電廠發(fā)電機變壓器保護原理及繼電保護方式研究

李宇豪

摘 要：電廠運行狀況決定著社會用電質量，這也成了我國現(xiàn)代化建設中的關鍵內容。尤其是在當前用電量逐漸提升的趨勢下，對于電廠生產提出了更高的要求。發(fā)電機是電廠的核心設備，變壓器性能影響電廠的生產效率與質量，也是決定能否滿足社會用電需求的重要因素。隨著科學技術的不斷發(fā)展，繼電保護裝置的性能得到了明顯提升，為電廠高效運轉奠定了基礎。本文將通過分析電廠發(fā)電機變壓器繼電保護的必要性與保護原理，探索電廠發(fā)電機變壓器繼電保護方式，為設備的維護與檢修工作提供參考與建議。

關鍵詞：電廠發(fā)電機;變壓器;繼電保護原理;方式

中圖分類號：TV734 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0154-02

電廠發(fā)電機變壓器繼電保護裝置的運維工作，是電廠的重要工作之一，需要以電廠實際生產狀況為依據(jù)，對低壓過流保護、后備保護、過激磁保護和零序過電流保護等進行深入分析和研究，以制定科學的繼電保護方案。變壓器流量、溫度和壓力等參數(shù)，能夠在繼電保護設備中得到充分體現(xiàn)，為變壓器的正常運行奠定基礎。當變壓器發(fā)生故障時，繼電保護裝置對故障進行有效控制，防止故障范圍的擴大化，以實現(xiàn)變壓器設備的保護。與此同時，繼電保護裝置的運用，也為發(fā)電機變壓器的故障排除與維護提供了幫助，大大提升了運維工作效率。加強對發(fā)電機變壓器保護原理和保護方式的研究，能夠實現(xiàn)繼電保護裝置的不斷改進與完善，充分發(fā)揮其在變壓器中的有效功能，為電廠正常運轉奠定基礎。

1 電廠發(fā)電機變壓器繼電保護的必要性

在電廠的日常生產工作中，發(fā)電機變壓器是其核心設備，電廠生產效率和電力系統(tǒng)運行可靠性，都與發(fā)電機變壓器的運行狀況直接相關。繼電保護裝置能夠在保障發(fā)電機運行安全性與穩(wěn)定性的同時，促進其輸出性能的優(yōu)化，保障各項工作的順利進行。如果發(fā)電機故障被繼電保護裝置檢測到，故障機組就會被及時切斷，可以避免故障范圍的擴大化，最大限度降低對電廠運行的影響[1]。電能從電廠輸送至用戶的過程中，變壓器發(fā)揮著至關重要的作用，能夠滿足不同用戶對電壓的差異性需求。應該以變壓器的實際工作狀況為依據(jù)，選擇合理的繼電保護方式，以提升變壓器性能。

2 電廠發(fā)電機變壓器保護原理

2.1 定子接地繼電保護原理

相間短路、匝間短路和兩點接地短路等狀況的發(fā)生，是由于電廠發(fā)動機變壓器定子單相接地引發(fā)的。變壓器甚至整個電廠的運行狀況，都會受到變壓器短路狀況的影響，導致電廠生產效率降低，降低變壓器運行安全性。高阻通常設置于定子接地繼電保護的中性點，暫態(tài)過電壓會通過變壓器進行有效限制，實現(xiàn)統(tǒng)一保護系統(tǒng)的建立。那么變壓器定子單相接地故障出現(xiàn)時，變壓器就可以受到有效保護，防止故障范圍的擴大引發(fā)的電力事故。

2.2 繼電保護的原則

電能由動能和水位能轉化而來，水流狀況和地形狀況等因素，會對發(fā)電形式產生影響，這也是導致火電廠和水電廠發(fā)電差異的主要原因。發(fā)電機和變壓器的接線連接，是水電廠發(fā)電的主要形式，20MW-100MW為發(fā)電機的容量范圍，一般比火電廠的發(fā)電機容量小。為了保障一臺變壓器能夠與多臺發(fā)電機進行有效連接，可以在繼電保護中采用擴大單元接線的方式，并由斷路器在母線上進行并聯(lián)處理。

2.3 電廠發(fā)電機變壓器保護配置

（1）發(fā)電機定、轉子保護配置。轉子接地保護和定子接地保護，是發(fā)電機定、轉子保護配置的兩種主要形式。在進行定子接地保護配置時，發(fā)電機大部分定子繞組的接地保護由基波零序電壓實現(xiàn)，中性點附近定子繞組的接地保護由三次諧波電壓實現(xiàn)。為了滿足發(fā)電機對于保護配置的要求，應該對定子獨立出口回路進行確定，因此需要對三次諧波和零序電壓進行分析和研究[2]。當一點接地故障出現(xiàn)在勵磁回路當中，故障未發(fā)生在發(fā)電機中，二點接地會導致發(fā)電機故障，此時就應該采用轉子保護配置。繼電保護裝置能夠對一點接地故障位置進行判斷，并對接地電阻進行計算，以便于工作人員進行及時處理。（2）變壓器的繼電保護配置。廠用變壓器和主變壓器是電廠變壓器的兩種主要類型。零序、差動、溫度升高、重瓦斯、低壓側接地、溫度過高和低壓過流等，是主變壓器繼電保護配置的主要組成。保護配置中設置差動速斷保護和間隙零序過流，能夠對主變壓器起到良好的保護作用。在主變壓器繼電保護配置與廠用變壓器繼電保護配置的管理中，以工控機作為單元管理機，能夠實現(xiàn)外部接線流程的優(yōu)化。為了便于維護和管理保護裝置，可以拆除廠用變壓器繼電保護中高壓開關柜中的保護配置。在主變壓器保護屏附近安裝原來的保護屏，實現(xiàn)單元管理機的共用，滿足變壓器運行需求的同時，能夠降低繼電保護配置成本，有利于提升電廠的經濟效益。

3 電廠發(fā)電機變壓器繼電保護方式

3.1 電廠發(fā)電機變壓器故障分析

轉子繞組故障和定子繞組故障，是電廠變壓器常見的兩種運行故障，其中轉子繞組故障又包括了轉子繞組二點接地、一點接地和轉子繞組匝間短路等，定子繞組故障又包括了接地故障和相間短路等等。三相超負荷狀況會由于超額定電容而發(fā)生，發(fā)電機過電流狀況會由于不對稱短路而發(fā)生，此外還包括了繞組過電流等運行狀態(tài)。接地保護、短路保護和異常運行保護，是發(fā)電機變壓器繼電保護裝置的三種主要保護形式。將后備保護裝置、主保護裝置和異常運行保護裝置安裝于發(fā)電機和變壓器中，跳閘線圈出口和直流電源都具備獨立性，能夠對電廠發(fā)電機變壓器進行有效保護，確保電廠設備運行的安全性與穩(wěn)定性。

3.2 短路故障的主保護

電力系統(tǒng)中較大短路電流的出現(xiàn)，往往是由電廠變壓器定子繞組和輸出端的相間短路、接地短路引發(fā)，嚴重時會對變壓器造成損毀，導致重大電力事故的發(fā)生，不利于電廠生產工作的順利開展。橫差保護法和縱差保護法，是解決上述故障的兩種主保護方式。對于發(fā)電機定子繞組匝間短路的情況，橫差保護法能夠起到有效作用，主要是利用支路電流差的反應，以兩種接線方式實現(xiàn)保護。若定子繞組可以實現(xiàn)多個中性點的引出，可以將零序電流互感器設置于中性點引出線，實現(xiàn)多元件橫差保護或者單元件橫差保護[3]。對于發(fā)電機內部短路狀況，縱差保護能夠起到有效作用。對于短路線路的切斷，縱差保護能夠做到無延時，對于發(fā)電機的系統(tǒng)振蕩和過負荷也不會產生影響，及時防止短路故障造成的大面積電力事故。尤其是在1MW以上的發(fā)電機保護中，縱差保護能夠發(fā)揮關鍵作用。

3.3 短路故障的后備保護

定子繞組過負荷保護法、低壓過電流保護法、轉子負序電流保護法和次同步過電流保護法，是電廠發(fā)電機變壓器短路故障后備保護的四種主要類型。在變壓器長期超負荷運行中，會出現(xiàn)溫度過高的問題，定子繞組過負荷保護法的運用，能夠防止電路元件由于溫度過高而出現(xiàn)損壞;在變壓器周圍設備的后備保護中，低壓過電流保護法能夠發(fā)揮關鍵作用;轉子內部零件會由于三相負荷不平衡和電力系統(tǒng)短路狀況而出現(xiàn)燒毀問題，轉子負序電流保護法能夠有效避免上述問題的產生，是保障電廠發(fā)動機變壓器高效運轉的重要保護方式;針對變壓器變頻啟動中繞組的短路故障，次同步過電流保護法能夠起到良好的保護作用。

3.4 接地故障保護

較強的瞬間電流會由于變壓器的接地故障而產生，對于變壓器內部器件造成嚴重損毀，引發(fā)電力事故，導致電廠生產中存在較大的安全隱患。與此同時，弧光過電壓也是由于接地故障引發(fā)的，損毀變壓器絕緣位置，引起相應的短路故障，給工作人員的維護與檢修帶來困難。轉子接地保護和定子繞組接地保護，是解決電廠發(fā)電機變壓器接地故障的主要保護方式。應用定子繞組95%接地保護的方式，電流元件的運行能夠由流過中性點的電流所帶動，實現(xiàn)變壓器的有效保護。我國對于定子繞組95%接地保護的研究尚處于起步階段，因此存在諸多限制性因素，因此就需要應用定子繞組100%接地保護對容量大于100MW的發(fā)電機進行保護[4]。為了確保工作人員能夠及時發(fā)現(xiàn)接地故障，還需要建立高效的預警系統(tǒng)，當接地故障發(fā)生時能夠及時切斷電源，防止故障范圍的擴大化，最大限度保障電廠設備的安全性。

4 電廠發(fā)電機變壓器繼電保護的發(fā)展方向

4.1 微機化

微機保護硬件性能提升，有賴于計算機技術的不斷發(fā)展。元件與機械設備的體積逐漸變小，芯片功能更加豐富多樣。32位CPU是我國電廠發(fā)電機變壓器繼電保護配置的核心構件，不僅能夠實現(xiàn)空間的優(yōu)化，而且其強大的信息處理能力和儲備管理能力，也能夠提升繼電保護配置的管理效率，促進電廠生產工作的順利進行。繼電保護配置的運維與檢修工作也更加容易開展，保障電廠設備的安全性。

4.2 網絡信息化

信息化時代已悄然來臨，社會各個行業(yè)借助于網絡信息技術的優(yōu)勢，逐步實現(xiàn)了產業(yè)結構的轉型升級，為生產效率的提升奠定了基礎。電廠發(fā)電機變壓器繼電保護也應加強網絡信息技術的運用，提升用電安全性的同時，滿足社會日益增長的用電需求。發(fā)電機變壓器故障位置、故障類型與原因的判斷等，都可以借助于網絡信息技術實現(xiàn)，有助于技術人員及時對故障進行處理，防止故障范圍的擴大化[5]。與此同時，在信息數(shù)據(jù)的采集工作中，網絡信息技術也能夠提升其高效性與精確性，明確了解發(fā)電機變壓器的運行狀況，通過可靠的信息數(shù)據(jù)建立完善的管理體系，實現(xiàn)電廠資源的優(yōu)化配置。

4.3 智能化

在電廠管理工作中，智能化技術的運用逐漸廣泛。尤其是以非線性映射為基本原理的神經網絡，能夠大大提升繼電保護配置運行故障的檢測與解決效率。對于發(fā)電機變壓器運行故障的定位、分析與解決方案的提出，專家系統(tǒng)能夠起到關鍵作用，通過數(shù)據(jù)庫的建立，能夠為故障的預防和檢測提供保障。

4.4 多功能一體化

在電廠發(fā)電機變壓器繼電保護系統(tǒng)中，計算機管理系統(tǒng)功能呈現(xiàn)一體化發(fā)展趨勢。實時監(jiān)測電廠發(fā)電機變壓器的運行狀態(tài)，并對相關異常參數(shù)進行獲取與分析，為工作人員及時處理故障奠定基礎。多功能一體化的發(fā)展，是提升繼電保護效率的重要途徑。

5 結語

隨著電力需求的持續(xù)增長，發(fā)電機變壓器在電廠中的重要性越來越突出，只有加強其繼電保護原理與方式的研究，才能夠逐步提升其保護性能，防止各類故障引發(fā)的電力事故。未來發(fā)電機變壓器繼電保護會朝著微機化、智能化、網絡信息化和多功能一體化方向發(fā)展，應該加強技術與設備的引進，逐步提升繼電保護裝置的性能，為電廠生產工作奠定基礎。

參考文獻

[1] 黃旭.水電廠發(fā)電機變壓器保護原理及繼電保護措施[J].通訊世界，2018（10）：210-211.

[2] 康逸群，游力，李震宇，宋楊.大型發(fā)電機變壓器組繼電保護配置分析[J].湖北電力，2018，42（2）：32-35+40.

[3] 宋連會.水電廠發(fā)電機變壓器保護原理及繼電保護方式探討[J].中國高新技術企業(yè)，2016（26）：116-117.

[4] 劉維鋒，杜成康，金啟超，等.電廠發(fā)電機變壓器組保護的改造[J].電力自動化設備，2006（10）：117-119.

[5] 代瑩.發(fā)電機變壓器保護原理分析及整定計算軟件開發(fā)研究[D].華中科技大學，2006.