全分支电流测量的数字化发电机保护在大型水电站的应用

全分支电流测量的数字化发电机保护在大型水电站的应用

韦金国

大唐观音岩水电开发有限公司 云南省华坪县 617012

摘要：某大型水电站在发电机中性点引出线所有分支和机端出线均安装了柔性光学电流互感器，结合所引入的发电机三相电压，装设了基于全分支电流测量的数字化发电机保护系统。本文介绍了数字化保护系统架构，给出了保护技术方案，优化了差动主保护配置。得益于光学电流互感器优良传变特性，提升了发电机保护性能。

关键词：柔性光学电流互感器 数字化发电机保护

0 引言

水轮发电机组的定子绕组具有多个分支，在发电机的中性点侧，多个分支经汇流导体联结在一起，构成分支中性点，多个分支中性点相互连接构成发电机的中性点。一般来说，经过预先设计的水电机组主保护方案，能够保护到95%以上的内部短路故障，保护灵敏度也很高。但受中性点母排布置方式、安装空间等因素的制约，中性点分支通常仅能分为两组或三组，保护装置得到的是定子分支组电流，而不是每个分支的电流，差动保护配置也是相对受限的，无法获得更大的保护范围和更高的保护灵敏度。

因此，如果要进一步优化保护性能，势必需要在发电机中性点分支安装更多的电流互感器。电磁式电流互感器体积过大，难以安装，而柔性光学电流互感器体积小，结构可根据中性点分支灵活设计，安装方便，可以满足这一需求。

1 某大型水电站概况

某大型水电站装机容量300万千瓦，单台机组容量为600MW。发电机变压器组单元接线，有机端断路器，发电机定子绕组共有6个分支，中性点侧经接地变接地，主接线形式如图1所示。

图1 某大型水电站机组主接线图

2 柔性光学电流互感器设计方案

柔性光学电流互感器将一次传感器制成光缆形式，传感光缆缠绕在一次导体上，其测量基于Faraday磁光效应原理。线偏振光通过处于磁场中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向将产生旋转，旋转角度与磁感应强度大小相关，通过检测相位变化，进而计算产生磁场的电流大小^[1-4]。其结构示意图如图2所示。

图2光学电流互感器示意图

柔性光学电流互感器一次传感光缆为柔性材料，对安装空间要求很小，适用于狭小空间。其结构型式可根据一次导体结构定制设计，对一次导体形状没有要求，对于本工程，由设计人员根据现场环境设计结构型式，并确定安装方式。

3基于全分支电流测量的数字化发电机保护系统

某大型水电站在发电机中性点侧所有分支上均装设柔性光学电流互感器，为构成纵差保护，在发电机的机端也装设一组柔性光学电流互感器。另外，为实现发电机后备及异常保护功能，将机端电压也引入保护装置。整个保护系统结构示意图如图3所示。

图3 保护系统整体架构示意图

发电机中性点侧所有分支和机端侧安装传感光纤环，其中的偏振光信号经一次电流磁场作用后，在光学互感器采集单元中解析计算，经模数转换后变为数字量形式的瞬时电流采样值，再经光纤送给发电机保护装置。不同采集单元（或合并单元）的采样数据，在发电机保护装置中实现同步。

由于发电机保护装置引入了发电机机端电流和中性点侧所有分支电流，再加上机端三相电压，可实现各种原理的差动主保护和后备保护功能。

本次未引入零序电压、零序电流和励磁电压信号，保护装置提供了除定子接地保护和转子接地保护外的完备的发电机保护功能。由于引入了发电机中性点侧所有分支的电流，差动保护可灵活配置，实现以下几种原理的差动保护功能：

a 完全纵差保护，由中性点所有分支电流合成中性点侧总电流，与机端电流构成完全纵差保护，反应定子绕组相间短路故障。

b 不完全纵差保护，由某分支电流与机端电流构成，或者由部分分支和电流与机端电流构成不完全纵差保护，反应定子绕组相间短路、匝间短路和分支开焊故障。计算和电流的分支可自由选取，最多可选取其中5个分支的和电流。

c 裂相横差保护，由任选的一部分分支和电流与其余分支和电流构成裂相横差保护，反应定子绕组匝间短路、分支开焊和相间短路故障。

d 不完全裂相横差保护，由任选的一部分分支和电流与另外任选的一部分分支和电流构成不完全裂相横差保护，反应定子绕组匝间短路、分支开焊和相间短路故障^[5]。

理论上，通过排列组合，可任意构成完全纵差保护、不完全纵差保护、裂相横差保护和不完全裂相横差保护。实际应用时考虑保护系统复杂程度，可基于已有的差动主保护配置方案，通过内部故障短路定量计算和分析，对该基本方案尚未保护到的、或灵敏度不足的内部故障短路型式，针对性的增加相应差动保护配置。这样，既获得了优良保护性能，又不至于使保护配置过于复杂。

4 光学电流互感器的性能优势及对差动保护的影响

与常规电磁式电流互感器相比，柔性光学电流互感器具有优越的性能

^[6]，如表1所示。

表1

利用柔性光学电流互感器优异的传变特性，优化了差动保护原理，解决了常规电磁式电流互感器存在的问题，主要有以下几个方面。

（1）光学电流互感器无饱和现象，提高了差动保护的动作速度和可靠性。传统电磁式电流互感器的铁心磁化特性曲线为非线性，当发生短路故障时，故障电流中非周期分量可能导致铁心的磁通密度饱和，二次电流严重畸变，波形出现缺损，幅值下降。以往业内对这些问题进行了大量研究，提出了很多识别方法和判据，但都不能彻底解决电流互感器饱和带来的不利影响^[7]。而光学电流互感器基于Faraday磁光效应，结构中没有铁心，不存在饱和问题，保护装置无需进行电流互感器饱和判别，简化了保护逻辑，提高了差动保护的动作速度和可靠性。

（2）基于光学电流互感器的发电机差动保护不受和应涌流的影响。对于有多台机组的电厂，当一台变压器空投充电时，不仅合闸变压器中会产生励磁涌流，而且在另一台并联或级联的运行机组中也会产生和应涌流，该和应涌流含有较大的非周期分量，且持续时间较长，可能导致电磁式电流互感器的局部暂态保护，进而可能导致发电机差动保护误动^[8]。光学电流互感器具有宽频带特性，对和应涌流中的非周期分量也能够正确传变，在此情况下不会产生差动电流。

5 结束语

本文介绍了某大型水电站基于全分支电流测量的数字化发电机保护系统构成和保护功能配置，本工程在发电机保护上首次应用了柔性光学电流互感器，利用柔性光学电流互感器灵活的安装方式和优异的传变性能，优化了差动保护配置方案，提升了保护动作性能。

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作者简介：韦金国（1981-），男，黑龙江五常市人，工程师，从事发电厂技术管理工作。