大型水电站发电机内部短路主保护的研究与分析

三峡左岸电站可能采用的发电机为700 MW的特大型机组，水冷方式，定子槽数540槽，每分支36槽。根据对绕组展开图的分析，假定槽内上下层有可能发生短路，那么同相同分支短路占77.8%，同相异分支短路占11.1%，异相短路占11.1%；同相同分支短路最小匝数为1匝，故其对各种保护方案灵敏度的要求极高。根据国外机组的实际情况，目前已经对三峡左岸电站发电机组提出了合理的保护方案。本文则根据国内生产大型发电机的实际情况，通过仿真分析，探讨将来大型水轮发电机内部短路主保护的其它方案。文章所用数据均建立在该机组的仿真分析上。

1　横差保护

作为发电机主保护之一的横差保护不仅是定子绕组的匝间，而且是定子绕组内部一切故障(包括相间、匝间短路及分支开焊)的结构简单、高灵敏的主保护，即使发电机不并网运行，对各种相间、匝间短路也有很高的灵敏度。其缺点是不能反应机端相间短路，但这并不影响它作为主保护的优越性能，这是因为：发电机采用分相封闭母线，机端相间短路的可能性很小；所讨论的其它主保护对区内机端两相短路能够可靠动作。
尽管如此，为了获得高灵敏度，仍需注意以下一些问题：①保护电流互感器(TA)变比可适当选小一些，如(0.1～0.2)ING/5，但必须严格校核，使内部严重故障横差电流最大时TA不致饱和；②加强3次谐波滤波，为使保护在外部短路时可靠制动，3次谐波滤过比最好大于70；③在发电机正式投运前，应通过常规外部短路试验实测基波和3次谐波不平衡电流，以确定保护动作电流，在防止误动的重要前提下，尽量减小电流整定值。
假设发电机的中性点不接地(或经高阻抗接地)，在额定工况下并列运行，系统联系电抗为0.2，短路过渡电阻为0.0005(近似金属短路)，当动作电流整定为10%时，几种故障情况下的灵敏度Klm分别如下。
a.横差保护元件1(如图1)：a1分支57%对64%匝间短路，Klm=1.21；a5分支49%对72%匝间短路，Klm=5.66；a1分支38%对a5分支63%短路，Klm=3.98；a1分支46%对b3分支19%短路，Klm=52.6。

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图1　一台15分支发电机内部短路
三重主保护配置示意图
Fig.1　The disposition of triple main protection
for a hydro-generator with 15 branches

b.横差保护元件2(如图1)：a1分支57%对64%匝间短路，Klm=0.81；a5分支49%对72%匝间短路，Klm=8.33；a1分支38%对a5分支63%短路，Klm=3.96；a1分支46%对b3分支19%短路，Klm=35.1。
以一台15分支发电机为例，从以上两组数据(及其他仿真结果的比较)来看，装设两元件横差保护对某些内部短路能取得一定的互补作用，因此上述方案的发电机中性点侧应作如下安排：每相的1，2分支，3分支，4，5分支分别组成3组，3组形成3个中性点O₁，O₂，O₃，通过O₁O₂和O₂O₃在中性点连线上接两个TA，装设两元件横差保护，并以“或”的形式输出，如图1所示。
仿真结果还表明，裂相横差保护与横差保护的灵敏度相当，这在理论上是行得通的。但考虑横差保护装设的简单性，两元件横差保护已经完全能取得较好的效果，还有其他一些技术因素的原因，可以不采用裂相横差保护。

2　故障分量负序功率方向保护

系统发生不对称故障时，利用叠加原理可以在故障点上接入一个附加故障分量电源，它将产生故障分量负序电压Δ₂和故障分量负序电流Δ₂。对于内部故障，在各测量点上故障分量的负序功率ΔP₂均从保护区内部流向外部，而外部故障时则不满足这个条件，这就是故障分量负序功率方向保护的理论基础。其中故障分量原理的采用避免了正常时系统不对称产生的负序功率的影响。此保护不仅可以反应相间、匝间短路等各种不对称故障，对机端两相短路也能动作，可与横差保护起到互补的作用。以下是几种短路情况下仿真发电机的ΔP₂(二次)值：a1分支57%对64%匝间短路，ΔP₂=0.114；a1分支49%对52%匝间短路，ΔP₂=0.028；b5分支48%对a5分支63%短路，ΔP₂=0.634。
但当发电机并网以前发生内部短路时，由于发电机断路器未合闸，定子电流为零(实际有升压变压器的励磁电流，但很小)，发电机内部故障(短路或断线)时均只有Δ₂，而Δ₂=0，ΔP₂≡0，保护拒动，这是故障分量负序功率方向保护的固有缺点，即在发电机启动过程中该保护失去作用。但这并不值得忧虑，因为：①横差保护和另一重主保护不完全纵差能实现双重保护功能；②通过增设(|Δ₂|>ε_U₂)∩(|Δ₂|=0)的第二判据，能部分地解决这一问题。以下着重讨论判据的实现方法。
2.1　启动元件
启动元件由负序电压故障分量Δ₂和负序电流故障分量Δ₂组成，它们有两种启动方式：
a. “与”启动方式：

(1)

其中　C_U₂和C_I₂分别为和的启动门槛值。
不考虑TV和TA同时断线时，“与”启动方式不存在TV和TA断线的误启动问题，利用Δ₂和Δ₂之间的不对应关系，“与”启动方式还可以方便地实现TA或TV的断线检测。但当发电机与系统解列时，因定子电流恒为零，即Δ₂≡0，内部故障时启动元件会拒启动。
b. “或”启动方式：

(2)

较之“与”启动方式，“或”启动不存在发电机解列运行时内部故障的拒启动问题。另一方面，由于系统负序阻抗通常随运行方式而变化，当系统负序阻抗较小时，Δ₂增大而Δ₂减小，系统负序阻抗增大时，Δ₂减小而Δ₂增大。只要两个启动元件中有一个存在较大的分量，“或”启动方式就能可靠启动，因此灵敏度比“与”启动有所提高。唯一的缺点就是在TV(或TA)断线时会引起误启动。但这并不影响保护动作的可靠性：此时Δ₂=0(或Δ₂=0)，ΔP₂≡0，因此不会导致误发跳闸指令。应该指出的是，“或”启动方式的误启动可以被用来实现可靠的TA或TV回路断线检测闭锁并告警：①对TA断线，一旦启动并检测到Δ₂=0，则发闭锁信号并告警；②对TV断线，正常时有：_a+_b+_c=3₀，断线后等式不成立。因此故障启动进入故障处理程序后，若(|Δ₂|>ε_U₂)∩(|Δ₂|=0)成立，且_a+_b+_c≠3₀，则发TV断线告警，闭锁保护。
2.2　动作元件
负序功率故障分量ΔP₂按下式计算：