可变速抽蓄机组转子绕组新型主保护方案性能分析-北极星水力发电网

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为满足新型电力系统的建设需求，风力发电、光伏发电等可再生能源的装机容量增长迅速，但可再生能源的间歇性、随机性、实时波动性等增加了电网稳定运行难度。在此背景下，可变速抽蓄机组由于其调峰调频能力强、功率调节范围广等优良性能而受到广泛关注。

（来源：《中国电力》作者：白珈宁, 桂林, 刘苗, 李岩军，高晨光，曹天植，严乙桉）

《中国电力》2024年第10期刊发了白珈宁等撰写的《可变速抽蓄机组转子绕组新型主保护方案性能分析》一文。文章通过对定子绕组主保护方案中横差电流谐波分量的提取计算实现转子绕组新型主保护方案的设计，基于全面的转子绕组内部故障仿真，分析新型主保护方案的性能及不能动作故障类型，并给出相应的改进措施以消除保护死区。

摘要

丰宁可变速抽蓄机组的投运使得其转子绕组保护方案的配置备受关注。运用多回路分析法，对湘潭电机厂制造的12 kW交流励磁样机所有实际可能发生的转子绕组内部故障进行了仿真，在此基础上对基于定子分支谐波环流的转子绕组新型主保护方案的性能进行了分析，并进一步明确了新型转子绕组主保护方案不能动作故障类型及相应的改进措施，为后续国产化示范项目中可变速抽蓄机组的稳定运行奠定基础。

01转子绕组新型主保护方案的构成与实现

1.1 转子绕组内部故障特征

基于对交流励磁样机内部故障规律的分析可知，当可变速抽蓄机组转子绕组发生内部短路时，短路电流除产生空间基波磁场以外还会产生奇数次、偶数次和分数次谐波磁场。其中，基波、奇数次和偶数次谐波磁场不会在定子支路间形成环流，而分数次谐波磁场会在定子支路间感应出频率为式（1）所示的环流。

式中：f_s为谐波环流的频率；p为定子绕组的极对数；k/p为分数次谐波磁场的次数；s为电机的转差率；f_N为定子电流的额定频率。

根据对可变速抽蓄机组发生区内外不同类型故障时的故障特征分析可知，当可变速抽蓄机组的定子绕组发生外部短路时，定子稳态电流中仅存在基波分量；当定子绕组发生内部短路时，短路电流产生的分数次和偶数次空间谐波磁场在定子中仅会感应基波电流，定子分支电流中不会出现新的频率分量；当定子发生单相接地故障时，主要故障特征为基波零序电压及机端和中性点侧三次谐波电压比值的变化，定子分支内不会出现谐波环流；当转子绕组一点接地时，气隙磁场不会发生畸变，定子侧无反应。因此，分数次谐波磁场引起的定子分支环流是转子绕组内部故障独有的故障特征。

1.2 转子绕组新型主保护方案构成

基于转子内部故障时分数次谐波磁场在定子分支中引起环流的故障特征，在可变速抽蓄机组的定子侧设计新型主保护方案，通过对定子分支分数次谐波环流的检测实现对转子绕组内部短路的保护，这样不仅不会影响机组转子的机械性能，还可以满足差动保护对测量的精度要求。

新型主保护方案的采样电流选择交流励磁电机定子绕组中的横差电流，其构成根据定子侧主保护配置做相应调整，可以同时考虑零序横差电流、裂相横差电流等多种信号源，具有较高的适用性和实用性。本文以湘潭电机厂制造的12 kW动模样机为例对新型主保护方案的构成进行说明，动模样机的基本参数如表1所示。

表1 动模样机的基本参数

Table 1 Basic parameters of the dynamic simulation electrical machine

图1和图2分别为动模样机的定子绕组和转子绕组示意。如图1所示，定子绕组采用“1-23”的分支分组方法，其定子侧主保护配置为完全纵差保护、零序电流型横差保护和裂相横差保护，由此可使用零序横差电流和裂相横差电流构成转子绕组新型主保护方案，其保护算法区别于定子绕组主保护方案。

图1 动模样机的定子绕组及其横差保护配置示意

Fig.1 Schematic diagram of stator winding and transverse differential protection configuration for the dynamic simulation electrical machine

图2 动模样机的转子绕组抽头

Fig.2 Rotor winding taps of the dynamic simulation electrical machine

1.3 定子绕组横差电流计算

转子绕组新型主保护方案在动模样机上采样的4个横差电流构成如式（2）和式（3）所示，由专为横差保护配置的TA进行采样，采样频率为1.2 kHz。

式中：i_ztd为零序横差电流；i_stdΦ为A、B、C三相的裂相横差电流，即Φ=A，B，C；i_Φ1、i_Φ2、i_Φ3分别代表定子某一相第1分支、第2分支和第3分支的电流。

计算定子侧横差电流总有效值并以三角函数形式的傅里叶级数展开，得到谐波分量的总有效值，以体现定子横差电流中谐波环流的含量。

横差电流的总有效值I_rms为

式中：i_td为横差电流；k为电流采样点的编号；N为一个数据窗内采样点的总个数。

展开横差电流三角函数形式的傅里叶级数，得到第m次谐波分量的有效值I_m，其中m=1得到的I₁为横差电流基波分量的有效值。

用求平均值法得到横差电流的直流分量I_dc为

在总有效值中扣除基波分量和直流分量，将余下的所有有效值分量整体表示为I_THD，即横差电流的谐波总有效值。

1.4 转子绕组新型主保护判据实现

转子绕组新型主保护方案的动作方程采用式（8）中的比率制动判据：定义比率制动判据的差动量I_diff=I_THD。为区分转子绕组内部故障与定子绕组内部故障，取制动量I_res=I₁。当定子绕组发生内部短路时，制动量横差电流基波分量的有效值明显增加。比率制动的折线方程为

式中：I_op为保护的动作电流；I_set为保护启动电流定值；K_set为比率制动斜率。

保护动作判据为：当I_diff＞I_op且持续时间超过保护的延时定值（T_set）时，保护跳闸。图3为式（8）所对应的保护动作特性曲线。

图3 转子绕组新型主保护动作特性

Fig.3 Operation characteristics of the new main protection for the rotor winding

新型主保护方案应用在12 kW交流励磁样机上时的定值如表2所示，其中启动电流定值和比率制动斜率根据动模样机实际运行时各个工况下对应的最大不平衡值进行整定。表2中，裂相横差电流判据的启动电流定值为标幺值，零序横差电流判据的启动电流定值为二次有名值。

表2 新型主保护方案在动模样机上的定值

Table 2 Setting value of the new main protection scheme on the dynamic simulation electrical machine

原标题：清华大学白珈宁等｜可变速抽蓄机组转子绕组新型主保护方案性能分析

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