二滩水电站发电机横差保护配置和定值整定分析

第３９卷第１０期　２０１３年１０月　水力发电　■■＿　■—一＿，　滩水电玷发电讥横差保手户配置　和定值整定分析　．　．　．址．址　．址．址ｊ　．址　郭玉恒　（二滩水力发电厂，四川攀枝花６１７０００）　摘　要：根据二滩水电站发电机定子绕组的分布特点，对发电机的内部故障进行了分析，并结合ＣＴ的配置情况，　提出了发电机横差保护的配置方案。通过对改造后的横差保护原理分析，对发电机横差保护的定值进行了整定，并　用不同工况下的实测数据进行校正，最后得出横差保护配置和定值整定的一些注意事项。　关键词：裂相横差保护；单元件横差保护；整定值；匝间短路；录波数据　Ａｎａｌｙｓｅｓ　ｏｎ　Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　Ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｖａｌｕｅ　Ｓｅｔｔｉｎｇ　ｏｆ　Ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ　ａｔ　Ｅｒｔａｎ　Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　ＧＵＯ　Ｙｕｈｅｎｇ　（Ｅｒｔａｎ　Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｐ１ａｎｔ，Ｐａｎｚｈｉｈｕａ　６１７０００，Ｓｉｃｈｕａｎ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｆａｕｌｔｓ　ｏｎ　ｓｔａｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｓｔａｔｏｒ　ｗｉｎｄｉｎｇ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　Ｅｒｔａｎ　Ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＴ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｖａｌｕｅ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｉｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｂｙ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ｃｏｒｒｅｃｔｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｄａｔａ　ａｔ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｓｏｍｅ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎｓ　ｏｎ　ｇｅｎｅｒａｔｏｒ＇ｓ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｖａｌｕｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｒｅ　ａｌｓｏ　ｓｕｇｇｅｓｔｅｄ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｓｐｌｉｔ－ｐｈａｓｅ　ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｕｎｉｔ－ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ　ｄｉｆｅｒｅｎｔｉａｌ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｓｅｔｔｉｎｇ　ｖａｌｕｅ；ｔｕｒｎ－ｔｏ－ｔｕｒｎ　ｓｈｏｒｔ　ｃｉｒｃｕｉｔ；ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ　ｄａｔａ　中图分类号：ＴＭ７７２（２７４）　文献标识码：Ａ　文章编号：０５５９～９３４２（２０１３）１０—００６５—０４　０引言　结构和ＣＴ的配置情况，参考国内保护设备制造厂　家的保护装置原理和性能。对发电机主保护配置进　行了优化研究，确定配置两组裂相横差保护和两组单　随着单机容量增大，大型水轮发电机的定子绕　组普遍采用每相多分支绕组结构，在线槽中采用上　下层叠绕组布置．这样一来就有同相同槽分布的绕　组线棒存在。当同相同槽的绕组发生短路时，传统　的差动保护不能及时反应，从而发生故障。因此，　元件横差保护，并采用多回路方法对发电机内部故　障进行了计算分析，验证了保护配置的合理性和有　效性【１１。改造后的保护装置采用南瑞ＲＣＳ一９８５系列　发电机保护装置，其裂相横差保护采用比率制动特　性的差动保护，单元件横差保护采用只反应基波电　需配置能可靠和灵敏反应匝问短路的保护，即单元　件横差保护和裂相横差保护。　二滩水电站的发电机保护已运行１０多年，由于　收稿日期：２０１３—０２—２０　不满足国家相关反措等诸多原因，需进行技术改造。　２０１１年，电站会同清华大学根据发电机定子绕组的　作者简介：郭玉恒（１９７２一），男，四ＪＩＩ乐山人，高级工程师　硕士，主要从事水电技术管理工作．　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３９　Ｎｏ．１０固　流分量的高灵敏度单元件横差保护。　由于大型水轮发电机结构差异较大，其定子绕　组分支结构、中性点引出方式和电流互感器配置各　异，加上制造和安装工艺的差别，不同的发电机在　运行中的横差电流特别是单元件横差电流具有较大　的差异【　．不同的运行工况，对同一发电机的横差　电流影响也不完全一样，因此，横差保护的定值整　定须结合发电机具体情况进行合理整定，并结合现　场试验和运行数据综合分析后进行校正，以提高横　差保护动作的可靠性和灵敏性　］。　本文根据二滩水电站发电机定子绕组的分布特　点，对发电机的内部故障进行了分析，并结合ＣＴ　的配置情况，提山了发电机横差保护的配置方案。　然后通过对改造后的横差保护原理分析，对发电机　横差保护的定值进行了整定，并用不同工况下的实　测数据进行校正，最后总结了横差保护配置和定值　整定的一些注意事项。　１发电机横差保护配置情况　根据二滩水电站水轮发电机定子绕组结构和内　部故障分布情况，清华大学电机系采用发电机多回　路分析方法，对定子绕组内部故障进行了仿真分析。　对发电机横差保护的配置方案进行了优化设计。　１．１　定子绕组结构和匝间短路故障的分布　二滩水电站大型水轮发电机单机容量为５５０　ＭＷ，定子绕组采用叠绕组结构，每相定子绕组采　用６分支Ｙ形联接。定子铁心共有４８６个线槽，线　槽内共嵌有９７２根定子线棒．采用分数槽绕组．极　距为８１／７，每极每相槽数为２７，７，节距为１０。每相　定子绕组６分支分为３组，共有３个中性点引出点，　其中第１、２分支绕组形成中性点Ｏ　；第３、４分支　形成中性点Ｏ　；第５、６分支形成中性点Ｏ　，其定子　绕组分支结构和电流互感器配置如图１所示。　。出ＴＡ　ｂ①ＴＡ１１①ＴＡ１１　　’ｃ　ＴＡ１①ＴＡ１２　６　Ａ１①ｒＡ２①ｒＡ３　①ＴＡ４①ＴＡ　５①ＴＡ６①ＴＡ７①ＴＡ８①ＴＡ９　——广——广——］丽丁芈　｝广—一　Ｉ　’中　　’中　【队　　Ｉ∞　ＴＡｏ】　图１　二滩水电站发电机ＣＴ配置　针对发电机定子绕组结构特点，分别对发电　机定子线棒同槽故障分布情况分析和发电机定子　线棒端部交叉故障分布情况进行了分析。分析表　Ｗｃａｅｒ　Ｐｏ∞ｅＴ　Ｖｏ１　３９　Ｎｏ　１ｏ　明：在发电机所有内部故障中，发生匝间短路的　故障比率较高，且具有较多小短路匝比故障，因　此．发电机横差保护地配置须结合现场电流互感　器地配置情况进行，以提高横差保护的可靠性和　灵敏性。　１．２横差保护的配置　根据对二滩水电站发电机内部故障的仿真分析　结果．发电机横差保护采用双重化配置，分别配置　在两面发电机保护装置屏内。　Ａ面发电机保护装置屏内的横差保护配置如下：　利用ＴＡ１和ＴＡ３构成一套不完全裂相横差保护；利　用ＴＡ０１构成一套单元件横差保护；为提高匝间保　护的保护范围，利用ＴＡ２和ＴＡ１０构成一套不完全　纵差保护，以更好地反应发电机３、４分支绕组匝问　故障。　Ｂ面发电机保护装置屏内的横差保护配置如下：　利用ＴＡ１　和ＴＡ３　构成一套不完全裂相横差保护；　利用ＴＡ０２构成一套单元件横差保护；为提高匝间　保护的保护范围，利用ＴＡ２　和ＴＡ１０　构成一套不完　全纵差保护，以更好地反应发电机３、４分支绕组匝　问故障。　２横差保护的原理　２．１　裂相横差保护　裂相横差保护分为完全裂相和不完全裂相。完　全裂相是将定子绕组分支数分为两部分。不完全裂　相是将定子绕组分支舍弃一部分，将剩下的平均分　为两组，其基本原理如图２所示。　图２裂相横差保护示意　为提高发电机内部故障时裂相横差保护的灵敏　性，防止区外故障导致保护误动作，二滩水电站配　置的裂相横差保护采用了变斜率比率制动特性。比　率差动动作特性如图３所示。根据南瑞发电机保护　（ＲＣＳ一９８５）装置配置的裂相横差保护原理分析可　知，合理整定图３中的斜率ＫⅢ和Ｋ　的定值，既　能确保在区内故障时最大的灵敏度，又能在区外故　障时可以躲过暂态不平衡电流。　２．２单元件横差保护　单元件横差保护装设在分支组的中性点连接线　上．所检测的电流中，三次谐波成份比较高。因此，　￣－，Ｄ７ｘ’Ｉ里：一　旺，Ｊ＼　Ⅲ］　又　巳ｑ／ｂ１只左休１厂目　且１　止　＿咀笸』ｔ万　．，ｄ　ｌｃｄｓｄ　ｌｃｄｑｄ　（）　图３裂相横差保护动作曲线　为提高保护的灵敏度，要求保护装置三次谐波滤过　比大于８０。二滩水电站所配置的单元件横差保护利　用频率跟踪、数字滤波和全周傅氏算法，在频率跟踪　范围内实现　次谐波的滤除比达１００，设置有高定　值段和灵敏段，高定值段相当于传统单元件横差保　护，灵敏段采用相电流比率制动特性。　３定值整定　横差保护所检测的不平衡电流的产生有机械、　电磁和空间结构等诸多方面的原因，同时受机组运　行Ｔ况的影响，采用理论无法精确计算不平衡电流　值的大小。因此，现场对保护定值地整定，通常根　据整定导则进行整定。　３．１　二滩水电站裂相横差保护的定值整定　发电机裂相横差保护的的定值整定和纵差保护　的定值整定基本一致，主要考虑躲过机组在各种正　常＿Ｔ况下运行时的最大不平衡电流整定，并结合现　场实测数据进行校核。　起动定值以发电机在额定负荷下产生的最大　不平衡电流为整定条件。发电机不完全裂相横差　保护所用ＣＴ型号相同，考虑到发电机转子偏心　和定子绕组结构等多方面的原因，起动电流，　幽　整定为０．２，一　起始斜率要满足在外部短路电流条件下，保　护不会误动，在内部短路时，应在较高的灵敏度　下整定，因此，Ｋ　整定为０．１。最大比率制动斜　率Ｋ　的起始制动电流由装置内部固定为４，册（　：４）。　根据保护装置说明书，取变斜率比率差动最大斜　率为０．５。　３．２二滩水电站单元件横差保护的定值整定　单元件横差保护所检测的不平衡电流受定－ｆ－绕　组结构、运行工况、安装质量等因素的影响较大，　根据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》，　跳闸段整定值一般取０．０５１…并根据机组现场运行　中的实测数据进行复核。二滩水电站单元件横差保　护的整定值为０．０５，一，其ＣＴ变比为５００／５，对应的　二次电流整定值为：　０．０５ｘ１９　６２９／（５００／５）　９．８１　Ａ　《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》规　定在励磁回路一点接地保护动作后，单元件横差保　护可切换为带０．５　ｓ延时动作于停机。考虑到二滩水　电站发电机采用叠绕组，在转子严重偏心和励磁绕　组接地故障时，可能会对发电机造成严重影响。因　此采用单元件横差保护作为反应上述故障的保护，　横差保护在转子绕组一点接地故障时不切换延时，　此时利用横差保护动作对于保护发电机安全是有必　要的。　４定值校正　由于不同发电机的横差电流特别是单元件横差　电流差异较大，因此定值的整定除参考导则进行整　定外，还应结合现场发电机在不同运行工况下流过　中性线不平衡电流值的大小进行校正。　为校正二滩水电站发电机横差保护定值整定的　合理性，利用机组故障录波器，分别在机组起励升　压、跨越振动区、主变高压侧接地、发电机甩负荷、　发电机定子单相接地和发电机失磁等运行工况下，　对机组的横差不平衡电流进行了录波．最终取机组　中的最大值进行校正，录波数据如表１所示。　表１　不同运行工况下的横差不平衡电流　Ａ　由表１可以看出，在机组不同的运行工况下，　裂相横差保护所检测到的不平衡电流值很小，基本　对裂相横差保护的动作性能没有影响。而单元件横　差保护所检测到的不平衡电流值对其动作性能影响　较大，特别是发电机空载失磁运行时。通过表１数　据校核，裂相横差保护启动电流整定值为０．２，一时，　具有比率制动特性的裂相横差保护不会误动．而单　元件横差保护会由于运行定值整定不合理产生误动。　根据其他电站机组运行经验看。有些电站的机组单　元件横差保护定值整定为３．６８％，一，有些为７％１一，　甚至更高才能避免保护误动，因此．该保护定值须　根据现场运行数据合理确定。根据二滩水电站机组　长期运行数据，对不同运行工况下大量单元件横差　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ｖｏ１．３９Ｎｏ．１０固　水力发电　２０１３年１０月　不平衡电流的录波数据分析表明：在上述各种运行　件横差保护不平衡电流的基波有效值对定值进行　校正。　工况下，发电机单元件横差不平衡电流基波有效值　均小于整定值５％１　（９．８Ａ）的要求，保护不会误　动，因此二滩水电站单元件横差保护采用５％，一的整　定值是合理的，前提是保护装置的三次谐波滤过比　要能达到１００。保护装置在未改造时，由于原保护　装置的三次谐波滤过比比较小．还未达到８０．在　参考文献：　［１］王维俭．电气主设备继电保护原理与应用［Ｍ］．北京：中国电力　出版社，２００２．　［２］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．　运行中，曾发生过几次机组起励未并网时，横差本　［３］桂林，王维俭，奚瑜，等．龙羊峡和拉西瓦多分支发电机主保　护设计对比［Ｊ］．水电自动化与大坝监测，２００７，３１（４）：３８－４２．　［４］杨赢，邰能灵，郁惟镛．大型水轮发电机内部故障主保护方案　文分析了二滩水电站发电机横差保护的配置情况和　定值整定原则，总结出了横差保护的配置和定值整　定的注意事项：　［Ｊ］．上海交通大学学报，２００６，４０（３）：５３２—５３８．　［５］诸嘉慧，袁新枚，邱阿瑞，等．大型水轮发电机转子偏心对单　（１）发电机内部故障保护的配置须以发电机定　子内部故障分析为依据。　（２）对于匝间短路故障率较高的发电机，须结　元件横差保护影响的分析［Ｊ］．电力系统自动化，２００５，２９（１１）：　４５—４８．　合内部故障分析结果和电流互感器配置情况合理有　效地确定横差保护配置方案。　［６］屠黎明，胡敏强，吴济安．大型水轮发电机内部故障单元件横　差保护的灵敏度分析［Ｊ］．中国电机工程学报，１９９９，１９（１１）：３２—　３７．　（３）不同机组的单元件横差保护所检测到的不　平衡电流值具有离散性，其定值整定应结合机组在　不同工况下的实测数据进行校正。　［７］邰能灵，侯志俭，李晓华，等．电流互感器饱和对单元件横差　保护影响的仿真分析［Ｊ］．上海交通大学学报，２００２，３６（２）：２５９—　２６２．　（４）单元件横差保护的定值整定还应考虑保护　装置对三次谐波的滤过比对其定值的影响。　（５）机组大修后，应在不同工况下实测单元　［８］王维俭，桂林，王祥珩．三峡电站不完全裂相横差保护的灵敏　度分析［Ｊ］．电力自动化设备，２００１，２１（４）：１－６．　（责任编辑高　瑜）　广告臣次　中国水电工程顾问集团公司…………………封面　长沙华能自控集团华自科技股份有限公司…封二　西安联能自动化工程有限责任公司………前插１３　深圳市国立智能电力科技有限公司………前插１４　国网电力科学研究院南京南瑞集团公司…前插１　挪曼尔特（上海）贸易有限公司…………前插１５　成都安特立建筑工程有限公司……………前插１６　山西黄腾化工有限公司……………………后括１　北京木联能软件技术有限公司……………后插２　上海米度测控科技有限公司………………前插２　基康仪器（北京）有限公司………………前插３　北京奥技异电气技术研究所………………前插４　南京科明自动化设备有限公司……………前插５　第十二届四川国际水电产业展览会………后插３　北京华科同安监控技术有限公司………前插６、７　郑州机械研究所……………………………前插８　杭州国电大坝安全工程有限公司…………前插９　北京中水科海利工程技术有限公司…………　…………………………………………上海冠龙阀门机械有限公司………………后插４　国家水能风能研究中心、国家能源水电工程　技术研发中心………………………………封三　北京木联能工程科技有限公司………………封底　前插１０、１１　无锡俊达机电制造有限公司………………内１０１　中铁岩锋成都科技有限公司………………内１０２　广州秀珀化工股份有限公司………………前插１２　码Ｌ　ｗ｜ｌｊｔＪ『Ｐｏ㈣ｒ　ｖｏ　ｃ　３９　ｉｏ