電廠發電機變壓器保護原理及繼電保護方式分析

鄭州裕中能源有限責任公司 史紀軍

變壓器繼電保護在電廠的發電機運行過程中發揮著重要的作用，與電廠的實際生產有密切的關系，與低壓過流保護、后備保護、過激磁保護等環節有關，運行維護人員需要制定科學有效的繼電保護方案，確定好穩定、壓力等參數，為變壓器的正常運行提供保障。繼電保護裝置對變壓器的運行故障進行識別與管理，能夠縮小故障涉及的范圍，保證設備運行的穩定性。簡單來說，就是繼電保護不僅能夠讓發電機變壓器穩定運行，還能促進裝置的改進，提高電廠的運行效益。電廠運行關系到全社會的用電質量，因此提高電廠的繼電保護技術，密切關注發電機是保證電力系統運行和安全運行的基礎。

1 發電機變壓器繼電保護的重要性

1.1 發電機繼電保護的重要性

繼電保護是為了使發電機能夠更好地工作。發電機的繼電保護具有安全性強、選擇性多、迅速、可靠、靈敏的特點。發電機一旦發生問題，就可以通過繼電保護裝置迅速地將其切斷，而不會影響附近的線路及發電機的正常工作。即使是在故障切除之后，發電機依然可以正常地運行并使用，所以繼電保護不僅有利于保障發電機的運行，還能對周圍線路和設備提供保護，為早日恢復供電打下堅實的基礎。發電機的繼電保護方法主要有縱差保護、橫差保護和接地保護[1]。

1.2 變電器繼電保護的重要性及常用手段

如果變壓器出現了故障，就不能按照用戶的需要，為其提供對應的電壓。導致電力使用過程較為混亂，甚至會發生電力癱瘓的情況。變電器繼電保護的常用手段。第一，差動保護。該方法作為最可靠也是最常用的保護方式，通過測量變壓器兩側電流的差值分析是否存在內部短路或開路的問題。該方法具有靈敏度高、操作便捷的優勢。第二，過流保護。過流保護通過測量變壓器兩側的電流幅值以及相位關系分析是否存在短路、過載的故障。能夠快速的對變壓器故障進行分析并且做出保護措施。

2 電廠發電機變壓器保護的工作原理

電廠發電機變壓器繼電保護的硬件工藝較高。有利于不會因為硬件發生損害造成的保護誤動，將繼電保護裝置的功能發揮到極致。在相應的參數監控的基礎上，通過輔助性元件、電源裝置等為繼電保護功能的發揮奠定基礎，也是保障繼電保護中硬件性能的重要手段[2]。不僅如此，要實現對硬件設施的組件標準化設計，對元器件實施嚴格的篩查，在不同結構模塊的合理配置下，為變壓器繼電保護的穩定性提供保障。第二，具有完善的人機交互界面。要以保護操作原理和人機交互流程的需求為依據，在采集數據和計算的同時，對設備的性能、電器參數等實施有效管理，滿足發電機變壓器的繼電保護需求，保證人機交互界面的完善性[3]。第三，火力發電廠變頻器繼電器工作原理簡單，可靠性高。繼電保護中的軟件設計通過模塊化方法來完成，該方案可以適應各種配置的需要，為保護設備的軟件系統的正常工作打下了良好的基礎。變壓器接地線路如圖1所示。

圖1 變壓器接地線路

電廠發電機變壓器保護需要遵循以下幾點原則。

第一，電廠接地繼電保護原理。短路作為比較常見的問題，通常發生的類型為相間短路、匝間短路等，短路問題的形成是由于發電機變壓器出現了定子單相接地，短路一旦出現就會影響電廠的整體運行狀態，嚴重影響其生產與輸送的效率，也給變壓器的運行埋下了巨大的安全隱患。工作人員要將高阻設置在定子接地繼電保護的中心上，變壓器可以直接限制暫態過電壓，構建完善的阿伯胡機制，在定子單相接地發生問題時，變壓器可以給予一定的保護，以免發生不良的安全事故。

第二，繼電保護遵循的原則。電能是由于電能和勢能相互轉化形成的，這也表示水流、地形地貌等都會影響電廠的發電，水電廠和火電廠發電的差異也在于此。水電廠的發電依賴于發電機和變壓器的連接，20～100MW 是比較常見的發電機容量范圍，對比火電廠來說比較小。為了保證變壓器可以與多臺發電機連接，工作人員就要通過擴大電源接線的方式來實施繼電保護，并且采用并聯的方式解決斷路器與母線的問題。

第三，電廠發電機變壓器保護的配置。一是轉子接地保護與定子接地保護。針對定子與轉子的保護裝置分析，兩種都是最常用的配置方式。很多發電機的定子繞組保護都是采用基波零序電壓來完成的，對于中性點周圍的定子繞組來說，就需要三次諧波電壓來完成。電廠如果要促進發電機的運行保護配置的需求，工作人員就要對獨立出口的回路進行潘達UN，并且對三次諧波和零序電壓進行研究。如果在勵磁回路中發生接地的故障，而且故障沒有通過發電機表現出來，兩點接地造成發電機故障，就可以選擇轉子保護配置并且及時確定故障的位置，然后對故障位置接地電阻進行計算。二是變壓器繼電保護。廠用變壓器、主變壓器都是電廠基礎配置，主變壓器涉及溫度升高、重瓦斯、低壓過流等問題，部分電廠也會通過設置差動速斷保護及間隙零序過流等保證主變壓器的運行。主變壓器與廠用變壓器的保護中都會采用工控機作為管理設備，促進接地線路的優化，也方便后期的保養。

3 電廠發電機變壓器繼電保護方式的應用

3.1 發電廠變壓器故障的保護

轉子繞組故障、定子繞組故障都是電廠運行中常見的故障問題，本文介紹了轉子繞組發生的兩點接地、一點接地和線圈匝間短路的原因。如果固定的電容過大，那么三相過載就會變得更加嚴重，若是出現了不對稱電路的問題，發電機也會出現電流情況[4]。從保護模式上分析，后備保護裝置、主保護裝置和異常運行保護裝置處于變壓器中，能夠各自發揮作用，根據變壓器發生的故障給予有效的保護，保證設備運行的穩定性。

3.2 縱差保護

縱差保護能夠將短路發生的部位和具體情況表現出來，在不延時的情況下把保護范圍中出現短路的線路切除，有利于保證減少對過負荷和系統振蕩帶來的影響。

3.3 橫差保護

橫差保護可以解決發電機定子繞組匝間短路的問題，這種手段的接線方式為：各相間安裝2臺變流器、1臺繼電器，構成獨立的保護體系；一個能產生多個中性線，通過各中性點引出線位置增設零序電流互感器從而構成單元橫差或多元件橫差來實現保護。

3.4 短路故障的保護

由于電站變壓器的定子繞組和輸出端的相間短路而產生短路電流，同時也涉及接電短路的問題，若是情況比較嚴重、變壓器發生損毀，那么就會產生嚴重的電力安全事故，給企業的發展帶來不良的影響。工作人員通過橫差保護法、縱差保護法來進行保護，采用不同的接線方式來對變壓器提供保護。若是定子繞組引出多個中心點，操作人員只需將零序電流互感器置于中性點，再用導線將其引出，即可完成多部件交叉保護[5]。

3.5 短路保護的后備保護措施

目前，從電站發電機變壓器短路故障后備保護的發展狀況來分析。當前，很多變壓器運行基本處于超負荷的狀態下，變壓器的溫度也會明顯升高，在此基礎上通過定子繞組過負荷保護法能夠避免元件受到高溫損害。在對變壓器周邊設備進行備用保護時，工作人員可以通過低壓過電保護法來實現保護。

4 電廠發電機變壓器的繼電保護發展方向

4.1 微機化

隨著計算機技術的發展，微機系統中的硬件性能明顯提高。機械設備的配件體積不斷縮小、芯片的功能越來越強大，32位CPU 作為重要的核心元件，有利于促進應用空間的優化，合理應用信息處理技術可以實現對信息的儲存與管理，提高繼電保護的科學管理效果，為電廠發展提供助力。繼電保護裝置需要完成后續的檢修和維護，保證電力運行工作穩定開展，保證電廠設備得到安全的應用。

4.2 網絡信息化

當前我國已經步入信息化時代，社會各個行業都合理應用網絡技術促進產業結構的優化，各行業的生產質量和生產效率都明顯提高。繼電保護也采取網絡信息技術為全社會用電提供保障。網絡信息技術在電力企業中的應用滿足了各個行業對電力資源的需求，發電機變壓器發生的故障可以通過信息技術進行篩查，幫助工作人員解決故障中存在的問題。采集數據的過程中，網絡信息化技術也能保證信息的準確性，監督與管理變壓器的工作狀態，制定完善的數據管理體系從而實現電力資源的合理配置。

4.3 智能化

智能時代發展的進程中，繼電保護技術的智能化和自動化程度不斷加強。通過非線性映射原理，找到繼電保護裝置中發生故障的部位，然后快速制定解決方案。通過專家系統構建數據庫，一旦出現問題，就能第一時間進行檢查。隨著智能程度的提高，對電力系統中電力系統的保護性能也有了很大的提升。

4.4 多功能一體化

提高發電機、變壓器等繼電保護設備的微型化、智能化程度，是繼電保護實現多功能一體化的基礎。通過多功能一體化的管理系統來進行發電機變壓器的繼電保護，則有效提高了機電保護的效果。具體應用階段，該系統還能實現動態化監測、判斷發電機和變壓器的運行情況，利用相關技術對故障進行處理，及時消除故障保證發電機變壓器的穩定運行。

5 結語

電廠運行關系到全社會的用電質量，因此提高電廠的繼電保護技術，密切關注發電機是保證電力系統運行和安全運行的基礎。電廠發電機變壓器的繼電保護是繼電保護原理得到合理應用的基礎，也是提高電廠市場信譽的最佳手段。電廠需要審視市場發展規律，重點對繼電保護的工作原理、保護方式進行探討，保證發電機保護質量，及時發現存在的安全隱患，保證發電機繼電器的安全、穩定運行。