水電站變壓器保護的原理及發(fā)展探究

周 江

（國電四川民和水電投資有限公司 四川 成都 610041）

0 引言

經(jīng)過半個多世紀的努力，我國線路保護在理論、裝置制造和運行管理等方面都有了較高水平，但是元件保護卻不盡如人意，其研究、運行以及管理都與線路保護有較大差距。隨著三峽左岸發(fā)電機的并網(wǎng)發(fā)電和一批大型或特大型水電站的開工建設，發(fā)電機組單機容量朝著越來越大的趨勢發(fā)展，300MW及以上的大型發(fā)電機組已成為我國系統(tǒng)的主力設備。這些大型設備在各個基層廠站中能否可靠穩(wěn)定地運行，對整個電站乃至系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性具有非常重要的影響。因此，如何在熟悉保護原理的基礎上對大型發(fā)電機變壓器進行合理的保護配置和正確的整定計算以及提高元件保護的運行水平已成為一個十分重要的課題。

1 大型發(fā)電機變壓器保護的現(xiàn)狀及問題

大型發(fā)電機變壓器是電力系統(tǒng)重要組成部分，其保護的拒動或者誤動均將造成十分嚴重的后果。發(fā)電機變壓器運行特點和故障機理遠較線路復雜，其期待解決和完善的問題較多。

1990～1993年期間，220kV及以上主網(wǎng)保護的正確動作率在93.2%～94.28%，1994～1996年全國正確動作率平均達96.96%，其中10個網(wǎng)省局已達98.2%及以上。相對于主網(wǎng)保護，發(fā)變組保護遠沒有那么樂觀。在96年的全國繼電保護工作會議上專家指出，發(fā)電機變壓器保護的正確動作率普遍偏低，有的甚至30%～40%，最多不到70%。

1998～2002年間，隨著微機保護的不斷成熟以及大量推廣應用，發(fā)電機保護(含發(fā)變組)運行水平提高較快，保護不正確動作次數(shù)逐年減少，正確動作率不斷提高，運行情況得到較大好轉。100MW及以上發(fā)電機保護的平均正確動作率為96.98%。

2003年100MW及以上發(fā)電機保護正確動作率為97.02%，比2002年的正確動作率(98.32%)下降了1.3個百分點。其中，差動保護和接地保護的不正確動作次數(shù)較多。2004年全國電網(wǎng)交流系統(tǒng)全部繼電保護裝置正確動作率為99.88%。元件保護裝置正確動作率為90.16%，比2003年的正確動作率90.43%下降了0.27%。

造成發(fā)電機保護不正確動作的主要原因有運行維護管理方面的責任，有制造部門的責任，以及設計部門的責任等。其中誤整定是造成這種局面的一個重要原因。

2 發(fā)電機變壓器保護原理

電力變壓器是電力系統(tǒng)中使用相當普遍和十分重要的電氣設備，故障后將給系統(tǒng)運行帶來嚴重后果。根據(jù)繼電保護配置原則，變壓器應裝設主保護和后備保護。當主保護或有關斷路器拒動時，后備保護裝置應為被保護設備或相鄰設備提供后備保護作用。后備保護的保護區(qū)比主保護大，動作速度較慢，一般以過電流保護為主，配以其他電氣量作為輔助判據(jù)。后備保護要求較主保護低。

2.1 變壓器主保護

變壓器差動保護是變壓器的主保護。差動原理用于變壓器保護違反了差動保護只適用于被保護設備僅為線性電路的基本原理，使空載合閘勵磁涌流與內部故障難以區(qū)分。因此變壓器保護的發(fā)展史也就成為了一部變壓器勵磁涌流鑒別技術發(fā)展史。隨著超高壓輸電線路長度的增加、靜止無功補償容量的增大以及變壓器硅鋼片材料的改進，勵磁涌流的識別問題變得更為突出。

目前普遍采用的是比例制動方式和標積制動方式的差動保護來防止外部短路時不平衡電流所造成的誤動，兩種制動方式在原理上是完全統(tǒng)一的。對于防止勵磁涌流導致誤動的問題，目前應用較多的方案是電流波形特征識別法。該方法以勵磁涌流和內部故障電流波形特征的差異為依據(jù)，主要有二次諧波制動原理和間斷角原理差動保護。

另外，隨著人們研究領域的逐步擴大，研究層次的逐漸加深，產(chǎn)生的若干新興學科也為判別勵磁涌流提供了新的手段，其中有代表性的是神經(jīng)網(wǎng)絡和小波變換。然而，就目前發(fā)表的文獻看，這些新興手段也只是局限于對電流波形進行一些簡單的加工，所以仍屬于電流波形特征識別法的范疇。

2.2 變壓器后備保護及相關問題探討

隨著變壓器主保護的研究不斷取得進展，變壓器后備保護的研究和應用也日益引起人們的重視。對于變壓器后備保護來說，由于變壓器結構型式多樣，運行環(huán)境不盡相同，對后備保護的配置存在不同應用要求。變壓器短路故障后備保護主要包括相間短路后備保護和接地短路后備保護。

1）變壓器相間短路后備保護

（1）過流保護

用于降壓變壓器，動作電流應考慮電動機自啟動和變壓器可能出現(xiàn)最大過負荷時不誤動。

微機變壓器差動保護應當雙重化，兩套主保護互為后備，于是過流保護對變壓器內部故障的后備作用淡化，但還有對中、低壓母線及饋線故障的后備保護作用，所以過流保護還是必需的。

（2）復壓閉鎖過流保護

復合電壓閉鎖元件是利用正序低電壓和負序過電壓反映系統(tǒng)故障防止保護誤動作的對稱序電壓測量元件。

（3）負序過流保護和單相式低壓啟動過流保護

對于大型變壓器或大型發(fā)電機變壓器組常配置負序過流保護和單相式低壓啟動過流保護作為相間短路后備保護以滿足保護的靈敏度要求，尤其是滿足變壓器在不對稱短路時后備保護的靈敏度要求。

2）變壓器接地短路后備保護

變壓器高壓（110kV及以上）側單相接地短路應裝設后備保護，作為變壓器高壓繞組和相鄰元件接地故障主保護的后備。

220kV及以上的大型變壓器，高壓繞組均為分級絕緣，其中性點絕緣水平有2種類型：一類絕緣水平很低，其中性點必須直接接地運行；另一類絕緣水平較高，中性點可直接接地，也可在系統(tǒng)中不失去接地點的情況下不接地運行。當系統(tǒng)發(fā)生接地短路時，變壓器中性點就將承受中性點對地電壓、為了限制系統(tǒng)接地故障的短路容量和零序電流的水平，也為了接地保護本身的需要，有必要將220kV變壓器的部分中性點不接地運行。

3 結論

發(fā)電機變壓器保護原理多而復雜，而且隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，這些保護也面臨著機組及系統(tǒng)容量增大、電壓等級升高等許多新的問題。計算機及其相關技術的發(fā)展為繼電保護解決這些問題提供了廣闊前景；新的數(shù)學工具的出現(xiàn)，新的控制技術的不斷成熟，使得元件保護在原理上和實現(xiàn)上將比傳統(tǒng)保護有更多的創(chuàng)新和進展；信號處理、人工智能等相關科學的不斷進步，新的測量手段、技術的應用，也將使繼電保護的性能得到極大的提高：元件保護必然因此向智能化、網(wǎng)絡化方向高速發(fā)展。

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