1000MW 发电机组保护的配置及选

ＨｕａｄｉａｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

Ａｕｇ．２００８　

　·专题综述·

１０００ＭＷ发电机组保护的配置及选型

Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｔｙｐｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒ１０００ＭＷｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｅｔ

李莉，刘万斌，李玉海

ＬＩＬｉ，ＬＩＵＷａｎ ｂｉｎ，ＬＩＹｕ ｈａｉ

（国电南京自动化股份有限公司，江苏南京　２１０００３）

（ＧｕｏｄｉａｎＮａｎｊｉｎｇＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎＬｉｍｉｔｅｄ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１０００３，Ｃｈｉｎａ）

摘　要：介绍了１０００ＭＷ机组设备及主接线特点，提出了保护的配置方案以及对失磁保护、定子接地保护和转子接地保护的选型要求。指出增加保护装置硬件系统的冗余度是确保１０００ＭＷ机组安全经济运行的措施之一。

关键词：１０００ＭＷ机组；保护；配置选型

中图分类号：ＴＭ７７２　　　文献标志码：Ａ　　　文章编号：１６７４－１９５１（２００８）０８－０００１－０５

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔａｎｄｍａｉｎｂｕｓｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｉｎ１０００ＭＷｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｅｔｗｅｒｅｐｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｃｏｎｆｉｇ ｕｒａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｔｙｐｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎｆｏｒｌｏｓｓ ｏｆ ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，ｓｔａｔｏｒｅａｒｔｈｆａｕｌｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄｒｏｔｏｒｗｉｎｄｉｎｇｅａｒｔｈｆａｕｌｔｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｗｅｒｅｐｕｔｆｏｒｗａｒｄｔｏｏ．Ｉｔｗａｓｐｏｉｎｔｅｄｏｕｔｔｈａｔｏｎｅｏｆｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｅｎｓｕｒｅｔｈｅｓａｆｅａｎｄｅｃｏｎｏｍｙｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆ１０００ＭＷｇｅｎｅｒａｔｏｒｓｅｔｉｓｔｏｉｎｃｒｅａｓｅｒｅｄｕｎｄａｎｃｙｏｆｈａｒｄｗａｒｅｓｙｓｔｅｍｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：１０００ＭＷｕｎｉｔ；ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ；ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎａｎｄｔｙｐｅｓｅｌｅｃｔｉｏｎ

收稿日期：２００８－０５－１２

０　引言

１０００ＭＷ发电机组系特大容量的发电机组。特大容量机组的损坏或运行中突然跳闸，将造成很大的经济损失，且会对电力系统造成较大的冲击。因此，为确保特大容量机组的安全、经济运行，对其配置全套性能良好、动作可靠、构成合理的继电保护是非常必要的。

本文根据１

０００ＭＷ发电机组设备及主接线的特点，提出一整套机组保护的配置方案，并对某几种保护装置的选型进行探讨。

１　１０００ＭＷ发电机组的特点

１０００ＭＷ发电机组的特点很多，主要是容量大、额定电压高、额定电流大（转子电流及定子电流），对继电保护配置及选型有影响的主要是以下几点。

（

１）有效材料利用率高。大型发电机，特别是特大型发电机，为尽量减小其体积，除选用优质构成材料之外，其对有效材料的利用率很高。如在结构

设计时，定子铁心中的工作磁密Ｂ取值较大，使定子铁心容易饱和。

（

２）定子线棒外层绝缘耐压贮备系数较小。大容量发电机运行电压等级高、线负荷大，定子线棒外层绝缘的耐压贮备系数较小，因此，与中小型发电机组相比，其允许过电压的能力较低。

（３）采用直接冷却方式。大型发电机的冷却方式均采用直冷式，其定子绕组多采用水内冷。运行实践证明，采用水内冷的发电机，因定子线棒中水回路堵塞、流通不畅或定子线棒漏水，都会引起定子对地绝缘下降或定子接地的故障。

（４）旋转励磁方式。大机组的转子电流很大，为提高励磁系统工作的可靠性，应使整个励磁系统都无滑动接触元件。为此，采用旋转励磁方式（旋转式励磁又称为无刷励磁）。

应当指出，采用无刷励磁方式，发电机的转子电压通常不引出机外（即转子的两极不引出机外）。

（５）不允许失磁失步运行。大型发电机的励磁

系统比较复杂，其控制及调节环节很多。因励磁回路故障或调节不良造成发电机失磁或励磁电流大大减小的事例较多。并网发电机失磁运行必然造成失步。

对于大型发电机而言，其失磁失步运行可能造成电网及发电机轴系统的振荡，且吸收无功量大，对发电机及系统的危害大。因此，不允许失磁失步运行，即当发电机失磁或励磁降低到不允许程度时，应尽快切机。

（６）主变压器由３个单相变压器构成且铁心容易饱和。对于容量为１０００ＭＷ的发电机组，与其配套的主变压器容量一定大于１０００ＭＷ。为减小变压器的体积，采用多种冷却系统，且铁心工作磁密设计值较高，铁心容易饱和。

另外，为制造及运输方便，对特大容量的变压器，多采用由３个单相变压器组成的三相变压器。

（７）厂用高压变压器低压侧经高阻接地。１０００ＭＷ的发电机组的厂用系统容量大，通常单机由２台厂用高压变压器供电。厂用高压变压器的接线组别多选用ｄ／Ｙ Ｙ，低压侧中性点通过电阻接地。

（８）主变压器高压侧接超高压系统。１０００ＭＷ发电机组主变压器高压侧接超高压系统（３３０ｋＶ以上电压等级），高压母线通常为３／２断路器接线方式。另外，由于遮断容量的，容量为１０００ＭＷ的汽轮发电机组在发电机与主变压器之间不设置断路器。

（９）发电机的同步电抗及暂态电抗较大。

２　保护的配置

２．１　保护的配置原则

１０００ＭＷ发电机组保护的配置原则是：具有反应各种短路故障的主保护和后备保护；具有反应机组各种异常运行的异常运行保护。另外，在任何情况下，机组应不失去主保护运行；主保护双重化配置，加强主保护及简化后备保护；所配置的保护应灵敏度高、动作可靠且迅速。

应该说明的是，保护双重化配置并不是指采用２套提供保护功能完全相同，各种保护功能的构成、逻辑框图、动作特性及信号完全相同的保护装置。

大型发电机组短路故障的后备保护应该简化。其主要原因是：

（１）大型发电机组均接在超高压母线上，并通过超高压输电线路接入电力系统。根据规程规定，超高压输电线路及超高压母线保护均为双重化配置，即其主保护及后备保护均已双重化，因此，依靠发电机组的后备保护去切除输电线路或母线上的故障的机会很小（几乎等于零）。

（２）发电机组的主保护已双重化配置，依靠后备保护来切除机组内部短路故障的几率同样很小。

（３）运行实践表明，由于种种原因，发电机组后备保护误动的几率很高。

（４）大型机组的各种后备保护之间具有相互重叠的保护功能，如发电机复压过流保护与发电机的对称过流保护及不对称过流保护的保护功能大致相同。

要强调说明的是，对于１０００ＭＷ的发电机组，其主保护与后备保护应由不同的保护装置提供。否则，当因某种原因（二次回路或保护装置）出现异常时，机组将同时失去主保护和后备保护。

另外，发电机失磁保护及过电压保护应双重化配置，定子绕组接地保护应双重化配置。

２．２　保护配置概要

根据规程规定及１０００ＭＷ机组运行要求，应配置以下类型的保护：

（１）定子绕组相间短路主保护－发电机纵差保护；

（２）定子绕组匝间短路主保护－纵向零序序电压式匝间保护或负序功率方向保护；

（３）定子绕组单相接地保护－双频式１００％定子接地保护；

（４）发电机相间短路故障的后备保护－复合电压闭锁过电流保护；

（５）发电机及变压器过电压和过激磁保护；

（６）发电机定子过负荷及过电流保护－定子绕组过热保护；

（７）发电机转子表层过热保护－负序过负荷及过电流保护；

（８）发电机励磁回路过负荷及过电流保护；

（９）发电机失磁保护；

（１０）发电机逆功率保护及程序跳闸回路；

（１１）发电机频率异常保护；

（１２）发电机失步保护；

（１３）发电机误上电及启停机保护；

（１４）发电机励磁回路一点及二点接地保护；

（１５）发电机断水保护（冷却水断）；

（１６）发电机电超速启动回路；

（１７）主变压器及厂用高压变压器短路故障主保护－纵差保护及重瓦斯保护；

（１８）发电机组（发变组）内部短路主保护－发变组大差保护；　第８期李莉，等：１０００ＭＷ发电机组保护的配置及选型·３·　

　　（１９）主变压器中性点过电压保护－间隙保护；

（２０）厂用高压变压器短路故障后备保护－复压闭锁过电流保护；

（２１）厂用高压变压器低压侧分支过电流保护；

（２２）主变压器高压侧接地保护－主变压器高压侧零序过电流保护（二段式）；

（２３）厂用高压变压器低压侧单相接地保护；

（２４）主变压器及厂用高压变压器的其他非电量保护－轻瓦斯、压力、油位等保护；

（２５）断路器非全相运行及失灵保护（失灵启动回路）；

（２６）冷却器全停保护。

３　１０００ＭＷ机组保护选型的研究

为确保１０００ＭＷ发电机组安全经济运行，除按照规定配置能反应各种短路故障及异常运行的全套保护之外，应根据发电机组的特点选择保护的构成原理及逻辑构成，即进行保护的选型。

３．１　发电机定子绕组单相接地保护

运行实践表明，发电机定子绕组或机端联系元件的单相接地故障发生的几率很高。１０００ＭＷ发电机组的定子绕组采用水内冷方式且线负荷大，因此，发生定子回路单相接地故障的几率将更高。由于１０００ＭＷ发电机组定子绕组外层绝缘耐压贮备系数较小，随着定子绕组的单相接地，非接地相对地电压升高（最大升高槡３倍），很容易形成相间短路故障。因此，加强定子绕组单相接地保护非常必要，定子接地保护的配置必须双重化。

３．１．１　定子接地保护的选型

计算及分析表明，对于１０００ＭＷ汽轮发电机，如果发电机与主变压器之间无断路器（通常该断路器两侧并有接地电容，以防操作过电压），发电机电压系统中的对地电容（包括发电机定子绕组对地电容、母线对地电容、厂用高压变压器高压侧及主变低压侧的对地电容）不大。此时，适当选择接在发电机中性点配电变压器二次并联的电阻值，可以确保三次谐波式定子接地保护具有足够的动作灵敏度。为此，采用双频式１００％定子接地保护（由三次谐波定子接地保护与基波零序电压式定子接地保护共同构成）是适宜的。该保护构成简单、动作可靠，在国内具有成熟的运行经验。

３．１．２　基波零序电压式定子接地保护的接入回路及逻辑框图

为提高基波零序电压式定子接地保护的动作可靠性，为防止由于机端ＴＶ一次熔断器熔断特性不良引起的误动，２套零序电压式定子接地保护的交流接入回路方式为：一套接入发电机中性点配电变压器二次电压，另一套接入机端ＴＶ开口三角形电压和中性点配电变压器二次电压。２套保护的构成逻辑框图分别如图１ａ、图１ｂ

所示。

图１　基波零序电压式定子接地保护逻辑框图

由图１可以看出，每套保护有２段，一段为高定值，一段为低定值。高定值动作后经短延时（如０．３～０．５ｓ）切除发电机，低定值动作后经长延时（如３～５ｓ）切除发电机。

采用２段定值的原因是：当在发电机机端附近发生接地故障时，高定值动作迅速切除发电机，防止由接地故障发展成相间短路；当在离机端较远处的定子绕组发生接地故障时，低定值动作，经较长延时切机，以防主变压器高压侧或厂用高压变压器低压侧系统接地故障时该保护误动。

需要说明的是：主变压器电压等级高，两侧之间的耦合电容小；厂用高压变压器低压侧中性点经电阻接地，配置有接地保护。因此，在整定发电机定子接地保护时，可适当减小动作电压及动作时间。３．２　关于转子接地保护

３．２．１　转子一点接地保护的选型

目前，国内生产及广泛应用的微机型转子一点接地保护有２种类型：乒乓型和叠加直流电压（直流注入式）型。

当采用乒乓型时，在保护装置中必须引入转子电压，而采用叠加直流电压型时，不必引入转子电压，而只需将转子绕组的一端（负极）接入保护装置就可以了。

１０００ＭＷ的发电机，其励磁方式是旋转励磁，其转子电压无法引出，只引出１个端（与负极相连）是容易的。因此，转子一点接地保护不能采用乒乓型。

目前，国电南京自动化股份有限公司生产的微机型叠加直流型转子一点接地保护，在国内各类机组上（包括旋转励磁系统发电机）得到了广泛应用，　·４·华电技术第３０卷　

其性能良好。１０００ＭＷ发电机应采用该型保护。３．２．２　增设转子２点接地保护

在国外生产及应用的大型发电机上，不装设转子２点接地保护。往往将转子一点接地保护设计为２段，一段（动作电阻高）发信号，另一段（动作电阻低）作用于切除发电机。

发电机转子电压（直流电压）较低，转子一点接地不影响汽轮发电机的运行。另外，对于１０００ＭＷ的发电机组，其励磁系统比较复杂，在励磁系统中发生接地故障比在转子绕组内发生接地故障的几率大。在励磁系统中发生一点接地故障，由于在机外，也较容易消除。因此，在励磁系统中发生一点接地时，没有必要马上切除发电机，应首先想法消除，消除不了再手动停机。这对发电机、其辅助设备及系统均有利。

为防止在检查过程中发生２点接地故障，增设转子２点接地保护是必要的；再者，反应定子电压中二次谐波负序量的微机型转子２点接地保护实现简单，且在转子一点接地保护动作后自动投入，运行维护方便。

３．３　发电机失磁保护

目前国内生产及应用的失磁保护类型有２种：阻抗型和逆无功＋过负荷型。阻抗型失磁保护的主判据是阻抗复平面上的一个圆。在实际应用时，对于阻抗圆可以采用静稳边界圆，也可以采用异步边界圆。采用静稳边界圆的条件是必须增加转子低电压元件闭锁。

发电机采用旋转励磁系统，转子电压取不出；另外，大型发电机转子电流很大，切除过程中会产生很高的电压，这对弱电系统不利。测试表明，ＡＢＢ生产的励磁系统，输出直流电压（即转子电压）中的６次、１２次、１８次谐波分量很大，正常运行时其有效值可达１５００Ｖ。若将这么高的电压引入微机保护柜上是不安全的。综上所述，对于１０００ＭＷ发电机失磁保护引入转子电压十分困难，也不希望引入转子电压，故不能采用静稳边界阻抗圆。另外，分析及运行实践表明，在失磁保护中采用异步边界圆的缺点是动作特性不易满足要求，当发电机带较大有功功率失磁后，它动作慢，甚至拒动；当发电机带小功率失磁后，反而动作快。另外，与电力系统的连续阻抗大时失磁，它也不易动作。

理论分析及运行实践表明，逆无功＋过负荷型失磁保护性能良好、动作速度快。在保护中采用负序电压闭锁，可将失磁与短路故障区分开来，满足国内颁布的《国网公司十反措》中的要求，因此，建议采用该型失磁保护。

３．４　变压器纵差保护

对于大型超高压双卷变压器，通常设置纵差保护及分侧差动保护（高压侧差动保护）。纵差保护的缺点是：在变压器内部（特别是在中性点附近）发生接地故障时，其动作灵敏度低（因为该保护不反应零序电流）。而分侧差动保护只能保护一侧的故障，其保护范围小，且不反应变压器绕组的匝间短路故障。

１０００ＭＷ的发电机组，其主变压器是由３个单相变压器构成的三相双卷变压器，且在变压器两侧套管内均设置有ＴＡ，因此，便于采用由变压器两侧相电流构成的纵差保护。

由变压器两侧相电流构成的纵差保护，由于未滤去零序电流，故与反应变压器两侧线电流纵差保护相比，对变压器内部的接地故障动作灵敏度高。

实现双重化的变压纵差保护的交流接入回路，如图２

所示。

图２　２组纵差保护用ＴＡ

３．５　冷却器全停保护

１０００ＭＷ机组的变压器属特大容量的变压器。对于特大容量的变压器，为减小变压器的体积，除提高有效材料利用率之外，还采用了多种冷却方式———主要采用强迫油循环风冷式构成的冷却器。

若在变压器满负荷运行时冷却器全停，将使变压器温度升高，损坏变压器。因此，对大型变压器均设置有冷却器全停保护。

变压器停运时冷却器应停运，因此，冷却器全停保护应在变压器带负荷后投入。变压器带负荷运行时，若冷却器全停，保护动作经长延时切除变压器。

过去设计院设计的冷却器全停保护的逻辑框图如图３

所示。

图３　改造前的冷却器全停保护逻辑框图　第８期李莉，等：１０００ＭＷ发电机组保护的配置及选型·５·　

　　分析及运行实践表明，上述逻辑构成有２大缺点：

（１）将变压器两侧隔离刀闸串联起来作为冷却器保护投运条件，该回路过于复杂且电缆引线长，容易开路。

（２）没有反应冷却器全停时刻变压器的温度。如果冷却器全停时变压器的温度已接近允许值，则冷却器全停后，温度很快超过允许值。此时，若再经长延时切除变压器，则有可能损伤变压器。

变压器冷却器全停保护的逻辑框图建议采用如图４

所示的逻辑构成。

图４　改造后的冷却器全停保护逻辑框图

３．６　关于硬件系统的冗余度

目前，对于１００ＭＷ以上发电机组（含发电机、变压器、厂用高压变压器）的电气量保护，通常采用２个保护机箱，由每个保护机箱提供全机组所有的保护（主保护、后备保护及异常运行保护）功能，构成所谓的双重化配置。

分析表明，这种配置方式有如下的缺点：

（１）主保护与后备保护没分开，当保护装置或二次回路出现异常时，主保护及后备保护同时退出（即后备保护起不到后备作用）；

（２）硬件系统的冗余度不够，当一套装置因故停运检查时，要由另一套保护提供全机组保护的保护功能。

在电力系统中，在保护停运检查时需开工作票，然后报值长及调度部门批准，时间间隔相当长。另外，由于机组在运行，试验和检查很不方便（特别是二次回路中出现问题），拖的时间往往很长。若在检查过程中运行的这套保护再出现异常，机组将无保护运行。这对于１０００ＭＷ的发电机组是不允许的。只有提高硬件系统的冗余度才能确保大机组的安全经济运行。

在西北电力系统中，对３００ＭＷ发变组保护的设计方案是：电气量保护采用４个保护机箱，将发变组差动、变压器差动、厂用高压变压器差动及发电机差动分别置于不同的机箱（即每个机箱内置１个差动保护），然后将后备保护分散配置在不同机箱中。对于２套失磁保护、２套过电压保护及２套接地保护也放在不同的机箱中。这样，运行中出现某一个机箱有问题，甚至２个机箱有异常，机组不会失去主动保护运行。

在ＤＧＴ８００１系列保护中，由于采用双ＣＰＵ并联运行方式，成功地解决了冗余度问题及防误动问题。

４　结论

（１）１０００ＭＷ机组设备及主接线有许多特点，在保护配置及选型时应充分考虑。

（２）１０００ＭＷ机组全套保护应能灵敏地反应各种短路故障及异常运行方式，动作可靠性要求高。应加强主保护而简化后备保护。

（３）对１０００ＭＷ机组应加强定子绕组单相接地保护、失磁保护及过电压保护，这些保护应双重化配置。

（４）转子一点接地保护宜选用叠加直流型，定子绕组选用双频式１００％定子接地保护，失磁保护可采用逆无功＋过负荷型，冷却器全停保护应考虑变压器的温度。

参考文献：

［１］王维俭，侯炳蕴．大型机组继电保护理论基础［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８２．

［２］李玉海，刘昕，．电力主设备继电保护试验［Ｍ］．北京：中国电力出版社，２００５．

（编辑：刘芳）

作者简介：

李莉（１９６３—），女，浙江慈溪人，国电南京自动化股份有限公司高级工程师，从事发电机变压器保护研究及应用方面的工作。

刘万斌（１９６４—），男，安徽全椒人，国电南京自动化股份有限公司高级工程师，从事发电机变压器保护研究及应用方面的工作。

李玉海（１９４１—），男，河南淇县人，国电南京自动化股份有限公司教授级高级工程师，从事主设备保护的试验及应用方面的工作。