清远抽水蓄能电站发电机—变压器组保护设计与整定的新进展

桂 林，王霏霏，王祥珩

（1.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京市 100084；2.清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

清远抽水蓄能电站发电机—变压器组保护设计与整定的新进展

桂 林1，王霏霏2，王祥珩1

（1.清华大学电机系电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京市 100084；2.清远蓄能发电有限公司，广东省清远市 511853）

清远抽水蓄能电站已投产发电，有必要对其发电机—变压器组（简称发变组）保护设计与整定的新进展进行归纳总结。本文在全面的内部短路仿真计算的基础上，经定量化设计过程完成了清远发电电动机主保护的设计，并兼顾电机设计与TA安装的要求；通过增设跳闸允许电流元件，提高了SIEMENS失步保护区分失步振荡和稳定摇摆的能力；在发电机定子接地保护和主变压器低压侧接地保护定值整定时，注意到GCB开断所带来的发电机或主变压器低压侧不接地系统电容值的变化，为后续抽水蓄能电站的建设提供借鉴。

大型抽水蓄能机组；主保护设计；内部短路计算；失步保护；接地保护

0 引言

清远抽水蓄能电站位于广东省清远市清新区太平镇，属国家“十一五”重点工程，电站总装机容量128万kW，安装4台320MW可逆式发电机组，首台机组于2015年12月投产发电。

随着响水涧、仙游、清远等一批抽水蓄能电站的投入运行，国内抽水蓄能电站的建设已进入发展高潮，有必要对最大单机容量的每相7分支的清远抽蓄发变组保护设计与整定的特点进行归纳总结，为后续抽水蓄能电站的建设提供借鉴。

1 清远发电电动机主保护的定量化设计

清远发电电动机采用整数槽（q=8）“半波绕组”（定子绕组节距为y1=26、y2=26），14极，定子槽数为336，每相7分支，每分支16个线圈。根据对东芝水电设备（杭州）有限公司提供的定子绕组展开图的分析[1-2]，清远发电电动机定子绕组实际可能发生的同槽和端部交叉故障如表1和表2所示。

表1 清远发电电动机336种同槽故障

表2 清远发电电动机15120种端部交叉故障

运用多回路分析法[3-6]，对清远发电电动机并网空载运行方式下所有可能发生的同槽和端部交叉故障进行了仿真计算（共计15456种），得到发电机故障时每一支路电流的大小和相位（包括两中性点间的零序电流的大小），以此为基础进行主保护方案的灵敏度分析，又能清楚认识到每种保护能灵敏反应哪些短路和不反应哪些短路，从而使得主保护配置方案的性能对比建立在定量分析的基础之上，并考虑所采用的中性点引出和分支分组方式对电机设计和TA安装的影响。

类似发电机主保护定量化设计方法已在水电领域得到推广应用，已对国内外78座大中型水电站和11座抽水蓄能电站（仙游、清远、溧阳、仙居、洪屏、深圳、琼中、绩溪、丰宁抽蓄一期、敦化、伊朗AZAD）的发电机进行了定子绕组内部故障的分析和主保护方案的定量化设计，相关设计成果已得到现场运行实践的检验，在发电机定子绕组内部匝间短路、相间短路和分支开焊时灵敏动作，避免了故障的扩大，为发电机抢修和恢复供电赢得了时间。

图1 清远发电电动机可能采用的分支分组和中性点引出方式

对于每相7分支的清远发电电动机而言，其可能采用的分支分组方式有“3-1-3” 和“3-4”两种（如图1所示），对应的主保护配置方案的性能见表3。图1（a）所示（“3-1-3分支分组方式”）主保护配置方案的性能要远优于图1（b）（“3-4分支分组方式”），原因在于其同相不同分支匝间短路所占比率大（见表1和表2），且相近电位的同相不同分支匝间短路（如图2所示，两短路点距离中性点位置相近）的故障特征是故障分支电流大但相位相反，在某些连接方式下（将两故障分支分到同一分支组中）的短路回路电流无法直接引入保护装置的差动回路中以提高灵敏度，将成为主保护配置方案的动作死区[7-9]。

图2 发生在相近电位的同相不同分支匝间短路

而在“3-4分支分组方式”下，无论上述相近电位的同相不同分支匝间短路是多发生在相邻还是相隔分支间，“123-4567”或“135-2467”分支分组方式都无法做到将两故障分支始终分到不同的分支组中去。

表3 清远发电电动机同槽和端部故障时不同主保护配置方案的动作情况

再从发电机中性点侧铜环布置和分支组TA安装的难易程度来看，在“3-1-3分支分组方式”下，相隔分支分组的中性点引出方式远比相邻分支分组的情况复杂，对应的汇流铜环层数高达11层，电机制造厂目前还无法做到！

最终推荐图3所示方案作为清远发电电动机主保护配置方案，对于其实际可能发生的15456种内部故障，不能动作故障数为186种（占内部故障总数的1.2%），不能动作的故障类型中没有发生几率高的相间短路，对15125种内部故障（占内部故障总数的97.9%）有两种及以上原理不同的主保护灵敏动作，保护性能已非常优异；且对应的中性点侧汇流铜环层数为6层，大大降低了电机设计的难度，有利于发电机的安全运行。

图3 清远发电电动机内部故障主保护及TA配置推荐方案（相邻连接，123-4-567）

如上所述，即使在发电电动机主保护定量化设计中兼顾了设计的科学性和实用性，清远发电电动机中性点侧铜环布置和TA安装的难度还是很大，毕竟较常规水电而言，高转速抽蓄机组的风洞空间更有限，以至于深圳抽蓄发电电动机（a=7）只好将中性点侧TA布置在风洞外，以保证电流互感器自身的运行安全。

这就要求我们从电机设计上寻求突破，不对称定子绕组的采用（a=4）将解决上述14极发电机铜环布置和TA安装遇到的困难，同时也简化了主保护的设计。

2 清远发电电动机失步保护的优化设计

清远抽蓄发变组保护装置由SIEMENS公司提供，其发电机失步保护采用遮挡器原理[10]，相应的动作特性如图4所示。

图4 SIEMENS失步保护阻抗特性

当正序电流大于120%Ign且负序电流小于20%Ign时判为失步振荡，可明确区分失步振荡与短路故障，但在区分失步振荡与稳定摇摆时存在不足，保护装置在机端阻抗轨迹抵达阻抗平面纵轴（对应的δ=180°）时即发跳闸脉冲，其实机端阻抗轨迹并未从另一个方向离开工作区，如图5所示。

图5 某发电机失磁过程中机端阻抗轨迹同时穿越失步保护动作区

针对上述不足，SIEMENS公司技术人员提出可增设跳闸允许电流元件来闭锁发电机稳定摇摆过程中失步保护的动作，即以机端阻抗轨迹从对侧穿出遮挡器动作区时流过发电机机端的电流为界，小于该电流才允许失步保护发出跳闸脉冲（保护装置若能直接反应两侧功角的连续变化过程则更好），避免在某些特殊应用场合扩大故障范围。

3 清远抽蓄发电机定子接地保护与主变压器低压侧接地保护整定的异同

为避免定子接地故障烧损铁芯和发展为危害严重的匝间或相间短路，《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》（DL/T 684—2012）明确规定，发电机基波零序电压定子接地保护定值上躲过主变压器高压侧接地传递过电压的影响，则延时不必再与主变压器高压侧接地后备保护的长延时去配合，一般整定为0.5s。

对于经高阻接地的清远抽蓄发电机而言，由于发电机每相电容值已达1.8µF，故利用图6所示等效电路计算所得主变压器高压侧接地传递过电压数值不会太大，通过合理整定基波零序电压定子接地保护的定值可有效保护发电机绝大部分定子绕组的接地故障。

图6 清蓄发电机定子接地保护传递电压计算用简化电路（GCB两侧电容值均为0.13μF）

但是当发电机机端断路器（GCB）开断、主变压器单独与500kV系统相联时，发电机定子绕组每相对地电容已不起作用，但GCB主变压器侧所联抑制操作过电压的小电容（0.13µF）仍然在起作用（见图7），所以主变压器高压侧接地传递过电压的数值虽有所增大，但变化不大，通过合理整定主变压器低压侧接地保护的定值和延时（仍为短延时），既能对主变压器低压侧不接地系统发生的接地故障提供有效保护，又能与发电机定子接地保护在定值和延时上取得配合（两者均能反映15.75kV母线的3UL0信号）。

图7 清蓄主变压器低压侧接地保护传递电压计算用电路

若GCB断开后处于检修状态，则GCB主变压器侧所联小电容（0.13µF）也不起作用，图7所示等效电路就不再存在大的电容来拉低主变压器高压侧接地所产生的传递过电压，此时对应的3UL0高达165V（二次值）。主变压器低压侧接地电压保护就难以通过定值来躲过主变压器高压侧接地传递过电压的影响，现多依靠延时配合，当然也可拉入主变压器高压侧零序电压作为闭锁量。

对于核电站而言，为给主变压器低压侧不接地系统接地故障提供有效保护（核岛调试时间长），则通过增设高压厂用变压器高压侧接地变压器（与发电机高阻接地方式类似），并合理选择其一次电阻值（一般为3000Ω左右）来拉低主变压器高压侧接地传递过电压。

4 结论

（1）在全面的内部短路分析计算的基础上，经定量化及优化设计过程来确定发电电动机主保护配置方案，已在国产化抽水蓄能电站得到推广应用。

（2）14极发电电动机采用不对称定子绕组（a=4）可实现电机设计和主保护设计的“共赢”。

（3）增设跳闸允许电流元件提高了SIEMENS失步保护区分失步振荡和稳定摇摆的能力。

（4）在发电机定子接地保护和主变压器低压侧接地保护定值整定时，需注意GCB开断所带来的发电机或主变压器低压侧不接地系统电容值的变化。

[1]白延年.水轮发电机设计与计算.北京：机械工业出版社，1982.

[2]许实章.交流电机的绕组理论.北京：机械工业出版社，1985.

[3]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用（第二版）.北京：中国电力出版社，2002.

[4]高景德，王祥珩，李发海.交流电机及其系统的分析（第二版）.北京：清华大学出版社，2005.

[5]桂林.大型发电机主保护配置方案优化设计的研究[D].北京：清华大学，2003.

[6]桂林.大型水轮发电机主保护定量化设计过程的合理简化及大型汽轮发电机新型中性点引出方式的研究[D].清华大学博士后研究报告，2006.

[7]桂林，王维俭，孙宇光，等.三峡右岸发电机主保护配置方案设计研究总结.电力系统自动化，2005，29（13）：69-75.

[8]桂林，王祥珩，孙宇光，等.巨型水轮发电机定子绕组设计建议——由发电机主保护定量化设计引出的反思.电力系统自动化，2009，33（4）：45-48.

[9]桂林，王祥珩，孙宇光，等.向家坝和溪洛渡水电站发电机主保护设计总结.电力自动化设备，2010，30（7）：30-33.

桂 林（1974—），男，博士，副教授，主要研究方向：大机组保护及故障分析。E-mail：guilin99@mails.tsinghua.edu.cn

王霏霏（1983—），女，硕士，工程师，主要研究方向：继电保护设备调试和运维管理。E-mail：wangfeifei815@163.com

王祥珩（1940—），男，教授，博士生导师，主要研究方向：电机分析与控制、电机故障及保护、电气传动及其自动化等。E-mail：wangxh@mail.tsinghua.edu.cn

New Progress of Design and Setting of the Generator Transformer Protection for Qingyuan Pumped Storage Power Station

GUI Lin1，WANG Feifei2，WANG Xiangheng1
（1.Dept.of Electrical Engineering，State Key Laboratory of Control and Simulation of Power Systems and Generation Equipment，Tsinghua University，Beijing 10084，China; 2.Qingyuan Pumped storage Power Generation Co.，Ltd.Qingyuan Qinyuan 511853，China）

As Qingyuan pumped storage power station has already put into operation，it’s necessary to make a summary of the new advances in its design and settings of the generatortransformer unit protection Based on the comprehensive internal fault simulation and with consideration of the generator design and the installation of CT，the quantitative and optimization design of main protection for Qingyuan generator has been completed; By adding new trip-permitted current components，the ability of SIEMENS generator out-of-step protection to distinguish between out-of-step oscillation and stable oscillation has been enhanced; When it comes to the protection settings of generator stator ground fault and low voltage side of main transformer ground fault，the change in generator’s capacitance and low voltage side of main transformer’s capacitance brought by GCB interrupting operation is taken into consideration.Above experiences can be used as a reference for the construction of pumped storage power station in the future.

large-sized pumped storage groups; main protection design; internal fault simulation; out-of-step protection; ground fault protection