1、研究背景
隨著特高壓電網(wǎng)快速發(fā)展和電網(wǎng)運(yùn)行的需要，國(guó)家電網(wǎng)公司將在“十三五”期間配套建設(shè)45臺(tái)大型調(diào)相機(jī)組（容量為300 Mvar）。其中，采用雙水內(nèi)冷方式的調(diào)相機(jī)定子48槽，每相2分支；采用空冷方式的調(diào)相機(jī)定子72槽，每相3分支。
由于受大型汽輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)引出方式的限制，只能在發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)裝設(shè)相電流互感器及完全縱差保護(hù)（能夠靈敏反應(yīng)相間短路），而近年來(lái)由于分支開(kāi)焊和匝間短路故障已造成多臺(tái)600 MW汽輪發(fā)電機(jī)嚴(yán)重?zé)龘p，因此必須重視大型調(diào)相機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路和分支開(kāi)焊故障的保護(hù)問(wèn)題。
基于“多回路分析法”的發(fā)電機(jī)主保護(hù)定量化及優(yōu)化設(shè)計(jì)方法在水電領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用，已對(duì)國(guó)內(nèi)外110多座大中型水電站和抽水蓄能電站的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了定子繞組內(nèi)部故障的分析和主保護(hù)方案的定量化設(shè)計(jì)，為大型發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案的科學(xué)制定開(kāi)辟了新途徑。
本文針對(duì)大型調(diào)相機(jī)的定子繞組形式和故障特點(diǎn)，并結(jié)合以往工程運(yùn)行實(shí)踐，對(duì)其內(nèi)部故障特征及現(xiàn)有主保護(hù)配置方案（完全縱差+縱向零序電壓保護(hù)）的性能進(jìn)行研究，明確其不足之處并提出改進(jìn)措施，為后續(xù)工程提供借鑒。
2、雙水內(nèi)冷/空冷調(diào)相機(jī)定子繞組內(nèi)部故障特點(diǎn)的分析
通過(guò)對(duì)雙水內(nèi)冷和空冷調(diào)相機(jī)定子繞組連接圖的分析（任兩線棒在槽內(nèi)或端部交叉就認(rèn)為存在同槽故障或端部交叉故障的可能），300 Mvar雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)（每相2分支）和空冷調(diào)相機(jī)（每相3分支）實(shí)際可能發(fā)生的內(nèi)部短路如表1所示。
表1 雙水內(nèi)冷/空冷調(diào)相機(jī)可能內(nèi)部故障統(tǒng)計(jì)
從表1可以看出，大型調(diào)相機(jī)同槽和端部交叉故障中均存在匝間短路，若無(wú)相應(yīng)的保護(hù)或保護(hù)性能不完善將嚴(yán)重威脅大型調(diào)相機(jī)和電網(wǎng)的運(yùn)行安全。
3、大型調(diào)相機(jī)主保護(hù)配置傳統(tǒng)方案及縱向零序電壓保護(hù)性能分析
如圖1所示，現(xiàn)階段大型調(diào)相機(jī)中性點(diǎn)側(cè)只引出3個(gè)端子，只能裝設(shè)相電流互感器（TA），如果僅配置完全縱差保護(hù)，由于其不反應(yīng)匝間短路和分支開(kāi)焊故障，所以對(duì)于雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)（a=2，a為每相分支數(shù)）實(shí)際可能發(fā)生的909種內(nèi)部短路故障，保護(hù)死區(qū)高達(dá)19.8%；對(duì)于空冷調(diào)相機(jī)（a=3）實(shí)際可能發(fā)生的2 106種內(nèi)部短路故障，保護(hù)死區(qū)高達(dá)22.2%。
圖1 基于傳統(tǒng)電磁型TA的大型調(diào)相機(jī)主保護(hù)配置方案
通過(guò)增設(shè)圖1所示全絕緣的專(zhuān)用電壓互感器（其一次繞組中性點(diǎn)與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過(guò)電纜連接），并裝設(shè)縱向零序電壓保護(hù)（反應(yīng)發(fā)電機(jī)機(jī)端三相對(duì)中性點(diǎn)電壓的不平衡），其不能動(dòng)作的故障類(lèi)型既有部分匝間短路，也有部分相間短路，還不能靈敏反應(yīng)最近幾年頻繁發(fā)生的分支開(kāi)焊故障。
運(yùn)用“多回路分析法”，對(duì)雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)并網(wǎng)空載運(yùn)行方式下909種同槽和端部交叉短路故障進(jìn)行了仿真計(jì)算，求出各相電壓的大小和相位以及縱向3U0的大小，并對(duì)縱向3U0（二次值）的分布范圍進(jìn)行分析（如表2所示），進(jìn)一步明確其不能動(dòng)作的故障類(lèi)型（除了上述分支開(kāi)焊故障，還包括部分匝間和相間短路），為該保護(hù)定值的整定和大型調(diào)相機(jī)保護(hù)性能的完善奠定基礎(chǔ)。
表2 雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)909種內(nèi)部故障時(shí)縱向3U0的大小及分布情況
運(yùn)用兼顧區(qū)外故障時(shí)的防誤動(dòng)，縱向3U0保護(hù)的動(dòng)作定值一般整定為3 V（二次值），則對(duì)表2中3U0保護(hù)不能動(dòng)作的故障類(lèi)型（對(duì)應(yīng)二次值在0~4.5 V之間）進(jìn)一步分析如圖2所示。
圖2 縱向零序電壓保護(hù)不能動(dòng)作故障類(lèi)型
綜上所述，縱向零序電壓保護(hù)不能動(dòng)作的故障類(lèi)型除了小匝數(shù)同相同分支匝間短路（短路匝數(shù)為1匝，對(duì)應(yīng)的短路匝比為12.5%）和相同（或相近）電位點(diǎn)的同相不同分支匝間短路外，絕大部分為不同相但同編號(hào)分支間發(fā)生的相間短路或不同相且異編號(hào)分支間發(fā)生的相間短路，兩短路點(diǎn)距中性點(diǎn)位置相同或相差1至2匝。
4、大型調(diào)相機(jī)主保護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究
已有的研究工作表明，大型調(diào)相機(jī)新型中性點(diǎn)引出方式仍涉及中性點(diǎn)側(cè)電路或水路的重新布置，為減輕電機(jī)設(shè)計(jì)制造難度，如圖3所示，在調(diào)相機(jī)每相2個(gè)分支上裝設(shè)柔性光學(xué)電流互感器（已得到工程實(shí)踐的檢驗(yàn)/見(jiàn)圖4），通過(guò)增設(shè)完全裂相橫差保護(hù)（a=2）或不完全裂相橫差保護(hù)（a=3）來(lái)實(shí)現(xiàn)匝間故障保護(hù)，其保護(hù)性能已在水電領(lǐng)域得到驗(yàn)證，并且大型調(diào)相機(jī)不存在小短路匝比（短路匝數(shù)/每分支線圈數(shù)<5%）的匝間短路，因?yàn)樗糠种е挥?個(gè)線圈，即使短路1匝，對(duì)應(yīng)的短路匝比已達(dá)12.5%。
基于光學(xué)互感器的裂相橫差保護(hù)將具有優(yōu)異的動(dòng)作性能——對(duì)于雙水內(nèi)冷調(diào)相機(jī)，圖3(a)所示主保護(hù)配置方案沒(méi)有保護(hù)死區(qū)；對(duì)于空冷調(diào)相機(jī)，圖3(b)所示主保護(hù)配置方案不能動(dòng)作故障只有12種機(jī)端附近的同相不同分支匝間短路。
圖3 基于光學(xué)分支TA的大型調(diào)相機(jī)主保護(hù)配置方案
光學(xué)分支電流互感器的二次光纜隨發(fā)電機(jī)測(cè)溫元件的二次電纜引出至發(fā)電機(jī)外（已得到電機(jī)制造廠家的認(rèn)可），其裝設(shè)對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造影響小。
為積累運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，圖3中基于光學(xué)分支電流互感器的完全裂相橫差或不完全裂相橫差保護(hù)可在調(diào)相機(jī)投運(yùn)初期動(dòng)作于報(bào)警，基于傳統(tǒng)電磁型電流互感器的完全縱差保護(hù)則動(dòng)作于跳閘。
圖4 柔性光學(xué)電流互感器用于發(fā)電機(jī)保護(hù)實(shí)例
柔性光學(xué)電流互感器溫度漂移和振動(dòng)敏感性問(wèn)題的解決，為其在發(fā)電機(jī)上的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；基于柔性光學(xué)電流互感器的發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)已在沙河抽蓄電站（50 MW/2013年）、諫壁火電廠（300 MW/2015年）和觀音巖水電站（600 MW/2015年）投運(yùn)，運(yùn)行情況良好，經(jīng)歷了區(qū)外故障的考驗(yàn)。
5、結(jié)語(yǔ)
1）大型調(diào)相機(jī)（300 Mvar）存在匝間短路的可能，不裝設(shè)匝間短路保護(hù)將給發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重隱患。
2）通過(guò)對(duì)不同冷卻方式調(diào)相機(jī)實(shí)際可能發(fā)生內(nèi)部故障的仿真分析，明確現(xiàn)有主保護(hù)配置方案（完全縱差+縱向零序電壓保護(hù)）存在較大的保護(hù)死區(qū)，并進(jìn)一步確認(rèn)縱向零序電壓保護(hù)不能動(dòng)作的故障類(lèi)型。
3）基于柔性光學(xué)電流互感器的裂相橫差保護(hù)將徹底改變大型調(diào)相機(jī)和汽輪發(fā)電機(jī)無(wú)完善定子繞組匝間故障保護(hù)的現(xiàn)狀，且對(duì)發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造影響小，建議先在小型空冷汽輪發(fā)電機(jī)（譬如垃圾焚燒發(fā)電機(jī)）上投入應(yīng)用。
