作者：沈全荣，严伟，张琦雪

　　摘  要: 百万千瓦级水电机组进入研制阶段，对发电机变压器组保护提出了更高的要求。通过分析百万千瓦级水电机组在结构和参数上的特点对机组保护产生的影响，结合目前700MW级大型水电机组保护配置，给出了百万千瓦级水电机组保护的配置，最后指出了高性能内部故障保护、抗TA饱和、注入式定子转子接地保护、大型凸极机失磁保护等多项关键技术。

　　关键词：大型水轮发电机；发电机变压器组；继电保护配置；1000MW级

　　0 引言

　　随着中国电力的飞速发展，整个电力系统朝着“特高压、大电网、大机组”方向发展。中国目前的发电装机容量共计约5亿千瓦，成为继美国之后世界第二大电力大国。预计到2010年中国发电能力将达到6亿至7亿千瓦，在2020年发电能力将达到9亿到10亿千瓦。装机容量大幅增加，发电机单机容量也逐渐增大，玉环电厂、汕头海门电厂等一批百万千瓦级火电机组已经或准备投入运行，白鹤滩、乌东德水电站等百万千瓦级水电机组也进入规划设计阶段。

　　百万千瓦级机组具有单位造价和发电成本低的明显优点，但机组本身价值较高、非正常停机损失大，特别在绝缘、结构工艺、设计、运行诸方面又出现了很多新的 特点，因此对发电机变压器组保护提出了更加苛刻和全面的要求。

　　1 百万千瓦级水电机组特点对发变组保护的影响

　　1.1 机组结构变化对保护的影响

　　大型水电机组定子绕组每相分支数较多，相比汽轮发电机，发电机中性点有足够的安装空间，可以引出2个或3个中性点。即使同等容量的大型水轮发电机，其内部短路故障的特点也不完全一样。通过定量化分析计算可以优化设计发电机的中性点引出方式和主保护配置。比如三峡某台700ＭＷ水轮发电机组，每相5个并联分支，定子540槽，有540种同槽短路故障和10950种端部交叉短路故障的可能。通过内部故障分析，发电机引出3个中性点，主保护采用两套单元件横差保护、一套不完全裂相横差保护、一套不完全纵差保护和一套完全纵差保护总共5套主保护的方式能够保证97.35%的故障至少有2套主保护能灵敏动作，为最佳方案。

　　保护装置应能灵活提供完全纵差保护、不完全纵差保护、裂相横差保护、不完全裂相横差保护、高灵敏单元件横差（匝间）保护，从而在主保护上构成多重化保护方案。

　　单机容量的增大，水轮发电机径向尺寸很大，容易出现转子偏心问题。转子偏心将增大定子绕组中性点间的不平衡电流，影响单元件横差保护的灵敏度，有必要提高该保护的性能。

　　对于百万千瓦级机组的主变，由于运输等方面的原因，通常为3个单相变压器，相间短路的几率大为降低，接地短路的几率相对增加，加强接地故障保护十分必要。零差保护对于高压绕组的接地故障表现出很高的灵敏度，受涌流的影响也小，在纵差保护对高压绕组单相接地灵敏度不够时可配置零差保护。
随着单机容量的增大，单个厂变容量却不一定增加，厂变差动高压侧TA变比较小，而厂变高压侧内部故障电流大大增加，最大可能超过80倍额定电流。因此，厂变高压侧故障电流增加，高压侧TA饱和情况更加严重，厂变差动保护需采取高性能抗TA饱和判据。

　　1.2 电机参数变化对保护的影响

　　发电机单机容量增大以后，电压和电流相应增高和增大，电压升高以后要求提高绝缘耐压水平。目前世界各大公司(厂家)对绝缘的技术水平有很大提高，基本解决了电机定子绝缘耐压问题。但电流增大则带来比较大的困难，一是发热增大(温度升高)，对绝缘不利；一是电磁力增大，可能会造成线棒振动磨损绝缘。因此，1000 MW级发电机的定子电压要求选用高一些，尽量降低定子电流。

　　相对于300MW～600MW机组而言，1000MW机组电机参数的变化，主要表现在直轴电抗Xd、暂态电抗Xd’、次暂态电抗Xd’’略有增大，同时每相并联分支数多，定子绕组的电阻相对减小，对保护产生如下影响：

　　(1)    发电机的静稳储备相对减小，在系统受到扰动或者发电机发生失磁故障时很容易失去稳定。发电机平均异步转矩相对降低，失磁后异步运行的滑差大，从系统吸收感性无功多，允许异步运行的负载小、时间短，所以大型机组更需要性能完善的失磁保护。

　　(2)    定子回路时间常数增大，使得定子非周期电流的衰减大大变慢，严重恶化保护用电流互感器的工作特性，保护需要采取可靠的TA饱和判据。

　　1.3 励磁参数对保护的影响

　　百万千瓦级水轮发电机组励磁方式为自并励方式，快速励磁易导致过励磁，过励磁保护需进一步完善，如配置高精度反时限功能、采用相间电压的能量算法等。

　　百万千瓦级机组转子额定电压高，通常大于500V，强励时会更高，直接引出比较危险，电缆也不好选择，建议失磁保护不采用转子电压判据，如果要采用建议经分压电阻分压后再接入保护装置；转子接地保护直接在励磁系统屏柜内就地安装。

　　1.4 有效材料利用率的提高对保护的影响

　　百万千瓦级机组的体积并不随容量成比例地增大，定子、转子材料及重量的增加远小于容量的增加，即单位造价降低、有效材料利用率提高。

　　有效材料利用率提高的直接后果是机组的惯性常数降低，使得机组更易于失步，失步保护需要投入跳闸；有效材料利用率提高的另一后果是发电机的热容量与铜损、铁损之比显著下降，机组的热容量变小，定子过负荷保护、转子过负荷保护、转子表层负序过负荷保护需要投入反时限功能，并且内部故障差动保护动作速度要快，否则由于转子励磁电流衰减时间的影响，易导致过热损坏定子绕组、转子绕组、转子表层。

　　1.5 绝缘检测要求的提高对保护的影响

　　由于百万千瓦级机组的造价昂贵，因此对定子绕组、转子绕组的绝缘检测的要求更高。常规的300MW～600MW机组的定子、转子接地保护，基本上都是发电机加了励磁之后才能投入，缺乏无励磁状态下的定、转子绝缘监测的功能。对于百万千瓦级机组，通常要求要在未加励磁或静止状态下提供对定、转子的绝缘监测功能，因此保护装置需要提供采用外加电源注入式定子、转子接地保护原理。

　　2 百万千瓦级水电机组保护的配置

　　现行的GB14285－2006《继电保护和安全自动装置技术规程》对600MW及以下容量的发电机保护做了详细的规定，对更大的机组，只要求参照执行。这里参照国内600MW级大型水电机组保护配置，对1000MW级水电机组保护配置做部分的简要说明。

　　2.1 机组保护的双重化配置

　　百万千瓦级机组保护的重要性不言而喻，应严格参照相关技术规程、反措要求执行双重化配置原则配置微机保护（非电气量保护除外）。每套保护均应含有完整的主、后备保护；两套保护装置的交流电压、电流应分别取自电压互感器和电流互感器互相独立的绕组；其保护范围应交叉重叠，避免死区；等等。

　　随着基于新硬件平台的数字式主设备保护的推陈出新，实现了主设备保护双主双后的配置方案，保护的设计方案、配置原则趋于完善。采用双主双后的保护实现方式，针对一个被保护对象，配置两套独立的保护，每套保护均包含主后备保护，并且每套保护由两个CPU系统构成，两个CPU系统之间均进行完善的自检和互检，出口方式采用两个CPU系统“与”门出口。这种配置方案概念清晰，彻底解决了保护拒动和误动的矛盾：双重化配置解决了拒动问题，双CPU系统“与”门出口解决了硬件故障导致的误动问题，这种思想已成功地应用到了主设备保护上，大大提高了主设备保护的运行水平。

　　2.2 发电机的主保护

　　发电机完全纵差保护对相间故障的灵敏度最高，但对定子绕组匝间短路和开焊故障却无能为力，单元件横差保护、不完全纵差保护、裂相横差保护则可以弥补其不足，对相间短路也能很好的反应。大型水轮发电机具备引出多个定子绕组中性点的条件、具备在中性点安装多个TA的条件，比如龙滩电厂的7台机组的中性点都是8个分支；三峡右岸电站12台机组分别由Alatom、哈电和东电提供(各4台)，其中Alstom和东电的机组为半水冷，每相分支数分别为6和5；哈电机组为全空冷，每相8分支，可装设横差保护、不完全差动保护和裂相横差保护。各种纵差、横差保护通过合理的组合，可以构成非常完善的主保护多重化方案。

　　2.3 主变压器的主保护

　　变压器纵差保护一直受到励磁涌流的影响，虽然已有很多防涌流的闭锁方案，但还不能说完全可躲过涌流。百万千瓦级主变压器将大量选用三单相变压器形式，每个绕组有2个引出端，因此可装设分侧纵差，从根本上避免了励磁涌流的影响。

　　对于主变高压侧Yn接线，配置零序差动保护，受励磁涌流影响小，可快速反应主变高压侧接地故障。

　　2.4 发变组的其他保护

　　(1) 定子接地保护

　　百万千瓦级发电机电压等级更高，对定子绕组的绝缘提出了更高的要求。随着发电机组容量的增大，定子铁芯检修也变得复杂，一旦发生定子接地故障，导致停机，经济损失十分巨大。

　　目前应用最多的100%定子接地保护是“基波零序电压型（3U0）”和“三次谐波电压（比率判据）型（3）”。其中3U0保护在发电机中性点附近存在死区；3可保护距离中性点25%以内的定子绕组。发电机三次谐波电压与运行工况有关，且大型水轮发电机定子绕组多采用波绕组，三次谐波匝电势分布复杂，而且定子绕组对地电容也很大，这些因素影响了采用灵敏判别方法的3保护的应用。
因此在双套保护中，一面屏内还是配置3U0和3定子接地保护，另一面屏内宜配置外加低频电源的注入式定子接地保护。

　　(2) 转子接地保护

　　大型发电机多采用自并励励磁方式和无刷励磁方式，与转子绕组在电气上涉及的环节多，发生一点接地故障的可能性较大。虽然转子绕组一点接地故障不会对发电机造成损害，但是一旦发展成两点接地故障将造成很大的破坏。

　　大型发电机发生转子一点接地故障后，建议尽快停机检修。

　　常见的转子一点接地保护采用乒乓原理，该原理依赖于发电机的励磁电压。百万千瓦级发电机要求在发电机静止未加励磁电压的情况下仍能实现转子绕组对地绝缘监测，因此宜采用注入式原理的一点接地保护。另外，由于大机组励磁电压较高，强励时电压更高，转子接地保护宜采用单装置，就地安装在励磁屏柜内。

　　(3) 突加电压保护

　　发电机盘车时误合闸，使发电机异步启动，由此产生的转子过电压和差频电流将损坏发电机转子，后果十分严重。因此必须配置突加电压保护。

　　(4) 失步保护

　　对于水电机组，尽管系统等值电抗较大，系统发生振荡时，振荡中心并不经常位于发电机附近，但是百万级水轮发电机的静稳储备相对减小，受到扰动或者发生失磁故障时容易失去稳定，所以更需要加强失步保护功能。

　　(5) 后备保护

　　由于装设了完善的双套主保护，后备保护就适当简化，优先选用简单的电流、电压保护作为后备保护，以满足“加强主保护、简化后备保护”的反措要求。


　　2.5 特大型水电机组保护实例

　　以龙滩700MW水电机组为例，简述机组保护配置。龙滩700MW机组为哈电制造，全空冷，每相8分支，引出2个中性点。发电机的主接线与保护配置方案如图1所示。

　　A屏、B屏装设发电机和励磁变的所有电量保护和非电量保护，C屏装设注入式定子接地保护辅助电源，D屏、E屏装设主变和厂变的所有电量保护和非电量保护。其中，注入式定子接地辅助电源也可以单独安装在发电机中性点接地设备柜内，非电量保护也可单独组屏。

　　具体保护功能配置如下：

　　

    

 
　　图1 龙滩700MW水电机组主接线与保护配置方案示意图

　　3 百万千瓦级机组保护的几个关键技术

　　3.1 高性能的内部故障保护

　　由于百万千瓦级机组短路电流水平相对下降，非周期电流衰减变慢，常规差动保护灵敏度降低，所以对差动保护要求在不失可靠性的前提下具有更高的灵敏度。常规的两折线、三折线比率差动、采样值差动等由于原理本身限制已不可能有太大突破，而近年来在大型及特大型机组上应用较多的变斜率稳态比率差动和工频变化量比率差动的新原理更适合1000MW机组差动保护的要求。

　　变斜率比率差动不设拐点，一开始就带制动特性；合理整定定值，在区内故障时保证最大的灵敏度，在区外故障时可以躲过暂态不平衡电流。变斜率比率差动和常规比率差动相比，其制动曲线能够很好的和TA不平衡电流曲线配合，差动的起始定值降低了，动作区域上多了两块灵敏动作区，少了一块易误动区。

　　对于1000MW级机组，在重负荷情况下如果发生内部轻微故障，常规稳态差动由于制动电流和负荷电流成正比较大、而动作电流较小无法进入动作区，工频变化量比率差动很好解决了这个问题。工频变化量比率差动保护完全反映差动电流及制动电流的变化量，不受正常运行时负荷电流的影响，可以灵敏地检测变压器、发电机在重负荷下内部轻微故障。同时工频变化量比率差动的制动系数取得较高，其耐受TA饱和的能力较强。

　　大型水轮发电机可以装设单元件横差保护，该保护能够灵敏可靠的反映发电机定子绕组匝间短路和分支开焊故障。采用频率跟踪、数字滤波及全周傅氏算法，使保护只反映电流的基波分量，此外，应用相电流比率制动确保了外部故障保护不误动，同时内部故障灵敏动作，单元件横差保护定值可以大为减小。对于其他正常情况，应用浮动门槛躲过不平衡电流。单元件横差保护的性能大大提高。

　　3.2 机组保护抗TA饱和的措施

　　TA饱和问题是主设备保护共同面对的问题。1000MW级机组保护由于定子回路时间常数增大，故障电流非周期分量衰减时间长，更易引起差动保护各侧TA传变暂态不一致或饱和。判TA饱和的办法很多，如采用附加额外的电路来检测TA饱和、改进时差法的TA饱和检测、基于采样值的TA饱和检测等，现场应用较好的是异步法TA饱和判据。

　　通过理论分析和实验得知，TA在暂态饱和时谐波含量主要为二次谐波，波形明显不对称；稳态饱和时则谐波含量主要为三次谐波，因此利用电流谐波和波形来判断TA饱和。

　　异步法TA饱和判据其关键在于用“异步法”判别区内、外故障，区外故障时，差电流出现滞后于制动电流的上升，投入TA饱和判别元件，TA饱和保护不会误动；区内故障时，两者几乎同步出现，不投入TA饱和判别元件，使区内故障TA饱和时保护仍能快速动作。

　　3.3 定子绕组、转子绕组绝缘监测及接地保护

　　3.3.1 注入式定子绕组接地保护技术

　　1000MW级大型发电机对定子接地保护提出了更高的要求，倾向于在静止无励磁状态下也要有定子接地保护，基于发电机固有零序电压的保护方法已不能满足要求，要求装设外加低频电源的注入式定子接地保护已成为一种趋势。

　　在国内，应用较为成熟的是注入20Hz频率信号的注入式定子接地保护，该保护已成功应用于三峡700MW、龙滩700MW大型水电机组上。保护原理如图2所示。

　　保护装置通过辅助电源装置将低频电压加在负载电阻Rn上，并通过接地变压器，将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中，保护装置测量二次回路的零序电压、零序电流，滤出低频分量后，通过导纳法计算出定子绕组侧接地故障电阻阻值，实现100%定子接地保护。和常规定子接地保护相比，注入式定子接地保护有以下特点：

　　（1）    与发电机运行工况无关，在发电机启停、运行的全过程中，都可以提供灵敏的定子接地保护：可监测定子绕组绝缘的缓慢老化。

　　（2）    保护范围包括整个定子绕组以及与定子绕组直接相连设备。接地电阻的计算精度高，不受接地位置影响，保护的灵敏度一致。

 
　　图2 注入式定子接地保护原理

　　3.3.2 注入式转子绕组接地保护技术

　　百万千瓦级发电机宜装设外加电源的注入式一点接地保护，以满足发电机静止未加励磁电压的情况下仍能实现转子绕组对地绝缘监测的要求。

　　注入式转子接地保护原理示意图如下所示：
  

　　(a) 双端注入                            (b) 单端注入

　　图3 注入式转子接地保护原理

　　在转子绕组的一端（或两端）与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算接地电阻的阻值，构成转子一点接地保护，双端注入时，可准确测量接地位置。注入式转子接地保护有如下特点：

　　（1）    不受转子电压高次谐波分量的影响，接地电阻测量精度高；

　　（2）    保护灵敏度与转子接地位置无关，保护无死区，有很高的灵敏度；

　　（3）    可在未加励磁电压的情况下，也能监视转子绝缘情况。

　　为避免转子绕组对地电容（包括轴电压吸收回路中的电容）因充放电而影响转子绕组接地过渡电阻的正确测量，注入的方波电压应能灵活的调整方波频率。

　　3.4 大型水轮发电机的失磁保护技术

　　大型水轮发电机组XdXq，其静稳极限的机端测量阻抗轨迹是一条滴状曲线，如图4所示。过去由于技术上的限制，只能采用近似苹果圆去接近静稳阻抗滴状曲线，不能很好的吻合静稳边界。如今高性能的保护装置已能自动地根据Xd、Xq、Xs、Xd’等参数准确计算出静稳阻抗滴状曲线，定值整定也十分方便。

　　单一的失磁保护判据不能机组运行的需要，随着硬件、软件技术的发展，高性能的保护装置已采用灵活开入的失磁保护技术，即“定子阻抗判据”、“无功判据”、“转子电压判据”、“母线电压低判据”和“机端电压低判据”可通过控制字进行判据组合。百万千瓦级机组的励磁电压偏高，直接引入转子电压进入保护装置，存在转子过电压破坏保护装置的隐患，失磁保护宜取消“转子电压判据”或者转子电压通过分压后再进入保护装置。 
 

　　图4 大型水轮发电机滴状静稳阻抗曲线和近似苹果圆

  大型发电机进相运行，吸收电力系统中过剩的无功功率已经成为重要的厂、网配合的调控手段。发电机进相运行受发电机端部发热、机组稳定、厂用电电压不能过低等多个条件的约束。进相运行时，发电机处于低励工作状态，必须注意进相深度与AVR欠励限制、失磁保护的配合。将发电机的阻抗曲线反演至发电机P-Q功率平面，三者的配合关系如下图所示： 
 

　　图5 进相深度、欠励限制以及失磁保护之间的配合关系

　　发电机在进相运行过程中，随着进相深度的增大，发电机机端电压逐渐降低，因此对应的失磁保护边界也相应的变化，进相深度随着电压的降低而降低。有以下几点需要注意：

　　(1)    如果机组需要进相运行，且具备一定深度，建议按异步阻抗圆整定失磁阻抗。

　　(2)    失磁低电压判据需考虑进相导致机端电压降低，如果按机端电压整定，定值不能太高。

　　(3)    机组进相能力随着机端电压的下降而下降，不能仅参照某一固定有功在额定电压下对应的静稳极限，应根据电压的下降将进相深度降低。

　　(4)    机端电压下降越大，限制曲线在P-Q平面上向上偏移越多。

　　(5)    欠励限制曲线距离静稳边界要保证一定的安全裕度。异步边界在静稳边界的下方，可确保了一定的安全裕度。

　　注意到这几条，可做到既保证机组有一定的进相运行尝试，又能保证机组的安全运行。


　　3.5 其他保护问题

　　电流互感器性能的提高，对于保护的正确动作影响很大。对于1000MW级机组，其保护用各侧TA，包括发电机出口和中性点侧、主变高压侧，都建议选用TPY级；对于参与主变差动的高厂变高压侧TA，由于高厂变套管可能装不下TPY级TA，并且高厂变高压侧故障无论区内外均动作于全停，所以可以适当降低要求，安装P级TA。

　　1000MW极机组的失磁、失步保护需投入跳闸；快速励磁易导致过励磁，过励磁保护需配置反时限功能；机组热容量小，相应过负荷保护需要投入反时限功能；需增加机端失灵保护。

　　4 结语

　　近二十年来，国内大型水电站的建设蓬勃发展，水电机组的单机容量也不断提升，百万千瓦级水电机组也进入研制阶段。大型机组造价昂贵、结构复杂，若保护不利，发生故障后将会造成很大的经济损失。百万千瓦级机组在结构、参数上有所变化，只有充分了解百万千瓦级机组的特点和其他容量机组的差异，深入分析其故障规律，采用先进的保护原理和配置思想，并在运行的过程中不断总结经验，才能确保机组的安全。

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　　简介：

　　沈全荣（1965－），男，硕士，研究员级高级工程师，从事电力系统继电保护的研究、开发及管理工作。