基于發電機組的繼電保護系統研究

劉 攀 梁里鵬 董燕麗 趙曉艷

（1.晉中信息學院，晉中 030800；2.山西西山晉興能源有限責任公司斜溝礦，呂梁 033602）

在電力生產過程中，可將電力系統故障劃分為橫向故障與縱向故障兩種。若故障接觸點出現在電網中，電力系統的電壓會急劇下降，從而使電量難以滿足廣大用戶的用電需求。故障發生后，接觸點的短路電流相對較大，電氣設備將會受到電弧的沖擊與影響。同時，在這種情況下，電力系統的穩定性也無法得到有效保障，嚴重情況下甚至會出現電力系統損壞現象。若故障發生于電力系統內，繼電保護可迅速切除系統中的故障設備，從而為系統運行的穩定性提供有效保障，避免故障的影響進一步擴大。當發電機組處于不正常的工作狀態時，可迅速將相關信號上傳給運行管理人員，以便于及時針對故障作出有效處理[1]。因此，發電機組的繼電保護對電力系統的正常穩定運行具有重要意義。

1 發電機組的故障和不正常運行狀態

1.1 發電機組的故障

發電機的故障可分為發電機定子繞組的故障與轉子繞組的故障，其中根據其旋轉部分與靜止部分又可劃分為以下故障。

第一，定子繞組相間短路：該故障對系統所造成的危害最為嚴重。

第二，定子繞組匝間短路：主要為相間短路或接地短路，對發電機的危害極大，這一重要短路故障不容忽視。

第三，定子繞組單相接地：該故障在電力系統中較為常見，大多是由于高阻接地或中性點未接地造成的，其中并不存在較高的單向電流，但其電流值相對較大，會導致鐵芯發生局部融化現象；同時，該故障產生的不均勻磁場會導致其磁力作用大小不一，從而使電機組發生振動。該故障對發電機的危害十分嚴重，此時應切斷電機運行[2]。

1.2 發電機不正常運行狀態

當系統受到變壓器定子繞組的過負荷影響時，會產生三相對稱過負荷的現象。與變壓器相比，發電機抵抗過負荷的能力相對較差。同時，由于發電機中的轉子部分存在高速旋轉，會產生較大的熱量，與靜止變壓器相比，其散熱能力相對較差，難以完全支撐三相對稱過負荷狀態，一旦旋轉部分發生三相對稱過負荷的現象，就會產生報警情況[3]。

2 發電機組的保護作用及配置原則

2.1 發電機組保護作用

發電機定子繞組相間短路保護一般主要采用發電機的差動鐵芯短路保護。此外，發電機組的保護作用還可分為發電機定子鐵芯繞組的匝間鐵芯短路過負荷保護、勵磁繞組回路一點及兩點的接地短路保護、發電機定子鐵芯繞組過負荷保護、定子鐵芯繞組過電壓保護、勵磁繞組過負荷保護（100 MW以上發電機）、發電機逆功率保護（200 MW以上的汽輪機）、發電機低頻過負荷保護（300 MW以上的汽輪機）、失步過負荷保護（300 MW以上的汽輪機）以及其他發電機故障及異常發電機運行的失磁保護。

針對300 MW的發電機組，其異常保護裝置一般可劃分為異常短路運行與后備短路保護兩種類型。其中，短路保護能夠針對異常區域內可能存在的多種短路故障情況進行有效保護，同時避免發生損壞斷路器的異常現象。基于此，異常保護裝置通常是通過主保護與后備保護的聯合方式進行設置。

2.2 發電機的配置依據及元件選型

大型的發電機變壓器組往往會與220 kV以上的變壓繞組母線直接相連。在220 kV以上的變壓繞組線路中，僅供電繞組具有完整的后備故障保護裝置。與此同時，僅供電繞組往往具有一套無線故障保護的設備，且存在不投入運行的無線保護狀態。因此，為了增強與大型發電機變壓繞組母線相鄰的后備保護母線的可靠性和故障后備保護，在本次的設計中可以考慮在線路中推廣應用三相全阻抗后備故障保護裝置[5]。發電機接地保護與元件選擇如表1所示。

表1 發電機接地保護與元件選擇

在大型發電機中，定子繞組的單向中性點接地現象為最容易發生的單向故障。與大型發電機相接的中性點基本不與接地中性點相接，或者只是經高阻抗與發電機接地的中性點相接。盡管定子單向中性點接地故障并不會直接導致產生較大的單向故障接地電流，但是由于大型發電機在我國電力系統維修保護中的特殊重要性以及其昂貴的維修保護價格，大型發電機的日常維修保護難度相對較大。因此，為了充分保護大型發電機，需要嚴格要求發電機定子繞組接地電流的大小與其保護的性能。

3 發電機組繼電保護系統

3.1 發電機組的縱差保護

電力系統發電機組的中性點內部并非直接出現接地的狀態，一旦該系統的發電機內部中性點存在短路動作故障，就有可能會直接導致兩相或三相的插動機械器在發電機的中性點發生直接接地動作。鑒于這一邏輯特征，在進行該系統的保護設計時，可針對其實際情況進行相應的分析與檢測[6]。

由于動作保護裝置采用了較大比率制動的特性，其動作電流的最小整定值不必按照躲過外部回路故障時的不平衡動作電流來整定，只需躲過最大動作保護負荷和平衡條件下的回路差動電流進行整定即可。在一種常規的雙重差動電流保護中，同時引入發電機的磁極端電流與電機中性點中存在的電流，在每相定子繞組處于短路的狀態時，兩相的并聯電流仍然處于相等的狀態，此時發電機的縱差保護將使系統無法進行動作。若將電機進行中性點監測，部分并聯支路電流就會被有效引入，從而形成電力系統的縱差動保護。根據其國際標準進行分析，系統繼電保護動作的邏輯特征可以對單相斷線故障進行保護，同時可監測直接發生短路的故障，因此保護設計可有效處理該系統斷線閉鎖這一環節的故障，確保發電機系統的動作安全性與系統的穩定性。

3.2 發電機組定子單相接地保護

發電機組定子接地保護中，一般需要在發電機中進行兩種接地保護的設置，即95%定子接地保護和100%定子接地保護。發電機單相接地故障電流因中性點接地方式的不同而不同，同時其保護方式也不同。按照繼電保護配置規程的規定，大型發電機組單相接地故障電流達到1 A時，定子一點接地保護應動作跳閘，同時要求實現定子接地保護，而且要求在保護區內任一點的接地保護應有足夠高的靈敏度。95%定子接地保護將影響電壓繼電器的電壓偏移程度，因此從磁極端至中性點方向對95%的定子繞組提供有效保護，并有效規避高次諧波所產生的影響，能夠對三次諧波起到抑制作用。根據接地點電壓的實際運行情況，該處的接地電流處于較小狀態，若不及時清除，長此以往會對鐵芯造成嚴重損壞。

當發電機某一定子鐵芯繞組的絕緣結構發生了接地現象，或電機外殼絕緣結構發生短路接地現象，此故障稱為絕緣單相接地狀態。單相鐵芯接地故障的危害不容忽視，其原因在于故障接地點的某一定子鐵芯單相接地會使外殼受到嚴重傷害，從而導致定子鐵芯絕緣的接地損壞嚴重程度進一步加劇，甚至會使發電機產生復雜相間的短路接地現象，嚴重損壞發電機。為了確保發電機組的運行安全，其外殼均需與單相接地絕緣結構相接。

3.3 發電機組的失磁保護

發電機組失磁保護是發電機繼電保護的一種，是指發電機的勵磁突然消失或部分消失時進行保護動作的情況，如圖1所示。當發電機完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減至零，當內功率因數角超過靜態穩定極限角時，發電機會與系統失去同步，此時發電機保護裝置會動作于發電機出口斷路器，使發電機脫離電網，以防止發電機損壞，保護電網穩定運行。當發電機組啟動時，若勵磁電流存在部分自動消失的現象，則意味著發電機勵磁存在自動失死的故障。導致這一異常現象的原因有很多，如發電機的回路變壓器發生故障等。

若發電機勵磁變壓器存在故障或者不正常現象，啟動時電流會明顯下降，甚至下降至零。為了有效保護其中的失磁故障保護裝置，需要設置一系列的失磁故障保護裝置。系統發生失磁現象后，其磁極的極端電壓會明顯下降，導致磁極極端電流迅速提升，從而使發電機的有功輸出受到波動，從原本的輸出狀態轉化為吸收無功狀態。發電機失磁保護是發電機勵磁電流異常下降或完全消失時，防止危及發電機安全及電力系統穩定運行而進行的保護。該保護能檢測或預測機組的靜穩邊界，同時還能檢測機組的穩態異步邊界、系統的崩潰電壓以及不同負荷下各種全失磁和部分失磁現象，并且能夠防止系統振蕩、系統故障、故障切除過程中及電壓互感器斷線和電壓切換時的誤動。

4 結語

本文主要介紹了發電機組在電力系統中的重要性，并闡述了繼電保護對保障發電機組正常穩定運行的重要意義。通過對發電機組的繼電保護系統進行理論分析與研究，基于發電機組的特點，描述了其運作過程中存在的故障以及不正常運行狀態，并重點闡述了發電機的保護作用及其配置規則。同時，分別研究了發電機組的縱差保護、接地保護和失磁保護，并分別闡述了各種繼電保護的原理、選型、應用及意義，對繼電保護的可靠性、穩定性、靈敏性與快速性提出了較高的要求，實現了繼電保護系統的完整性與合理性。