劉海峰，徐浩

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

一例水電機組跳機事故引起的橫差保護應用分析

劉海峰，徐浩

(國網湖南省電力公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

介紹了湖南某水電廠6號機組跳機事故的發(fā)生過程及原因，并基于保護動作情況，進一步探討了該機組配備的2種橫差保護的動作特性和缺陷。通過對橫差不平衡電流與發(fā)電機機端電流的相關性分析和現(xiàn)場試驗結果，給出了橫差保護的比率制動特性整定方法。

水電機組；橫差保護；比率制動特性；外部故障

發(fā)電機的安全運行對保證電力系統(tǒng)的正常工作和電能質量具有決定性作用〔1－3〕，同時大型發(fā)電機本身十分貴重，因此，應該針對各類故障和不正常運行狀態(tài)對其裝設功能完善的保護設備〔4－5〕。橫差保護是發(fā)電機定子繞組匝間短路(同分支匝間短路及同相不同分支之間的匝間短路)、線棒開焊的主保護，已獲得了廣泛的應用〔6－7〕。橫差保護適用于定子繞組分支多、中性點引出端子多于一個的發(fā)電機，其保護功能是通過測量中性點連接線電流來實現(xiàn)的，在中性點連接線的電流超過整定值時保護出口動作〔8〕。由于只需裝配一個電流互感器于中性點連接線上，不存在因電流互感器特性不同而產生的不平衡電流，因此橫差保護動作電流小、靈敏度高，習慣上也被稱為高靈敏度單元件橫差保護。

從原理上分，橫差保護主要包括傳統(tǒng)的橫差過流保護和具有比率制動特性的橫差保護。其中，前者整定值較高，具有較好的躲外部故障的能力，但靈敏度低；后者借用縱差保護的思想，引入機端相電流制動，獲得了較高的靈敏度，但因啟動電流較小而容易受到外部故障的影響。本文基于湖南某水電廠6號機組的一次跳機事故，對2種橫差保護的性能機理作對比分析。

1 事故過程及分析

1.1 事故概況

該水電廠6號機組于20世紀70年代完成安裝并投入運行。事故發(fā)生前系統(tǒng)運行方式如圖1所示，圖中實心矩形表示開關在合位，空心矩形表示開關在分位。由該圖可知，事故發(fā)生前，6號機組(有功功率為74.42 MW；無功功率為3.04 Mvar)和2號機組處運行狀態(tài)，其中6號機組的功率分別通過C線路和聯(lián)絡變向110 kV及220 kV系統(tǒng)送電；5號機組處于停運狀態(tài)。此外，110 kV C線路運行，另外1條出線處于熱備狀態(tài)，故障期間當?shù)赜欣子甏箫L。

圖1 事故相關系統(tǒng)結構圖

1.2 事故分析

6號機組配置了橫差保護和完全縱差保護，可有效應對各種匝間短路、線棒開焊、相間短路及多點接地等故障。而由于中性點分支繞組上未安裝單獨TA，該繞組無法實現(xiàn)不完全縱差及裂相橫差保護，因此繞組匝間故障主要由單元件橫差保護處理。發(fā)電機中性點連接線之間裝有1臺TA，在發(fā)電機正常運行時反應中性點連接線上的不平衡電流。發(fā)電機保護TA示意圖見圖2。

圖2 發(fā)電機保護TA示意圖

事故發(fā)生時發(fā)電機保護裝置的故障錄波如圖3所示。

圖3 發(fā)電機保護裝置故障錄波圖

以圖示左邊時標線(時間為8.33 ms)為相對零點，圖示右邊時標線時刻為33.33 ms，此時故障尚未發(fā)生，機組中性點連接線流過的量值為1.419 A的不平衡差流。隨后，電壓、電流波形出現(xiàn)了明顯的波動，機端電壓略有減小，機端和中性點A，C相電流變大，B相電流變小，同時橫差電流逐漸變大。至78.33 ms時，三相電流分別達到4.16 A，2.4 A，4.47 A；橫差電流達到2.34 A，滿足保護動作條件致保護出口跳閘，42 ms后，開關跳開。

事故發(fā)生后，通過對水輪機組一二次設備的試驗檢查確認機組本身沒有故障，通過對線路故障錄波數(shù)據和對側變電站進行檢查，確認在110 kV C線路對側變電站35 kV側發(fā)生了相間短路故障，由于線路長度僅為1.7 km，三相不平衡電流流過6號機組，導致橫差電流超過保護動作值而動作。

2 橫差保護原理的對比分析

2.1 原理簡介

6號機組配置了兩種橫差保護，分別是橫差過流保護和具有比率制動特性的橫差保護，二者的保護原理分別如式(1)，(2)所示:

式中Iset為動作電流整定值；Iop為橫差電流；Iop.0為橫差最小動作電流整定值；Ires為制動電流，取機端三相電流的最大值；Ires.0為最小制動電流整定值；S為可靠系數(shù)一般取1.2即可。為論述方便，將2種保護原理分別另稱為原理1和原理2。圖4給出了這2種保護原理的動作特性示意曲線，其中，M1對應原理1，M2對應原理2，斜率為k，曲線上方為動作區(qū)。

圖4 2種保護原理的動作特性曲線圖

該廠實際采用的是原理2具有比率制動特性的橫差保護，發(fā)電機額定電流為3 690 A，發(fā)電機出口互感器變比5 000/5，橫差互感器變比為1 000/ 5，定值整定為Iop.0＝2.25 A，Ires.0＝4.2 A，S＝0.5。

2.2 橫差過流保護

發(fā)電機橫差不平衡電流主要由機組機械結構、電磁結構和氣隙的不對性、擺度超標、磁極制造原因造成的形狀不完全一致以及機組運行中的磁場畸變等因素造成。盡管水輪發(fā)電機在設計制造時采取了多種措施來保證各支路在電氣結構上的對稱性，如將繞組設計成由多個繞組并聯(lián)構成且分布均勻、將磁極等電磁部件設計成一致、在機組安裝時要保證定子/轉子圓度及定轉子氣隙偏差在合理范圍等，然而實際制造、安裝等過程中不可能做到完全對稱，因此發(fā)電機并聯(lián)支路中會有環(huán)流產生。此外，機組在帶負荷后或者故障情況下氣隙磁場會發(fā)生不同程度的畸變，這種磁場畸變與機械結構不對稱相結合，將對橫差電流幅值產生較大的影響。

相對而言，原理1較簡單，但由于橫差不平衡電流的影響因素復雜多樣、精確量化近乎不可能〔9〕。根據文獻〔10〕DL/T684—2012《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則》規(guī)定，原理1的動作電流有2種整定方法，一種是按躲過發(fā)電機外部不對稱短路故障或發(fā)電機轉子偏心產生的最大不平衡電流整定，由于難以通過短路試驗的方法進行不平衡電流的測量，所以一般取經驗公式，如式(3)所示:

式中Ign為發(fā)電機的額定電流；na為橫差電流互感器變比。另一種整定方法需對由短路試驗測得的基波和三次諧波不平衡電流進行線性外推估算〔11〕，如下式所示:

式中Iunb.1.max和Iunb.3.max分別為由發(fā)電機常規(guī)短路試驗時的實測基波和3次諧波不平衡電流Iunb.1和Iunb.3的線性外推估算值；k3為三次諧波濾過比；Kap為非周系數(shù)，取1.5～2.0；Krel為可靠系數(shù)，取1.3～1.5。

式(3)和(4)的整定值都較高。若該電廠6號機組采用式(3)的整定方法，則整定值為3.69～5.535 A，在此次整個事故過程中橫差電流都未越過該限定值，由此證明了原理1的躲過外部故障能力強。

2.3 比率制動特性的橫差保護

原理2的動作曲線由兩段構成:在相電流小于最小制動電流時，為無制動特性的過流保護；在相電流超過最小制動電流時，制動量隨相電流線性變化，以期躲過發(fā)電機外部短路故障。理論上來講，原理2正確動作的前提是橫差電流隨機端電流成線性變化。那么，其動作門檻值躲過正常運行時的最大不平衡電流即可，原理2可有效兼顧選擇性和靈敏性，獲得比原理1更好的保護性能。目前普遍認為橫差不平衡電流產生與機端電流或短路電流的關系是橫差電流與機端電流成線性關系〔6－7〕，該觀點由對若干機組的相關仿真結果歸納而來。

同時，借此次故障檢查契機，對6號機組在不同負荷工況下的機端電流與橫差電流進行了實際測試，并將本次故障時的實際值也做了線性度計算。如表1和圖5所示。

表1 橫差電流隨機端電流變化試驗結果

圖5 橫差電流與機端電流比值圖

最后一個點為本次故障的數(shù)據。試驗結果表明該機組橫差電流隨機端電流的增大而增大，從工程角度近似認為成線性關系。

基于二者基本成線性關系的前提，對于比率制動特性的橫差保護，最小動作電流Iop.0整定值需躲過正常運行時最大不平衡電流，正常運行過程時靠該定值躲過最大不平衡電流。當區(qū)外故障時，動作電流超過機端額定電流，進入制動區(qū)，通過制動特性來防止保護誤動，Ires.0可取機端額定電流，由此來獲得比較高的靈敏度。按此分析對于本臺機組，取Ires.0為3.7 A，可靠系數(shù)取廠家推薦值1.2，橫差電流與機端電流的比例取0.5，最小動作電流Iop.0取正常運行時橫差最大不平衡電流的m倍，即1.78 m。那么保護不誤動的條件是

根據本次故障時機端電流4.37 A來校核，可得m＞1.1，考慮其可靠性，可以取1.3～1.5。

從橫差電流產生的原因來分析，橫差電流由不同分支繞組的內電動勢不平衡程度和內阻抗決定，并與前者其呈線性正比關系，與發(fā)電機主氣隙磁通的大小和分布有著直接的關系。主氣隙磁通大小與發(fā)電機定子繞組電流、勵磁繞組電流及兩者所產生的磁動勢的夾角有關；主氣隙磁通的分布與電機的內部結構有關，主要表現(xiàn)為轉子靜態(tài)偏心、動態(tài)偏心、鐵芯形狀以及分支繞組電氣參數(shù)的對稱程度等。所以，不平衡電流的產生的原因有機械的，也有電磁的，精確計算不平衡電流的大小幾乎不可能〔9〕。

可見，這種方式下其整定只能通過經驗值進行初始整定，然后再通過大量的實際運行和故障數(shù)據來進行校核修正。而且不同機組橫差電流與機端電流的近似線性比例關系并不相同，需要進行實測。其定值整定的合理性比較難以通過理論計算的方式進行校驗，并缺乏相應的技術規(guī)程支持，廠家說明書也沒有給出整定原則。所以本機組的初始整定值并不合適，沒有躲過外部短路故障。

3 結語

本文首先通過分析指出湖南某水電廠6號機組跳機事故是由對側變壓器35 kV低壓側相間短路引起發(fā)電機中性點不平衡電流超過整定值造成的。然后以該事故為基礎，深入探討了橫差過流保護和具有比率制動特性的橫差保護的動作特性和存在的問題。結合該電廠的有關試驗結果和相關文獻論述，認為橫差過流保護原理簡單，應用經驗豐富，整定依據比較成熟，但靈敏度較低。而具有比率制動特性的橫差保護雖然靈敏度較高，但整定和校核都比較困難，需要根據經驗值進行初始整定，然后再通過大量的實際運行和故障數(shù)據來進行校核修正。由于一般這兩種原理的橫差保護在裝置中是同時具有的，所以建議開始先采用橫差過流保護，以可靠性為主；并根據經驗值初始整定比率制動橫差保護，待通過實際運行和故障數(shù)據進行校核修正后，再投采用比率制動橫差保護，退出橫差過流保護或兩者同時投入運行，以提高橫差保護的靈敏度。

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Analysis on transverse differential protection application based on a hydroelectric generating accident

LIU Haifeng，XU Hao
(State Grid Hunan Electric Power Corporation Research Institute，Changsha 410007，China)

The paper analyzes the process and cause of the tripping accident of a certain unit in a hydropower plant，and in terms of the protection actions，explores operating characteristics and defects of two transverse differential protection further. According to correlation analysis between transverse differential unbalance current and generator terminal current，the paper proposes the setting method of transverse differential protection at last.

hydro-electric generating；transverse differential protection；ratio braking characteristics；external fault

TM773.4

B

1008-0198(2017)01-0052-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.013

劉海峰(1980)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護與控制技術、智能變電站技術。

2016-04-14 改回日期:2017-01-20

徐浩(1987)，男，博士，主要研究方向為電力系統(tǒng)繼電保護與控制技術。