水電廠發(fā)電機(jī)變壓器保護(hù)原理及繼電保護(hù)方式探討

摘要：隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國電力設(shè)備在制造原理、運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律和維修保養(yǎng)等方面都取得了非常大的進(jìn)步，大大提高了我國電力設(shè)備的使用質(zhì)量和效果。為了滿足人們對電力日益增長的需求，水電廠對于發(fā)電機(jī)和變壓器的性能要求也越來越高。文章闡述了發(fā)電機(jī)、變壓器的繼電保護(hù)方式及原理。

關(guān)鍵詞：大型水電廠；發(fā)電機(jī)；變壓器；繼電保護(hù)；保護(hù)原理；電力設(shè)備 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TV734 文章編號：1009-2374（2016）26-0116-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.056

發(fā)電機(jī)是生產(chǎn)電的核心，變壓器是完成電力輸出與使用的核心。二者在整個(gè)電力系統(tǒng)中都有著非常重要的地位與作用。重視發(fā)電機(jī)和變壓器的繼電保護(hù)，是維持二者正常工作的必要措施，是維護(hù)電力系統(tǒng)正常運(yùn)作的必然要求。

1 發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)的必要性與方式

1.1 發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)的必要性與方式

對發(fā)電機(jī)進(jìn)行繼電保護(hù)最為根本的目的是為了維持發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)作，以保證正常的電力輸出，維持整個(gè)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)具有安全性、選擇性、迅速性、可靠性和靈敏性五大性能。當(dāng)發(fā)電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置就會在最短的時(shí)間內(nèi)盡快切除故障機(jī)組，不影響周圍的線路及發(fā)電機(jī)運(yùn)行。在故障排除后，發(fā)電機(jī)又可以正常地使用。由此可以看出，繼電保護(hù)不僅是為了維持發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，也是為了保證周圍線路及設(shè)備的安全，為盡快恢復(fù)正常的電力輸出提供良好的條件。

發(fā)電機(jī)的繼電保護(hù)方式主要有三種，分別是縱差保護(hù)、橫差保護(hù)和接地保護(hù)。

縱差保護(hù)主要針對于發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)短路的情況。這種保護(hù)方式能夠在無延時(shí)的情況切斷保護(hù)范圍內(nèi)的各種短路線路，并同時(shí)不影響發(fā)電機(jī)的過負(fù)荷和系統(tǒng)振蕩，非常適用于容量在1MW以上的發(fā)電機(jī)保護(hù)中。

橫差保護(hù)是利用兩個(gè)支路電流差的反應(yīng)，來實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路的情況。該方式主要通過兩種接線方式實(shí)現(xiàn)：一是在每相裝設(shè)兩個(gè)電流互感器和一個(gè)繼電器，以形成單獨(dú)的保護(hù)系統(tǒng)；二是對于可以引出多個(gè)中性點(diǎn)的定子繞組，通過在各中性點(diǎn)引出線處增設(shè)零序電流互感器的方法，構(gòu)成單元件橫差或多元件橫差保護(hù)。單相接地保護(hù)主要有四種實(shí)現(xiàn)方式，分別是發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地、利用零序電流構(gòu)成定子接地保護(hù)、利用零序電壓構(gòu)成定子接地保護(hù)或利用三次諧波電壓構(gòu)成定子接地保護(hù)。

1.2 變壓器繼電保護(hù)的必要性與方式

變壓器是電力系統(tǒng)中一個(gè)重要的元件，對維持整個(gè)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行有著非常重要的影響。不同地區(qū)對于用電的要求不同，變壓器能夠?qū)陌l(fā)電機(jī)發(fā)出的統(tǒng)一的電壓變成不同的電壓輸出，以滿足不同用戶對電力的需求，所以當(dāng)變壓器發(fā)生故障，將無法按照各用戶的需求提供相應(yīng)電壓的電力，故而造成整個(gè)電力使用情況的混亂，甚至是癱瘓。

變壓器的繼電保護(hù)方式主要分為瓦斯保護(hù)、電流速斷保護(hù)、外部相間短路所采用的保護(hù)方式、外部接地短路所采用的保護(hù)方式、過負(fù)荷保護(hù)及過勵(lì)磁保護(hù)。外部相間短路一般所用的保護(hù)方式為過電流保護(hù)、復(fù)合電壓、負(fù)序電流及低電壓啟動的過電流保護(hù)和阻抗保護(hù)。由此可見，變壓器的繼電保護(hù)方式非常多，其原因之一是變壓器的種類、容量與運(yùn)行功率等具體情況也不盡相同，因此在選擇合理的繼電保護(hù)方式時(shí)一定要符合變壓器實(shí)際的需求。

2 水電廠發(fā)電機(jī)變壓器的繼電保護(hù)方式

2.1 水電廠發(fā)電機(jī)定子接地繼電保護(hù)的原理

當(dāng)水電廠發(fā)電機(jī)中的定子單相接地極有可能會發(fā)展成為匝間短路、相間短路和兩點(diǎn)接地短路。一旦發(fā)生短路，就會影響整個(gè)發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，所以其繼電保護(hù)通常都是在其中性點(diǎn)設(shè)置高阻，即通過接地變壓器來限制暫態(tài)過電壓或以相同的原理建立一個(gè)保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)定子繞組單相接地出現(xiàn)故障時(shí)，能夠?qū)Πl(fā)電機(jī)的系統(tǒng)進(jìn)行100%的保護(hù)，如當(dāng)故障發(fā)生時(shí)，能夠立即反應(yīng)并進(jìn)行自動跳閘，以實(shí)現(xiàn)保護(hù)的目的。

2.2 遵循水電廠繼電保護(hù)的基本原則

水電廠是將水的位能和動能轉(zhuǎn)化為電能的工廠，因位置、徑流的不同，其具體的形式也是不同的。與火電廠不同，大多數(shù)水電廠是采用發(fā)電機(jī)和變壓器接線連接的方式，但需要注意的是，大多水電廠的發(fā)電機(jī)容量都以小型為主（容量在25MW）。一般采用擴(kuò)大單元接線，將幾臺小型的發(fā)電機(jī)共用一臺變壓器，然后經(jīng)斷路器后并聯(lián)于母線上。而大型水電廠一般采用單元接線，且大多設(shè)置有發(fā)電機(jī)出口斷路器，一般水電廠的發(fā)電機(jī)和變壓器的繼電保護(hù)配置是分開的，通常采用雙套保護(hù)

配置。

2.3 合理地配置水電廠繼電保護(hù)

2.3.1 發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子保護(hù)配置。發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子保護(hù)配置有發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。定子接地保護(hù)配置的原理是通過基波零序電壓實(shí)現(xiàn)對發(fā)電機(jī)85%～95%的定子繞組接地的保護(hù)，同時(shí)通過三次諧波電壓實(shí)現(xiàn)對中性點(diǎn)附近的定子繞組接地保護(hù)。在進(jìn)行該繼電保護(hù)配置時(shí)，需要根據(jù)零序電壓和三次諧波確定各定子的獨(dú)立出口回路，以適應(yīng)不同發(fā)電機(jī)對保護(hù)配置的要求。

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)配置主要是用于當(dāng)勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地故障時(shí)且，發(fā)電機(jī)并未因此出現(xiàn)故障，但如果繼續(xù)發(fā)生第二點(diǎn)接地就會嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行的情況中。當(dāng)出現(xiàn)一點(diǎn)接地故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置測到其具體的位置，計(jì)算出測量接地電阻和接地位置，并發(fā)出告警信息，運(yùn)行人員及時(shí)采取減負(fù)荷、停機(jī)等措施。

2.3.2 變壓器的繼電保護(hù)配置。水電廠的變壓器分為主變壓器和廠用變壓器。主變壓器的繼電保護(hù)配置一般是由差動、重瓦斯、低壓過流、零序、低壓側(cè)接地、輕瓦斯、溫度升高和溫度過高組成。根據(jù)水電廠和主變壓器的具體情況，可以適當(dāng)?shù)丶由祥g隙零序過流和差動速斷保護(hù)建立一個(gè)新的保護(hù)配置。將一套工控機(jī)作為連接和管理主變壓器繼電保護(hù)配置和廠用變壓器繼電保護(hù)配置的單元管理機(jī)，從而簡化二者外部的接線流程。

廠用變壓器的繼電保護(hù)中原來裝在高壓開關(guān)柜上的保護(hù)配置可以拆除，便于對該保護(hù)裝置的管理與維護(hù)。將之前的保護(hù)屏裝在主變壓器的保護(hù)屏旁邊，并與之共用一臺單元管理機(jī)，如此既能有效地實(shí)現(xiàn)水電廠變壓器的需求，同時(shí)也節(jié)約了繼電保護(hù)配置的成本投入。

3 關(guān)于水電廠的繼電保護(hù)發(fā)展方向研究

3.1 網(wǎng)絡(luò)信息化

隨著信息化以及用電安全逐步深入人心，人們對水電廠的運(yùn)行安全要求越來越高。當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)完全能夠幫助管理人員及時(shí)地發(fā)現(xiàn)水電廠中設(shè)備的故障范圍，并診斷出具體的故障，幫助維修人員及時(shí)地處理。而其對于各種相關(guān)數(shù)據(jù)的收集，能幫助管理人員更好地了解發(fā)電機(jī)和變壓器的運(yùn)行情況，從而建立一個(gè)有效的管理方式，幫助水電廠更好地實(shí)現(xiàn)人力資源的合理利用。

3.2 微機(jī)化

網(wǎng)絡(luò)化的實(shí)現(xiàn)有賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，而計(jì)算機(jī)技術(shù)在很大程度上推動了微機(jī)保護(hù)硬件的發(fā)展。大量的機(jī)械設(shè)備、元件開始變得越來越小，一塊小小的芯片所蘊(yùn)含的功能也越來越多。如今我國大多數(shù)水電廠中對發(fā)電機(jī)和變壓器的繼電保護(hù)配置都是集中在32位的CPU中，通過CPU的儲備管理能力和處理信息的功能，加大了對繼電保護(hù)配置的管理，同時(shí)也很大地節(jié)約了設(shè)備的空間。這些都能有效地提升繼電保護(hù)配置運(yùn)行的便利性和正常的維護(hù)保養(yǎng)，進(jìn)而大大提升水電廠的安全系數(shù)。

3.3 智能化

微機(jī)化與網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的大量使用與發(fā)展，必然會促進(jìn)智能化技術(shù)的出現(xiàn)。目前智能化技術(shù)已經(jīng)成為水電廠管理中不可或缺的工具。其中最為常用的方式是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即運(yùn)用非線性映射的方式來解決發(fā)電機(jī)或變壓器的繼電保護(hù)配置在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題。將專家系統(tǒng)加入到水電廠中發(fā)電機(jī)與變壓器的管理系統(tǒng)中，能就其出現(xiàn)的故障和繼電保護(hù)問題進(jìn)行有效的分析、總結(jié)，快速地查找出問題的原因，并制定出解決方案。如果繼電保護(hù)中出現(xiàn)一些從未見過的故障情況，系統(tǒng)會自動對其進(jìn)行記錄，為下一次解決故障提供準(zhǔn)備。

3.4 多功能一體化

當(dāng)上述技術(shù)都得到有效的運(yùn)用與發(fā)展時(shí)，實(shí)際上就是將一套集多種功能于一體的計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)應(yīng)用在水電廠的繼電保護(hù)系統(tǒng)中。該系統(tǒng)能夠?qū)λ姀S中的發(fā)電機(jī)和變壓器的運(yùn)作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測與分析，對其運(yùn)行的數(shù)據(jù)和故障信息進(jìn)行有效的分析及處理，保證及時(shí)處理或發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)中的問題。

4 結(jié)語

作為水電廠最為重要的兩個(gè)核心部件——發(fā)電機(jī)和變壓器，對其進(jìn)行繼電保護(hù)是非常重要的。但需要注意水電廠不同于火電廠，二者發(fā)電機(jī)和變壓器的連接方式不同，自然發(fā)電機(jī)和變壓器的繼電保護(hù)配置也不一樣。在設(shè)計(jì)水電廠發(fā)電機(jī)和變壓器的繼電保護(hù)配置時(shí)，要嚴(yán)格遵循其配置的原則，選擇合適的配置方式。緊緊跟隨時(shí)代的腳步，及時(shí)地引進(jìn)現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)，讓水電廠的發(fā)電機(jī)和變壓器的繼電保護(hù)方式能更好地發(fā)揮作用，更好地幫助水電廠實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 黨曉強(qiáng)，邰能靈，王海田，黃彬.大型水輪發(fā)電機(jī)定子接地方式及其繼電保護(hù)的相關(guān)問題分析[J].電力自動化設(shè)備，2012，（7）.

[2] 陳俊，劉洪，嚴(yán)偉，沈全榮.大型水輪發(fā)電機(jī)組保護(hù)若干技術(shù)問題探討[J].水電自動化與大壩監(jiān)測，2012，（4）.

[3] 李小安.水電廠機(jī)組及主變壓器中的高壓真空開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2011，（10）.

[4] 何璐，馬力，石爽，路秀麗，何苗，王瀚.大型水電廠廠高變保護(hù)配置及整定計(jì)算相關(guān)問題研究[J].西北水電，2014，（2）.

[5] 劉珊，桑振海，石爽，馬力.大型水電廠廠用電繼電保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2014，（7）.

[6] 王喜志.水電站發(fā)電機(jī)及變壓器繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)原則與配置方案[J].自動化應(yīng)用，2014，（11）.

[7] 趙岳.水電廠發(fā)電機(jī)、變壓器保護(hù)特點(diǎn)及配置方法研究[J].建材與裝飾，2015，（47）.

[8] 李燕.電力變壓器繼電保護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2016，（9）.

作者簡介：宋連會（1986-），男，山東梁山人，云南華電金沙江中游水電開發(fā)有限公司助理工程師，研究方向：水電廠繼電保護(hù)、自動化。

（責(zé)任編輯：小 燕）