姜松 南京國電南自電網(wǎng)自動化有限公司

介于電力主設(shè)備單機容量增大、額定功率增高等問題，保護措施研究更為重要。為確保電力主設(shè)備安全、經(jīng)濟、高效、穩(wěn)定運行，需充分了解保護方式，透析構(gòu)成機理、交流接入回路以及構(gòu)成邏輯問題，本研究針對發(fā)電機與變壓器運行常遇問題與保護方式進(jìn)行分析，提出相對措施。

一、發(fā)電機保護研究

（一）內(nèi)部故障主保護問題

內(nèi)部故障主保護即發(fā)電機定子繞組的相間短路和匝間短路保護。前者的縱差保護特性可發(fā)揮良好的發(fā)電機保護功能，在注重電力互感器暫態(tài)特征外，其比率制動特征的差動保護也可發(fā)揮良好的保護功能。后者多應(yīng)用橫差保護、負(fù)序功率方向保護、縱向零序電壓保護等。

（1）橫差保護結(jié)構(gòu)相對簡單，可應(yīng)對反應(yīng)匝間短路與相間短路，需要注意的核心問題是故障既發(fā)與未發(fā)間不平衡電流的影響。此處所指的不平衡電流和發(fā)電機本身的構(gòu)造與運行情況相關(guān)，具備明顯的差異性，外部短路的不平衡電流極值無法核算。

（2）負(fù)序功率方向保護在理論上有如下幾點適用性：首先，電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，發(fā)電機位于分支末端；其次，發(fā)電機因其自身構(gòu)造并不會出現(xiàn)對稱三相短路，同時采用封閉式母線的出線方式，同樣不會發(fā)生三相短路?；诖?，發(fā)電機內(nèi)部故障誘發(fā)的負(fù)序功率時刻會得到正確的反應(yīng)。負(fù)序功率方向保護多適用在外部短路狀態(tài)發(fā)生變化的情況，內(nèi)部數(shù)據(jù)窗過渡時很容易出現(xiàn)短路方向誤判的問題。除此之外，發(fā)電機外部發(fā)生的三相短路多由負(fù)序功率方向的元件工作環(huán)境惡劣導(dǎo)致，需特別注意其保護的可靠性。

（3）縱向零序電壓主要由發(fā)電機內(nèi)部繞組不平衡導(dǎo)致，外部短路會將部分細(xì)小變異放大，表現(xiàn)出零序電壓升高，以此促使縱向零序電壓保護工作出現(xiàn)問題。除此之外，當(dāng)互感器與發(fā)電機中性點出現(xiàn)斷線、接地等情況時，縱向零序電壓保護易出現(xiàn)錯誤動作。

發(fā)電機內(nèi)部故障主保護需關(guān)注相間短路與匝間短路兩個問題，需對兩種情況進(jìn)行特定設(shè)計與配置，確保發(fā)電機安全運行，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

（二）定子繞組一點接地保護

定子繞組一點接地故障在發(fā)電機故障中占比較高，若得不到及時解決，將誘發(fā)更為嚴(yán)重的相間短路問題。介此，提高定子一點接地保護的有效性與靈敏性對發(fā)電機保護大有裨益。相對大機組，既需要定子繞組一點接地保護全覆蓋，同時還需極強的反應(yīng)過渡電阻的能力。發(fā)電機基波零序電壓型定子接地保護的原理是運用三次諧波濾波算法與主變高壓側(cè)零序電壓閉鎖等方法后，對高達(dá)90%以上的繞組進(jìn)行保護，可保證其穩(wěn)定工作。當(dāng)發(fā)電機存在母線時，需介入零序電流確保保護措施的可選擇性。

相對三次諧波電壓保護，本文以近年研究成果為參考，認(rèn)為全覆蓋保護與提高抗過渡電阻能力的保護措施在理論上可行，但實際應(yīng)用尚難以廣泛應(yīng)用?？紤]到發(fā)電機三次諧波電勢較小，同時電壓互感器產(chǎn)生的誤差難以避免，三次濾波電壓提取算法與變壓器高低繞組間耦合電容傳遞外部諧波電壓都將影響三次諧波電壓保護，導(dǎo)致其可靠性較差，因此該保護措施多應(yīng)用于發(fā)送信號。

區(qū)別于三次諧波電壓保護，注入式定子接地保護具有全覆蓋、靈敏度高的優(yōu)勢，通過導(dǎo)納判據(jù)計算故障電阻的方式，直觀反映定子絕緣變化趨勢。發(fā)電機保護需重點關(guān)注啟停階段頻率變化走勢與中性點接地方式的自適應(yīng)力，拓寬發(fā)電機保護研究。

（三）轉(zhuǎn)子繞組接地保護

該方式主要借助勵磁電壓與微機保護裝置調(diào)控回路狀態(tài)，以切換采樣值式、變電橋式完成繞組接地保護。由于不需要外加電源，其回路形態(tài)較為簡潔，所以可直觀反映并計算接地電阻值，轉(zhuǎn)子繞組分布電容對該保護方式不產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)子繞組接地保護中需注意切換元件工作的可靠性，重點關(guān)注勵磁電壓中諧波電壓對保護效果的影響。轉(zhuǎn)子繞組多為兩點及以上接地，易對發(fā)電機機組造成損害。截至目前，轉(zhuǎn)子兩點接地保護原理研究尚有一定發(fā)展空間，還無法有效應(yīng)對近距離或同時發(fā)生的故障。

介于目前發(fā)電機保護研究的局限性與應(yīng)對各類故障的方式科學(xué)性不足等問題，需重點關(guān)注各類故障類型確定量的計算、特殊機組保護方案與特殊性研究、異常工況保護等。

（四）發(fā)電機頻率異常保護——以汽輪發(fā)電機為例

某大型發(fā)電機發(fā)生頻率異常故障，經(jīng)檢驗由汽輪機葉片問題導(dǎo)致。該發(fā)電機設(shè)置低頻保護、頻率累積保護與過頻保護。頻率異常時發(fā)電機允許時間表如表1。

經(jīng)表1可知，為保證該汽輪發(fā)電機安全，處于異常頻率運行的允許時間較長，同時并網(wǎng)運行發(fā)電機頻率與電網(wǎng)功率平衡狀況相關(guān)，由系統(tǒng)調(diào)度情況決定。由于電網(wǎng)系統(tǒng)的高度發(fā)展與裝機容量的增大，系統(tǒng)間緊密度顯著提升，調(diào)度人員對系統(tǒng)頻率控制愈加嚴(yán)格。本研究認(rèn)為，此大型發(fā)電機設(shè)置過頻保護不僅無益于發(fā)電機安全運行，一旦系統(tǒng)發(fā)生頻率異常，整體系統(tǒng)發(fā)電機過頻保護同時響應(yīng)，此時發(fā)電機機組將被切除，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。為應(yīng)對此發(fā)電機頻率異常故障，將反應(yīng)全系統(tǒng)的穩(wěn)定裝置作為恒定頻率異常的指標(biāo)。在發(fā)電廠設(shè)置穩(wěn)控裝置，執(zhí)行高周切機。如果系統(tǒng)頻率超過臨界值過多，穩(wěn)控裝置可進(jìn)行“多輪式”切機，以此達(dá)到頻率異常保護的目的。

表1 本汽輪機組頻率異常允許時間

二、變壓器保護研究

（一）變壓器差動保護

不論是模擬式保護，或是微機保護，差動保護始終存在。差動保護以基爾霍夫電流定律為基礎(chǔ)，在電力系統(tǒng)的輸電線路、母線、發(fā)電機等結(jié)構(gòu)上得到成功使用。由于變壓器原副邊電氣量由內(nèi)部磁路連通，在理論上不完全滿足基爾霍夫電流定律。差動保護需充分考慮變壓器繞組接線方式、傳變誤差、勵磁涌流等因素，以此提高差動保護成效。

相比于模擬式保護，微機保護在不平衡電流補償、比率制動判據(jù)、保護接線、TA飽和識別等進(jìn)行了優(yōu)化，極大程度上提高差動保護對變壓器保護的適用性。在變壓器差動保護中，勵磁涌流是該模式不可避免的問題，是研究的熱點課題?；陂g斷角原理、波形有關(guān)系原理、數(shù)學(xué)形態(tài)研究、模糊算法、智能算法等理論成果，為改進(jìn)傳統(tǒng)諧波含量識別、波形特征識別等進(jìn)行改進(jìn)，目的是更準(zhǔn)確的識別勵磁涌流與內(nèi)部故障電流，以此對變壓器進(jìn)行有力保護。

即便如此，勵磁涌流識別的研究始終存在下述幾個困境：其一，勵磁涌流的產(chǎn)生具有高度的不可控性，剩磁大小、合閘三相不同時、合閘初相角、等值抗阻等都將導(dǎo)致勵磁涌流的形成具備多樣性與隨機性的特征。與此同時，空載合閘、空投并列運行變壓器、投切非線性負(fù)荷等情況下都會產(chǎn)生勵磁涌流。其二，由于勵磁涌流具有較強的非線性特征，勵磁涌流是在變壓器鐵芯飽和的非線性狀態(tài)下產(chǎn)生，非線性計算難度較大。其三，當(dāng)變壓器處于繞組星角接線的情況，角側(cè)繞組的電流難以測定與計算，故障電流與勵磁涌流難以區(qū)分。上述三類難題始終存在，針對變壓器勵磁涌流識別的判別依據(jù)雖然層出不窮，但皆存在一定局限性。

介于目前研究成果，變壓器差動保護還需解決如下幾點問題：其一，勵磁涌流和故障電流判據(jù)與區(qū)分的研究仍需繼續(xù)深入，任何以勵磁涌流波形為基礎(chǔ)的研究都無法完全判別勵磁涌流，表現(xiàn)在空投正常時變壓器易出現(xiàn)誤動或延遲，所以波形判別無法100%識別勵磁涌流；其二，空投變壓器在匝間存在故障時，保護速度較慢，很容易在勵磁涌流衰減后才可以出口，需加快反應(yīng)速度，讓其在出口前完成區(qū)分。

（二）變壓器分側(cè)差動保護

為避免變壓器高壓側(cè)接地故障而誘發(fā)變壓器縱差保護誤動，需采用變壓器分側(cè)差動保護。該保護方式的原理是借助過濾高壓側(cè)零序電流，變壓器高壓側(cè)繞組發(fā)生單相接地故障時，變壓器縱差保護動作靈敏度較低。相對超高壓或特高壓變壓器，高壓側(cè)設(shè)置可反應(yīng)高壓側(cè)短路故障的分側(cè)差動保護，有效提高接地故障時動作靈敏性。分側(cè)差動保護的交流接入回路和邏輯框圖見圖1與圖2。

圖1 分相差動保護交流接入回路

圖2 分側(cè)差動保護邏輯圖

變壓器分側(cè)差動保護的優(yōu)勢在于：可應(yīng)用型號與變化形式相同的互感器，二者誤差和暫態(tài)特征差異不明顯。此外，判定最小動作電流和比率制動系數(shù)的過程中，可不考慮勵磁電流，因此其取值較小，動作靈敏性高。尤其是高壓側(cè)繞組單相接地故障，由于不應(yīng)用濾去零序電流，所以可保證高靈敏度的變壓器保護。

（三）變壓器新保護措施

長期以來，國內(nèi)外學(xué)者始終致力變壓器保護原理的研究與實踐。目前針對勵磁涌流識別的方式不僅憑借波形特征，還引入電壓量這一評定指標(biāo)，從勵磁特征的變化著手，提出了嶄新的識別措施。部分判據(jù)直接跳出差動保護構(gòu)成思路，基于變壓器產(chǎn)生勵磁涌流時的特征與表象，根據(jù)磁路飽和的問題讓變壓器成為非線性時變系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，憑借非線性關(guān)聯(lián)的電流與電壓這兩個核心變量的描述來體現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)，此判定方式從初始階段就規(guī)避了勵磁涌流問題。該種判定方式的典型代表為：功率差動保護、瞬時功率保護、變壓器回路方程等。介于對變壓器保護研究的深入與技術(shù)的發(fā)展，仿真與實驗聯(lián)合的方式為變壓器保護新原理的研究提供了新的路徑。目前，變壓器保護研究需將重點落根于漏感參數(shù)與空投變壓器時空載側(cè)繞組電壓的測量。

三、結(jié)束語

我國電力系統(tǒng)的高度發(fā)展下，對發(fā)電機與變壓器的性能提出更高的要求，促使單機容量增大、結(jié)構(gòu)設(shè)計更加復(fù)雜，機組保護難度不斷提升。不論是大機組或是小機組，在繼電保護工作環(huán)境的惡化下，各項保護措施必須予以改善與更新。介于當(dāng)下諸多不足與保護措施無法全覆蓋等問題，需持續(xù)加大研究力度，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運行。