李唯佳 郭建辉
青海省三江水电开发股份有限公司 810000；
摘要：本文把传统的设计方案和定量化设计方案进行对比，说明不能随意套搬水轮发电机主保护配置方案，其中每相的分枝干数、容量情况以及机组类型只能作为简单的参考项。因为100MW-300MW水轮发电机绕阻设计具有较高的灵活性，所以导致故障存在的一定的差异，应该根据短路的计算结果来对配置方案进行优化。
关键词：水轮发电机；保护；配置方案
引言：我国的水电建设工程进入一个新的发展阶段，机组逐渐超大型化符合时代发展的要求。目前在国内最常见的就是100MW-300MW水轮发电，如果它们内部的保护配置装置不能正常运转，将造成严重后果。应该不断优化设计方案，明确主保护的性能，贯彻“相互促进、综合应用”的原则，利用定量分析操作确定方案。
一、100MW-300MW水轮发电机绕阻设计的灵活性
从设计的角度进行探析，100MW-300MW水轮发电机的分支数为1～5，它的绕线设计模式灵活多变，主要有四种情况，即分数槽，波绕组、分数槽，叠绕组、整数槽，波绕组、整数槽，叠绕组。因为100MW-300MW水轮发电机绕组设计的具有灵活性的特点，所以产生的故障各具特点，即使容量相同、类型相近也会存在一定的区别。例如，在发电机天生桥二级端部故障数为6468，短路匝比低于5%的有30个，在5%～10%之间的有51个，大于10%的有594个，同相不同分支匝间短路故障数为1242次；瓦屋山端部故障数为3024，短路匝比低于5%的有162个，在5%～10%之间有162个，大于10%的有162个，同相不同分支匝间短路故障数为135次；平班端部故障数为2263，短路匝比低于5%的有245个，在5%～10%之间的有0个，大于10%的有0个，同相不同分支匝间短路故障数为3次；百色端部故障数为9504，短路匝比低于5%的有18个，在5%～10%之间的有18个，大于10%的有837个，同相不同分支匝间短路故障数为6696次。通过短路匝比可知，四者之间存在较大的差异。
二、保障100MW-300MW水轮发电机主保护配置方案的多样性
因为具有灵活性的特点，所以不能直接应用100MW-300MW水轮发电机的传统设计方案。所以应该根据具体情况进行设计如图所示：
图 1 100MW-300MW水轮发电机的传统设计方案
（一）天生桥二级、百色以及瓦屋山发电机
对天生桥二级、百色以及瓦屋山这三台发电机进行优化设计时，应该在传统的设计中进行适当地改进，避免发生盲目设计的情况，应该进行定量设计，为它们三个设置对应的保护方案。
第一，天生桥二级和百色。在天生桥二级发电机发生同槽故障时，几种主保护均不动作的次数为1，只有一种主保护动作的次数为6，两种及以上主保护动作的次数为317；在天生桥二级发电机发生同槽故障时，几种主保护均不动作的次数为0，只有一种主保护动作的次数为4，两种及以上主保护动作的次数为428。在百色发电机中内部短路时分支匝间短路的发生几率较小，所以在设计保护配置方案时不需要过高的难度，利用零序横差保护和不完全纵向保护能够很好地解决短路的问题，确保内部能够优势互补[1]。
零序横差保护在多分支的定子绕组中发挥重要的作用。它的设备结构简单，功能性能较为全面。它进行保护判断的依据为Id≥Iset，其中Iset不能与中性点的最大不平衡电流进行直接接触。在发电机在正常状态下运转时，中性位置产生不平衡电流的根本原因在于：定子同向不同分支的绕线所包含的参数存在一定的差异、发电机内部定子的磁场分布不均匀。为了进一步优化零序横差保护的质量，应该提升三次谐波的滤过比，此外还需要调剂CT变比，使其适当地降低。在调节时还需要对饱和的因素进行探究。不完全纵向保护主要指把发电机中性点侧的互感器焊接在分支绕组中。充分利用不平衡电流，形成不完全的保护，从而直观反应短路的故障。以《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》为基础，把每一项的并联分支设为α，支路数为N，N的范围为1～α/2，敏感度会随着N的增加而下降。在明确N之后，要从α个并联分支中选取最合适的，不同组合的敏感度存在一定的差异。
第二，瓦屋山。在瓦屋山发电机发生同槽故障时，几种主保护均不动作的次数为0，只有一种主保护动作的次数为257，两种及以上主保护动作的次数为2767。在瓦屋山发电机的内部短路时分支匝间短路的发生几率较大，在对横差保护进行探究时应该着重考虑裂相的横差保护。把横向裂变和完全纵差进行有效结合，通过横纵的有效配合能够起到良好的保护作用，不需要在配置新的电流互感器，裂相横差舍弃的分支与纵差保护中性点接入的分支一致，两者能够进行优势互补，调高保护配置方案的应用效果。裂相横差保护能够反应同相和异相匝间的短路，此外还能反应发电机压力负荷过大时绕组故障，所以说它能够对绕组内部的所有故障进行维护[2]。
（二）平板发电机
在平板发电机中它内部匝比的百分比较小，不完全纵差保护和横差保护都无法发挥有效的作用，把平板发电机的定性和定量方案进行对比可知。当发生2263种同槽故障时应用定性设计方案，几种主保护均不动作的次数为245，只有一种主保护动作的次数为554，两种及以上主保护动作的次数为1464；当发生420种同槽故障时应用定量设计方案，几种主保护均不动作的次数为93，只有一种主保护动作的次数为182，两种及以上主保护动作的次数为1988。通过对比可知定量化比定性化对多了376中内故障，占据总体的14%左右。针对这个情况可以优先选择裂相横差进行保护,对匝间短路问题进行帮助。
结论：综上所述，100MW-300MW水轮发电机绕组设计具有较高的灵活性，导致发生的故障具有多种可能性，采用之前的保护装置设计可能会产生事倍功半的效果，所以应该具体问题具体分析，要对短路问题进行精准地计算，进行定量化设计的模式，提出最佳的100MW-300MW水轮发电机主保护配置方案，保障其正常运转。
参考文献：
[1]牛利涛，吴易洋，赵元卜等.水轮发电机组空载状态下非线性运动特性分析[J].水电能源科学，2020,38(11):149-151+76.
[2]朱建华，赵启，冯斌，等.水轮发电机手动控制模式下最小励磁电流计算方法[J].水电能源科学，2020,38(11):152-155.