電廠發電機變壓器保護原理及繼電保護方式研究

吳俊杰

（廣州粵能電力科技開發有限公司,廣東 廣州 510000）

變壓器的繼電保護在整個電廠發電機系統中非常重要，始終與電廠的實際生產狀況緊密結合，涉及低壓過流保護、后備保護、過激磁保護等環節，運維人員需要制定科學的繼電保護方案，確定溫度和壓力等基本參數，為變壓器的正常運行提供有效的保障。繼電保護裝置可以對變壓器運行故障進行識別和控制，盡可能縮小故障波及的范圍，有效維護設備運營的穩定性。也就是說，繼電保護不僅可以讓發電機變壓器運行安全，同時也能夠推動裝置的改進，提高電廠運轉效益。

1 電廠發電機變壓器保護的基本原理

1.1 電廠接地繼電保護原理

短路是電廠中較為常見的現象，包括相間短路、匝間短路、兩點接地短路等形式，而之所以會出現這些問題，主要根源于發電機變壓器的定子單相接地。而短路狀況一旦發生，就會直接影響到電廠的運行質量，降低生產效率和輸送效率，也為變壓器的運行埋下了安全風險和隱患。工作人員可以把高阻設置在定子接地繼電保護的中心點位置，這樣就可以讓變壓器直接限制暫態過電壓，建立起較為完善的保護系統和機制。當變壓器定子單相接地出現問題的時候，變壓器就可以得到有效的保護，避免電力事故的發生和擴散。

1.2 繼電保護的基本原則

電能的產生，根源在于動能和勢能的相互轉化，這也就意味著水流狀況和地形地貌都會影響電廠的發電形式，水電廠和火電廠發電差異由此而來。就水電廠來講，其發電的主要形式，大多依靠發電機和變壓器的連線連接，20～100MW是較為常見的發電機容量范圍，相較于火電廠而言是偏小的。對此，為了保證一臺變壓器能夠實現多臺發電機的有效連接，工作人員就會采用擴大單元接線的方法來提高繼電保護效率，而且也會用并聯處理的方法，去解決斷路器和母線之間的問題。

1.3 電廠發電機變壓器保護的基本配置

首先是轉子接地保護和定子接地保護。從發電機定子和轉子的保護配置來看，轉子接地保護和定子接地保護是最為常見的配置形式。就定子接地保護配置來講，大多數發電機的定子繞組保護都是通過基波零序電壓來實現的，就中性點附近的定子繞組來講，需要通過三次諧波電壓實現。而電廠要想保證發電機的運行能夠滿足保護配置的基本要求，工作人員就應當對定制獨立出口的回路進行分辨和確定，對三次諧波和零序電壓進行深入分析和研究。如果勵磁回路中出現接地故障，然而故障卻并沒有在發電機中有所展現，兩點接地使得發電機出現問題，那么就應當采取轉子保護配置，及時對故障出現的位置進行判斷和定位，然后對故障位置的接地電阻進行計算，為后續的工作人員處理提供參考依據。

其次是變壓器的繼電保護。廠用變壓器和主變壓器是電廠最為常用的基本裝置。就主變壓器的繼電保護配置來講，主要涉及差動、溫度升高、重瓦斯、低壓側接地、低壓過流等等。而且，部分電廠還會設置差動速斷保護和間隙零序過流，這樣可以讓主變壓器的運轉變得更加安全可靠，保護作用十分明顯。而在主變壓器和廠變壓器的繼電保護管理中，大多數電廠都會用工控機作為單元的主管理機，這樣可以優化外部的接地線路（圖1）流程和步驟，方便后續的維修和保養。

再者是拆除部分配置。部分電廠會拆除廠用變壓器繼電保護中高壓開關柜中的保護配置節省維修時間。另外，部分電廠會在主變壓器保護屏附近，安裝原有的保護屏，這樣可以讓單元管理機實現連接和共用，不僅可以節省電廠的投資成本，也能夠滿足變壓器的多種運行需求，讓電廠保持足夠的供電量。變壓器的保護配置涉及多個方面的內容，會根據變壓器規格的不同有所變化[1]。

2 電廠發電機變壓器繼電保護的主要方式

2.1 發電機變壓器的主要故障

轉子繞組故障和定子繞組故障是電廠運行中較為常見的問題，而轉子繞組故障又涉及轉子繞組兩點接地、一點接地和繞組匝間短路等情況。除此之外，如果固定電容超額，那么變壓器的三相超負荷狀況就會變得更加突出，如果出現了不對稱短路的問題，那么發電機也會存在過電流狀況。而從變壓器的繼電保護方式來看，主要包括短路保護、接地保護和異常運行保護這三種形式。在這其中，后備保護裝置、主保護裝置和異常運行保護裝置都位于變壓器內，而跳閘線圈出口和直流電源都是相互獨立的，能夠各自發揮出有效的作用，根據變壓器出現的故障和問題提供有效保護，提高設備運行的可靠性[2]。

圖1 變壓器接地線路

2.2 短路故障的主保護

短路電流的出現主要是由電廠變壓器定子繞組和輸出端的相間短路造成的，也涉及接地短路的問題，如果情況嚴重，變壓器被損毀，從而產生嚴重的電力事故，給企業的發展造成巨大的經濟損失。對此，工作人員可以采取橫差保護法和縱差保護法這兩種形式。橫差保護法可以利用支路電流差的反應，通過兩種不同的接線方式來保護變壓器。如果定子繞組可以引出多個中性點，那么工作人員就應當把零序電流互感器放在中性點這一位置上，引出線，實現多個元件的橫差保護。縱差保護能夠有效解決發電機內部的短路狀況，而且也不會對電力系統的正常運行產生影響，特別是就1MW以上的發電機來講，縱差保護的作用是較為關鍵的，能夠真正做到沒有誤差[3]。

2.3 短路故障的后備保護

從現階段的電廠發電機變壓器短路故障后備保護發展狀況來看，主要涉及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、次同步過電流保護法這4種基本類型。目前，大多數變壓器的運行都處于長期超負荷狀態，變壓器自身的溫度也必然升高，在這種情況下，使用定子繞組過負荷保護法，能夠讓電路元件免于高溫的損害。當面對變壓器周圍設備的后備保護時，工作人員可以使用低壓過電流保護法[4]。

2.4 接地故障保護

接地故障產生的主要原因是瞬間電流的產生，并且瞬間電流的強度也較為明顯，這一故障會嚴重損毀變壓器內部的器件，引發大型的電力事故，有很大的安全隱患和風險[4-6]。而且，接地故障還會造成弧光過電壓的產生，讓變壓器絕緣位置受到嚴重的損害，引發后續的短路故障，給工作人員的維修帶來更多的挑戰和困難。對此，工作人員可以采取轉子接地保護和定子繞組接地保護這兩種方法。

3 電廠發電機變壓器繼電保護的發展方向

3.1 微機化

微機系統的硬件性能的不斷提升主要是由于計算機技術的快速發展。機械設備等相關配件的體積不斷減小，芯片的功能則越來越強大。32位CPU是重要的核心部件，在變壓器繼電保護配置當中發揮積極的作用，可以不斷優化使用空間，還具有非常先進的信息處理技術，可以很好地管理和儲備信息，提高繼電保護裝置的科學管理質量和管理效率，進而推動電廠生產工作的穩定運行。繼電保護裝置要完成后期的檢修和維護工作，使其更順利地開展工作，確保電廠設備的使用安全。

3.2 網絡信息化

我國處于信息化發展的時代，社會上的很多行業都在積極利用網絡信息技術的顯著優勢不斷升級相關的產業結構，提高各個行業的生產質量和生產效率。而繼電保護也逐漸融入網絡信息技術，給行業用電提高更多的安全性。另外，網絡信息技術還可以滿足各個行業對于用電的各種需求。發電機變壓器出現故障的位置和原因，都可以利用網絡信息技術去分析和查找，幫助工作人員快速、及時地解決故障問題，避免故障進一步擴大。另外，在采集數據的過程中，網絡信息技術可以不斷提高信息的準確性，實時監督和管理變壓器的工作情況，根據可靠、準確的信息數據完善相應的數據管理體系，進而配置合理的電廠資源。

3.3 智能化

電廠在管理工作中要不斷利用自動化和智能化的科學技術。該技術以非線性映射為主要工作原理，在一定程度上可以快速提升檢測繼電保護配置故障所在位置的速度和效率，并提出一些妥善的處理辦法，準確找出出現故障的位置。專家系統在其中發揮著積極的作用，系統建立了相應的數據庫，可以避免出現更多的故障，并進行實時的檢測工作。

4 結語

加強電廠發電機變壓器的繼電保護是推動繼電保護原理靈活運用的應有之策，也是提高電廠市場信譽的有效措施。電廠應當認真分析市場的形勢，把握好電力需求持續增長這一基本態勢，加強對自身繼電保護原理和方式的研究，提高發電機的保護質量，及時排查潛在的風險和隱患，降低故障和問題發生的概率。未來，對發電機變壓器的繼電保護會取得更加明顯的成效和更大的進步。