主設備保護技術發展新動向
摘要：國內外大型發電機和高壓變壓器的主保護設計整定工作一般都不是基于科學的、充分的繞組內部故障分析計算基礎上，很多情況下設計工作變成設計人員的主觀判斷或經驗應用，有些技術文件也顯得陳舊過時。在發電機內部短路分析計算軟件已經國家鑒定之后，完全有條件使發電機(變壓器)主保護設計工作定量化、科學化。阻抗保護不能作為大型發變組的繞組近后備保護。我國特有的很少采用零序差動保護的情況應該改正。
關鍵詞：主設備保護；技術發展；新動向；發電機；變壓器
New Development of Protection Technique for Electric Main Equipment
Wang Weijian, Wang Xiangheng, Gui Lin, Sun Yuguang,
(Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: The design and setting of main protection for large-sized generator and extra-high voltage transformer aren’t sufficiently based on the scientific simulation of stator winding internal faults at home and aboard. In most cases, the designers work on the project only by their own judgment and experience, along with outdated technology materials. The main protection design for generator and transformer should be quantitative after the internal faults simulation software has passed the state verification. The impedance protection isn’t suitable for short-range backup protection for the winding faults of the large-sized generator and transformer. The specific status that the zero-sequence differential protection is seldom adopted at the star winding of extra-high voltage transformer ought to be modified in China.
Key words: main equipment protection; new development of protection technique; generator; transformer
0 引言
由于繼電保護工作者不熟悉發電機定子繞組或變壓器各側繞組發生短路時差動保護各側電流的大小和相位，使發電機或變壓器差動保護的設計、整定和調試工作具有很大的盲目性和不科學性，主設備保護技術相對于高壓輸電線路保護存在很大差距，對此主設備保護工作者雖知情而束手無策，或者久處落后而習以為常，使不合理的規定和不科學的做法仍指導著主設備保護的設計和整定計算工作，相應的技術水平停滯不前，這種局面亟待改變[1，5]。下面以主設備保護設計工作為綱，討論技術發展新動向。
1 發電機主保護設計之前應充分了解定子繞組在鐵芯槽中和端部的實際分布
一般來說，不同發電機有不同的定子繞組構成方式——疊繞組或波繞組、整數槽或分數槽、雙層或單層、定子槽數Z1、每相并聯分支數a、每分支匝數、……。兩臺容量相同的發電機，它們的定子繞組構成特點可以大相徑庭，以三峽電站為例，兩種發電機容量相同、額定電壓相同，a均為5，但它們定子繞組的結構特點不同，一臺Z1=540，另一臺Z1=510，如表1所示。
2 詳細調查發電機定子繞組實際可能發生的短路故障數
了解各臺發電機定子繞組的實際分布，目的為摸清定子繞組實際可能發生的短路故障數，究竟有多少相間短路和匝間短路？經常有人不作任何調研就矢口否認大型汽輪發電機定子繞組存在匝間短路的可能性，這是以訛傳訛的結果。
這里所謂“實際可能發生的短路故障”是指定子繞組的任兩導線相鄰就應考慮它們之間可能發生短路，所有這些短路都不是任意設定的。經過充分調研，不僅掌握了這臺發電機相間短路和匝間短路的故障總數，而且清楚地知道每種短路的短路匝數(短路匝比)及其空間位置，真正做到設計者對保護對象的確切認識、心中有數。內部短路故障數統計實例見表1。
3 發電機主保護不能總是“一縱一橫”，千篇一律
目前發電機主保護的配置，國內外普遍的做法是：相間短路配縱差保護，匝間短路(包括分支開焊)配橫差保護，完全不問各臺發電機的實際差別，形成千篇一律的局面。保護設計人員從來不考慮縱差(或橫差)保護在這臺發電機上究竟對哪些相間(或匝間)短路起保護作用？保護動作死區有多大？有沒有可能進一步減小動作死區？由于大家對這些問題都不清楚，也就不去深究解決。
更有甚者，某些專業人員有意或無意散布大型汽輪發電機沒有或很少有定子繞組的匝間短路，因此不裝橫差保護[1]，這是發電機安全運行的一大隱患，必須重視。國內發電機定子繞組曾首先發生匝間短路，因無橫差保護，故障繼續擴展為相間短路，最后由縱差保護動作切機，在此過程中定子鐵芯嚴重燒壞，損失慘重，應以為戒。
4 選用完全縱差保護還是不完全縱差保護？
一般說來，對于相間短路，傳統的完全縱差保護有較高靈敏度(不反應匝間短路)，但是不完全縱差保護對相間和匝間短路均有一定靈敏度。大型發電機要求主保護雙重化(任一內部短路均有兩種及以上不同原理的主保護靈敏動作)，所以配置縱差保護可能是只裝完全縱差或不完全縱差，也可能兩者兼有，后者并不增加保護用電流互感器(微機保護資源共享)。
5 縱差保護的靈敏度不應以機端兩相最小短路電流作為校驗條件
按繼電保護技術規程，縱差保護應以機端兩相最小短路電流校驗靈敏系數Ksen，當Ksen≥2.0時認為“合格”。眾所周知，現代具有制動特性的縱差保護總能滿足這個要求的，根本無需校驗。重要的是，即使Ksen≥2.0，也不表示發電機定子繞組內部短路時完全或不完全縱差保護定能靈敏動作。正確的做法應以內部相間最小短路電流校驗縱差保護靈敏度。
6 完全縱差保護宜采用標積制動原理
發電機相間短路宜裝設完全縱差保護和采用標積制動方式，因為它比比率制動方式有更高的靈敏性和可靠性。但是在采用標積制動方式的不完全縱差保護時，在某些內部故障條件下兩側電流具有外部短路相位特征.
只有在充分詳盡地進行發電機所有內部相間和匝間短路分析計算的基礎上，才能正確選擇整定值B，這樣標積制動方式的不完全縱差保護方可避免內部短路拒動的隱患。
7 不完全縱差保護的中性點側分支接入數N應取多大？
《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》中指出1≤N≤a/2,a為發電機每相并聯分支數，究竟取多大？
大量分析計算證明：N越大，不完全縱差保護的相間短路靈敏性越高(N=a時與完全縱差相同)而匝間短路靈敏性越低，例如a=5的發電機，N=1的不完全縱差保護比N=2,3,4,5對匝間短路有更高的靈敏度；但是N=1應選用每相的哪個分支并不清楚，只是說接入不完全縱差的那個分支發生匝間短路時有較高靈敏度，基于這種認識，a=5的發電機應裝設N=1的5套不完全縱差保護，這又使主保護配置方案過于復雜，最終裝設幾套應由發電機內部短路靈敏度計算決定。
8 采用零序電流型橫差保護還是裂相橫差保護？
零序電流型橫差保護和裂相橫差保護對發電機定子繞組匝間短路均有靈敏的保護作用，前者是將三相定子繞組一分為二或三部分，檢測各部分之間的零序環流構成單元件或雙元件的零序橫差保護；后者是將每相定子繞組一分為二，檢測一相兩部分之間的環流。
由于零序電流型橫差保護裝置簡單、發電機正常運行時兩中性點之間不平衡電流一般較小，其所用互感器的變比可大幅度減小、保護動作整定電流也較低，在很多情況下將優先采用零序電流型橫差保護。
9 零序電流橫差保護選用單元件式或雙元件式？它的互感器一次額定電流如何選擇？
對于每相并聯分支數a≥3的發電機，選用雙元件式(3個中性點)的保護范圍大于單元件式(2個中性點)的保護范圍，而增加的一、二次設備不多。以a=5為例，每相第1、2分支合成一個中性點Q1，第4、5分支合成另一中性點Q3，第3分支組成第2中性點Q2，在兩中性點之間接兩套零序電流型橫差保護.
零序電流型橫差保護用互感器的一次額定電流IIN選用較小值有助于提高靈敏度，但不適當地減小IIN將造成負面效果，例如一臺175MW、a=4的發電機，它的單元件式零序橫差保護用互感器的IIN選為200A，發電機正常運行時兩中性點間不平衡電流高達265A，被迫停機更換互感器。正確選用IIN，應遵循以下原則：
①對發電機所有內部相間、匝間短路做詳盡計算，求得兩中性點間的所有零序電流大小。以互感器型號為5P20-1000/5為例，IIN=1000 A ，觀察零序電流小于1000×20=20000 A且在IIN的15%以上的故障有多少種，對于這些故障互感器能保證5%的穩態精度。
②至于為數不多的大于20000A的零序電流，雖然不能保證測量精度，但保護是能動作的。
③發電機開機帶負荷后，實測不平衡電流不超過IIN，已經投運的情況是IIN選為500A或600A，就一定滿足大于不平衡電流的要求。
10 完全裂相橫差保護與不完全裂相橫差保護
每相繞組一分為二構成完全裂相橫差已如前述。圖2中將每相繞組一分為三(不一定為等分)，將合并后的1、2分支與4、5分支構成裂相橫差，舍棄第3分支，便組成不完全裂相橫差保護，它的不平衡電流將小于完全裂相橫差(由第1、2分支與第3、4、5分支組成)，不完全裂相橫差保護的性能有可能高于完全裂相橫差保護。利用第3分支可構成不完全縱差保護，與不完全裂相橫差保護結合有很好的功能互補性，因為故障分支電流能保證進入保護裝置。
不久將有的大型發電機，可利用每相的第4、5分支構成不完全縱差保護，其余第1、2、3分支與第6、7、8分支構成不完全裂相橫差保護；如果需要，利用諸電流互感器獲得的I1+2+3、I4+5和I6+7+8，還可構成完全縱差保護。
11 超高壓變壓器應增設零序差動保護
變壓器高壓繞組(YN)最常見故障為單相接地短路，應增設零序差動保護，因為零序差動保護的不平衡電流小，動作整定電流小，對單相短路有比相間差動保護(主要反應相間、匝間短路，對單相接地也有一定靈敏度)更高的靈敏度[6]，它是最少受勵磁涌流影響的一種變壓器差動保護。
運行資料反映的零序差動保護誤動，主要是二次極性接反引起的，這種二次接線的錯誤是可以檢測和防止的。
12 后備阻抗保護不能作為發電機定子繞組和變壓器各側繞組內部短路的近后備保護
13 結論
(1) 大型發電機、變壓器主保護的設計和整定工作必須建立在科學的、充分的繞組短路分析計算基礎上，以雙重化主保護的原則，優化配置方案。
(2) YN 繞組的超高壓變壓器應增設零序差動保護。
(3) 阻抗保護不能作為發-變組的繞組近后備保護。
關鍵詞：主設備保護；技術發展；新動向；發電機；變壓器
New Development of Protection Technique for Electric Main Equipment
Wang Weijian, Wang Xiangheng, Gui Lin, Sun Yuguang,
(Tsinghua University, Beijing 100084, China)
Abstract: The design and setting of main protection for large-sized generator and extra-high voltage transformer aren’t sufficiently based on the scientific simulation of stator winding internal faults at home and aboard. In most cases, the designers work on the project only by their own judgment and experience, along with outdated technology materials. The main protection design for generator and transformer should be quantitative after the internal faults simulation software has passed the state verification. The impedance protection isn’t suitable for short-range backup protection for the winding faults of the large-sized generator and transformer. The specific status that the zero-sequence differential protection is seldom adopted at the star winding of extra-high voltage transformer ought to be modified in China.
Key words: main equipment protection; new development of protection technique; generator; transformer
0 引言
由于繼電保護工作者不熟悉發電機定子繞組或變壓器各側繞組發生短路時差動保護各側電流的大小和相位，使發電機或變壓器差動保護的設計、整定和調試工作具有很大的盲目性和不科學性，主設備保護技術相對于高壓輸電線路保護存在很大差距，對此主設備保護工作者雖知情而束手無策，或者久處落后而習以為常，使不合理的規定和不科學的做法仍指導著主設備保護的設計和整定計算工作，相應的技術水平停滯不前，這種局面亟待改變[1，5]。下面以主設備保護設計工作為綱，討論技術發展新動向。
1 發電機主保護設計之前應充分了解定子繞組在鐵芯槽中和端部的實際分布
一般來說，不同發電機有不同的定子繞組構成方式——疊繞組或波繞組、整數槽或分數槽、雙層或單層、定子槽數Z1、每相并聯分支數a、每分支匝數、……。兩臺容量相同的發電機，它們的定子繞組構成特點可以大相徑庭，以三峽電站為例，兩種發電機容量相同、額定電壓相同，a均為5，但它們定子繞組的結構特點不同，一臺Z1=540，另一臺Z1=510，如表1所示。
2 詳細調查發電機定子繞組實際可能發生的短路故障數
了解各臺發電機定子繞組的實際分布，目的為摸清定子繞組實際可能發生的短路故障數，究竟有多少相間短路和匝間短路？經常有人不作任何調研就矢口否認大型汽輪發電機定子繞組存在匝間短路的可能性，這是以訛傳訛的結果。
這里所謂“實際可能發生的短路故障”是指定子繞組的任兩導線相鄰就應考慮它們之間可能發生短路，所有這些短路都不是任意設定的。經過充分調研，不僅掌握了這臺發電機相間短路和匝間短路的故障總數，而且清楚地知道每種短路的短路匝數(短路匝比)及其空間位置，真正做到設計者對保護對象的確切認識、心中有數。內部短路故障數統計實例見表1。
3 發電機主保護不能總是“一縱一橫”，千篇一律
目前發電機主保護的配置，國內外普遍的做法是：相間短路配縱差保護，匝間短路(包括分支開焊)配橫差保護，完全不問各臺發電機的實際差別，形成千篇一律的局面。保護設計人員從來不考慮縱差(或橫差)保護在這臺發電機上究竟對哪些相間(或匝間)短路起保護作用？保護動作死區有多大？有沒有可能進一步減小動作死區？由于大家對這些問題都不清楚，也就不去深究解決。
更有甚者，某些專業人員有意或無意散布大型汽輪發電機沒有或很少有定子繞組的匝間短路，因此不裝橫差保護[1]，這是發電機安全運行的一大隱患，必須重視。國內發電機定子繞組曾首先發生匝間短路，因無橫差保護，故障繼續擴展為相間短路，最后由縱差保護動作切機，在此過程中定子鐵芯嚴重燒壞，損失慘重，應以為戒。
4 選用完全縱差保護還是不完全縱差保護？
一般說來，對于相間短路，傳統的完全縱差保護有較高靈敏度(不反應匝間短路)，但是不完全縱差保護對相間和匝間短路均有一定靈敏度。大型發電機要求主保護雙重化(任一內部短路均有兩種及以上不同原理的主保護靈敏動作)，所以配置縱差保護可能是只裝完全縱差或不完全縱差，也可能兩者兼有，后者并不增加保護用電流互感器(微機保護資源共享)。
5 縱差保護的靈敏度不應以機端兩相最小短路電流作為校驗條件
按繼電保護技術規程，縱差保護應以機端兩相最小短路電流校驗靈敏系數Ksen，當Ksen≥2.0時認為“合格”。眾所周知，現代具有制動特性的縱差保護總能滿足這個要求的，根本無需校驗。重要的是，即使Ksen≥2.0，也不表示發電機定子繞組內部短路時完全或不完全縱差保護定能靈敏動作。正確的做法應以內部相間最小短路電流校驗縱差保護靈敏度。
6 完全縱差保護宜采用標積制動原理
發電機相間短路宜裝設完全縱差保護和采用標積制動方式，因為它比比率制動方式有更高的靈敏性和可靠性。但是在采用標積制動方式的不完全縱差保護時，在某些內部故障條件下兩側電流具有外部短路相位特征.
只有在充分詳盡地進行發電機所有內部相間和匝間短路分析計算的基礎上，才能正確選擇整定值B，這樣標積制動方式的不完全縱差保護方可避免內部短路拒動的隱患。
7 不完全縱差保護的中性點側分支接入數N應取多大？
《大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》中指出1≤N≤a/2,a為發電機每相并聯分支數，究竟取多大？
大量分析計算證明：N越大，不完全縱差保護的相間短路靈敏性越高(N=a時與完全縱差相同)而匝間短路靈敏性越低，例如a=5的發電機，N=1的不完全縱差保護比N=2,3,4,5對匝間短路有更高的靈敏度；但是N=1應選用每相的哪個分支并不清楚，只是說接入不完全縱差的那個分支發生匝間短路時有較高靈敏度，基于這種認識，a=5的發電機應裝設N=1的5套不完全縱差保護，這又使主保護配置方案過于復雜，最終裝設幾套應由發電機內部短路靈敏度計算決定。
8 采用零序電流型橫差保護還是裂相橫差保護？
零序電流型橫差保護和裂相橫差保護對發電機定子繞組匝間短路均有靈敏的保護作用，前者是將三相定子繞組一分為二或三部分，檢測各部分之間的零序環流構成單元件或雙元件的零序橫差保護；后者是將每相定子繞組一分為二，檢測一相兩部分之間的環流。
由于零序電流型橫差保護裝置簡單、發電機正常運行時兩中性點之間不平衡電流一般較小，其所用互感器的變比可大幅度減小、保護動作整定電流也較低，在很多情況下將優先采用零序電流型橫差保護。
9 零序電流橫差保護選用單元件式或雙元件式？它的互感器一次額定電流如何選擇？
對于每相并聯分支數a≥3的發電機，選用雙元件式(3個中性點)的保護范圍大于單元件式(2個中性點)的保護范圍，而增加的一、二次設備不多。以a=5為例，每相第1、2分支合成一個中性點Q1，第4、5分支合成另一中性點Q3，第3分支組成第2中性點Q2，在兩中性點之間接兩套零序電流型橫差保護.
零序電流型橫差保護用互感器的一次額定電流IIN選用較小值有助于提高靈敏度，但不適當地減小IIN將造成負面效果，例如一臺175MW、a=4的發電機，它的單元件式零序橫差保護用互感器的IIN選為200A，發電機正常運行時兩中性點間不平衡電流高達265A，被迫停機更換互感器。正確選用IIN，應遵循以下原則：
①對發電機所有內部相間、匝間短路做詳盡計算，求得兩中性點間的所有零序電流大小。以互感器型號為5P20-1000/5為例，IIN=1000 A ，觀察零序電流小于1000×20=20000 A且在IIN的15%以上的故障有多少種，對于這些故障互感器能保證5%的穩態精度。
②至于為數不多的大于20000A的零序電流，雖然不能保證測量精度，但保護是能動作的。
③發電機開機帶負荷后，實測不平衡電流不超過IIN，已經投運的情況是IIN選為500A或600A，就一定滿足大于不平衡電流的要求。
10 完全裂相橫差保護與不完全裂相橫差保護
每相繞組一分為二構成完全裂相橫差已如前述。圖2中將每相繞組一分為三(不一定為等分)，將合并后的1、2分支與4、5分支構成裂相橫差，舍棄第3分支，便組成不完全裂相橫差保護，它的不平衡電流將小于完全裂相橫差(由第1、2分支與第3、4、5分支組成)，不完全裂相橫差保護的性能有可能高于完全裂相橫差保護。利用第3分支可構成不完全縱差保護，與不完全裂相橫差保護結合有很好的功能互補性，因為故障分支電流能保證進入保護裝置。
不久將有的大型發電機，可利用每相的第4、5分支構成不完全縱差保護，其余第1、2、3分支與第6、7、8分支構成不完全裂相橫差保護；如果需要，利用諸電流互感器獲得的I1+2+3、I4+5和I6+7+8，還可構成完全縱差保護。
11 超高壓變壓器應增設零序差動保護
變壓器高壓繞組(YN)最常見故障為單相接地短路，應增設零序差動保護，因為零序差動保護的不平衡電流小，動作整定電流小，對單相短路有比相間差動保護(主要反應相間、匝間短路，對單相接地也有一定靈敏度)更高的靈敏度[6]，它是最少受勵磁涌流影響的一種變壓器差動保護。
運行資料反映的零序差動保護誤動，主要是二次極性接反引起的，這種二次接線的錯誤是可以檢測和防止的。
12 后備阻抗保護不能作為發電機定子繞組和變壓器各側繞組內部短路的近后備保護
13 結論
(1) 大型發電機、變壓器主保護的設計和整定工作必須建立在科學的、充分的繞組短路分析計算基礎上，以雙重化主保護的原則，優化配置方案。
(2) YN 繞組的超高壓變壓器應增設零序差動保護。
(3) 阻抗保護不能作為發-變組的繞組近后備保護。
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