三峡左岸电站发电机保护优化设计

　　摘要：三峡左岸电站特大型水轮发电机具有机组容量大、定子绕组分支多、定子接地电容大等特点，因而发电机的继电保护设计成为技术难点和重点。介绍了发电机保护设计中发电机内部故障仿真计算分析、发变组保护用电流互感器选型及参数选择、发电机定子接地和转子接地保护、主保护方案研究以及发电机保护的优化设计情况，并对其产生的影响进行了小结。

　　关键词：发电机保护；优化设计；方案研究；三峡左岸电站

　　中国分类号：TV734.21 文献标识码：A

　　1 概述

　　三峡左岸电站14台700MW水轮发电机与14台主变压器分别组成14个发--变单元，发电机和变压器之间无断路器；机端接厂用变压器（除1号机组以外的所有奇数号机组）和励磁变压器；每两个发--变单元在变压器高压侧（500kV侧）相连组成联合单元，经短引线接至500kV GIS串上。500kV GIS为3/2接线方式，主母线设有母线分段断路器，将左岸电站分成左一、左二两个电厂，左一电厂装有8台机组，5回500kV出线，左二电厂装有6台机组，3回500kV出线。

　　针对上述主接线方式及主设备的特点，为了确保继电保护满足高可靠性、灵敏性、快速性及选择性的技术要求，需要对各设备的保护进行合理配置。其中，500kV GIS保护配置在国内均有相关的规范及约定，保护设计方案完全按规程规范确定；但当时国内针对700MW特大型水轮发电机组继电保护配置尚无可借鉴的先例，特别是在定子多分支保护配置以及中性点电流互感器配置与参数选择等方面提出了新的要求。机组继电保护的配置除满足规程和规范要求外，还必须针对特大型水轮发电机的特点提出相应的解决办法。

　　2 技术难点

　　三峡左岸电站水轮发电机组容量大、定子绕组分支多、定子接地电容大、机组台数多（而且有两种机型），而当时国内外又没有相关特大型机组发电机保护配置标准、规程、规范或具体要求。三峡左岸特大型发电机组继电保护设计的技术难点和重点主包括发电机内部故障仿真计算分析、发变组保护用电流互感器选型及参数选择、发电机定子接地和转子接地保护选择。

　　（1）发电机内部故障仿真计算分析。对发电机内部短路故障的保护配置，长期以来国内外无论何种绕组结构的发电机均采用纵差保护和单元件横差保护，故无法准确判断发电机内部故障。三峡特大型机组由于结构复杂、造价昴贵，为了确保这些机组的安全稳定运行，依据定子绕组的实际结构进行了各种内部故障分析是继电保护设计的重点和难点之一。

　　针对上述技术难点，设计单位会同国内有关科研单位，根据发电机组的电气参数和结构参数、定子绕组展开图、机组短路特性曲线等建立计算机仿真模型，分别对发电机不完全差动保护、裂相横差保护、单元件保护和完全纵差保护在发电机内部发生各种故障时灵敏度进行了仿真计算分析。根据仿真计算结果，结合工程设计、发电机制造、经济指标等因素综合研究考虑，最终确定三峡左岸电站发电机主保护的配置方案、发电机中性点侧分支引出方式、发电机中性点和主引出线侧保护用CT的选型及配置。

　　（2）发变组保护用电流互感器选型及参数选择。对于特大型发电机变压器组，选择适当类型和参数的电流互感器（简称CT），对保证继电保护设备正确动作至关重要。国内过去对500kV系统的保护用CT选用TPY型，但在发电机变压器组的保护中采用TPY型CT几乎是空白。由于三峡左岸电站发电机组时间常数较大，在系统短路暂态过程中可能会出现电流互感器饱和，从而导致发变组保护设备误动或拒动。因此，发变组保护用电流互感器选型及参数选择是继电保护设计中又一难点。

　　在实际工程应用中，计算各假设短路点的对称短路电流倍数Kssc比较容易，但对TPY类CT在暂态过程中的暂态面积系数Ktd确定则相对困难。这主要涉及到系统一次时间常数Tp、CT二次回路时间常数Ts、故障电流流过CT时间的确定等。通过充分分析和研究得出：对同一CT在不同短路点短路时其Kssc、Ktd的乘积不同，相应的等效二次极限电动势也不同，因此在CT设计时应取Kn=Kssc×Ktd为最大值作为设计条件，但必须校核暂态面积系数最大点的误差值ε是否满足小于10%的要求。总之在CT参数选择时，应根据工程的可实施性、运行的安全可靠性以及经济性进行综合考虑。

　　（3）发电机定子接地和转子接地保护。国内传统的定子接地保护方案主要是基于波零序电压和三次谐波原理，其中基波零序电压原理必须在发电机定子电压升起后才有效，且在中性点附近发生接地故障时存在死区；三次谐波原理基本能弥补上述死区，但受定子绕组及其相联设备接寻电容参数影响大、灵敏度不足，对于水轮发电机组，尤其是三峡左岸水轮发电机组（容量大、定子绕组分支多、定子接地电容大）更为突出。外加电源注入式定子接地保护不受机组运行状况影响，保护无死区，且灵敏度高。

　　国内针对发电机转子接地故障，采用较多的为切换采样原理（乒乓式），因为没有注入源，只有在转子升压后才能反应接地故障，但转子绝缘下降往往发生在长期停机的时候。而国外较多采用的为外加电源注入式保护，保护能反映发电机在停机状态时的转子接地故障，而且受转子接地电容的影响小，灵敏度也比较高。

　　如上所述，合理选择发电机定子接地、转子接地保护同样是三峡左岸电站发电机继电保护的设计重点。

　　针对三峡左岸电站机组的特点及国内发电机定子接地和转子接地保护的现状，经过多种方案综合研究比较，定子接地保护选择了基于基波零序电压原理和外加电源注入式原理的方案，转子接地保护亦选择了已有成熟运行经验的外加电源注入保护。

　　3 主保护研究

　　三峡左岸水轮发电机具有组容量大、绕组分支数量多及接地电容大等技术特点，如何最大限度地减小发电机内部故障时继电保护的死区、消除电流互感器在稳态和暂态短路过程的饱和现象是三峡左岸电站继电保护设计的关键技术。针对这一关键技术，通过开展科学研究，最终确定了符合三峡左岸电站发电机组特性的最佳保护方案。

　　（1）收集原始资料。根据仿真计算要求，收集水轮发电机组的电气和结构参数等有关资料，其中图纸路特性曲线、磁极横剖面图、阻尼绕组连接图、定子槽横剖面图、定子线棒绝缘图、绝缘线棒图、绕组展开图等。

　　（2）提出计算要求。①要求对各种机型机组分别进行仿真计算，确定不完全差动保护中性点侧电流互感器的变比和每相哪几个分支并列接入电流互感器，才能在发电机内部发生各种故障时（包括分支开焊）获得最高的灵敏度及灵敏度的数值。②根据仿真计算结果，确定发电机单元件横差保护用电流互感器的型式（通用型、TPX、TPY或TPZ等），以保证在发电机内部发生各种故障时（包括分支开焊）CT不饱和及保护的灵敏度。③计算发电机内部可能发生的最少匝间短路和相间短路时，各种保护的灵敏度以及保护能够动作的最少短路匝数（即以短路匝数表示的灵敏度）。

　　（3）研究计算方法。运用多回路分析方法对发电机定子绕组内部故障进行数学建模、分析计算、实验验证等。首先根据发电机定子绕组的布置图，分析发生内部相同、匝间短路的可能情况（包括最少匝数）及其位置（相别、支路号、槽号、线圈号及层次等），然后计算发电机定子绕组在发生最少匝间及相间短路及在多匝匝间或相间短路时，各个保护在分支引出的各种可能组合方式下（包括保护CT不同的接入方式）流经保护的短路电流，由此计算不完全纵差、裂相差动、单元件横差及完全纵差4种保护的灵敏度。比较4种保护在同一分支引出方式下，在同一内部短路时的保护灵敏度，据此确定保护的配置方式及中性点侧的分支引出方式（即分支并列接入CT方式）。

　　（4）得出计算结果。①单元件横差保护和裂相保护在相同的匝间短路条件下，具有相同的较高灵敏度，保护死区约小于4匝；在相同的相同短路情况下，除裂相保护在个别情况下灵敏度较低外，发生其它相间短路时，两保护灵敏度均很高；②不完全差动保护在匝间短路情况下，灵敏度均低于单元件横差保护和裂相保护；在相间短路时，除个别情况灵敏度较低外，发生其它相间短路时，保护灵敏度均很高；③纵差保护对任何匝间短路均无灵敏度，对相间短路灵敏度很高；④如采用不完全差动保护，当由机端CT与中性点侧4、5分支并联后通过的CT构成时，反映匝间短路性能较优。

　　（5）形成最终结论。经过大量的研究工作，确定了三峡左岸水轮发电机组内部故障主保护的配置，即选取单元件横差保护、裂相保护及完全纵差保护作为发电机的主保护（在保护盘A上设完全纵差保护及裂相保护，在保护盘B上设完全纵差保护、单元件横差保护），该方案通过了三峡工程开发总公司组织的国内专家的多次审查。

　　单元件横差保护用CT采用环氧树脂浇注的母线型电流互感器，根据仿真计算得出的两组发电机中性点间最大电流，确定单元件横差保护用CT变比选取500/1A。

　　4 优化设计

　　针对三峡电站水轮发电机组容量大、绕组分支多、定子接地电容大等特点，在“七?五”、“八?五”至“九?五”国家重大科学技术项目（攻关）中，完成的科研成果包括“三峡发电机定子线圈多分支主保护的方案研究”、“三峡发电机定子单相接地保护方案研究”、“三峡发电机保护自动适应运行方式变化的失步预测的实施方案研究”。针对三峡左岸电站的实际情况，设计单位对发电机内部故障主保护及中性点引出方式、定子接地保护、转子接地保护以及保护CT参数选择等进行了优化设计。

　　（1）发电机内部故障主保护及中性点引出方式和CT配置。根据两种机型机组的电气和结构参数，建立计算机仿真模型，针对中性点分支绕组的不同引出方式、CT和保护的不同配置，进行内部故障的短路电流计算和保护灵敏度分析，结合发电机制造、经济指标等因素综合考虑，优化了主保护的配置方案和发电机中性点侧分支引出方式及CT的配置。①发电机主保护的配置方案：子系统A配置完全纵差保护、裂相横差保护，子系统B配置完全纵差保护、单元件横差保护，取消了原设计的定子不对称故障保护，增加了传统的纵差保护。②中性点分支绕组引出方式：根据仿真计算的结果，为了最大限度地提高保护灵敏度，经与发电机制造商多次协商，优化了发电机中性点分支绕组的引出方式和中性点CT的配置。两种机型机组中性点分支绕组均分成两组引出，每相的1-2-3分支为一组，其上设置2组5P100（具有暂态特性，变比为18000/1A）CT；4-5分支为另一组，其上亦设置2组5P100（具有暂态特性，变比为12000/1A）CT；两组分支引出后形成两个中性点，在中性点连线上设置1只5P20CT（变比为500/1A）。

　　（2）发电机定子接地保护方案。针对三峡左岸巨型机组定子绕组接地电容大等特点，发电机定子接地保护取消了原设计的三次谐波式保护，采用了具有成熟技术的注入式保护。注入式保护相对国内传统的三次谐波式保护具有更高的可靠性和灵敏度，同时还弥补了三次谐波式保护不能监视发电机在停机状态时的接地故障的缺点。

　　（3）发电机转子接地保护方案。发电机转子接地保护采用注入式保护，相对国内传统的转子接地保护（如乒乓开关式等）具有更高的可靠性和灵敏度，而且可以检测发电机在停机状态时的转子接地故障。

　　（4）保护用CT参数选择。国内首次在发电机保护上选用具有暂态特性的电流互感器，就CT的工作循环、二次时间常数、暂态倍数、稳态倍数、CT容量等进行了反复的研究（当时没有规范可循），优化了CT的参数，有效地防止了CT的饱和，保证了在各种故障情况下发电机复杂的暂态过程中保护能可靠动作。

　　5 保护配置

　　通过发电机定子绕组各种内部故障仿真计算，分析各种继电保护配置方案在不同内部故障保护死区的大小，以确定发电机中性点引出方式以及电流互感器配置。在定量分析的基础上决定主保护方案的取舍和构成方式，从而确定了最终的保护配置方案。三峡左岸电站发电机保护配置见表1、2。

　　6 结语

　　（1）三峡左岸电站自2003年投入运行以来，发电机保护经受了多次内部、外部故障的考验，保护均正确、动作可靠，防止了事故的进一步扩大。

　　（2）本工程在机组制造前针对各种机型机组的电气参数、结构特点进行仿真计算，从而确定机组中性点分支引出方式、CT配置、主保护配置方案，目前这种方式已成为国内继电保护同行的共识。

　　（3）发电机定子、转子接地采用注入式保护，具有更高的可靠性和灵敏度。该保护方式已成为国内大、中型机组继电保护的标准配置。

　　（4）在国内道次在发电机保护上采用具有暂态特性的电流互感器，成为国内相关标准制定的依据之一。

　　作者简介：周强，男，长江水利委员会设计院机电处，高级工程师。