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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：技术论文 点击数： 更新时间：2008-10-13 8:57:33  |
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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)
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