郭建辉 李唯佳
三江水电开发股份有限公司 青海省西宁市810000
摘要：主保护配置方案的有效设计，是提升水轮发电机运行稳定性的重要前提。本文就水轮发电机主保护的配置方案设计展开论述，提出了横差保护、纵差保护、联合保护等水轮发电机主保护的不同配置方案，并以此分析了定量化设计步骤以及最终方案确定的配置方案设计与选择途径，以期推进水轮发电机的有效保护。
关键词：水轮发电机；主保护；配置方案
引言：作为水库发电系统的主要设备之一，水轮发电机运行的稳定性直接关系着电力系统整体供电能力的持续性与可靠性。但在实际的运行过程中水轮发电机不可避免的会由于短路等因素而造成相应的运行故障，进而影响整个电力系统的平稳运行。为此，要就实际情况对于水轮发电机的主保护做以合理的设计与选择。
1.水轮发电机主保护配置方案
1.1横差保护
横差保护方案一般分为零序电流型横差保护以及裂项横差保护，在应用的过程中，需要通过仿真模拟实验，利用相关的数据对于两种保护方案做以分析。
1.1.1零序电流型横差保护
在多分支的定子绕组结构中，零序电流型横差保护具有较大的应用价值，并且零序电流型横差保护措施是一种在水轮发电机主保护中应用较为广泛的配置措施，尤其对于匝间短路保护，其灵敏度较强。例如：在SF600-42/1308型水轮发电机中，此为一种存在六个并联支路的发电机，可以引出每相的1、2、3分支，并将其连接在一起，使之共同组成一个中性点o1；之后引出每相的4、5、6分支，依照上述方法形成一个中性点o2。在完成中性点设置后，可以在o1与o2中性点之间安置一个电流互感器TAO，进而共同组成一个零序电流型横差保护系统。依照此方法，也可以通过两两分支相连，组成三个中性点，再在相邻两个中性点之间设置两个电流互感器，进而形成两套电路型横差保护系统[1]。
1.1.2裂相横差保护
裂项横差保护方案作用于对发电机同相两部分间电流平衡性的度量。一纵一横的模式，是发电机内部短路主保护的基本设计要求，并且在机外只引出一个中性点的措施与零序电流型横差保护方案不相匹配。裂相横差保护在应用中分为完全裂相横差保护与以及不完全裂相横差保护，以此反应发电机内部故障的匝间短路情况。完全裂相横差保护是直接将发电机中性点侧的并联分支分为两组；不完全裂相横差保护是剔除某部分分支后，将剩余绕组分为两组。例如：依据上述的SF600-42/1308型水轮发电机，可以将其1、2、3分支以及4、5、6分支分别连在一起引出，并分别安装电流互感器，这两个互感器之间就形成了一种完全裂相横差保护关系。不完全裂相横差保护就是把1、2分支以及4、5分支分别引出连在一起，进而通过分别安装电流互感器，形成的一种主保护方案。
通过实验以及数据分析，零序横差以及裂相横差两种方式具有一定的互补性，裂相横差中完全裂相横差的保护灵敏度高于不完全裂相横差，需要以及实际情况进行设计方案的选择。
1.2纵差保护
1.2.1不完全纵差保护
不完全纵差保护是通过在中性点侧的某相中部的并联分支绕组中连接电流互感器，并与机器端侧的互感器共同运作，进而形成的一种保护系统。需要在其应用前计算内部故障的灵敏度，综合考量不完全纵差保护对于匝间短路的应用优势，以此来确定不完全纵差保护的选择。例如：将1、2、3分支以及4、5、6分支分别引出，形成中性点，安装互感器，并在机器两侧分别安装互感器，上述互感器共同组成了一个不完全纵差保护。
1.2.2完全纵差保护
完全纵差保护由中性点侧某项分支绕组接入的互感器与机端两侧的互感器共同组成，可以对于绕组间短路情况进行完全的反应，但不能反应定子绕组同相同分支、同相异分支以及定子绕组分支开焊故障。在实际应用中双不完全纵差保护可以实现对于异相短路故障的反应，但在相间故障中，单套的不完全纵差保护具有较高的灵敏度。
1.3联合保护
由于上述保护措施的局限性，在实际的使用过程中，可以考虑应用各种保护方案的优势，构建一个联合保护的系统，进而充分发挥不同保护方案的优势，形成横差与纵差的综合运作，发挥其协同优势。例如：在三种中性点的组合中，可以应用1、2分支以及4、3分支分别引出中性点的组合方式，以此提升检测的灵敏度。在异相保护机制中，联合保护模式具有较好的灵敏度，以此提升保护的组合的覆盖面。例如：在两种横向保护不能反应故障时，可以加入一套纵向保护来提升保护效果。
2.水轮发电机主保护配置设计的优化途径
2.1主保护的定量化设计
依据相应的保护措施，在就实际情况进行主保护配置设计的过程中，需要对于主保护执行定量化的设计，其操作步骤一般为：（1）确定横差保护类型，零序电流型横差保护措施要作为优先的设计方案，发电机中性点侧定子绕组的引出方式以及中性点个数的确定，要以横差保护的选型作为依据，以此明确保护类型；（2）发电机端部引出线相间短路以及定子绕组故障中，还要考虑纵差保护方案，将不完全纵差保护作为优先考虑因素，初步形成保护框架；（3）结合中性点侧互感器的个数、安装位置，以及已有主保护的缺点以及性质，完成性能分析以及主保护选择，；（4）分析与对比所有可行性保护方案，进行确定最终的主保护方案，此方案最好能反应个保护措施应用的综合性；（5）按照仿真短路电流的测试数据以及确定的主保护配置方案，完善保护用电流互感器的数量的计算，并在电流互感器的型号以及安装位置等方面完善相应的配置方案设计[2]。
2.2主保护的设计方案确定
通过对于水轮发电机各主保护方案的对比，以保护动作故障数、无主保护动作故障数、双重化保护动作故障数以及相应的拒动信息，形成不同方案动作性能的相关指标，进而从不同的指标中，确定主保护配置方案的相应指标，进行形成综合性的主保护配置方案选择。
在方案选择的过程中，其主保护配置方案一般要具有以下几方面的优势：（1）可以便捷的引出中性点侧各分支；（2）方案在执行内部短路保护的过程中，操作具有一定的便捷性；（3）尽量使需要使用的电流互感器的数量最小化，即降低中性点需要安装的电流互感器数量；（4）最大程度的避免主保护中不可动作故障的出现，提升方案的可行性；（5）尽量在方案中提升双重化动作的故障，保证方案在执行过程中的可操作性；（6）故障的总量中最大程度的降低内部短路保护死区的存在可能。
通过上述要点的有效执行，可以提升最终方案选择的有效性，完善水轮发电机主保护的良性运作。
结论：综上所述，为保证水轮发电机的有效运行，需要就其作业中的实际情况进行主保护方案的有效设计与配置，通过对于相关主保护方案的研究，并应用科学的设计途径，进而确定水轮发电机主保护的合理性方案，以此提升水轮发电机运行的稳定性，推进实际应用过程中发电系统的安全运行与有效供电。
参考文献：
[1]李雄辉.水利工程泵站电动机主保护配置研究[J].内蒙古水利,2019,(05):75-76.
[2]孙志久,干建丽.滩坑水电站发电机主保护定量化及优化设计研究[J].水电与抽水蓄能,2018,4(01):80-84.
姓名：郭建辉（1989.11.23）；性别：男，籍贯：青海西宁人，学历：本科，毕业于天津城市职业学院；现有职称：助理工程师；研究方向：工程技术；