（浙江浙能北海水力发电有限公司 杭州 310000）
摘要：发电机发生匝间故障，如不及时处理，将可能严重威胁发电机的安全。本文通过分析某水电站匝间保护的配置及其运行中存在的不足，认证了裂相横差保护改造的必要性和可行性，介绍了新保护装置的性能和改造的实施过程，改造后机组的运行情况达到预期效果。
关键词：发电机；匝间故障；裂相横差保护；改造
Anstract：If generator interturn fault is not processed in a timely manner，it could seriously threaten the security of the generator. By analyzing the interturn protection configuration of a hydropower station and its shortcomings in the running，the necessity and feasibility of split-phase transverse differential protection transformation is demonstrated.The performance of the new operation device and the implementation of the transformation are introduced.After the retrofit，generator is performing as expected.
Key words：generator；interturn fault；split-phase transverse differential protection；transformation
0引言
大型水轮发电机通常每相都有两个或两个以上的并联支路，当同一支路或同相不同支路绕组发生匝间短路时，会导致定子三相电流不平衡，引起机组振动，同时短路的线匝内会生产环流，使线圈发热，进一步损坏邻近导线的绝缘，如不及时处理，可能发展为定子绕组接地或相间故障，进而导致绕组烧毁。而作为发电机主保护，纵差保护只比较机端与中性点同相间电流的大小与相位，通常无法反应匝间故障。因此，对于发电机定子匝间短路，必须设置专用保护。
1改造背景与技术需求
某水电站200MW发电机配置两套RCS-985GW型微机保护装置，其匝间保护采用单元件横差保护原理，即在发电机两个中性点连线上装设一组CT，取该CT的二次电流作为横差保护的启动元件，是定子绕组的匝间短路、分支开焊以及相间短路的主保护。保护接线方式如图1所示。
当正常运行和绕组的外部发生短路时，各个分支电势相同，两个中性点等电位，通过横差保护CT的电流仅为不平衡电流，保护不会动作。当绕组发生匝间短路、相间短路或分支开焊时，两中性点出现电位差，从而在两个中性点的连线上形成电流。当该电流的二次值超过横差保护动作值，即Id＞Ihczd时，保护动作跳发电机开关、停机、灭磁。但由于同相不同分支间没有单独配置CT，发生内部故障后只能确定故障相别，而无法判断故障支路；而且，当发生小匝数的匝间短路，单元件横差保护灵敏度可能不够，将引起绕组绝缘损坏，甚至导致定子接地或相间短路，使事故扩大。该电站就曾经发生过定子绕组B相匝间短路，横差保护未动作，最终导致B相接地故障。因此，决定对该发电机匝间保护进行改造，优化其主保护配置，提高运行水平。
2改造的可行性分析
经调研，当前国内外普遍使用的匝间保护原理，除了单元件横差保护，还包括零序电压保护、负序功率方向保护和裂相横差保护。零序电压保护是通过机端专用的电压互感器的开口三角，取得机端三相不平衡产生的零序电压，该PT一次绕组的中性点不是接地而是与发电机的中性点相连，经考查现场实施困难；负序功率方向保护是利用负序功率方向元件判断故障是否发生在发电机内部，保护灵敏度高，但近年来运行表明该保护在区外故障时可能发生误动；裂相横差保护通过比较同相不同分支的电流来确定发电机内部故障，具有接线简单、动作可靠、灵敏度高的优点。综合考虑，认为裂相横差保护能够满足该电站发电机保护配置要求。
该发电机定子绕组每相由4个分支并联而成，采用“14-23”分支引出方式，中性点共有6组引出线（见图2），结合其他每相4分支水轮发电机的主保护设计经验，计划不改变发电机铜环内部连接及分支引出方式，仅在引出线连接端通过加装分支CT，增设裂相横差保护，经中性点引出线空间及CT安装位置等情况考查，发电机裂相横差保护改造是可行的。
图2 裂相横差保护CT配置
3新装置选型与功能特点
经技术论证和招投标评估，选定PCS-985GW型发电机保护装置。PCS-985系列是南瑞继保公司在RCS-985系列基础上进行改进，研发的全新一代发电机变压器组保护装置，它继承了RCS-985的优点，并进行了部分优化。适用于大型水轮发电机、抽水蓄能发电机组等类型的发电机变压器组单元接线及其他机组接线方式，并能满足发电厂电气监控自动化系统的要求。可提供大型水轮发电机组所需的全部保护配置。
PCS-985系列保护装置采用32位微处理器+双DSP的硬件结构，其中两个DSP负责保护运算与出口逻辑。裂相横差保护采用比率差动保护原理，其动作特性采用变斜率制动曲线（如图3所示）。图中，Id为差动电流，Ir为制动电流，Icdqd为差动电流启动定值；Kbl1为起始比率差动斜率，取0.05~0.15，一般取0.05；Kbl2为最大比率差动斜率，取0.30~0.70，一般取0.5。其中，
4改造方案及实施
通过对新旧设备图纸的对比，编制了此次裂相横差保护改造施工方案及试验方案。绘制改造接线图，如图4所示。
此次裂相横差保护改造，拆除原RCS-985GW发电机保护A、B柜，并安装两套PCS-985GW发电机保护；保留原发电机中性点连接线上的CT，作为单无件横差保护；同时，拆除原发电机中性点CT（12000/1A），在中性点一分支和二分支的三相各安装一台CT（6000/1A），同相两组分支CT之间构成裂相横差保护，并与发电机断路器主变侧CT（12000/1A）构成完全纵差保护。拆除原发电机中性点CT至发电机保护柜电缆；在发电机中性点CT旁增设“发电机中性点CT端子箱”，将中性点一分支二次电流接至1~12号端子，将中性点二分支二次电流接至19~30号端子；铺设4根型号为ZR-KVVP2-22-4×2.5的电缆，将中性点两个分支的二次电流同时引至新安装的PCS-985GW发电机保护A、B柜的相应端子。
裂相横差保护动作出口跳发电机开关、跳灭磁开关、停机、启动故障录波。跳闸信号接入LCU系统。
5改造前后的可靠性对比
改造前，依据传统设计方法，该电站针对发电机匝间故障，只配置了单元件横差保护，当单相分支匝间短路电流较小，即短接的匝数较少时，或当同相两分支匝间短路，短路点位置差别较小时，都会存在动作死区，保护灵敏度不高。改造后，保留单元件横差保护的同时，还增加了裂相横差保护，大大提高了保护的可靠性和灵敏性，还能准确判断故障支路。
改造前的RCS-985GW保护装置已在现场积累了丰富的运行经验，在此基础上，结合最新的计算机技术和用户日益复杂的应用需求，研发的PCS-985GW保护装置，继承了RCS-985GW的优点，并在保护判据方面有所改进，同时人机接口方面更加友好，改造后，PCS-985GW保护装置能更好地满足现场应用需求。
6结语
此次改造后，PCS-985GW发电机保护装置经过各工况下的试验与运行，中性点各分支电流、机端电流等各项参数均稳定正常；还对包括裂相横差保护在内，现场配置的所有保护都进行了保护功能校验，动作特性曲线、启动值、动作时间及动作结果等均满足检修规程要求。本次裂相横差保护改造工作的成功实施，不仅提高了发电厂继电保护装置的安全性能，有效保证机组的稳定运行，也为类似水力发电厂的技改工作提供了借鉴和参考，必将取得显著的经济效益和突出的社会效益。
参考文献：
【1】王维俭，电气主设备继电保护原理与应用。北京：中国电力出版社，2002
【2】王维检，发电机变压器继电保护应用。北京：中国电力出版社，2005
【3】GB/T 14285—2006，继电保护和安全自动装置技术规程，2006-11-01
【4】PCS-985GW大型水轮发电机保护装置说明书
作者简介：
朱源（1988-），男，本科，助理工程师，从事发电厂继电保护工作。
论文作者:朱源,蒋承佐
论文发表刊物:《电力设备》2017年第6期
论文发表时间:2017/6/13
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