50707014-桂林

1、桂林桂林清華大學(xué)電機系清華大學(xué)電機系 大型發(fā)電機主保護(hù)的定量化設(shè)計方法大型發(fā)電機主保護(hù)的定量化設(shè)計方法已在水電領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用已在水電領(lǐng)域得到推廣應(yīng)用；在全；在全面的內(nèi)部短路分析計算的基礎(chǔ)上，經(jīng)定量化設(shè)計過程已完成國內(nèi)外面的內(nèi)部短路分析計算的基礎(chǔ)上，經(jīng)定量化設(shè)計過程已完成國內(nèi)外6060座水座水電站電站300300余臺發(fā)電機主保護(hù)的設(shè)計工作。余臺發(fā)電機主保護(hù)的設(shè)計工作。 但在工程實踐中也發(fā)現(xiàn)但在工程實踐中也發(fā)現(xiàn)某些繞組形式的發(fā)電機難以取得令人滿意的保護(hù)某些繞組形式的發(fā)電機難以取得令人滿意的保護(hù)性能性能，給發(fā)電機的安全運行帶來隱患，這就引申而來本基金研究的目標(biāo)。，給發(fā)電機的安全運行帶來隱患，這就引

2、申而來本基金研究的目標(biāo)。0 0 項目研究背景項目研究背景1 1 項目研究內(nèi)容和目標(biāo)項目研究內(nèi)容和目標(biāo) 本項目的研究內(nèi)容是本項目的研究內(nèi)容是巨型水輪發(fā)電機定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的研究巨型水輪發(fā)電機定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的研究，研究目標(biāo)包括巨型水輪發(fā)電機常用主保護(hù)方案不能動作故障類型的分析與總結(jié)，研究目標(biāo)包括巨型水輪發(fā)電機常用主保護(hù)方案不能動作故障類型的分析與總結(jié)，不同連接形式定子繞組中繼電保護(hù)動作死區(qū)存在幾率的理論分析與推導(dǎo)，巨型不同連接形式定子繞組中繼電保護(hù)動作死區(qū)存在幾率的理論分析與推導(dǎo)，巨型水輪發(fā)電機定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計規(guī)則的提煉與歸納，以完成對電機繞組設(shè)計水輪發(fā)電機定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)

3、計規(guī)則的提煉與歸納，以完成對電機繞組設(shè)計理論的創(chuàng)新和補充（理論的創(chuàng)新和補充（繞組形式繞組形式故障特點故障特點）。）。 2 2 項目研究的難點和關(guān)鍵問題項目研究的難點和關(guān)鍵問題 本項目提出了通過合理選擇定子繞組形式，兼顧電機設(shè)計和繼電保護(hù)的本項目提出了通過合理選擇定子繞組形式，兼顧電機設(shè)計和繼電保護(hù)的要求，要求，在繞組設(shè)計階段就力求減少繼電保護(hù)的動作死區(qū)在繞組設(shè)計階段就力求減少繼電保護(hù)的動作死區(qū)，從電機設(shè)計角度，從電機設(shè)計角度為發(fā)電機主保護(hù)性能的顯著提高創(chuàng)造條件；為發(fā)電機主保護(hù)性能的顯著提高創(chuàng)造條件； 難點是難點是如何取得電機設(shè)計與主保護(hù)設(shè)計如何取得電機設(shè)計與主保護(hù)設(shè)計“雙贏雙贏”的目標(biāo)的目標(biāo)，

4、在不改變發(fā)電，在不改變發(fā)電機電磁性能的前提下完成定子繞組形式的優(yōu)化設(shè)計，并服務(wù)于工程實踐。機電磁性能的前提下完成定子繞組形式的優(yōu)化設(shè)計，并服務(wù)于工程實踐。3 3 項目研究成果項目研究成果 對于對于“全波繞組全波繞組”發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié)發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié) 對于疊繞組發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié)對于疊繞組發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié) 對于對于“半波繞組半波繞組”發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié)發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié) 巨型水輪發(fā)電機定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的推廣應(yīng)用巨型水輪發(fā)電機定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的推廣應(yīng)用 3.1 3.1 對于對于“全波繞組全波繞組”發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié)發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié) 從電機設(shè)計角度，提出巨型水

5、輪發(fā)電機定子繞組應(yīng)優(yōu)先選擇整數(shù)槽從電機設(shè)計角度，提出巨型水輪發(fā)電機定子繞組應(yīng)優(yōu)先選擇整數(shù)槽“全波全波繞組繞組”，因為，因為該繞組形式避免了小匝數(shù)同相同分支匝間短路的存在該繞組形式避免了小匝數(shù)同相同分支匝間短路的存在，將有利，將有利于發(fā)電機主保護(hù)性能的提高；于發(fā)電機主保護(hù)性能的提高； 但在進(jìn)行主保護(hù)設(shè)計時要密切注意發(fā)生在但在進(jìn)行主保護(hù)設(shè)計時要密切注意發(fā)生在相近電位的同相不同分支匝間短相近電位的同相不同分支匝間短路的分布特點路的分布特點，通過分支分組有針對性將上述故障分支分到不同的支路組中，通過分支分組有針對性將上述故障分支分到不同的支路組中，可進(jìn)一步提高主保護(hù)性能?？蛇M(jìn)一步提高主保護(hù)性能。 小灣

6、、構(gòu)皮灘小灣、構(gòu)皮灘DECDEC、金安橋、錦屏二級、糯扎渡、大崗山、觀音巖、金安橋、錦屏二級、糯扎渡、大崗山、觀音巖TAHTAH、紫、紫坪埔、龍口、大盈江四級、瀘定、阿海、沐若等水電站發(fā)電機主保護(hù)設(shè)計結(jié)坪埔、龍口、大盈江四級、瀘定、阿海、沐若等水電站發(fā)電機主保護(hù)設(shè)計結(jié)果均驗證了該觀點。果均驗證了該觀點。 3.2 3.2 對于疊繞組發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié)對于疊繞組發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié) 提出提出高轉(zhuǎn)速發(fā)電機高轉(zhuǎn)速發(fā)電機（包括抽水蓄能機組）采用疊繞組能夠取得電機設(shè)計（包括抽水蓄能機組）采用疊繞組能夠取得電機設(shè)計和主保護(hù)設(shè)計和主保護(hù)設(shè)計“雙贏雙贏”的目標(biāo)的目標(biāo)既實現(xiàn)了抑制轉(zhuǎn)子偏心振動的目的、又既實現(xiàn)了抑

7、制轉(zhuǎn)子偏心振動的目的、又取得了優(yōu)異的保護(hù)性能取得了優(yōu)異的保護(hù)性能，但對于，但對于低轉(zhuǎn)速發(fā)電機低轉(zhuǎn)速發(fā)電機應(yīng)慎用；應(yīng)慎用； 天阿設(shè)計制造的魯?shù)掳停ㄌ彀⒃O(shè)計制造的魯?shù)掳停? 2230MW230MW、2020極極）和梨園（）和梨園（4 4600MW600MW、6464極極）發(fā)電機的主保護(hù)設(shè)計實例則驗證了上述觀點，兩臺發(fā)電機均采用疊繞組，發(fā)電機的主保護(hù)設(shè)計實例則驗證了上述觀點，兩臺發(fā)電機均采用疊繞組，其中性點引出方式及主保護(hù)配置方案也相同，但最終取得的保護(hù)性能卻相其中性點引出方式及主保護(hù)配置方案也相同，但最終取得的保護(hù)性能卻相差懸殊，差懸殊，前者的保護(hù)死區(qū)僅占內(nèi)部故障總數(shù)的前者的保護(hù)死區(qū)僅占內(nèi)部故障總

8、數(shù)的0.3%0.3%，后者卻高達(dá)，后者卻高達(dá)13.7%13.7%。 3.3 3.3 對于對于“半波繞組半波繞組”發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié)發(fā)電機設(shè)計規(guī)則的總結(jié) 提出通過正、負(fù)相帶線圈歸屬及連接順序的改變來實現(xiàn)提出通過正、負(fù)相帶線圈歸屬及連接順序的改變來實現(xiàn)“抑制電磁振動抑制電磁振動”（電機設(shè)計的要求）和（電機設(shè)計的要求）和“改善發(fā)電機內(nèi)部故障特點改善發(fā)電機內(nèi)部故障特點”（主保護(hù)設(shè)計的要求）（主保護(hù)設(shè)計的要求）的的“綜合優(yōu)化綜合優(yōu)化”目標(biāo)。目標(biāo)。 通過合理選擇分支電勢的構(gòu)成形式可以避免同槽故障中小匝數(shù)同相同分通過合理選擇分支電勢的構(gòu)成形式可以避免同槽故障中小匝數(shù)同相同分支匝間短路的存在支匝間短路的存在

9、。 如何在如何在“改善發(fā)電機內(nèi)部故障特點改善發(fā)電機內(nèi)部故障特點”的基礎(chǔ)上實現(xiàn)分?jǐn)?shù)槽的基礎(chǔ)上實現(xiàn)分?jǐn)?shù)槽“半波繞組半波繞組”發(fā)電機發(fā)電機“抑制電磁振動抑制電磁振動”的目標(biāo)？值得在國家自然科學(xué)基金的支持下做進(jìn)的目標(biāo)？值得在國家自然科學(xué)基金的支持下做進(jìn)一步的研究。一步的研究。 3.4 3.4 定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的推廣應(yīng)用定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的推廣應(yīng)用 東方電機有限公司在東方電機有限公司在糯扎渡糯扎渡DFEMDFEM（6 6650MW650MW）和大崗山（）和大崗山（4 4650MW650MW）發(fā)電機）發(fā)電機繞組繞組設(shè)計變更時由設(shè)計變更時由“全波繞組全波繞組”改為改為“半波繞組半波繞組”就是上

10、述研究思路的具體體現(xiàn)，既實就是上述研究思路的具體體現(xiàn)，既實現(xiàn)了抑制轉(zhuǎn)子偏心振動的目的，又沒有過多地增大保護(hù)死區(qū)，實現(xiàn)了一次和二次?，F(xiàn)了抑制轉(zhuǎn)子偏心振動的目的，又沒有過多地增大保護(hù)死區(qū)，實現(xiàn)了一次和二次專業(yè)目標(biāo)的業(yè)目標(biāo)的“雙贏雙贏”。 從天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司在從天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司在錦屏二級、梨園和觀音巖三個電站錦屏二級、梨園和觀音巖三個電站600MW600MW發(fā)發(fā)電機電機定子繞組形式選擇的變化中（波繞定子繞組形式選擇的變化中（波繞-疊繞疊繞-波繞），可以看出電機設(shè)計與主波繞），可以看出電機設(shè)計與主保護(hù)設(shè)計工作的相輔相成將取得保護(hù)設(shè)計工作的相輔相成將取得“雙贏雙贏”的目標(biāo)。的目標(biāo)

11、。 電機設(shè)計人員參與主保護(hù)設(shè)計過程又促進(jìn)了主保護(hù)設(shè)計方法的發(fā)展與完善，即疊電機設(shè)計人員參與主保護(hù)設(shè)計過程又促進(jìn)了主保護(hù)設(shè)計方法的發(fā)展與完善，即疊繞組繞組/ /偶數(shù)多分支水輪發(fā)電機主保護(hù)的設(shè)計過程不同于波繞組偶數(shù)多分支水輪發(fā)電機主保護(hù)的設(shè)計過程不同于波繞組/ /偶數(shù)多分支發(fā)電機。偶數(shù)多分支發(fā)電機。 電氣二次電氣二次（保護(hù)）（保護(hù)）保護(hù)保護(hù)性能性能校核校核電氣一次電氣一次（發(fā)電機）（發(fā)電機）發(fā)電機發(fā)電機中性點側(cè)中性點側(cè)引出方式引出方式和分支和分支分組方法分組方法發(fā)電機發(fā)電機定子繞組定子繞組的綜合的綜合優(yōu)化設(shè)計優(yōu)化設(shè)計“二次服務(wù)于一次”“二次服務(wù)于一次”“一次要為二次創(chuàng)造條件”“一次要為二次創(chuàng)造條件

12、” 電機設(shè)計是電機設(shè)計是“從源頭上解決問題從源頭上解決問題”在提高發(fā)電機主保護(hù)性能的同時在提高發(fā)電機主保護(hù)性能的同時減少設(shè)計計算的工作量；減少設(shè)計計算的工作量； 主保護(hù)設(shè)計則是主保護(hù)設(shè)計則是“折衷解決電氣一次折衷解決電氣一次/ /二次之間的矛盾二次之間的矛盾”； 兩者相輔相成，共同促進(jìn)巨型水輪發(fā)電機定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的兩者相輔相成，共同促進(jìn)巨型水輪發(fā)電機定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的發(fā)展與完善。發(fā)展與完善。 3.4 3.4 定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的推廣應(yīng)用（續(xù)前）定子繞組綜合優(yōu)化設(shè)計方法的推廣應(yīng)用（續(xù)前） 1. 1. 桂林桂林, , 王祥珩王祥珩. . 向家壩和溪洛渡水電站發(fā)電機主保護(hù)設(shè)計

13、總結(jié)向家壩和溪洛渡水電站發(fā)電機主保護(hù)設(shè)計總結(jié). . 電力自動化設(shè)備電力自動化設(shè)備, , 2010, 30(7): 30-33 2010, 30(7): 30-33 2. 2. 桂林桂林, , 王祥珩王祥珩. . 疊繞組水輪發(fā)電機內(nèi)部故障特點與主保護(hù)性能分析疊繞組水輪發(fā)電機內(nèi)部故障特點與主保護(hù)性能分析. . 電力系統(tǒng)自電力系統(tǒng)自動化動化, 2010, 34(7): 70-74 , 2010, 34(7): 70-74 3. 3. 桂林桂林, , 王祥珩王祥珩. . 巨型水輪發(fā)電機定子繞組設(shè)計建議巨型水輪發(fā)電機定子繞組設(shè)計建議由發(fā)電機主保護(hù)定量化設(shè)由發(fā)電機主保護(hù)定量化設(shè)計引出的反思計引出的反思.

14、. 電力系統(tǒng)自動化電力系統(tǒng)自動化, 2009, 33(4): 45-48 , 2009, 33(4): 45-48 4. 4. 桂林桂林, , 王祥珩王祥珩. . 每相每相2 2分支水輪發(fā)電機主保護(hù)設(shè)計特點分支水輪發(fā)電機主保護(hù)設(shè)計特點. . 電力自動化設(shè)備電力自動化設(shè)備, 2009, , 2009, 28(12): 1-5 28(12): 1-5 5. 5. 桂林桂林, , 王祥珩王祥珩. . 水輪發(fā)電機不同定子繞組形式對主保護(hù)性能影響的分析水輪發(fā)電機不同定子繞組形式對主保護(hù)性能影響的分析. . 大電機大電機技術(shù)技術(shù), 2008, 09, 2008, 09期期 6. 6. 桂林桂林, , 王祥

15、珩王祥珩. . 再議偶數(shù)多分支水輪發(fā)電機主保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計（再議偶數(shù)多分支水輪發(fā)電機主保護(hù)的優(yōu)化設(shè)計（電力系統(tǒng)自動電力系統(tǒng)自動化化已錄用）已錄用）7. 7. 王祥珩王祥珩, , 桂林桂林. . 大型發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障主保護(hù)配置方法大型發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障主保護(hù)配置方法. . 中華人民共和國中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局國家知識產(chǎn)權(quán)局, ZL 2004 1 0009219.4, , ZL 2004 1 0009219.4, 中國中國, 2008/2/27, 2008/2/278. 8. 李正茂李正茂, , 劉立紅劉立紅, , 袁志鵬袁志鵬, , 李立李立, , 桂林桂林. 700MW. 700

16、MW水輪發(fā)電機繼電保護(hù)配置研究及水輪發(fā)電機繼電保護(hù)配置研究及應(yīng)用應(yīng)用. . 中國電力科學(xué)技術(shù)二等獎中國電力科學(xué)技術(shù)二等獎, , 證書號證書號: 2010-2-22-G05: 2010-2-22-G054 4 項目研究成果目錄項目研究成果目錄謝謝大家！謝謝大家！ 與相關(guān)單位合作，對與相關(guān)單位合作，對國內(nèi)所有單機容量國內(nèi)所有單機容量600MW600MW及以上的及以上的水電站水電站均進(jìn)行過類似設(shè)計工作：均進(jìn)行過類似設(shè)計工作：（19901990年年20002000年：校核主保護(hù)的性能）年：校核主保護(hù)的性能） 在國內(nèi)，清華大學(xué)電機系已運用在國內(nèi)，清華大學(xué)電機系已運用“多回路分析法多回路分析法”對對 國內(nèi)

17、外國內(nèi)外6060座大中型水電站座大中型水電站發(fā)電機組進(jìn)行了定子繞組內(nèi)部發(fā)電機組進(jìn)行了定子繞組內(nèi)部 故障的分析和故障的分析和主保護(hù)方案的定量化設(shè)計主保護(hù)方案的定量化設(shè)計，現(xiàn)簡單列舉如下：，現(xiàn)簡單列舉如下： 20002000年至今：年至今：發(fā)電機主保護(hù)的定量化及優(yōu)化設(shè)計發(fā)電機主保護(hù)的定量化及優(yōu)化設(shè)計以較短的時間實現(xiàn)以較短的時間實現(xiàn)保護(hù)性能最佳，且兼顧設(shè)計的科學(xué)性和實用性。保護(hù)性能最佳，且兼顧設(shè)計的科學(xué)性和實用性。水輪發(fā)電機主保護(hù)的水輪發(fā)電機主保護(hù)的定量化設(shè)計過程定量化設(shè)計過程： 調(diào)查發(fā)電機的故障特點（調(diào)查發(fā)電機的故障特點（發(fā)電機繞組形式不同，故障特點也各異發(fā)電機繞組形式不同，故障特點也各異）；）；

18、 運用運用“多回路分析法多回路分析法”，通過全面的內(nèi)部短路仿真計算，得到發(fā)電機，通過全面的內(nèi)部短路仿真計算，得到發(fā)電機故障時故障時每一支路電流的大小和相位（包括兩中性點間的零序電流的大每一支路電流的大小和相位（包括兩中性點間的零序電流的大?。┬。?，在此基礎(chǔ)上可以清楚認(rèn)識各種主保護(hù)方案的性能；，在此基礎(chǔ)上可以清楚認(rèn)識各種主保護(hù)方案的性能； 以電氣一次和二次專業(yè)共同關(guān)心的問題以電氣一次和二次專業(yè)共同關(guān)心的問題發(fā)電機中性點如何引出？發(fā)電機中性點如何引出？如何進(jìn)行分支的分組和如何進(jìn)行分支的分組和CTCT的配置？的配置？為突破口為突破口，在定量分析的基礎(chǔ)上確定，在定量分析的基礎(chǔ)上確定最終的主保護(hù)配置方案

19、，且最終的主保護(hù)配置方案，且兼顧設(shè)計的科學(xué)性和實用性兼顧設(shè)計的科學(xué)性和實用性。 發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障的分類：發(fā)電機定子繞組內(nèi)部故障的分類：匝間短路匝間短路相間短路相間短路同相同分支同相同分支同相不同分支同相不同分支定子繞組內(nèi)部故障可分為三類定子繞組內(nèi)部故障可分為三類a ab bc c1 12 23 34 4分支分支開焊開焊分支開焊分支開焊按按故障位置故障位置進(jìn)行分類，定子繞組內(nèi)部故障又可分為：進(jìn)行分類，定子繞組內(nèi)部故障又可分為：314314同槽故障同槽故障14個槽14個槽層間絕緣層間絕緣328328端部交叉處絕緣端部交叉處絕緣小匝數(shù)匝間短路為常用主保護(hù)方案共同的保護(hù)死區(qū)：小匝數(shù)匝間短路為常用

20、主保護(hù)方案共同的保護(hù)死區(qū)：/kIE XNE 2NX 2/1/kIN NNkI N匝短路 N匝短路（集中的線圈）（集中的線圈）大型發(fā)電機的定子繞組形式：大型發(fā)電機的定子繞組形式：疊繞疊繞波繞波繞a1a1O Oa3a3a4a4a2a2O Oa1a1a2a2a4a4a3a3a1a10 0“全波繞組全波繞組” ” “半波繞組半波繞組” ” “疊繞組疊繞組” ” 大型水輪發(fā)電機（以大型水輪發(fā)電機（以a=4a=4為例）為例）并聯(lián)支路布置示意圖并聯(lián)支路布置示意圖：相近電位同相不同分支匝間短路的故障特征相近電位同相不同分支匝間短路的故障特征：4964961 1100100199199298298397397a

21、1a1x1x1a4a4x4x4a2a2x2x2a5a5x5x5a3a3x3x3a6a6x6x61 12 23 34 45 56 6a aTA1TA1TA2TA2TA7TA7完全裂相橫差完全裂相橫差1aI4aIc cb bTA8TA8TA9TA91shortI2shortI6aI 故障分支電流大小相差不大，故障分支電流大小相差不大，相位近于相反相位近于相反； 非故障分支電流均較小。非故障分支電流均較小。故障特征故障特征將數(shù)值較大的短路回路電流引入差動回路中！將數(shù)值較大的短路回路電流引入差動回路中！抑制轉(zhuǎn)子偏心振動不應(yīng)抑制轉(zhuǎn)子偏心振動不應(yīng)“犧牲犧牲”主保護(hù)性能主保護(hù)性能： 轉(zhuǎn)子偏心示意圖轉(zhuǎn)子偏心示意圖 由于受現(xiàn)場安裝水平的限制，由于受現(xiàn)場安裝水平的限制，發(fā)電機轉(zhuǎn)子往往都存在一定程度發(fā)電機轉(zhuǎn)子往往都存在一定程度的偏心現(xiàn)象；的偏心現(xiàn)象； 轉(zhuǎn)子偏心對發(fā)電機同相各支路轉(zhuǎn)子偏心對發(fā)電機同相各支路平衡性的影響與發(fā)電機定子