電廠發(fā)電機變壓器保護原理及繼電保護方式研究

王昭杰

（國電建投內(nèi)蒙古能源有限公司布連電廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017200）

我國社會經(jīng)濟的發(fā)展與科學(xué)技術(shù)進步，推動了我國電力事業(yè)的不斷發(fā)展和電氣設(shè)備技術(shù)的不斷提升，同時為電力系統(tǒng)中電力設(shè)備的應(yīng)用及其質(zhì)量水平的提升提供了良好的支持。值得注意的是，隨著電力事業(yè)的發(fā)展，人們對電力能源的需求也在不斷增長，因此，為更好地滿足人們?nèi)找嬖鲩L的電力能源需求，就需要具有更高性能的電廠發(fā)電機和各種變壓器設(shè)備進行支持。其中，電廠發(fā)電機與變壓器的保護裝置是確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定工作和應(yīng)用的重要結(jié)構(gòu)部分，在整個電廠的正常生產(chǎn)和運行中具有十分重要的作用與影響。為此，下文將通過對電廠發(fā)電機變壓器的繼電保護重要性分析，結(jié)合其繼電保護的具體要求和目標任務(wù)，從電廠發(fā)電機變壓器的保護原理出發(fā)，對其繼電保護的主要方式及應(yīng)用進行研究，以供參考。

1 電廠發(fā)電機變壓器保護的重要性分析

電廠發(fā)電機變壓器保護，是以發(fā)電機變壓器等電力設(shè)備的正常工作和運行維持為主要目的，通過對電廠的重要電力設(shè)備安全與穩(wěn)定工作運行的有效維持，來確保電廠電力系統(tǒng)在生產(chǎn)與運行中的正常電力輸出，從而實現(xiàn)整個電網(wǎng)供電運行的安全性和可靠性支持。此外，電廠發(fā)電機的繼電保護具有較為突出的安全性、靈敏性、可靠性、選擇性與快速性特征，能夠在電廠生產(chǎn)運行中根據(jù)發(fā)電機的工作運行狀態(tài)，在發(fā)電機出現(xiàn)故障的情況下，通過繼電保護裝置在最短時間內(nèi)實現(xiàn)故障機組的快速切斷和處理，從而對周圍線路以及電廠發(fā)電機組的正常運行進行支持，為電廠的電力生產(chǎn)和運行提供支持。其中，電廠發(fā)電機繼電保護裝置在對故障發(fā)電機進行運行切斷，并對故障情況進行有效處理與恢復(fù)后，還能夠在電廠生產(chǎn)與運行中進行運行使用，對電廠生產(chǎn)和運行的經(jīng)濟效益以及社會效益提升提供有利的保障。由此可見，電廠發(fā)電機變壓器繼電保護不僅能夠?qū)Πl(fā)電機變壓器等重要電力設(shè)備的正常運行進行維持，而且在實現(xiàn)周圍線路以及電力設(shè)備的安全運行以及確保電力系統(tǒng)的電力正常輸出等方面，均具有十分重要的作用和意義，應(yīng)引起重視。

2 電廠發(fā)電機變壓器的繼電保護具體要求和任務(wù)

根據(jù)電廠發(fā)電機變壓器保護的重要性，在進行繼電保護裝置的設(shè)計和應(yīng)用中，需要結(jié)合電廠的實際情況，對發(fā)電機變壓器的繼電保護裝置進行合理配備和設(shè)計應(yīng)用，并且確保對繼電保護及其裝置設(shè)計與我國電力裝置繼電保護的設(shè)計規(guī)范要求相符合，從電廠繼電保護設(shè)計的基本原則出發(fā)，對其進行合理設(shè)計和布置應(yīng)用，從而確保繼電保護在電廠生產(chǎn)與電力系統(tǒng)運行中的功能和作用的發(fā)揮。此外，在對電廠發(fā)電機變壓器保護的設(shè)計中，根據(jù)當(dāng)前我國電廠繼電保護設(shè)計的有關(guān)要求和規(guī)定，以220kV 變電站線路的保護設(shè)計為例，在具體設(shè)計中應(yīng)避免采用單一保護模式進行設(shè)計和應(yīng)用，而是需要通過對多種不同保護方式的綜合設(shè)計與運用，即電力系統(tǒng)的線路保護以及母線保護、開關(guān)保護等，從而對電廠發(fā)電機變壓器保護需求進行滿足，并確保其各項保護設(shè)計與技術(shù)應(yīng)用可靠，能夠在相關(guān)元件受到損壞的情況下，仍能夠?qū)崿F(xiàn)對電氣設(shè)備與線路運行的有效保護，從而避免電力系統(tǒng)故障對電網(wǎng)供電運行以及電廠生產(chǎn)的不利影響。對電廠發(fā)電機變壓器的繼電保護設(shè)計和應(yīng)用中，還應(yīng)注意在電力系統(tǒng)的電路或設(shè)備出現(xiàn)故障時，能夠通過保護裝置中的報警提示系統(tǒng)，對其故障情況進行及時報警和提示，并確保報警提示信息的準確性，以滿足電廠發(fā)電機變壓器的保護需求。

電廠發(fā)電機變壓器保護裝置在電廠生產(chǎn)和運行中，以對供電系統(tǒng)的故障元件進行快速、準確的識別并進行隔離處理為主要目標和任務(wù)，從而實現(xiàn)對故障元件的危害和影響控制，降低其在電力系統(tǒng)供電運行中的破壞性作用，實現(xiàn)對電力系統(tǒng)正常供電與穩(wěn)定運行的有效支持。在電力系統(tǒng)的保護裝置設(shè)計與應(yīng)用過程中，一旦發(fā)現(xiàn)電力系統(tǒng)中某一元件或電氣設(shè)備的運行存在異常，就可以利用保護裝置對工作人員進行提醒，并在對故障元件及電氣設(shè)備的正確處理下，減小故障對電力系統(tǒng)安全和穩(wěn)定運行的不利影響。除上述功能及作用外，電廠發(fā)電機變壓器的繼電保護裝置還能夠在電廠的電力系統(tǒng)運行出現(xiàn)故障的情況下，根據(jù)實際情況，通過對故障部位的有效保護和隔斷處理等，對電力系統(tǒng)的正常運行進行支持，并促進故障電氣設(shè)備或元器件在短時間內(nèi)恢復(fù)供電，從而對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行與電廠正常生產(chǎn)進行支持。

3 電廠發(fā)電機變壓器保護的原理分析

結(jié)合電廠發(fā)電機變壓器的繼電保護設(shè)計與應(yīng)用情況，對其保護原理和特點，可以從以下幾個方面進行分析。

（1）電廠發(fā)電機變壓器繼電保護的硬件設(shè)施工藝水平較高，能夠?qū)τ布p壞導(dǎo)致的保護誤動情況進行有效避免，并促進繼電保護裝置的功能和作用充分發(fā)揮。由于電廠發(fā)電機變壓器的保護裝置設(shè)計和應(yīng)用中，均進行高速數(shù)字信號處理器（DSP）以及32 位高性能的處理器配置應(yīng)用，并且對保護裝置運行中的各CPU 負荷率設(shè)定均低于60%；此外，為確保電廠發(fā)電機變壓器保護裝置的良好硬件工藝與設(shè)備性能，還對其保護裝置的人機交互界面進行了優(yōu)化設(shè)計，使其在必要的參數(shù)監(jiān)視與功能支持下，通過輔助性功能單元與電源裝置對數(shù)字式的繼電保護運行進行支持，以滿足保護裝置各硬件設(shè)備的基本性能需求。除上述情況外，對電廠發(fā)電機變壓器繼電保護的各項硬件設(shè)施均采用標準化組件設(shè)計，并對其保護裝置中應(yīng)用的各元器件均進行了嚴格的抗老化篩查和選擇，從而在各結(jié)構(gòu)模塊的合理設(shè)置下，對其在電廠發(fā)電機變壓器保護中的良好運行進行支持。

（2）具有良好的人機交互界面。電廠發(fā)電機變壓器的保護裝置設(shè)計中，需要根據(jù)其保護原理和人機交互程序要求，在進行數(shù)據(jù)采集和計算分析基礎(chǔ)上，對其各項保護設(shè)備的配置以及電氣參數(shù)設(shè)置進行合理控制，從而對電廠發(fā)電機變壓器的多項保護需求進行滿足，并確保其人機交互界面的友好性。

（3）電廠發(fā)電機變壓器繼電保護的原理較簡單且保護作用可靠。與電廠發(fā)電機變壓器保護裝置的硬件設(shè)施相比，其保護系統(tǒng)的軟件設(shè)計是采用模塊化設(shè)計方法，來實現(xiàn)各種不同的配置標準和要求，并為保護裝置軟件系統(tǒng)的運行和維護提供相應(yīng)的便利性支持。其中，在進行電廠發(fā)電機變壓器的保護裝置軟件系統(tǒng)設(shè)計中，需要注意對糾錯與防錯措施的設(shè)置和應(yīng)用，從而滿足保護裝置在電力系統(tǒng)運行保護中的方式多樣性和靈活性，并通過對各項資源設(shè)施的有效整合與利用，促進其保護功能和作用效果提升。比如，針對保護裝置在運行過程中容易受到多種因素的干擾影響，就需要在具體安裝和調(diào)配應(yīng)用中，做好全面的檢查與防范保護，從而促進其在電廠發(fā)電機變壓器運行中的保護功能和作用發(fā)揮。

4 電廠發(fā)電機變壓器繼電保護方式研究

4.1 電廠發(fā)電機的繼電保護以及主要方式分析

結(jié)合電廠發(fā)電機繼電保護的設(shè)計和應(yīng)用，對其繼電保護方式主要包含電量保護和非電量保護兩種不同的保護功能與類型。其中，在電廠發(fā)電機的各種繼電保護中，有差動保護、裂相橫差保護、失磁保護、頻率保護、定子接地保護、失步保護、轉(zhuǎn)子接地保護、過電壓保護、啟停機保護、誤上電保護等保護類型。下文將以橫差保護、縱差保護、逆功率保護、單相接地保護等幾種常見的發(fā)電機保護類型為主，對其保護實現(xiàn)的主要方式進行分析。

4.1.1 橫差保護

電廠發(fā)電機繼電保護設(shè)計中，橫差保護的實現(xiàn)是通過對兩個支路之間的電流差反應(yīng)的有效利用，來進行發(fā)電機定子繞組匝間的短路保護。一般情況下，橫差保護在發(fā)電機保護設(shè)計中應(yīng)用，是通過在各相間分別進行兩個電流互感器與一個繼電器設(shè)備的安裝應(yīng)用，使其形成獨立的保護系統(tǒng)，以對發(fā)電機運行進行有效保護；或者是通過對能夠進行多個中性點引出定子繞組的中性點引出線位置處進行零序電流互感器增設(shè)等方式，使其形成單元件或多元件的橫差保護，以發(fā)揮其保護功能和作用。

4.1.2 縱差保護

該保護方式是針對發(fā)電機內(nèi)部短路的一種有效保護，它能夠在無延時情況下對保護范圍內(nèi)的短路線路進行有效切斷處理，從而對發(fā)電機運行進行保護。這種保護方式在1MW 及以上容量的發(fā)電機保護中應(yīng)用，具有較高的適用性。

4.1.3 逆功率保護

該保護方式是用于對動作斷路器的跳閘保護，它在具體設(shè)計和應(yīng)用中，需要通過對三相電壓與二相電流信號進行采集，來實現(xiàn)其保護功能和作用發(fā)揮。以電力系統(tǒng)中并網(wǎng)運行的汽輪發(fā)電機及其保護情況為例，在發(fā)電機的主汽門關(guān)閉后，會在電網(wǎng)運行中作為同步電機進行運行應(yīng)用，即通過對有功功率的吸收對汽輪機轉(zhuǎn)動進行支持，并向系統(tǒng)發(fā)送無功功率信號。值得注意的是，在上述發(fā)電機的工作運行中，由于汽輪發(fā)電機的主汽門關(guān)閉，會導(dǎo)致其電機尾部的葉片和殘留蒸汽之間因相互摩擦形成鼓風(fēng)損耗，在長期過熱運行條件下發(fā)生損傷，而逆功率保護就是針對汽輪發(fā)電機運行中的上述損傷情況進行有效預(yù)防和保護。

4.1.4 單相接地保護

電廠發(fā)電機的單相接地保護包含定子接地保護和轉(zhuǎn)子接地保護兩種情況。其中，定子繞組接地保護，在具體設(shè)計和應(yīng)用中可通過零序電流實現(xiàn)定子接地保護或者是通過零序電壓、利用三次諧波電壓等不同方式實現(xiàn)；而轉(zhuǎn)子接地保護的設(shè)計和應(yīng)用，多是利用乒乓式開關(guān)切換的原理實現(xiàn)，在對兩個不同的接地回路方程進行求解計算基礎(chǔ)上，對轉(zhuǎn)子接地電阻的阻值以及接地位置進行確定，以滿足其接地保護的需求。

4.2 電廠變壓器的繼電保護及主要方式分析

在電廠變壓器的繼電保護設(shè)計和保護方式選擇中，根據(jù)實際情況主要包含對廠用變壓器與主變壓器的繼電保護設(shè)計和應(yīng)用。其中，在電廠變壓器的繼電保護設(shè)計中，其保護方式一般包含差動保護以及重瓦斯保護、零序保護、低壓側(cè)接地保護、溫度升高保護、低壓過流保護等不同的保護組成。對電廠變壓器繼電保護的設(shè)計和應(yīng)用中，通過在保護裝置中配備差動保護與零序保護（如圖1 所示，為變壓器差動保護的結(jié)構(gòu)原理示意圖），能夠?qū)χ髯儔浩鞯牧己眠\行實現(xiàn)較好的保護和支持；而對主變壓器的繼電保護設(shè)置和廠用變壓器繼電保護的管理中，則是以工控機作為單元進行管理實現(xiàn)，并且能夠?qū)ζ渫獠拷泳€流程進行優(yōu)化。此外，值得注意的是對變壓器繼電保護的設(shè)計和應(yīng)用。為實現(xiàn)對保護裝置的有效管理和維護，在具體設(shè)置中還可以通過對廠用變壓器繼電保護裝置中高壓開關(guān)柜保護設(shè)施的拆除，來滿足其有關(guān)要求；對主變壓器的保護屏周圍進行原有的保護屏安裝和應(yīng)用，在和單元管理相互配合下，也能夠?qū)ψ儔浩鞯倪\行及其保護需求進行滿足，同時實現(xiàn)變壓器繼電保護裝置的成本控制，提升電廠生產(chǎn)與運行的經(jīng)濟效益。

圖1 變壓器差動保護

以電廠變壓器繼電保護中的速動油壓繼電器保護為例，該保護裝置是通過對特定故障下變壓器油箱內(nèi)部壓力的瞬時升高變化進行感應(yīng)，以結(jié)合油箱內(nèi)事故引起的動態(tài)壓力增長進行保護動作開展。即在變壓器運行故障發(fā)生后，會導(dǎo)致油箱內(nèi)的壓力快速上升，在壓力升高到繼電器的保護動作限定范圍時，就會通過繼電器的壓力開關(guān)動作，對變壓器運行進行控制，從而避免故障及問題對變壓器的安全與可靠運行產(chǎn)生的不利影響。需要注意的是，速動油壓繼電器保護在實際應(yīng)用中，雖然其動作速度與壓力釋放閥相比較快，但并不能實現(xiàn)油箱內(nèi)壓力的完全釋放，因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體情況進行合理選擇。

5 結(jié)束語

總之，發(fā)電機與變壓器作為電廠生產(chǎn)運行中兩個重要設(shè)備和電力系統(tǒng)的核心部件，對電廠發(fā)電機變壓器保護原理及其繼電保護方式進行研究，有利于促進電廠發(fā)電機變壓器的安全與穩(wěn)定工作運行，從而對電廠的正常生產(chǎn)以及電力系統(tǒng)可靠運行進行支持。需要注意的是，在進行電廠發(fā)電機變壓器的繼電保護設(shè)置與應(yīng)用中，應(yīng)嚴格按照其繼電保護的配置與設(shè)計原則進行合理的保護方式選擇和應(yīng)用，從而滿足其在電廠發(fā)電機變壓器運行的保護需求，為電廠的生產(chǎn)運行及其效益提升提供支持。