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三峡大型机组的内部故障分析与保护配置研究 |
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| 三峡大型机组的内部故障分析与保护配置研究 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 10:49:24  |
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三峡大型机组的内部故障分析与保护配置研究
邰能灵 尹项根 王为国 陈德树
华中理工大学电力系，430074 武汉
三峡发电机组是三峡电站最重要的组成部分之一，其造价昂贵，结构复杂。一旦出现故障，不仅检修期长，而且造成巨大的直接和间接经济损失。三峡机组内部故障保护装置的拒动或者误动，都将产生严重后果，绝不能掉以轻心。因此，本文将对如何合理地选择各种保护并优化配置作简要分析。
发电机的内部故障类型主要有：
（1）定子绕组的相间短路。这是对发电机危害最大的一种故障形式。
（2）定子绕组的匝间短路。在匝间电压的作用下，产生很大的环流,引起故障处温度升高，绝缘破坏，并可能转变为单相接地短路或相间短路。
（3）定子绕组的单相接地短路。这是发电机内部比较常见的一种故障。
大型发电机中性点一般不接地或经高阻抗接地，出于安全的要求，其外壳必须接地。这就容易导致单相接地故障，若不及时发现，当又出现另一接地点时，会造成匝间或相间故障。因此，三峡发电机组必须配置相应的单相接地保护。由于单相接地绝缘的破坏在三峡机组中不会产生大的故障电流，所以不列入本文讨论的问题。本文主要讨论因相间或匝间绝缘破坏而导致灾难性的相间或匝间短路。
1 绕组结构分析
在对所有8种电机同槽层间的短路作了全面分析之后, 针对机组内部各种不同的故障，笔者分析探讨了三种类型的层间短路：同相同分支短路（同支）；同相异分支短路（同相异支）；异相异分支短路（异相）。各机组绕组短路的类型分析如表1所示。
可见，可能的三峡机组均为5分支或8分支，最小短路匝比为2. 78%或5. 88%。众所周知，匝数很少尤其是多分支的匝间短路，是一种很难发现的故障。
表1 绕组短路类型分析
Table 1 Classification of stator winding short circuit faults in generators in the Three Gorges power station
机组类型号
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅴ
Ⅵ
Ⅶ
Ⅷ
分支绕组匝数
36×2
36×2
34×2
32×2
40×2
32×2
40×2
36×2
分支数
5×3
8×3
5×3
8×3
5×3
8×3
8×3
8×3
总槽数
540
864
510
768
600
768
960
864
同支短路槽数
420(77. 8%)
816(94. 4%)
270(52. 9%)
352(45. 8%)
240(40. 0%)
552(71. 9%)
456(47. 5%)
288(33. 3%)
同相异支短路槽数
60(11. 1%)
0(0. 0%)
90(17. 6%)
32(4. 2%)
240(40. 0%)
72(9. 4%)
24(2. 5%)
288(33. 3%)
异相短路槽数
60(11. 1%)
48(5. 6%)
150(29. 4%)
384(50. 0%)
120(20. 0%)
144(18. 8%)
480(50. 0%)
288(33. 3%)
同支短路最小匝数
1. 0
1. 0
2. 0
2. 0
1. 0
1. 0
2. 0
2. 0
此时，故障匝中短路电流很大，而相电流却没有很大的变化,若不及时切除发电机，将使定子铁芯和绕组严重损坏。而且，很多相间短路是从匝间短路开始的。因此，必须装设灵敏的定子匝间短路保护，当发生匝间短路时，立即将发电机从电网中切除，并灭磁和停机。同时，从表1中可见，三峡机组普遍存在着上下层同相的情况。同槽同相的导线最少的占总槽数的50%，最多的则达到94. 4%。从同槽同相的角度看,匝间短路保护也是必要的。对于相间短路，国内外均装设纵联差动保护装置，虽然其技术比较成熟，但为力求完善，笔者还是将其与其他保护进行了比较。
2 绕组故障分析
发电机绕组短路是一种纵不对称的故障形式,本文采用支路分解组合法来计算差动电流,提供保护装置动作的评判依据。在计算时，充分考虑了发电机匝间、相间短路时的故障部分、非故障部分，绕组结构及系统联结。同时，作了以下以下一些假设：
（1）由于匝间短路保护的死区很小，计算临界动作时取可能的最小短路匝数。作为近似的实用计算，忽略因部分线匝短路而引起发电机内部互感的变化［3］。
（2）匝数较小的匝间短路出现在中性点附近时，保护的灵敏度较低，因此将它作为计算条件。
（3）由于各机组的绕组存在明显的对称性，只对A1、A4匝间，A1、B1相间短路作了列表分析。
（4）选择故障时，考虑最轻微的故障和较严重的故障，以便分析灵敏度。
根据以上假设，建立了数学模型，形成故障仿真软件，并进行了各种形式的定子绕组故障计算和保护分析。
由于篇幅限制，并根据厂家对五分支机组的重点要求,仅列出对Ⅰ号机、Ⅲ号机计算的情况。
Ⅰ号机包括8种情况，如表2所示。A相第1、4分支匝间短路3种,A相第一分支与B相第一分支相间短路2种；
Ⅲ号机则分10种情况，如表3所示。A相第1、4分支匝间短路3种, A相第一分支与B相第一分支相间短路2种,A相第一分支与B相第四分支相间短路2种。
表2和表3中：（1）故障位置系指对中性点短路时对中性点的距离百分比； （2）短路匝差比：括号外为短路匝数,括号内表示匝比; （3）表中所有电流量都是二次值； （4）dIa为A相纵差电流,dIn为横差电流,Iap、Ibp为A、B相裂相差电流,Ia1p、Ib1p为AB相机端与第一组（1,2,3分支）CT不完全差电流，Ia2p、Ib2p为A、B相机端与第二组（4,5分支）CT不
表2 Ⅰ号机故障分析数据
Table 2 Data for analyzing the faults in gnerator No.1
故障性质
故障位置
短路匝差比
纵差电流
横差电流
裂相差电流
不完全差电流
匝 间
A1(0. 868 1)
1(0. 027 8)
dIa＝0. 000 0
dIn＝0. 639 4
Iap＝0. 639 4
Ia1p＝0. 255 8
短 路
A1(0. 840 3)
Ia2p＝0. 383 6
匝 间
A1(0. 812 5)
3(0. 083 3)
dIa＝0. 000 0
dIn＝0. 780 8
Iap＝0. 780 8
Ia1p＝0. 312 3
短 路
A1(0. 895 8)
Ia2p＝0. 468 5
匝 间
A1(0. 451 4)
7(0. 194 4)
dIa＝0. 000 0
dIn＝3. 379 2
Iap＝3. 379 2
Ia1p＝1. 351 7
短 路
A1(0. 256 9)
Ia2p＝2. 027 5
匝 间
A4(0. 868 1)
1(0. 027 8)
dIn＝0. 959 1
Iap＝0. 959 1
Ia1p＝0. 383 6
短 路
A4(0. 840 3)
dIa＝0. 000 0
Ia2p＝0. 575 5
匝 间
A4(0. 812 5)
3(0. 083 3)
dIa＝0. 000 0
dIn＝1. 171 1
Iap＝1. 171 1
Ia1p＝0. 468 5
短 路
A4(0. 895 8)
Ia2p＝0. 702 7
匝 间
A4(0. 451 4)
7(0. 194 4)
dIa＝0. 000 0
dIn＝5. 068 8
Iap＝5. 068 8
Ia1p＝2. 027 5
短 路
A4(0. 256 9)
Ia2p＝3. 041 3
Ia1p＝19. 759 0
相 间
A1(0. 881 9)
5. 5(0. 152 8)
dIn＝18. 713 7
Iap＝7. 305 7
Ia2p＝12. 453 3
短 路
B1(0. 729 2)
dIa＝16. 836
Ibp＝26. 019 4
Ib1p＝27. 244 5
Ib2p＝1. 225 1
Ia1p＝16. 534 1
相 间
A1(0. 381 9)
5. 5(0. 152 8)
dIa＝10. 858 0
dIn＝2. 589 1
Iap＝14. 190 2
Ia2p＝2. 343 9
短 路
B1(0. 229 2)
Ibp＝16. 779 3
Ib1p＝17. 569 7
Ib2p＝0. 790 4
表3 Ⅲ号机故障分析数据
Table 3 Data for analyzing the faults in generator No.3
故障性质
故障位置
短路匝差比
纵差电流
横差电流
裂相差电流
不完全差电流
匝 间
A1(0. 830 9)
2(0. 058 8)
dIa＝0. 000 0
dIn＝0. 546 6
Iap＝0. 546 6
Ia1p＝0. 218 6
短 路
A1(0. 772 1)
Ia2p＝0. 327 9
匝 间
A1(0. 742 6)
＋4(0. 117 6)
dIa＝0. 000 0
dIn＝1. 696 4
Iap＝1. 696 4
Ia1p＝0. 678 6
短 路
A1(0. 860 3)
Ia2p＝1. 017 8
匝 间
A1(0. 125 0)
12(0. 352 7)
dIa＝0. 000 0
dIn＝10. 544 8
Iap＝10. 544 8
Ia1p＝4. 217 9
短 路
A1(0. 477 9)
Ia2p＝6. 326 9
匝 间
A4(0. 830 9)
2(0. 058 8)
dIa＝0. 000 0
dIn＝0. 819 9
Iap＝0. 819 9
Ia1p＝0. 327 9
短 路
A4(0. 772 1)
Ia2p＝0. 491 9
匝 间
A4(0. 742 6)
4(0. 117 6)
dIa＝0. 000 0
dIn＝2. 544 6
Iap＝2. 544 6
Ia1p＝1. 017 8
短 路
A4(0. 860 3)
Ia2p＝1. 526 8
匝 间
A4(0. 125 0)
12(0. 352 9)
dIa＝0. 000 0
dIn＝15. 817 2
Iap＝15. 817 2
Ia1p＝6. 326 9
短 路
A4(0. 477 9)
Ia2p＝9. 490 3
Ia1p＝29. 817 3
相 间
A1(0. 301 5)
23. 5(0. 691 2)
dIa＝29. 787 9
dIn＝45. 731 7
Iap＝0. 181 6
Ia2p＝29. 744 2
短 路
B1(0. 992 6)
Ibp＝45. 808 6
Ib1p＝48. 109 8
Ib2p＝2. 305 1
Ia1p＝21. 814 8
相 间
A1(0. 198 5)
10. 5(0. 308 8)
dIa＝16. 450 0
dIn＝11. 884 0
Iap＝13. 412 1
Ia2p＝8. 402 7
短 路
B1(0. 507 4)
Ibp＝25. 296 0
Ib1p＝26. 568 4
Ib2p＝1. 272 3
Ia1p＝19. 119 6
相 间
A1(0. 801 5)
10. 5(0. 308 8)
dIa＝23. 394 1
dIn＝46. 660 1
Iap＝10. 686 1
Ia2p＝29. 808 5
短 路
B4(0. 492 6)
Ibp＝35. 974 0
Ib1p＝37. 783 7
Ib2p＝1. 809 7
Ia1p＝14. 557 7
相 间
A1(0. 698 5)
23. 5(0. 691 2)
dIa＝20. 361 3
dIn＝45. 819 3
Iap＝14. 509 0
Ia2p＝29. 066 7
短 路
B4(0. 007 4)
Ibp＝31. 310 3
Ib1p＝32. 885 4
Ib2p＝1. 575 1
完全差电流; （5）理论上，I号机A相一分支和B相四分支没有短路的可能性，因此仅列出A1、B1短路的情况。
3 保护配置分析
分析表2和表3可知，在可能的各项常规保护中， 笔者建议尽可能考虑纵差保护、横差保护和裂相三种保护的配合,不完全差动保护没有明显的优势（尤其是对匝间短路）,而裂相保护和横差保护在各种匝间短路情况下均能获得较高的灵敏度。
(1)传统的纵差保护对匝间短路没有多大作用，只能作为相间短路的主保护。而且相间短路时非故障相决不会动作，其动作电流都接近于零，所以三峡机组必须要有另一套主保护。
近年来,可变比率制动式差动保护方案和所谓标积制动式差动保护方案得到广泛应用。前者虽然在外部故障时制动特性得到改善,但却降低了某些内部短路情况下的灵敏度；后者在外部短路时有较强的制动作用,但当内部两相发生相间小匝数短路时,制动作用的方向性仍值得研究。文献［1］指出，由于标积制动量为乘积关系,故而制动量特别大,甚至可能会大于差动量,导致保护无法正确动作。因此无论选择哪种差动保护,对发电机保护来说,在提高灵敏度的同时,必须十分注意可靠性,不致发生误动。
(2)横差保护可作为三峡大型发电机内部故障的第一灵敏主保护。对于发电机内部相间短路和匝间短路，均能可靠动作。
从原理上看,这种保护是利用匝间短路时，在分支绕组之间的两个中性点连接线上流过的零序电流来实现的，故保护装置只需在两个中性连接线上装一个电流互感器。由于不会因电流互感器的特性不同而产生不平衡电流，所以其动作电流较小,灵敏度较高。另外，对于发电机内部短路的同一故障，减小电流互感器变比，增大二次短路电流，灵敏度会进一步提高。不过，变比的减小势必会增大流入保护继电器在外部短路时的不平衡电流（二次值）,从而必须相应提高保护的动作电流。当然，由于发电机内部短路时,中性点连线上的短路电流也会因电动力或发热而破坏CT,因此为了取得高灵敏度,各机组在选择保护以前,有必要分析横差保护不平衡电流的成因并测定其谐波成分,最终提出减小不平衡电流的技术措施,以达到降低保护整定值和提高保护灵敏度的目的。
从表2中可以看出，对匝间短路，当取整定值Iset＝0. 2In＝1A时，横差保护的理论死区低于4匝，占11. 1%。实际的保护死区与装置水平有关，也与CT一致性、发电机绕组一致性（即不平衡电流）有关,要达到理论死区有一定难度，但至少要能有效地滤除三次谐波。这是因为,当发电机因电势波形畸变出现三次谐波电势E3时,由于三相同相位,若任一支路的E3与其他支路不相等,就会在中性点连线上出现三次谐波环流,并由互感器反应到保护中去。因此,必须在变流器的二次侧滤除三次谐波分量,减小由于三次谐波引起的不平衡电流。
横差保护最大的优点是它能满足发电机相间短路保护的技术要求。可以认为，当发生相间短路时,发电机的等效电抗并未显著改变,相位关系也未发生明显变化,只有故障分支电势的大小受到较大影响，此时，横差保护有很高的灵敏度。很明显，对比表2和表3中相间短路的故障位置可发现，即使是轻微情况,也能引起故障分支电势出现很大变化,导致大的横差电流。因此，取Iset＝0. 2In＝1A时，几乎没有理论死区。
(3)裂相保护可作为多分支分布中性点接线的三峡机组内部短路时的另一重主保护，而且灵敏度很高。
以a相为例， a1、a2、a3分支并联作为裂相保护的一侧，a4、a5并联作为另一侧。为保证正常运行和外部故障时流入二次侧继电器的差电流为零（理论值）。a1、a2、a3的变比应选(In/5×5A) 1/3＝In/15×5A, a4、 a5的变比应选 (In/5×5A) 1/2＝In/10×5A ,当发电机正常工作或外部短路时,继电器两侧的制动电流相等,而差动电流为零,从而保证了可靠工作。取Iset＝0. 2In＝1A时，理论死区低于4匝，占11. 1%。由于同样的原因，裂相保护对相间短路的灵敏度也是非常高的。
裂相保护作为第二重主保护，不仅能保证在极端情况下横差拒动时可靠的后备功能，而且，它和横差保护一起，能对定子绕组开焊起到一定的保护作用，尤其是横差保护，当负荷不太小时，一定能可靠动作，这一点已为多数运行实践所证实［2］。
(4)不完全纵差保护没有明显的优势，对某些内部故障可能拒动。
表2、表3的理论分析表明,在同一匝间短路情况下,不完全差动保护的差动电流较小,其灵敏度低于横差与裂相保护。如Ⅰ、Ⅲ号机A相第1、4分支发生匝间短路时, 该保护均不动作。取整定值为Iset＝
0. 2In＝1A时，该保护的理论死区为：第一组（1、2、3分支）低于7匝,占19. 4%，第二组（4、5分支）低于5匝,占13. 9%。由于装置水平、CT及发电机绕组一致性的关系，实际的保护死区还将扩大。为提高匝间短路的灵敏度,建议不完全差动应采用机端CT与第二组中性点CT（4、5分支）构成差动回路。由于各机组每相分支数均为5或8,不完全差动在每相中性点侧[1] [2] 下一页
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