5. 桂林, 王祥珩. 水轮发电机不同定子绕组形式对主保护性能影响的分析. 大电机 技术, 2008, 09期
6. 桂林, 王祥珩. 再议偶数多分支水轮发电机主保护的优化设计（《电力系统自动
化》已录用） 7. 王祥珩, 桂林. 大型发电机定子绕组内部故障主保护配置方法. 中华人民共和国
国家知识产权局, ZL 2004 1 0009219.4, 中国, 2008/2/27 8. 李正茂, 刘立红, 袁志鹏, 李立, 桂林. 700MW水轮发电机继电保护配置研究及
• 主保护设计则是“折衷解决电气一次/二次之间的矛盾”；
• 两者相辅相成，共同促进巨型水轮发电机定子绕组综合优化设计方法的
发展与完善。
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4 项目研究成果目录
1. 桂林, 王祥珩. 向家坝和溪洛渡水电站发电机主保护设计总结. 电力自动化设备, 2010, 30(7): 30-33
2. 桂林, 王祥珩. 叠绕组水轮发电机内部故障特点与主保护性能分析. 电力系统自
巨型水轮发电机定子绕组综合 优化设计方法的研究
清华大学电机系
桂林
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0 项目研究背景
• 大型发电机主保护的定量化设计方法已在水电领域得到推广应用；在全 面的内部短路分析计算的基础上，经定量化设计过程已完成国内外60座水 电站300余台发电机主保护的设计工作。
• 但在工程实践中也发现某些绕组形式的发电机难以取得令人满意的保护
果均验证了该观点。
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3.2 对于叠绕组发电机设计规则的总结
• 提出高转速发电机（包括抽水蓄能机组）采用叠绕组能够取得电机设计和 主保护设计“双赢”的目标——既实现了抑制转子偏心振动的目的、又取得 了优异的保护性能，但对于低转速发电机应慎用；
• 天阿设计制造的鲁德巴（2×230MW、20极）和梨园（4×600MW、64极）发 电机的主保护设计实例则验证了上述观点，两台发电机均采用叠绕组，其中 性点引出方式及主保护配置方案也相同，但最终取得的保护性能却相差悬殊， 前者的保护死区仅占内部故障总数的0.3%，后者却高达13.7%。
动化, 2010, 34(7): 70-74 3. 桂林, 王祥珩. 巨型水轮发电机定子绕组设计建议——由发电机主保护定量化设
计引出的反思. 电力系统自动化, 2009, 33(4): 45-48 4. 桂林, 王祥珩. 每相2分支水轮发电机主保护设计特点. 电力自动化设备, 2009, 28(12): 1-5
• 但在进行主保护设计时要密切注意发生在相近电位的同相不同分支匝间短 路的分布特点，通过分支分组有针对性将上述故障分支分到不同的支路组中， 可进一步提高主保护性能。
• 小湾、构皮滩DEC、金安桥、锦屏二级、糯扎渡、大岗山、观音岩TAH、紫
坪埔、龙口、大盈江四级、泸定、阿海、沐若等水电站发电机主保护设计结
电机“抑制电磁振动”的目标？值得在国家自然科学基金的支持下做进一步
的研究。
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3.4 定子绕组综合优化设计方法的推广应用
• 东方电机有限公司在糯扎渡DFEM（6×650MW）和大岗山（4×650MW）发电机绕组设 计变更时由“全波绕组”改为“半波绕组”就是上述研究思路的具体体现，既实现 了抑制转子偏心振动的目的，又没有过多地增大保护死区，实现了一次和二次专业 目标的“双赢”。
• 从天津阿尔斯通水电设备有限公司在锦屏二级、梨园和观音岩三个电站600MW发电 机定子绕组形式选择的变化中（波绕-->叠绕-->波绕），可以看出电机设计与主保 护设计工作的相辅相成将取得“双赢”的目标。
• 电机设计人员参与主保护设计过程又促进了主保护设计方法的发展与完善，即叠
绕组/偶数多分支水轮发电机主保护的设计过程不同于波绕组/偶数多分支发电机。
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3.4 定子绕组综合优化设计方法的推广应用（续前）
“一次要为二次创造条件”
电气二次 （保护）
保护 性能 校核
发电机 中性点侧 引出方式
和分支 分组方法
发电机 定子绕组
的综合 优化设计
电气一次 （发电机）
“二次服务于一次”
• 电机设计是“从源头上解决问题”——在提高发电机主保护性能的同时 减少设计计算的工作量；
应用. 中国电力科学技术二等奖, 证书号: 2010-2-22-G05
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谢谢大家！
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与相关单位合作，对国内所有单机容量600MW及以上的 水电站均进行过类似设计工作：
性能，给发电机的安全运行带来隐患，这就引申而来本基金研究的目标。
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1 项目研究内容和目标
本项目的研究内容是巨型水轮发电机定子绕组综合优化设计方法的研究， 研究目标包括巨型水轮发电机常用主保护方案不能动作故障类型的分析与总结， 不同连接形式定子绕组中继电保护动作死区存在几率的理论分析与推导，巨型 水轮发电机定子绕组综合优化设计规则的提炼与归纳，以完成对电机绕组设计 理论的创新和补充（绕组形式—故障特点）。
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3.3 对于“半波绕组”发电机设计规则的总结
• 提出通过正、负相带线圈归属及连接顺序的改变来实现“抑制电磁振动” （电机设计的要求）和“改善发电机内部故障特点”（主保护设计的要求） 的“综合优化”目标。
• 通过合理选择分支电势的构成形式可以避免同槽故障中小匝数同相同分支 匝间短路的存在。
• 如何在“改善发电机内部故障特点”的基础上实现分数槽“半波绕组”发
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3
2 项目研究的难点和关键问题
• 本项目提出了通过合理选择定子绕组形式，兼顾电机设计和继电保护的 要求，在绕组设计阶段就力求减少继电保护的动作死区，从电机设计角度 为发电机主保护性能的显著提高创造条件；
• 难点是如何取得电机设计与主保护设计“双赢”的目标，在不改变发电
机电磁性能的前提下完成定子绕组形式的优化设计，并服务于工程实践。
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3 项目研究成果
• 对于“全波绕组”发电机设计规则的总结 • 对于叠绕组发电机设计规则的总结
• 对于“半波绕组”发电机设计规则的总结
• 巨型水轮发电机定子绕组综合优化设计方法的推广应用
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3.1 对于“全波绕组”发电机设计规则的总结
• 从电机设计角度，提出巨型水轮发电机定子绕组应优先选择整数槽“全波 绕组”，因为该绕组形式避免了小匝数同相同分支