作者：沈全榮，嚴偉，張琦雪

　　摘 要: 百萬千瓦級水電機組進入研製階段，對發電機變壓器組保護提出了更高的要求。通過分析百萬千瓦級水電機組在結構和參數上的特點對機組保護產生的影響，結合目前700MW級大型水電機組保護配置，給出了百萬千瓦級水電機組保護的配置，最後指出了高性能內部故障保護、抗TA飽和、注入式定子轉子接地保護、大型凸極機失磁保護等多項關鍵技術。

　　關鍵詞：大型水輪發電機；發電機變壓器組；繼電保護配置；1000MW級

　　0 引言

　　隨著中國電力的飛速發展，整個電力係統朝著“特高壓、大電網、大機組”方向發展。中國目前的發電裝機容量共計約5億千瓦，成為繼美國之後世界第二大電力大國。預計到2010年中國發電能力將達到6億至7億千瓦，在2020年發電能力將達到9億到10億千瓦。裝機容量大幅增加，發電機單機容量也逐漸增大，玉環電廠、汕頭海門電廠等一批百萬千瓦級火電機組已經或準備投入運行，白鶴灘、烏東德水電站等百萬千瓦級水電機組也進入規劃設計階段。

　　百萬千瓦級機組具有單位造價和發電成本低的明顯優點，但機組本身價值較高、非正常停機損失大，特別在絕緣、結構工藝、設計、運行諸方麵又出現了很多新的 特點，因此對發電機變壓器組保護提出了更加苛刻和全麵的要求。

　　1 百萬千瓦級水電機組特點對發變組保護的影響

　　1.1 機組結構變化對保護的影響

　　大型水電機組定子繞組每相分支數較多，相比汽輪發電機，發電機中性點有足夠的安裝空間，可以引出2個或3個中性點。即使同等容量的大型水輪發電機，其內部短路故障的特點也不完全一樣。通過定量化分析計算可以優化設計發電機的中性點引出方式和主保護配置。比如三峽某台700ＭＷ水輪發電機組，每相5個並聯分支，定子540槽，有540種同槽短路故障和10950種端部交叉短路故障的可能。通過內部故障分析，發電機引出3個中性點，主保護采用兩套單元件橫差保護、一套不完全裂相橫差保護、一套不完全縱差保護和一套完全縱差保護總共5套主保護的方式能夠保證97.35%的故障至少有2套主保護能靈敏動作，為最佳方案。

　　保護裝置應能靈活提供完全縱差保護、不完全縱差保護、裂相橫差保護、不完全裂相橫差保護、高靈敏單元件橫差（匝間）保護，從而在主保護上構成多重化保護方案。

　　單機容量的增大，水輪發電機徑向尺寸很大，容易出現轉子偏心問題。轉子偏心將增大定子繞組中性點間的不平衡電流，影響單元件橫差保護的靈敏度，有必要提高該保護的性能。

　　對於百萬千瓦級機組的主變，由於運輸等方麵的原因，通常為3個單相變壓器，相間短路的幾率大為降低，接地短路的幾率相對增加，加強接地故障保護十分必要。零差保護對於高壓繞組的接地故障表現出很高的靈敏度，受湧流的影響也小，在縱差保護對高壓繞組單相接地靈敏度不夠時可配置零差保護。
隨著單機容量的增大，單個廠變容量卻不一定增加，廠變差動高壓側TA變比較小，而廠變高壓側內部故障電流大大增加，最大可能超過80倍額定電流。因此，廠變高壓側故障電流增加，高壓側TA飽和情況更加嚴重，廠變差動保護需采取高性能抗TA飽和判據。

　　1.2 電機參數變化對保護的影響

　　發電機單機容量增大以後，電壓和電流相應增高和增大，電壓升高以後要求提高絕緣耐壓水平。目前世界各大公司(廠家)對絕緣的技術水平有很大提高，基本解決了電機定子絕緣耐壓問題。但電流增大則帶來比較大的困難，一是發熱增大(溫度升高)，對絕緣不利；一是電磁力增大，可能會造成線棒振動磨損絕緣。因此，1000 MW級發電機的定子電壓要求選用高一些，盡量降低定子電流。

　　相對於300MW～600MW機組而言，1000MW機組電機參數的變化，主要表現在直軸電抗Xd、暫態電抗Xd’、次暫態電抗Xd’’略有增大，同時每相並聯分支數多，定子繞組的電阻相對減小，對保護產生如下影響：

　　(1) 發電機的靜穩儲備相對減小，在係統受到擾動或者發電機發生失磁故障時很容易失去穩定。發電機平均異步轉矩相對降低，失磁後異步運行的滑差大，從係統吸收感性無功多，允許異步運行的負載小、時間短，所以大型機組更需要性能完善的失磁保護。

　　(2) 定子回路時間常數增大，使得定子非周期電流的衰減大大變慢，嚴重惡化保護用電流互感器的工作特性，保護需要采取可靠的TA飽和判據。

　　1.3 勵磁參數對保護的影響

　　百萬千瓦級水輪發電機組勵磁方式為自並勵方式，快速勵磁易導致過勵磁，過勵磁保護需進一步完善，如配置高精度反時限功能、采用相間電壓的能量算法等。

　　百萬千瓦級機組轉子額定電壓高，通常大於500V，強勵時會更高，直接引出比較危險，電纜也不好選擇，建議失磁保護不采用轉子電壓判據，如果要采用建議經分壓電阻分壓後再接入保護裝置；轉子接地保護直接在勵磁係統屏櫃內就地安裝。

　　1.4 有效材料利用率的提高對保護的影響

　　百萬千瓦級機組的體積並不隨容量成比例地增大，定子、轉子材料及重量的增加遠小於容量的增加，即單位造價降低、有效材料利用率提高。

　　有效材料利用率提高的直接後果是機組的慣性常數降低，使得機組更易於失步，失步保護需要投入跳閘；有效材料利用率提高的另一後果是發電機的熱容量與銅損、鐵損之比顯著下降，機組的熱容量變小，定子過負荷保護、轉子過負荷保護、轉子表層負序過負荷保護需要投入反時限功能，並且內部故障差動保護動作速度要快，否則由於轉子勵磁電流衰減時間的影響，易導致過熱損壞定子繞組、轉子繞組、轉子表層。

　　1.5 絕緣檢測要求的提高對保護的影響

　　由於百萬千瓦級機組的造價昂貴，因此對定子繞組、轉子繞組的絕緣檢測的要求更高。常規的300MW～600MW機組的定子、轉子接地保護，基本上都是發電機加了勵磁之後才能投入，缺乏無勵磁狀態下的定、轉子絕緣監測的功能。對於百萬千瓦級機組，通常要求要在未加勵磁或靜止狀態下提供對定、轉子的絕緣監測功能，因此保護裝置需要提供采用外加電源注入式定子、轉子接地保護原理。

　　2 百萬千瓦級水電機組保護的配置

　　現行的GB14285－2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》對600MW及以下容量的發電機保護做了詳細的規定，對更大的機組，隻要求參照執行。這裏參照國內600MW級大型水電機組保護配置，對1000MW級水電機組保護配置做部分的簡要說明。

　　2.1 機組保護的雙重化配置

　　百萬千瓦級機組保護的重要性不言而喻，應嚴格參照相關技術規程、反措要求執行雙重化配置原則配置微機保護（非電氣量保護除外）。每套保護均應含有完整的主、後備保護；兩套保護裝置的交流電壓、電流應分別取自電壓互感器和電流互感器互相獨立的繞組；其保護範圍應交叉重疊，避免死區；等等。

　　隨著基於新硬件平台的數字式主設備保護的推陳出新，實現了主設備保護雙主雙後的配置方案，保護的設計方案、配置原則趨於完善。采用雙主雙後的保護實現方式，針對一個被保護對象，配置兩套獨立的保護，每套保護均包含主後備保護，並且每套保護由兩個CPU係統構成，兩個CPU係統之間均進行完善的自檢和互檢，出口方式采用兩個CPU係統“與”門出口。這種配置方案概念清晰，徹底解決了保護拒動和誤動的矛盾：雙重化配置解決了拒動問題，雙CPU係統“與”門出口解決了硬件故障導致的誤動問題，這種思想已成功地應用到了主設備保護上，大大提高了主設備保護的運行水平。

　　2.2 發電機的主保護

　　發電機完全縱差保護對相間故障的靈敏度最高，但對定子繞組匝間短路和開焊故障卻無能為力，單元件橫差保護、不完全縱差保護、裂相橫差保護則可以彌補其不足，對相間短路也能很好的反應。大型水輪發電機具備引出多個定子繞組中性點的條件、具備在中性點安裝多個TA的條件，比如龍灘電廠的7台機組的中性點都是8個分支；三峽右岸電站12台機組分別由Alatom、哈電和東電提供(各4台)，其中Alstom和東電的機組為半水冷，每相分支數分別為6和5；哈電機組為全空冷，每相8分支，可裝設橫差保護、不完全差動保護和裂相橫差保護。各種縱差、橫差保護通過合理的組合，可以構成非常完善的主保護多重化方案。

　　2.3 主變壓器的主保護

　　變壓器縱差保護一直受到勵磁湧流的影響，雖然已有很多防湧流的閉鎖方案，但還不能說完全可躲過湧流。百萬千瓦級主變壓器將大量選用三單相變壓器形式，每個繞組有2個引出端，因此可裝設分側縱差，從根本上避免了勵磁湧流的影響。

　　對於主變高壓側Yn接線，配置零序差動保護，受勵磁湧流影響小，可快速反應主變高壓側接地故障。

　　2.4 發變組的其他保護

　　(1) 定子接地保護

　　百萬千瓦級發電機電壓等級更高，對定子繞組的絕緣提出了更高的要求。隨著發電機組容量的增大，定子鐵芯檢修也變得複雜，一旦發生定子接地故障，導致停機，經濟損失十分巨大。

　　目前應用最多的100%定子接地保護是“基波零序電壓型（3U0）”和“三次諧波電壓（比率判據）型（3）”。其中3U0保護在發電機中性點附近存在死區；3可保護距離中性點25%以內的定子繞組。發電機三次諧波電壓與運行工況有關，且大型水輪發電機定子繞組多采用波繞組，三次諧波匝電勢分布複雜，而且定子繞組對地電容也很大，這些因素影響了采用靈敏判別方法的3保護的應用。
因此在雙套保護中，一麵屏內還是配置3U0和3定子接地保護，另一麵屏內宜配置外加低頻電源的注入式定子接地保護。

　　(2) 轉子接地保護

　　大型發電機多采用自並勵勵磁方式和無刷勵磁方式，與轉子繞組在電氣上涉及的環節多，發生一點接地故障的可能性較大。雖然轉子繞組一點接地故障不會對發電機造成損害，但是一旦發展成兩點接地故障將造成很大的破壞。

　　大型發電機發生轉子一點接地故障後，建議盡快停機檢修。

　　常見的轉子一點接地保護采用乒乓原理，該原理依賴於發電機的勵磁電壓。百萬千瓦級發電機要求在發電機靜止未加勵磁電壓的情況下仍能實現轉子繞組對地絕緣監測，因此宜采用注入式原理的一點接地保護。另外，由於大機組勵磁電壓較高，強勵時電壓更高，轉子接地保護宜采用單裝置，就地安裝在勵磁屏櫃內。

　　(3) 突加電壓保護

　　發電機盤車時誤合閘，使發電機異步啟動，由此產生的轉子過電壓和差頻電流將損壞發電機轉子，後果十分嚴重。因此必須配置突加電壓保護。

　　(4) 失步保護

　　對於水電機組，盡管係統等值電抗較大，係統發生振蕩時，振蕩中心並不經常位於發電機附近，但是百萬級水輪發電機的靜穩儲備相對減小，受到擾動或者發生失磁故障時容易失去穩定，所以更需要加強失步保護功能。

　　(5) 後備保護

　　由於裝設了完善的雙套主保護，後備保護就適當簡化，優先選用簡單的電流、電壓保護作為後備保護，以滿足“加強主保護、簡化後備保護”的反措要求。


　　2.5 特大型水電機組保護實例

　　以龍灘700MW水電機組為例，簡述機組保護配置。龍灘700MW機組為哈電製造，全空冷，每相8分支，引出2個中性點。發電機的主接線與保護配置方案如圖1所示。

　　A屏、B屏裝設發電機和勵磁變的所有電量保護和非電量保護，C屏裝設注入式定子接地保護輔助電源，D屏、E屏裝設主變和廠變的所有電量保護和非電量保護。其中，注入式定子接地輔助電源也可以單獨安裝在發電機中性點接地設備櫃內，非電量保護也可單獨組屏。

　　具體保護功能配置如下：

　　圖1 龍灘700MW水電機組主接線與保護配置方案示意圖

　　3 百萬千瓦級機組保護的幾個關鍵技術

　　3.1 高性能的內部故障保護

　　由於百萬千瓦級機組短路電流水平相對下降，非周期電流衰減變慢，常規差動保護靈敏度降低，所以對差動保護要求在不失可靠性的前提下具有更高的靈敏度。常規的兩折線、三折線比率差動、采樣值差動等由於原理本身限製已不可能有太大突破，而近年來在大型及特大型機組上應用較多的變斜率穩態比率差動和工頻變化量比率差動的新原理更適合1000MW機組差動保護的要求。

　　變斜率比率差動不設拐點，一開始就帶製動特性；合理整定定值，在區內故障時保證最大的靈敏度，在區外故障時可以躲過暫態不平衡電流。變斜率比率差動和常規比率差動相比，其製動曲線能夠很好的和TA不平衡電流曲線配合，差動的起始定值降低了，動作區域上多了兩塊靈敏動作區，少了一塊易誤動區。

　　對於1000MW級機組，在重負荷情況下如果發生內部輕微故障，常規穩態差動由於製動電流和負荷電流成正比較大、而動作電流較小無法進入動作區，工頻變化量比率差動很好解決了這個問題。工頻變化量比率差動保護完全反映差動電流及製動電流的變化量，不受正常運行時負荷電流的影響，可以靈敏地檢測變壓器、發電機在重負荷下內部輕微故障。同時工頻變化量比率差動的製動係數取得較高，其耐受TA飽和的能力較強。

　　大型水輪發電機可以裝設單元件橫差保護，該保護能夠靈敏可靠的反映發電機定子繞組匝間短路和分支開焊故障。采用頻率跟蹤、數字濾波及全周傅氏算法，使保護隻反映電流的基波分量，此外，應用相電流比率製動確保了外部故障保護不誤動，同時內部故障靈敏動作，單元件橫差保護定值可以大為減小。對於其他正常情況，應用浮動門檻躲過不平衡電流。單元件橫差保護的性能大大提高。

　　3.2 機組保護抗TA飽和的措施

　　TA飽和問題是主設備保護共同麵對的問題。1000MW級機組保護由於定子回路時間常數增大，故障電流非周期分量衰減時間長，更易引起差動保護各側TA傳變暫態不一致或飽和。判TA飽和的辦法很多，如采用附加額外的電路來檢測TA飽和、改進時差法的TA飽和檢測、基於采樣值的TA飽和檢測等，現場應用較好的是異步法TA飽和判據。

　　通過理論分析和實驗得知，TA在暫態飽和時諧波含量主要為二次諧波，波形明顯不對稱；穩態飽和時則諧波含量主要為三次諧波，因此利用電流諧波和波形來判斷TA飽和。

　　異步法TA飽和判據其關鍵在於用“異步法”判別區內、外故障，區外故障時，差電流出現滯後於製動電流的上升，投入TA飽和判別元件，TA飽和保護不會誤動；區內故障時，兩者幾乎同步出現，不投入TA飽和判別元件，使區內故障TA飽和時保護仍能快速動作。

　　3.3 定子繞組、轉子繞組絕緣監測及接地保護

　　3.3.1 注入式定子繞組接地保護技術

　　1000MW級大型發電機對定子接地保護提出了更高的要求，傾向於在靜止無勵磁狀態下也要有定子接地保護，基於發電機固有零序電壓的保護方法已不能滿足要求，要求裝設外加低頻電源的注入式定子接地保護已成為一種趨勢。

　　在國內，應用較為成熟的是注入20Hz頻率信號的注入式定子接地保護，該保護已成功應用於三峽700MW、龍灘700MW大型水電機組上。保護原理如圖2所示。

　　保護裝置通過輔助電源裝置將低頻電壓加在負載電阻Rn上，並通過接地變壓器，將低頻電壓信號注入到發電機定子繞組對地的零序回路中，保護裝置測量二次回路的零序電壓、零序電流，濾出低頻分量後，通過導納法計算出定子繞組側接地故障電阻阻值，實現100%定子接地保護。和常規定子接地保護相比，注入式定子接地保護有以下特點：

　　（1） 與發電機運行工況無關，在發電機啟停、運行的全過程中，都可以提供靈敏的定子接地保護：可監測定子繞組絕緣的緩慢老化。

　　（2） 保護範圍包括整個定子繞組以及與定子繞組直接相連設備。接地電阻的計算精度高，不受接地位置影響，保護的靈敏度一致。

　　圖2 注入式定子接地保護原理

　　3.3.2 注入式轉子繞組接地保護技術

　　百萬千瓦級發電機宜裝設外加電源的注入式一點接地保護，以滿足發電機靜止未加勵磁電壓的情況下仍能實現轉子繞組對地絕緣監測的要求。

　　注入式轉子接地保護原理示意圖如下所示：


　　(a) 雙端注入 (b) 單端注入

　　圖3 注入式轉子接地保護原理

　　在轉子繞組的一端（或兩端）與大軸之間注入偏移方波電源，通過計算接地電阻的阻值，構成轉子一點接地保護，雙端注入時，可準確測量接地位置。注入式轉子接地保護有如下特點：

　　（1） 不受轉子電壓高次諧波分量的影響，接地電阻測量精度高；

　　（2） 保護靈敏度與轉子接地位置無關，保護無死區，有很高的靈敏度；

　　（3） 可在未加勵磁電壓的情況下，也能監視轉子絕緣情況。

　　為避免轉子繞組對地電容（包括軸電壓吸收回路中的電容）因充放電而影響轉子繞組接地過渡電阻的正確測量，注入的方波電壓應能靈活的調整方波頻率。

　　3.4 大型水輪發電機的失磁保護技術

　　大型水輪發電機組XdXq，其靜穩極限的機端測量阻抗軌跡是一條滴狀曲線，如圖4所示。過去由於技術上的限製，隻能采用近似蘋果圓去接近靜穩阻抗滴狀曲線，不能很好的吻合靜穩邊界。如今高性能的保護裝置已能自動地根據Xd、Xq、Xs、Xd’等參數準確計算出靜穩阻抗滴狀曲線，定值整定也十分方便。

　　單一的失磁保護判據不能機組運行的需要，隨著硬件、軟件技術的發展，高性能的保護裝置已采用靈活開入的失磁保護技術，即“定子阻抗判據”、“無功判據”、“轉子電壓判據”、“母線電壓低判據”和“機端電壓低判據”可通過控製字進行判據組合。百萬千瓦級機組的勵磁電壓偏高，直接引入轉子電壓進入保護裝置，存在轉子過電壓破壞保護裝置的隱患，失磁保護宜取消“轉子電壓判據”或者轉子電壓通過分壓後再進入保護裝置。

　　圖4 大型水輪發電機滴狀靜穩阻抗曲線和近似蘋果圓

大型發電機進相運行，吸收電力係統中過剩的無功功率已經成為重要的廠、網配合的調控手段。發電機進相運行受發電機端部發熱、機組穩定、廠用電電壓不能過低等多個條件的約束。進相運行時，發電機處於低勵工作狀態，必須注意進相深度與AVR欠勵限製、失磁保護的配合。將發電機的阻抗曲線反演至發電機P-Q功率平麵，三者的配合關係如下圖所示：

　　圖5 進相深度、欠勵限製以及失磁保護之間的配合關係

　　發電機在進相運行過程中，隨著進相深度的增大，發電機機端電壓逐漸降低，因此對應的失磁保護邊界也相應的變化，進相深度隨著電壓的降低而降低。有以下幾點需要注意：

　　(1) 如果機組需要進相運行，且具備一定深度，建議按異步阻抗圓整定失磁阻抗。

　　(2) 失磁低電壓判據需考慮進相導致機端電壓降低，如果按機端電壓整定，定值不能太高。

　　(3) 機組進相能力隨著機端電壓的下降而下降，不能僅參照某一固定有功在額定電壓下對應的靜穩極限，應根據電壓的下降將進相深度降低。

　　(4) 機端電壓下降越大，限製曲線在P-Q平麵上向上偏移越多。

　　(5) 欠勵限製曲線距離靜穩邊界要保證一定的安全裕度。異步邊界在靜穩邊界的下方，可確保了一定的安全裕度。

　　注意到這幾條，可做到既保證機組有一定的進相運行嚐試，又能保證機組的安全運行。


　　3.5 其他保護問題

　　電流互感器性能的提高，對於保護的正確動作影響很大。對於1000MW級機組，其保護用各側TA，包括發電機出口和中性點側、主變高壓側，都建議選用TPY級；對於參與主變差動的高廠變高壓側TA，由於高廠變套管可能裝不下TPY級TA，並且高廠變高壓側故障無論區內外均動作於全停，所以可以適當降低要求，安裝P級TA。

　　1000MW極機組的失磁、失步保護需投入跳閘；快速勵磁易導致過勵磁，過勵磁保護需配置反時限功能；機組熱容量小，相應過負荷保護需要投入反時限功能；需增加機端失靈保護。

　　4 結語

　　近二十年來，國內大型水電站的建設蓬勃發展，水電機組的單機容量也不斷提升，百萬千瓦級水電機組也進入研製階段。大型機組造價昂貴、結構複雜，若保護不利，發生故障後將會造成很大的經濟損失。百萬千瓦級機組在結構、參數上有所變化，隻有充分了解百萬千瓦級機組的特點和其他容量機組的差異，深入分析其故障規律，采用先進的保護原理和配置思想，並在運行的過程中不斷總結經驗，才能確保機組的安全。

　　參考文獻

　　[1] 楊莉. 百萬千瓦級機組發電機變壓器組繼電保護配置探討. 自動電力化設備，2006，26(10)：110-113

　　[2] 史世文. 大機組繼電保護. 水利電力出版社，1987

　　[3] 王維儉. 電氣主設備繼電保護原理與應用. 中國電力出版社，1996

　　[4] Quanrong Shen, Yan wei, Yuping Zheng, et al. New Technologies in RCS-
985 Generator Transformer Protection Set. 2003 The Asian Conference on Power System
Protection

　　[5] 沈全榮，嚴偉. 異步法電流互感器飽和判別新原理及其應用. 電力係統自動化，2005，
29(16)：84-86

　　[6] 沈全榮，何雪峰，等. 大型發變組微機保護雙重化配置探討. 電力係統自動化，2002（10）

　　[7] 李岩，陳德樹，等. 鑒別TA飽和的改進時差法研究. 繼電器，2001（11）

　　[8] Siemens Numerical Machine ProteTAion.Siemens AG 1996

　　[9] M.Ilar et al., Innovations in Generator Protection, Brown Boverin Review, 1978.6

　　[10] SIPROTEC 7UM515 Numberical Generator ProteTAion Relay

　　[11] 王維儉，桂林，等. 大型水輪發電機微機型主保護設計方法再商榷. 繼電器，2002（9）


　　[12] Megahed AI,Malik OP.,An artificial neural network based digital differential
proteTAion scheme based digital differential proteTAion scheme for synchronous generator
stator winding proteTAion[J]. IEEE Trans. On Power Delivery. 1994, 14(1)

　　[13] 王維儉，桂林，孫宇光，等. 三峽電站水輪發電機主保護設計回顧與展望. 電力設備，2006，7(7):9-13

　　[14] 南京南瑞繼保電氣有限公司. RCS-985注入式定子轉子接地保護技術使用說明書. 2007

簡介：

　　沈全榮（1965－），男，碩士，研究員級高級工程師，從事電力係統繼電保護的研究、開發及管理工作。