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研究背景
随着特高压电网快速发展和电网运行的需要，国家电网公司将在“十三五”期间配套建设45台大型调相机组（容量为300 Mvar）。其中，采用双水内冷方式的调相机定子48槽，每相2分支；采用空冷方式的调相机定子72槽，每相3分支。
由于受大型汽轮发电机中性点侧引出方式的限制，只能在发电机机端和中性点侧装设相电流互感器及完全纵差保护（能够灵敏反应相间短路），而近年来由于分支开焊和匝间短路故障已造成多台600 MW汽轮发电机严重烧损，因此必须重视大型调相机和汽轮发电机定子绕组匝间短路和分支开焊故障的保护问题。
基于“多回路分析法”的发电机主保护定量化及优化设计方法在水电领域得到了推广应用，已对国内外110多座大中型水电站和抽水蓄能电站的发电机组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，为大型发电机主保护配置方案的科学制定开辟了新途径。
本文针对大型调相机的定子绕组形式和故障特点，并结合以往工程运行实践，对其内部故障特征及现有主保护配置方案（完全纵差 纵向零序电压保护）的性能进行研究，明确其不足之处并提出改进措施，为后续工程提供借鉴。
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双水内冷/空冷调相机定子绕组内部故障特点的分析
通过对双水内冷和空冷调相机定子绕组连接图的分析（任两线棒在槽内或端部交叉就认为存在同槽故障或端部交叉故障的可能），300 Mvar双水内冷调相机（每相2分支）和空冷调相机（每相3分支）实际可能发生的内部短路如表1所示。
表1 双水内冷/空冷调相机可能内部故障统计
从表1可以看出，大型调相机同槽和端部交叉故障中均存在匝间短路，若无相应的保护或保护性能不完善将严重威胁大型调相机和电网的运行安全。
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大型调相机主保护配置传统方案及纵向零序电压保护性能分析
如图1所示，现阶段大型调相机中性点侧只引出3个端子，只能装设相电流互感器（TA），如果仅配置完全纵差保护，由于其不反应匝间短路和分支开焊故障，所以对于双水内冷调相机（a=2，a为每相分支数）实际可能发生的909种内部短路故障，保护死区高达19.8%；对于空冷调相机（a=3）实际可能发生的2 106种内部短路故障，保护死区高达22.2%。
图1 基于传统电磁型TA的大型调相机主保护配置方案
通过增设图1所示全绝缘的专用电压互感器（其一次绕组中性点与发电机中性点通过电缆连接），并装设纵向零序电压保护（反应发电机机端三相对中性点电压的不平衡），其不能动作的故障类型既有部分匝间短路，也有部分相间短路，还不能灵敏反应最近几年频繁发生的分支开焊故障。
运用“多回路分析法”，对双水内冷调相机并网空载运行方式下909种同槽和端部交叉短路故障进行了仿真计算，求出各相电压的大小和相位以及纵向3U0的大小，并对纵向3U0（二次值）的分布范围进行分析（如表2所示），进一步明确其不能动作的故障类型（除了上述分支开焊故障，还包括部分匝间和相间短路），为该保护定值的整定和大型调相机保护性能的完善奠定基础。
表2 双水内冷调相机909种内部故障时纵向3U0的大小及分布情况
运用兼顾区外故障时的防误动，纵向3U0保护的动作定值一般整定为3 V（二次值），则对表2中3U0保护不能动作的故障类型（对应二次值在0~4.5 V之间）进一步分析如图2所示。
图2 纵向零序电压保护不能动作故障类型
综上所述，纵向零序电压保护不能动作的故障类型除了小匝数同相同分支匝间短路（短路匝数为1匝，对应的短路匝比为12.5%）和相同（或相近）电位点的同相不同分支匝间短路外，绝大部分为不同相但同编号分支间发生的相间短路或不同相且异编号分支间发生的相间短路，两短路点距中性点位置相同或相差1至2匝。
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大型调相机主保护优化设计研究
已有的研究工作表明，大型调相机新型中性点引出方式仍涉及中性点侧电路或水路的重新布置，为减轻电机设计制造难度，如图3所示，在调相机每相2个分支上装设柔性光学电流互感器（已得到工程实践的检验/见图4），通过增设完全裂相横差保护（a=2）或不完全裂相横差保护（a=3）来实现匝间故障保护，其保护性能已在水电领域得到验证，并且大型调相机不存在小短路匝比（短路匝数/每分支线圈数<5%）的匝间短路，因为它每分支只有8个线圈，即使短路1匝，对应的短路匝比已达12.5%。
基于光学互感器的裂相横差保护将具有优异的动作性能——对于双水内冷调相机，图3(a)所示主保护配置方案没有保护死区；对于空冷调相机，图3(b)所示主保护配置方案不能动作故障只有12种机端附近的同相不同分支匝间短路。
图3 基于光学分支TA的大型调相机主保护配置方案
光学分支电流互感器的二次光缆随发电机测温元件的二次电缆引出至发电机外（已得到电机制造厂家的认可），其装设对发电机设计制造影响小。
为积累运行经验，图3中基于光学分支电流互感器的完全裂相横差或不完全裂相横差保护可在调相机投运初期动作于报警，基于传统电磁型电流互感器的完全纵差保护则动作于跳闸。
图4 柔性光学电流互感器用于发电机保护实例
柔性光学电流互感器温度漂移和振动敏感性问题的解决，为其在发电机上的应用奠定了坚实的基础；基于柔性光学电流互感器的发电机差动保护已在沙河抽蓄电站（50 MW/2013年）、谏壁火电厂（300 MW/2015年）和观音岩水电站（600 MW/2015年）投运，运行情况良好，经历了区外故障的考验。
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结语
1）大型调相机（300 Mvar）存在匝间短路的可能，不装设匝间短路保护将给发电机和电网的安全运行带来严重隐患。
2）通过对不同冷却方式调相机实际可能发生内部故障的仿真分析，明确现有主保护配置方案（完全纵差 纵向零序电压保护）存在较大的保护死区，并进一步确认纵向零序电压保护不能动作的故障类型。
3）基于柔性光学电流互感器的裂相横差保护将彻底改变大型调相机和汽轮发电机无完善定子绕组匝间故障保护的现状，且对发电机设计制造影响小，建议先在小型空冷汽轮发电机（譬如垃圾焚烧发电机）上投入应用。
原文发表在《电力系统自动化》2019年第43卷第8期，欢迎品读！
引文信息
桂林, 李岩军, 詹荣荣, 等. 大型调相机内部故障特征及纵向零序电压保护性能分析 [J]. 电力系统自动化, 2019, 43(8): 145-149. DOI: 10.7500/ AEPS20181006001.
GUI Lin, LI Yanjun, ZHAN Rongrong, et al. Analysis of Internal Fault Characteristics and Longitudinal Zero-sequence Overvoltage Protection Performance of Large-scale Condenser [J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(8): 145-149. DOI: 10.7500/ AEPS20181006001.
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