電廠發電機變壓器保護原理及繼電保護方式研究

王昭杰

（國電建投內蒙古能源有限公司布連電廠，內蒙古 鄂爾多斯 017200）

我國社會經濟的發展與科學技術進步，推動了我國電力事業的不斷發展和電氣設備技術的不斷提升，同時為電力系統中電力設備的應用及其質量水平的提升提供了良好的支持。值得注意的是，隨著電力事業的發展，人們對電力能源的需求也在不斷增長，因此，為更好地滿足人們日益增長的電力能源需求，就需要具有更高性能的電廠發電機和各種變壓器設備進行支持。其中，電廠發電機與變壓器的保護裝置是確保電力系統安全穩定工作和應用的重要結構部分，在整個電廠的正常生產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電機變壓器的繼電保護重要性分析，結合其繼電保護的具體要求和目標任務，從電廠發電機變壓器的保護原理出發，對其繼電保護的主要方式及應用進行研究，以供參考。

1 電廠發電機變壓器保護的重要性分析

電廠發電機變壓器保護，是以發電機變壓器等電力設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備安全與穩定工作運行的有效維持，來確保電廠電力系統在生產與運行中的正常電力輸出，從而實現整個電網供電運行的安全性和可靠性支持。此外，電廠發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，能夠在電廠生產運行中根據發電機的工作運行狀態，在發電機出現故障的情況下，通過繼電保護裝置在最短時間內實現故障機組的快速切斷和處理，從而對周圍線路以及電廠發電機組的正常運行進行支持，為電廠的電力生產和運行提供支持。其中，電廠發電機繼電保護裝置在對故障發電機進行運行切斷，并對故障情況進行有效處理與恢復后，還能夠在電廠生產與運行中進行運行使用，對電廠生產和運行的經濟效益以及社會效益提升提供有利的保障。由此可見，電廠發電機變壓器繼電保護不僅能夠對發電機變壓器等重要電力設備的正常運行進行維持，而且在實現周圍線路以及電力設備的安全運行以及確保電力系統的電力正常輸出等方面，均具有十分重要的作用和意義，應引起重視。

2 電廠發電機變壓器的繼電保護具體要求和任務

根據電廠發電機變壓器保護的重要性，在進行繼電保護裝置的設計和應用中，需要結合電廠的實際情況，對發電機變壓器的繼電保護裝置進行合理配備和設計應用，并且確保對繼電保護及其裝置設計與我國電力裝置繼電保護的設計規范要求相符合，從電廠繼電保護設計的基本原則出發，對其進行合理設計和布置應用，從而確保繼電保護在電廠生產與電力系統運行中的功能和作用的發揮。此外，在對電廠發電機變壓器保護的設計中，根據當前我國電廠繼電保護設計的有關要求和規定，以220kV 變電站線路的保護設計為例，在具體設計中應避免采用單一保護模式進行設計和應用，而是需要通過對多種不同保護方式的綜合設計與運用，即電力系統的線路保護以及母線保護、開關保護等，從而對電廠發電機變壓器保護需求進行滿足，并確保其各項保護設計與技術應用可靠，能夠在相關元件受到損壞的情況下，仍能夠實現對電氣設備與線路運行的有效保護，從而避免電力系統故障對電網供電運行以及電廠生產的不利影響。對電廠發電機變壓器的繼電保護設計和應用中，還應注意在電力系統的電路或設備出現故障時，能夠通過保護裝置中的報警提示系統，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，以滿足電廠發電機變壓器的保護需求。

電廠發電機變壓器保護裝置在電廠生產和運行中，以對供電系統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，從而實現對故障元件的危害和影響控制，降低其在電力系統供電運行中的破壞性作用，實現對電力系統正常供電與穩定運行的有效支持。在電力系統的保護裝置設計與應用過程中，一旦發現電力系統中某一元件或電氣設備的運行存在異常，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備的正確處理下，減小故障對電力系統安全和穩定運行的不利影響。除上述功能及作用外，電廠發電機變壓器的繼電保護裝置還能夠在電廠的電力系統運行出現故障的情況下，根據實際情況，通過對故障部位的有效保護和隔斷處理等，對電力系統的正常運行進行支持，并促進故障電氣設備或元器件在短時間內恢復供電，從而對電力系統的安全、穩定運行與電廠正常生產進行支持。

3 電廠發電機變壓器保護的原理分析

結合電廠發電機變壓器的繼電保護設計與應用情況，對其保護原理和特點，可以從以下幾個方面進行分析。

（1）電廠發電機變壓器繼電保護的硬件設施工藝水平較高，能夠對硬件損壞導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揮。由于電廠發電機變壓器的保護裝置設計和應用中，均進行高速數字信號處理器（DSP）以及32 位高性能的處理器配置應用，并且對保護裝置運行中的各CPU 負荷率設定均低于60%；此外，為確保電廠發電機變壓器保護裝置的良好硬件工藝與設備性能，還對其保護裝置的人機交互界面進行了優化設計，使其在必要的參數監視與功能支持下，通過輔助性功能單元與電源裝置對數字式的繼電保護運行進行支持，以滿足保護裝置各硬件設備的基本性能需求。除上述情況外，對電廠發電機變壓器繼電保護的各項硬件設施均采用標準化組件設計，并對其保護裝置中應用的各元器件均進行了嚴格的抗老化篩查和選擇，從而在各結構模塊的合理設置下，對其在電廠發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。電廠發電機變壓器的保護裝置設計中，需要根據其保護原理和人機交互程序要求，在進行數據采集和計算分析基礎上，對其各項保護設備的配置以及電氣參數設置進行合理控制，從而對電廠發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。與電廠發電機變壓器保護裝置的硬件設施相比，其保護系統的軟件設計是采用模塊化設計方法，來實現各種不同的配置標準和要求，并為保護裝置軟件系統的運行和維護提供相應的便利性支持。其中，在進行電廠發電機變壓器的保護裝置軟件系統設計中，需要注意對糾錯與防錯措施的設置和應用，從而滿足保護裝置在電力系統運行保護中的方式多樣性和靈活性，并通過對各項資源設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配應用中，做好全面的檢查與防范保護，從而促進其在電廠發電機變壓器運行中的保護功能和作用發揮。

4 電廠發電機變壓器繼電保護方式研究

4.1 電廠發電機的繼電保護以及主要方式分析

結合電廠發電機繼電保護的設計和應用，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電機保護類型為主，對其保護實現的主要方式進行分析。

4.1.1 橫差保護

電廠發電機繼電保護設計中，橫差保護的實現是通過對兩個支路之間的電流差反應的有效利用，來進行發電機定子繞組匝間的短路保護。一般情況下，橫差保護在發電機保護設計中應用，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備的安裝應用，使其形成獨立的保護系統，以對發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等方式，使其形成單元件或多元件的橫差保護，以發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電機內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的短路線路進行有效切斷處理，從而對發電機運行進行保護。這種保護方式在1MW 及以上容量的發電機保護中應用，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，它在具體設計和應用中，需要通過對三相電壓與二相電流信號進行采集，來實現其保護功能和作用發揮。以電力系統中并網運行的汽輪發電機及其保護情況為例，在發電機的主汽門關閉后，會在電網運行中作為同步電機進行運行應用，即通過對有功功率的吸收對汽輪機轉動進行支持，并向系統發送無功功率信號。值得注意的是，在上述發電機的工作運行中，由于汽輪發電機的主汽門關閉，會導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損耗，在長期過熱運行條件下發生損傷，而逆功率保護就是針對汽輪發電機運行中的上述損傷情況進行有效預防和保護。

4.1.4 單相接地保護

電廠發電機的單相接地保護包含定子接地保護和轉子接地保護兩種情況。其中，定子繞組接地保護，在具體設計和應用中可通過零序電流實現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；而轉子接地保護的設計和應用，多是利用乒乓式開關切換的原理實現，在對兩個不同的接地回路方程進行求解計算基礎上，對轉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計和保護方式選擇中，根據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計和應用。其中，在電廠變壓器的繼電保護設計中，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計和應用中，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構原理示意圖），能夠對主變壓器的良好運行實現較好的保護和支持；而對主變壓器的繼電保護設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，并且能夠對其外部接線流程進行優化。此外，值得注意的是對變壓器繼電保護的設計和應用。為實現對保護裝置的有效管理和維護，在具體設置中還可以通過對廠用變壓器繼電保護裝置中高壓開關柜保護設施的拆除，來滿足其有關要求；對主變壓器的保護屏周圍進行原有的保護屏安裝和應用，在和單元管理相互配合下，也能夠對變壓器的運行及其保護需求進行滿足，同時實現變壓器繼電保護裝置的成本控制，提升電廠生產與運行的經濟效益。

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部壓力的瞬時升高變化進行感應，以結合油箱內事故引起的動態壓力增長進行保護動作開展。即在變壓器運行故障發生后，會導致油箱內的壓力快速上升，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，但并不能實現油箱內壓力的完全釋放，因此，在實際應用中應根據具體情況進行合理選擇。

5 結束語

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