關(guān)于水電站發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)的探討

羅文雄

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣州 510000)

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關(guān)于水電站發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)的探討

羅文雄

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣州 510000)

水電站發(fā)電機(jī)變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行直接影響著整個水電站的穩(wěn)定運(yùn)行，有效的做好水電站發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)工作對維持水電站的穩(wěn)定有著非常重要的意義。文章結(jié)合海南瓊中抽水蓄能電站(3×200MW)的電氣專業(yè)監(jiān)理工作經(jīng)驗及可行性研究報告資料，主要講述了水電站繼電保護(hù)的一些具體要求，以及發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)的具體設(shè)計原則以及配置方案。

水電站；發(fā)電機(jī)；變壓器；繼電保護(hù)；探討

水電站發(fā)電機(jī)變壓器在運(yùn)行過程中不可避免的會出現(xiàn)一些故障，因此需要我們根據(jù)水電站繼電保護(hù)的實(shí)際情況，對水電站發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)置，從而使水電站在投入使用之后可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 水電站繼電保護(hù)的具體要求

1.1 設(shè)計原則

水電站在進(jìn)行繼電保護(hù)設(shè)計時，要根據(jù)變電站實(shí)際情況來進(jìn)行合理的配置，在進(jìn)行具體的設(shè)計時需要在《電力裝置的繼電保護(hù)和自動裝置設(shè)計規(guī)范》以及《水電廠繼電保護(hù)設(shè)計導(dǎo)則》等一些相關(guān)的設(shè)計文件的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，需要滿足繼電保護(hù)設(shè)計規(guī)范提出的設(shè)計要求。

1.2 技術(shù)保障

現(xiàn)階段我國的水電站繼電保護(hù)相關(guān)法規(guī)規(guī)定，對220kV的線路進(jìn)行保護(hù)時，不能采用單一保護(hù)法，而是應(yīng)該采用多種不同的保護(hù)方式，其中包括線路保護(hù)，開關(guān)保護(hù)以及母線保護(hù)等。一定注意保護(hù)裝置需要在即使相關(guān)元件發(fā)生損害的情況下也可以發(fā)揮作用，在發(fā)現(xiàn)電路出現(xiàn)問題的時候能夠在最快速的時間內(nèi)發(fā)生報警，并且要保證保護(hù)裝置報警的準(zhǔn)確性。

2 線路繼電保護(hù)，變壓器以及發(fā)電機(jī)

對水電站220kV線路繼電保護(hù)裝置的功能應(yīng)該包含有短引線保護(hù)，過電壓保護(hù)，零序過流保護(hù)，相間距離保護(hù)，接地距離保護(hù)以及光纖差動保護(hù)，對于母線的保護(hù)裝置需要采取母差保護(hù)的方法，對于開關(guān)的保護(hù)裝置功能需要包括死區(qū)保護(hù)，充電保護(hù)，失靈保護(hù)以及自動重合閘。其中具體的保護(hù)措施為，主保護(hù)為光纖電流差動保護(hù)，同時并不需要進(jìn)行獨(dú)立后備距離保護(hù)的配置。保護(hù)措施采用的通道是雙光纖通道，任何一套保護(hù)都需要分為兩路，一路是復(fù)用2M的迂回光纖帶路，另一路是專用光纖通道。每條線路的兩側(cè)都需要配備有兩套遠(yuǎn)方的跳閘就地判斷裝置，其中需要包含有過電壓保護(hù)，這樣就可以對遠(yuǎn)跳回路及時的判別，還可以實(shí)現(xiàn)對過電壓進(jìn)行及時的遠(yuǎn)方發(fā)信。用母線差動保護(hù)作為水電站發(fā)動機(jī)繼電保護(hù)的主保護(hù)，同時母線差動保護(hù)需要和開關(guān)失靈保護(hù)裝置相互配合共同實(shí)現(xiàn)失靈聯(lián)跳的功能。

水電站的主變壓保護(hù)裝置應(yīng)該具備有壓力釋放保護(hù)，重瓦斯保護(hù)，縱差保護(hù)這3項，后備保護(hù)裝置則需要由零序過電流保護(hù)以及低壓過流保護(hù)這兩種保護(hù)，變壓器繼電保護(hù)的異常運(yùn)行保護(hù)裝置則需要由輕瓦斯保護(hù)，過激磁保護(hù)以及過負(fù)荷保護(hù)。

以海南瓊中抽水蓄能電站為例，其保護(hù)裝置就是按照異常運(yùn)行保護(hù)，接地保護(hù)以及短路保護(hù)這3種保護(hù)裝置的配置原則進(jìn)行保護(hù)裝置的設(shè)置，其中短路保護(hù)裝置的主要保護(hù)甚至包括有繞組匝間橫差保護(hù)以及縱差保護(hù)。接地保護(hù)裝置包含有轉(zhuǎn)子一點(diǎn)的接地保護(hù)，100%的定子接地保護(hù)以及95%的定子接地保護(hù)。異常保護(hù)裝置則包括軸電流保護(hù)，過電壓保護(hù)以及失磁保護(hù)。

3 水電站發(fā)動機(jī)保護(hù)的裝置及設(shè)計原則

現(xiàn)階段我國的大部分水電站發(fā)電機(jī)經(jīng)常遇到的一些運(yùn)行故障主要為2種，①定子繞組故障，具體包括有匝間故障，接地故障以及相間短路故障。②轉(zhuǎn)子繞組故障，具體包括有轉(zhuǎn)子繞組匝間出現(xiàn)短路故障，轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)一點(diǎn)接地或者是兩點(diǎn)接地故障。水電站發(fā)電機(jī)處在異常狀態(tài)時的表現(xiàn)為，由于外部出現(xiàn)短路造成三項對稱過負(fù)荷，由于外部出現(xiàn)不對稱短路或者出現(xiàn)不對稱負(fù)荷造成水電站發(fā)動機(jī)發(fā)生負(fù)序過電流，由于突然發(fā)生的甩負(fù)荷導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組超過負(fù)荷，由于水輪機(jī)球閥發(fā)生突然性的關(guān)閉造成發(fā)電機(jī)出現(xiàn)逆功率等[1]。

一般情況下如果是大機(jī)組，保護(hù)裝置會包含有異常運(yùn)行保護(hù)，接地保護(hù)以及短路保護(hù)這3項部分。對于發(fā)電機(jī)功率在200MW之上以及不低于220kV的變壓器，應(yīng)該采用的最合適的保護(hù)裝置為異常運(yùn)行保護(hù)，后備保護(hù)以及主保護(hù)三位一體的微機(jī)繼電保護(hù)裝置，其中任何一套保護(hù)裝置都需要有獨(dú)立的電流互感器以及直流電源，同時還需要有單獨(dú)分開的跳閘線圈出口。另外，如果短路故障是發(fā)生在保護(hù)區(qū)域以內(nèi)，還需要加設(shè)短路保護(hù)措施，這樣可以有效的降低由于短路故障帶來機(jī)組帶來的損害[2]。

3.1 發(fā)生短路故障需要采取的主保護(hù)

水電站發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組短路，輸出端由于相間發(fā)生相間短路或者是發(fā)生接地短路，這些故障都會產(chǎn)生非常大的短路電流，從而將發(fā)電機(jī)線圈以及一些其他的零件燒壞，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)的整個內(nèi)部結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重的破壞。因此對于這種短路故障采取的保護(hù)方法一般為縱差保護(hù)法或者是橫差保護(hù)法，橫差保護(hù)法需要在定子繞組匝間進(jìn)行[3]。

3.2 發(fā)電機(jī)發(fā)生短路故障需要采取的后備保護(hù)

一般情況下，后備保護(hù)方法包含有低壓過流保護(hù)法、次同步過流保護(hù)法，定子繞組保護(hù)以及負(fù)序電流保護(hù)這4種方法。其中轉(zhuǎn)子負(fù)序電流保護(hù)法主要保護(hù)的是三項負(fù)荷不平衡的原因?qū)е罗D(zhuǎn)子發(fā)生傷損以及電力系統(tǒng)發(fā)生短路這兩種故障情況。定子繞組過負(fù)荷保護(hù)主要負(fù)責(zé)的是因為發(fā)電器長期處于運(yùn)作發(fā)生過熱情況的保護(hù)，通過定子繞組負(fù)荷保護(hù)裝置可以有效的防范發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生的短路故障。次同步電流保護(hù)主要負(fù)責(zé)的是發(fā)電機(jī)在進(jìn)行變頻啟動時由于定子繞組出現(xiàn)的短路情況。低壓過流保護(hù)則主要負(fù)責(zé)發(fā)電機(jī)和發(fā)電機(jī)周邊其他設(shè)備的一些具體后備保護(hù)[4]。

3.3 接地故障的保護(hù)

發(fā)電機(jī)接地故障不僅會產(chǎn)生較大的電容電流給發(fā)電機(jī)的運(yùn)行帶來隱患，同時還會導(dǎo)致出現(xiàn)接地弧光過電壓，從而導(dǎo)致發(fā)電器其他部位的損壞?，F(xiàn)階段接地故障的保護(hù)措施注意包含有轉(zhuǎn)子接地保護(hù)方式以及定子繞組接地保護(hù)方式。

4 變壓器繼電保護(hù)的裝置以及設(shè)計原則

4.1 變壓器經(jīng)常遇到的故障

變壓器經(jīng)常發(fā)生的故障按照發(fā)生位置的不同，可以分為油箱內(nèi)故障以及油箱外故障。①油箱外故障具體是指，變壓器繞組的引出短線以及引出絕緣套管上發(fā)生的故障，包含有低壓側(cè)的接地故障，大電流側(cè)的接地故障以及相間的短路故障。②油箱內(nèi)故障具體是指同向部分繞組出現(xiàn)匝間短路，大電流系統(tǒng)側(cè)不同的點(diǎn)相出現(xiàn)接地短路現(xiàn)象以及各側(cè)相間短路。變壓器不僅僅包含有油箱內(nèi)故障以及油箱外故障，在實(shí)際的變壓器運(yùn)行中，還會經(jīng)常性出現(xiàn)系統(tǒng)故障，由于一些其他因素導(dǎo)致出現(xiàn)負(fù)荷故障，由于系統(tǒng)的頻率發(fā)生降低或者是系統(tǒng)的電壓發(fā)生增高產(chǎn)生的激磁，從而導(dǎo)致變壓器中性點(diǎn)的電位得到上升，油箱內(nèi)部油位超出正常的范圍，嚴(yán)重的會導(dǎo)致變壓器由于溫度過高出現(xiàn)全面停運(yùn)狀況。

4.2 水電站變壓器的保護(hù)裝置

變壓器一旦發(fā)生短路現(xiàn)象，很快就會產(chǎn)生大量的非常大的短路電流，這些電流會導(dǎo)致變壓器的溫度持續(xù)升高，溫度過高時會導(dǎo)致變壓器的繞組以及變壓器的鐵心直接被燒毀，造成不可避免的損失。如果變壓器發(fā)生故障的地方是在油箱內(nèi)部，那么和電弧緊密相隨的短路電流還有可能會引發(fā)火災(zāi)等問題。另外，發(fā)生短路電流還會形成電動力，電動力會導(dǎo)致變壓器的形狀發(fā)生變樣甚至是被損毀。同時變壓器如果處在異常運(yùn)行的狀態(tài)下也會導(dǎo)致變壓器的安全受到一定的威脅，需要人們及時的發(fā)現(xiàn)安全隱患并且今早處理。

為了能夠有效的保障變壓器的運(yùn)行安全，盡量的控制變壓器發(fā)生故障的頻率，有效的將變壓器發(fā)生故障造成的損害降到最低，需要在一旦變壓器發(fā)生短路時，就立刻將變壓器切斷。一旦變壓器的運(yùn)行出現(xiàn)故障，則需要快速報警并且對其進(jìn)行處理。

大型變壓器一般情況下采用縱差保護(hù)的方式，保護(hù)系統(tǒng)包括的元件有TA斷線信號元件，過激磁閉鎖元件，差動速斷元件，涌流閉鎖元件以及分項差動元件等。在具體的縱差保護(hù)裝置中，為了能夠有效的保證內(nèi)部故障的應(yīng)變靈敏度不受影響，從而達(dá)到有效避免電流故障的目的，可以采用依靠比率來進(jìn)行制定的差動元件。

當(dāng)變壓器處在正常運(yùn)行的狀態(tài)或者是變壓器外部發(fā)生故障時，流出變壓器的電流以及流入變壓器的電流一般情況下處于相同狀態(tài)，縱差保護(hù)系統(tǒng)不會被觸發(fā)。只有在變壓器出現(xiàn)內(nèi)部故障或者是處在異常運(yùn)行的狀態(tài)下時，則僅僅只存在流進(jìn)變壓器的電流而不存在流出變壓器的電流，前提是并不考慮負(fù)荷電流造成的影響，在這種話情況下縱差保護(hù)系統(tǒng)將會被觸發(fā)運(yùn)作，將變壓器切除，從而有效的保障變壓器的安全。

現(xiàn)階段在水電站變壓器保護(hù)裝置中，主要包含有差動速斷元件，過激磁閉鎖元件以及涌流閉鎖元件這三種，分別負(fù)責(zé)變壓器的切除工作，有效的避免縱差保護(hù)勿動以及有效的避免勵磁涌流。

5 結(jié) 語

綜上所述，變壓器繼電保護(hù)裝置的有效性以及合理性可以保障變壓器的穩(wěn)定運(yùn)行，從而保證整個水電站的正常運(yùn)行。因此在進(jìn)行水電站發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)裝置的設(shè)計時需要根據(jù)水電站的實(shí)際工作情況，結(jié)合變壓器過激磁保護(hù)，低壓過流保護(hù)，零序過電流保護(hù)以及后備保護(hù)等多個方面，制定非常完備的繼電保護(hù)計劃，從而保障變壓器的有效運(yùn)行。

[1]王喜志.水電站發(fā)電機(jī)及變壓器繼電保護(hù)的設(shè)計原則與配置方案[J].自動化應(yīng)用,2014,4(11):69-71,100.

[2]林金新.水電站發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)研究[J].科技風(fēng),2016,5(18):125.

[3]王鈺.淺議電氣設(shè)備發(fā)電機(jī)、變壓器繼電保護(hù)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2015,9(34):169.

[4]楊宏宇,徐鋼,單華，等.發(fā)電機(jī)失步保護(hù)和失磁保護(hù)整定計算的研究[J].電工技術(shù),2015,7(03):22-24,34.

1007-7596(2017)04-0101-02

2017-03-14

羅文雄(1983-)，男，廣東梅州人，工程師。

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