水電站發電機變壓器保護原理及繼電保護方式

張偉　周桂林

摘要：在水電站發電機變壓器中安裝繼電保護裝置，可以保障變壓器的穩定運行，使水電站為用戶提供可靠的電力。基于此，筆者從水電站發電機變壓器的保護原理入手，根據繼電保護的原則以及變壓器常見的多種故障，對變壓器的繼電保護方式進行了分析，變壓器主要包括短路故障的主保護、后備保護以及接地故障的保護這三種繼電保護方式，從整體上保障了變壓器的穩定運行，有助于水電站的長久運行。

關鍵詞：水電站；變壓器；繼電保護

前言：在水電站發電機變壓器的正常運行中，難免會產生一些故障，對電力系統的穩定運行造成不利影響。為了解決這一問題，大部分水電站都會采用繼電保護方式對變壓器進行保護，避免變壓器故障的影響范圍進一步擴大。而且繼電保護裝置可以及時提醒水電站的運維人員排除變壓器故障，從而保障電力系統的穩定運行。因此，對于水電站發電機變壓器保護原理及繼電保護方式分析具有一定的實踐意義。

1.水電站發電機變壓器保護原理

1.1定子接地繼電保護原理

當水電站發電機變壓器內部的定子出現單相接地現象的時候，會導致匝間短路、相間短路以及接地短路，對變壓器的正常運行造成不利影響，從而危害到整個電力系統。因此，水電站需要對變壓器進行保護，通常是在變壓器定子的中性點配備高阻，對暫態過電壓進行控制，為變壓器提供全面的保護。如果在繼電保護的過程中，變壓器出現了其他故障，則繼電保護裝置會自動跳閘，從根本上保護變壓器。

1.2變壓器繼電保護裝置

對于水電站發電機而言，主要涉及到主變壓器以及廠用變壓器這兩種變壓器，主變壓器應用的繼電保護裝置包括差動裝置、重瓦斯裝置以及零序裝置等，在變壓器運行時，技術人員需要根據發電機以及變壓器的實際運行狀況，選擇適當的零序過電流加入到繼電保護裝置中，實現變壓器的保護；廠用變壓器應用的繼電保護裝置主要是在開關柜中安裝保護裝置。；兩種變壓器的繼電保護裝置通過工控機進行連接，使變壓器的接線更為簡便，有助于繼電裝置的管理以及維護[1]。

2.水電站發電機變壓器的繼電保護方式

2.1繼電保護的原則

水電站主要是根據水位能、動能和電能的轉化，應用發電機與變壓器進行發電。大部分水電站的發電機容量為20WM-100WM。在進行繼電保護時，技術人員需要采用擴大單元接線的方法將一臺變壓器連接多臺發電機，并在母線上安裝斷路器，實現變壓器的繼電保護。繼電保護裝置能夠迅速將變壓器中出現故障的元件隔離，將變壓器故障的影響降到最低，盡可能地保護變壓器的穩定運行，有助于供電可靠性的提升。

2.2變壓器常見故障

對于水電站的發電機而言，變壓器主要有如下常見故障：其一，定子繞組故障，包括接地故障和相間短路等故障；其二，轉子繞組故障，包括轉子繞組的匝間短路、一點接地以及二點接地等故障；其三，異常運行狀，包括超額定電容引起的三相超負荷、水輪機球閥突然關閉引起的發電機逆功率以及繞組過電流等故障。變壓器的故障不僅會危害變壓器的內部元件，嚴重時還會導致火宅事故。因此，水電站需要提高對變壓器繼電保護的重視。一般來說，水電站發電機的變壓器繼電保護裝置分為短路保護裝置、接地保護裝置以及異常運行保護裝置這三個方面，而且在這三類保護裝置均具備獨立的直流電源以及跳閘線圈，保障水電站變壓器的運行。

2.3繼電保護類型

第一，短路故障的主保護。當水電站發電機的變壓器出現定子繞組故障的時候，電力系統中會出現較大的短路電流，短路電流會嚴重損壞變壓器的內部裝置，對變壓器的安全運行造成危害。目前常用的主保護方式包括縱差保護方式以及橫差保護方式這兩種。縱差保護方式主要用于大型變壓器的保護，縱差保護裝置由差動速斷元件、TA斷線信號以及過激磁閉鎖等元件組成。一旦變壓器發生故障或者異常運行狀況，縱差保護裝置可以控制變壓器只能流進電流，而不能流出，從而實現變壓器的繼電保護。如果這時存在負荷電流，縱差保護裝置會采取跳閘措施保護變壓器。

第二，短路故障的后備保護。為了保護變壓器的安全運行，水電站還會對短路故障進行后備保護，主要有四種繼電保護方式：其一，轉子負序電流保護方式，當電力系統因為三相負荷不平衡或者短路現象導致轉子零件被損壞時，可以為變壓器提供保護；其二，定子繞組過負荷保護方式，當變壓器長期處于超負荷運轉時，很容易出現過熱現象，這種保護方式可以防止變壓器的電路元件因為過熱而被燒毀；其三，次同步過電流保護方式，當變壓器在變頻啟動時，該保護方式可以避免變壓器因為繞組短路故障被損害；其四，低壓過電流保護方式，該方式主要用于保護變壓器的配套設備。

第三，接地故障的保護。和普通發電機相比，水電站發電機變壓器的定子繞組容量更大。因此，當變壓器出現接地故障的時候，會出現較大的瞬間電流，危害到變壓器的穩定運行。接地故障還會導致弧光過電壓，損害變壓器的絕緣位置，造成更為嚴重的短路故障。目前我國水電站常用的接地故障保護方式有定子繞組接地保護以及轉子接地保護這兩種。本文主要對定子繞組接地保護方式進行分析，該方式主要應用基波零序電壓保護95%的定子繞組，并應用是三次諧波電壓保護中性點周圍的定子繞組，以此實現變壓器的繼電保護。如果水電站發電機的容量大于100WM，需要對定子繞組進行100%接地保護[2]。

結論：綜上所述，水電站發電機變壓器的繼電保護可以保障發電機以及變壓器的穩定運行，需要受到水電站技術人員的重視。通過對水電站繼電保護的分析可知，水電站的技術人員需要嚴格按照繼電保護原則，根據變壓器不同的故障狀況，選擇最佳的繼電保護方式，為人們提供更加可靠的電力。本文的分析仍舊不夠全面，僅供參考。

參考文獻：

[1]羅文雄.關于水電站發電機變壓器繼電保護的探討[J].黑龍江水利科技，2017，45（04）：101-102+122.

[2]王喜志.水電站發電機及變壓器繼電保護的設計原則與配置方案[J].自動化應用，2014（11）：69-71+100.