化的保护效果。

　　（4）在双套横差保护的基础上增加任一套纵差保护的情况下，构成“零序横差+完全裂相+任一套纵差”保护的故障动作率完全相同。

　　到底加配哪种纵差保护更为合适，针对所推荐的12—34相邻分支组合形式，我们从保护双重化的角度作了表6所示的统计。

　　表6组合保护效果统计

　　保护组合 至少有一种保护可动作的故障 至少有两种保护可动作的故障

　　 同相同支 同相异支 异相短路 总计 同相同支 同相异支 异相短路 总计

　　零差+裂相+完全纵差 586 18 2832 3436 332 10 2832 3174

　　零差+裂相+双不完全纵差 586 18 2832 3436 332 10 2832 3174

　　零差+裂相+双不完全纵差+完全纵差 586 18 2832 3436 332 10 2832 3174

　　从表中可以看出，加配“不完全纵差”后，与“零序横差+完全裂相+完全纵差”保护相比，对“至少有两种保护可动作的故障”的数目几乎没有任何补充作用，其效果充其量只是实现部分故障保护的三重化。按照《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》，大型发电机保护本身就有双套化的配置形式，因此，“不完全纵差”保护的加入意义不大。

　　综合上述仿真分析结论，结合国内各大型电站发电机主保护配置情况及运行经验，从同时考虑保护效果和简化保护配置方案的角度出发，选择中性点分支为12—34的组合形式，由“零序横差+完全裂相横差+完全纵差”来构成柘溪发电机的优化主保护配置方案。研究过程对各种保护方案下，采用各种常用的不同的保护判据都进行了仿真论证，优化保护方案的选择结果都支持上述结论。

　　在文中所述的保护判据下，按此优化保护配置方案，柘溪发电机3696种内部故障可动作3436种（93％）。其它拒动故障匝数均不超过3匝，统计结果如表7所示。

　　表7拒动故障匝差统计

　　故障形式 0匝 1匝 2匝 3匝 小计

　　同相同分支 / 128 95 27 250

　　同相异分支 4 6 / / 10

　　3引出三个中性点情况下的主保护方案

　　引出三个中性点情况下的保护配置形式更加灵活且复杂，如图6所示，例如双元件零序横差保护和不完全裂相横差都有多种选择形式，本研究中主要选择了12—3—4、1—23—4、13—2—4和1—3—24四种分支组合形式进行了详细分析。

　　图6引出三个中性点时的主保护（CT）配置图（5。jpg）

　　限于篇幅，这里不再给出详细的数据表格，只介绍研究结论：

　　（1）不同的双元件零序横差组合方案“CT01+CT02”、“CT02+CT03”和“CT01+CT03”的匝间故障保护效果存在一定差异，例如在12—3—4的分支组合情况下，可动作的同相同分支短路故障分别为609、60l和525种。

　　（2）双元件零序横差匝间短路故障的保护效果要强于两个中性点下的单元件零序横差保护。

　　（3）单套不完全裂相横差保护的匝间短路故障保护效果要稍强于两个中性点情况下的完全裂相横差保护，当配置双套（或者三套）不完全裂相横差保护时，保护效果的优势会更突出。三套不完全裂相之间的互补性明显。

　　（4）由于在不同的保护判据下，保护的灵敏度。和故障动作率都存在很大的差别，在试图比较双元件零序横差和不完全裂相横差对同相故障的保护效果时，很难辨其绝对好坏。例如，在前述判据下，12—3—4分支组合中，双元件零差的保护效果与三套不完全裂相同时使用时的效果基本相当。但将不完全裂相横差的差动门槛抬高到0。3IN时，即使是三套不完全裂相横差保护，其效果也逊色许多。考虑到柘溪发电机匝间短路故障匝差很小，对匝问短路故障而言，单独使用一种横差保护很难取得非常满意的效果，因此建议对同时使用两种横差保护方案，覆盖故障集内更多的匝问短路故障。

　　（5）“双元件零差+三套不完全裂相”的保护效果要优于“双元件零差+双套不完全裂相”的情况，为了提高柘溪发电机同相同分支匝问短路故障的动作率，推荐配置“双元件零差+三套不完全裂相”的组合横差保护方案。

　　（6）不完全纵差对“双元件零序横差+三套不完全裂相横差”保护都不能动作匝间短路故障没有任何补充作用。但横差保护定值门槛并未确定（零序横差保护定值还需实测），为确保异相短路故障的保护效果，还是考虑增加完全纵差保护。

　　（7）通过对多种分支组合方式下的保护效果统计分析，柘溪发电机引出三个中性点时的优化保护方案选择为“双元件零序横差(CT01+CT03)+三套不完全裂相横差+完全纵差保护”，中性点侧分支组合方式推荐1—23—4的组合形式。在前文所述判据下，3696种内部故障可动作3580种（96。9％）。匝差统计如表8所示。

　　表8拒动故障匝差统计

　　故障形式 0匝 1匝 2匝 3匝 小计

　　同相同分支 / 59 43 11 113

　　同相异分支 2 1 / / 3

　　4结论

　　文章基于柘溪250MW多分支水轮发电机内部短路故障集内各故障暂态仿真结果的保护分析情况，研究了发电机引出两个或者三个中性点情况下的优化主保护配置方案，主要结论如下：

　　（1）由于柘溪发电机特殊的双层叠绕结构，导致其可能发生的同相内部短路故障形式均为匝差不超过4匝的小匝差短路形式；故障特性相对不明显，可能导致保护死区。

　　（2）在引出两个中性点的情况下，柘溪发电机优化主保护配置方案选择为12—34的相邻分支组合形式，选择“零序横差+完全裂相+完全纵差”保护配置方案。

　　（3）在引出三个中性点的情况下，主保护配置方案选择为1—23—4的相邻分支组合形式，保护配置选择为“双元件零序横差（CT01+CT03）+三套不完全裂相横差+完全纵差保护”。当保护定值改变时，各主保护的故障动作率会有变化，研究表明，其它常用的不同定值门槛仿真计算结果都维持上述结论。

　　（4）柘溪发电机不完全纵差保护对匝间短路故障的保护效果相对较差，对于零序横差和裂相横差构成的组合横差保护不能动作的同相短路故障，在文中所述的判据下，不完全纵差保护没有补充作用。

　　在设计和实际投运过程中，考虑到发电机引出三个中性点情况下保护设计和安装相对复杂，而且同样存在保护动作死区，选择了文中所得出的引出两种中性点情况下的保护方案。为进一步减少轻微故障下的保护死区，需加强发电机的运行维护并继续开展新型发电机主保护方案的研究工作。