王 光，陳 俊，王 凱，李華忠，陳佳勝，鐘守平，季遙遙

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

基于傳統(tǒng)電磁式電流互感器（TA）的微機(jī)發(fā)電廠繼電保護(hù)發(fā)展多年，技術(shù)已很成熟，但由于電磁式TA一些固有特性限制，如磁飽和、小電流非線性段、二次開(kāi)路過(guò)電壓等[1]，發(fā)電廠繼電保護(hù)在應(yīng)用中仍存在一些問(wèn)題無(wú)法解決。汽輪發(fā)電機(jī)組中性點(diǎn)空間狹小，無(wú)法在分支上安裝電磁式TA，采用縱向零序電壓保護(hù)應(yīng)對(duì)定子匝間短路故障，靈敏度較低，某電廠曾發(fā)生發(fā)電機(jī)先出現(xiàn)分支開(kāi)焊故障，繼而發(fā)展成匝間故障和接地故障，損失慘重。大型水電機(jī)組一般僅安裝分支組TA，不能獲取所有分支電流信息，主保護(hù)配置仍有一定限制，仍有一定比例的小匝數(shù)匝間短路故障不能反映。另外大型水電機(jī)組中性點(diǎn)空間仍然緊張，TA磁場(chǎng)屏蔽設(shè)計(jì)和空間排布困難，多個(gè)電廠發(fā)生因TA繞組溫升過(guò)高而發(fā)生匝間短路燒毀事故。對(duì)于擴(kuò)大單元機(jī)組，定子繞組接地故障的選擇性仍未能有效解決。核電站輔助電源斷相可能導(dǎo)致停堆問(wèn)題，自2015年WANO發(fā)布預(yù)警，目前現(xiàn)場(chǎng)仍未有成熟方案。對(duì)于抽水蓄能機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)組、新型調(diào)相機(jī)等采用變頻啟動(dòng)方式的機(jī)組，其低頻保護(hù)性能有待提高，特別是啟動(dòng)初始時(shí)頻率極低階段（10Hz以下），常規(guī)電磁式TA傳變特性差，嚴(yán)重影響保護(hù)性能。為解決上述問(wèn)題，開(kāi)展柔性光學(xué)TA在發(fā)電廠繼電保護(hù)上的應(yīng)用研究是一個(gè)很好的思路，本文總結(jié)了柔性光學(xué)TA在發(fā)電廠保護(hù)不同場(chǎng)景上的應(yīng)用探索，利用柔性光學(xué)TA優(yōu)良的傳變特性和靈活的安裝方式，進(jìn)一步優(yōu)化和提升發(fā)電廠保護(hù)性能，為發(fā)電廠保護(hù)發(fā)展提供一些參考思路。

1 柔性光學(xué)電流互感器

柔性光學(xué)電流互感器[2]屬于光學(xué)電流互感器的一種，其對(duì)電流傳變基于Faraday磁光效應(yīng)原理，傳感原理如圖1所示。線偏振光通過(guò)處于磁場(chǎng)中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向?qū)a(chǎn)生與磁感應(yīng)強(qiáng)度平行分量大小相關(guān)的旋轉(zhuǎn)角度（旋光角），應(yīng)用干涉原理和動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方式實(shí)現(xiàn)偏振光的干涉來(lái)檢測(cè)旋光角變化，進(jìn)而測(cè)量出產(chǎn)生磁場(chǎng)的導(dǎo)體電流大小。

圖1 光學(xué)電流互感器傳感原理示意圖Figure 1 Sensing principle of flexible optical TA

根據(jù)安培環(huán)路定理，當(dāng)傳感光纖圍繞一次通流導(dǎo)體閉合成環(huán)時(shí)。旋光角φ可用式（1）表示：

式中：V——光學(xué)介質(zhì)的Verdet常數(shù)，表示單位磁場(chǎng)產(chǎn)生的旋光角；

H——磁場(chǎng)強(qiáng)度；

l——光在介質(zhì)中傳播的距離；

NL——圍繞通流導(dǎo)體閉合光路的圈數(shù)；

I——產(chǎn)生磁場(chǎng)的電流。

根據(jù)光學(xué)TA傳變?cè)?，其傳變性能與頻率無(wú)關(guān)，交流和直流分量均可傳變，因此可適應(yīng)所有頻率段。另外光學(xué)介質(zhì)Verdet常數(shù)為恒定數(shù)值，在全測(cè)量范圍內(nèi)都是線性的，不存在飽和特性，小電流測(cè)量時(shí)也不存在非線性段，只要采用合適的測(cè)量方案，從小電流到大電流均可精確測(cè)量。

另外柔性光學(xué)TA還具有一大優(yōu)勢(shì)，TA繞制方式可根據(jù)一次導(dǎo)體靈活設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用極為方便。柔性光學(xué)TA可將一次傳感光纖部分制成柔軟的光纜形式，傳感光纜可以方便地纏繞在任何形式的一次導(dǎo)體上，對(duì)一次導(dǎo)體的幾何形狀幾乎沒(méi)有任何要求，可以較好滿足電廠中導(dǎo)體直徑較大的需求。同時(shí)，柔性光纖TA體積小，對(duì)物理空間要求很小，能夠在狹小空間內(nèi)完成柔性光學(xué)TA的安裝，可以解決火電機(jī)組等中性點(diǎn)空間狹小無(wú)法在分支上安裝傳統(tǒng)TA實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量的問(wèn)題。另外，柔性光學(xué)TA可現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行繞制，無(wú)需拆卸一次導(dǎo)體，便于現(xiàn)場(chǎng)改造實(shí)施。

2 發(fā)電機(jī)主保護(hù)方案優(yōu)化

由于傳統(tǒng)電磁式TA體積大，TA配置安裝受到很大限制，影響發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)配置方案，尤其是定子繞組匝間保護(hù)薄弱。對(duì)于火電、核電、燃?xì)鈾C(jī)組等，中性點(diǎn)由于空間狹小難以安裝分支TA，一般配置縱向零序電壓匝間保護(hù)，靈敏度相對(duì)較低，且不能反映分支開(kāi)焊故障。對(duì)于水電、抽水蓄能機(jī)組，通常有條件在分支組安裝TA，但一般僅能安裝2組，主保護(hù)配置仍受到一定限制，整體性能仍有提升空間[1][3]。

針對(duì)上述問(wèn)題，我們提出了基于柔性光學(xué)TA的多重多種差動(dòng)保護(hù)方案。對(duì)于火電、核電、燃?xì)獾葯C(jī)組，在中性點(diǎn)兩個(gè)分支上分別裝設(shè)柔性光學(xué)TA，測(cè)量?jī)煞种щ娏?，在原有完全縱差保護(hù)基礎(chǔ)上，可以新增裂相橫差保護(hù)或不完全縱差保護(hù)，可提高定子繞組匝間保護(hù)的靈敏度，并解決分支開(kāi)焊保護(hù)缺失問(wèn)題。某電廠300MW火電機(jī)組的內(nèi)部故障計(jì)算表明，原有完全縱差+縱向零序電壓保護(hù)方案，不能可靠動(dòng)作故障數(shù)達(dá)到4.5%，這還不包括分支開(kāi)焊故障數(shù)，在分支上裝設(shè)柔性光學(xué)TA，增加裂相橫差保護(hù)后，如圖2所示，不能動(dòng)作故障數(shù)為零，顯著提高了發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)性能。

圖2 某火電機(jī)組主保護(hù)優(yōu)化方案Figure 2 Optimization scheme of main protection for thermal power generating unit

對(duì)于水電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組，我們可在中性點(diǎn)所有分支或任意分支組上安裝柔性光學(xué)TA，差動(dòng)保護(hù)可根據(jù)內(nèi)部故障計(jì)算結(jié)果更加靈活地配置，實(shí)現(xiàn)多重多種的最優(yōu)主保護(hù)方案，進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)性能。某水電站600MW機(jī)組，定子繞組為6分支，原有方案電磁式TA受到安裝空間限制，6個(gè)分支分為2組，僅在兩個(gè)分支組上安裝，差動(dòng)保護(hù)配置方案優(yōu)化受到限制，仍有部分小匝間短路故障靈敏度不足。采用基于柔性光學(xué)TA的發(fā)電機(jī)保護(hù)方案后，最終實(shí)現(xiàn)了在所有6個(gè)分支上安裝，如圖3所示，并根據(jù)內(nèi)部故障計(jì)算結(jié)果，在原有基礎(chǔ)上增加了若干套不完全縱差保護(hù)、若干套裂相橫差保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了最完善的差動(dòng)保護(hù)配置方案，基本消除了小匝間故障死區(qū)。

圖3 某水電機(jī)組主保護(hù)優(yōu)化方案Figure 3 Optimization scheme of main protection for Hydraulic generator unit

3 轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)

轉(zhuǎn)子繞組匝間故障也是發(fā)電機(jī)一種常見(jiàn)故障類(lèi)型。相對(duì)于定子繞組，轉(zhuǎn)子繞組電壓等級(jí)低，絕緣墊條比較薄，絕緣強(qiáng)度偏弱，匝間故障時(shí)有發(fā)生。大匝數(shù)的匝間故障，造成發(fā)電機(jī)失磁、機(jī)組軸振、轉(zhuǎn)子局部過(guò)熱，轉(zhuǎn)化為接地故障引起轉(zhuǎn)子鐵心磁化、燒傷軸頸軸瓦等。20世紀(jì)90年代，某電廠有300MW機(jī)組導(dǎo)致大軸磁化。小匝數(shù)的匝間故障，發(fā)電機(jī)可以繼續(xù)運(yùn)行，但是潛在的危害很大。2009～2011年，廣東省十余臺(tái)400MW以上容量發(fā)電機(jī)出現(xiàn)匝間短路故障[4][5]。目前普遍缺少轉(zhuǎn)子匝間故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)，無(wú)法發(fā)現(xiàn)輕微的轉(zhuǎn)子匝間故障，機(jī)組帶故障運(yùn)行，存在由輕微故障擴(kuò)展至嚴(yán)重故障的可能。

針對(duì)轉(zhuǎn)子匝間監(jiān)測(cè)和保護(hù)，可利用柔性光學(xué)TA安裝靈活性，采集分支TA電流或單元件橫差TA電流，采用定子繞組分支環(huán)流的諧波特征實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間故障的監(jiān)測(cè)和保護(hù)，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子繞組匝間故障保護(hù)方案Figure 4 Generator rotor winding inter turn fault protection scheme

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間故障后，轉(zhuǎn)子磁勢(shì)不再對(duì)稱(chēng)，通過(guò)氣隙磁場(chǎng)的感應(yīng)，定子繞組側(cè)將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)P有關(guān)的諧波分量電動(dòng)勢(shì)（1/P、2/P、…），且在定子繞組同相各分支產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)次電動(dòng)勢(shì)相位不同，于是在定子繞組內(nèi)部產(chǎn)生同相不同分支之間的環(huán)流，各分支電流不再相等[6]。因此可通過(guò)在分支或分支組上安裝柔性光學(xué)TA或在分支組中性點(diǎn)連線上安裝柔性光學(xué)TA，實(shí)時(shí)測(cè)量定子相繞組內(nèi)部的分支環(huán)流，間接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障監(jiān)測(cè)和保護(hù)。

4 選擇性定子接地保護(hù)

定子繞組的單相接地是發(fā)電機(jī)最常見(jiàn)的一種故障形式?，F(xiàn)有定子接地保護(hù)主要采用基波零序電壓、基波零序電流、三次諧波電壓和注入低頻電源等原理，均存在無(wú)選擇性的問(wèn)題，即不能區(qū)分區(qū)內(nèi)還是區(qū)外接地故障。對(duì)于多機(jī)共母線的擴(kuò)大單元接線方式的發(fā)電機(jī)組，任意一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組單相接地故障時(shí)，所有并列運(yùn)行的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)均將動(dòng)作，導(dǎo)致非故障機(jī)組停機(jī)，擴(kuò)大了事故范圍，停機(jī)損失巨大。此外，定子接地保護(hù)的無(wú)選擇性還導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)故障定位和排查不便，檢查范圍廣，耗時(shí)長(zhǎng)，效率低下，不利于快速恢復(fù)生產(chǎn)。

對(duì)于擴(kuò)大單元機(jī)組，實(shí)現(xiàn)定子接地保護(hù)的選擇性可采用零序方向原理，采集發(fā)電機(jī)機(jī)端或中性點(diǎn)零序電壓、機(jī)端零序電流，構(gòu)成零序方向元件，通過(guò)判別零序方向?qū)崿F(xiàn)定子接地故障的選擇性[7]，如圖5所示。

圖5 選擇性定子接地保護(hù)原理圖Figure 5 Principle of selective stator grounding protection

由于發(fā)電機(jī)一般為接地變高阻接地方式，接地零序電流很小，僅為幾安培或十幾安培，而發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電流可達(dá)數(shù)千安培，機(jī)端零序電流難以準(zhǔn)確測(cè)量，這也是這一原理實(shí)現(xiàn)的難點(diǎn)。以往有采用傳統(tǒng)電磁式零序電流互感器進(jìn)行測(cè)量，僅適用于機(jī)端為電纜出線方式。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)更多的絕緣澆筑母線或封閉母線出線方式，存在三相合成磁場(chǎng)不平衡問(wèn)題，常規(guī)電磁式零序電流互感器在機(jī)組正常運(yùn)行時(shí)不平衡零序電流過(guò)大，難以識(shí)別故障電流。針對(duì)機(jī)端零序電流的測(cè)量難題，可利用柔性光學(xué)TA的優(yōu)異傳變特性和靈活安裝方式，將柔性光學(xué)TA繞制在發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電纜或銅排上，精確測(cè)量機(jī)端零序電流，與發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓共同構(gòu)成零序方向元件，實(shí)現(xiàn)定子接地保護(hù)的選擇性，如圖6所示。

圖6 基于柔性光學(xué)TA選擇性定子接地保護(hù)Figure 6 Selective stator grounding protection based on flexible optical TA

柔性光學(xué)TA精確測(cè)量機(jī)端零序電流，當(dāng)某臺(tái)發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時(shí)，其他機(jī)組電容電流和接地變零序電流流向本機(jī)組故障接地點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生區(qū)外單相接地故障時(shí)，本機(jī)組電容電流和接地變零序電流流向故障機(jī)組，通過(guò)零序方向元件判斷定子接地區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障，如單相接地故障發(fā)生在主變低壓側(cè)共有母線上，則所有機(jī)組均判別為區(qū)外故障，可由較長(zhǎng)延時(shí)保護(hù)全?；驁?bào)警進(jìn)行人工處理。

5 核電輔助變斷相監(jiān)測(cè)和保護(hù)

世界核電運(yùn)營(yíng)者協(xié)會(huì)（WANO）在2015年的經(jīng)驗(yàn)反饋（SOER 2015-1 Safety Challenges from Open Phase Events）中提出了核電站斷相故障事件可能導(dǎo)致核電停堆的嚴(yán)重后果，希望引起業(yè)內(nèi)重視[8]。目前針對(duì)發(fā)變組系統(tǒng)的斷線，因?yàn)殚L(zhǎng)期帶載，且監(jiān)測(cè)和保護(hù)設(shè)施完善，一般認(rèn)為無(wú)風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)廠用系統(tǒng)的斷相，理論分析和仿真表明可利用現(xiàn)有測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)斷相監(jiān)測(cè)和保護(hù)。但對(duì)于核電站輔助變斷相，由于長(zhǎng)時(shí)間處于空載，通過(guò)常規(guī)測(cè)量手段難以識(shí)別。理論分析、仿真和動(dòng)模試驗(yàn)均表明，對(duì)于Y/D型或帶有三角形補(bǔ)償繞組的變壓器，當(dāng)高壓側(cè)斷相時(shí)，斷相點(diǎn)兩側(cè)三相電壓均無(wú)變化，兩側(cè)TV仍能測(cè)量出相同的額定電壓，利用電壓量判據(jù)理論上無(wú)法反應(yīng)。對(duì)于輔助變空載工況，三相電流只有極小的空載勵(lì)磁電流流過(guò)，某核電站輔助變一次空載電流僅為0.218A，如圖7試驗(yàn)報(bào)告所示，現(xiàn)有電磁式保護(hù)或測(cè)量TA無(wú)法測(cè)量如此小的一次電流。

圖7 輔助變空載電流測(cè)試報(bào)告Figure 7 No-load current test report of auxiliary transformer

根據(jù)光學(xué)TA傳變?cè)恚鈱W(xué)介質(zhì)Verdet常數(shù)不會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度變化，其數(shù)值始終不變，因此理論上在測(cè)量微弱磁場(chǎng)（小電流）時(shí)仍是完全線性的，不存在傳統(tǒng)電磁式TA的小電流非線性問(wèn)題，因此只要采用合適的設(shè)計(jì)是有可能精確測(cè)量微小電流的。因此可以利用柔性光學(xué)TA良好的微小電流測(cè)量能力，安裝在輔助變高壓側(cè)三相出線上，當(dāng)輔助變斷相時(shí)，通過(guò)精確測(cè)量空載勵(lì)磁電流的變化，可以準(zhǔn)確判別斷相故障。如圖8所示，監(jiān)測(cè)裝置接入輔助變高低壓側(cè)各相電壓和高壓側(cè)三相電流，可以判別輔助變高、低壓側(cè)各類(lèi)斷相故障。

圖8 基于柔性光學(xué)TA核電斷相監(jiān)測(cè)保護(hù)系統(tǒng)圖Figure 8 Phase failure monitoring and protection of nuclear power auxiliary transformer based on flexible optical TA

另外，柔性光學(xué)TA可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于現(xiàn)場(chǎng)安裝實(shí)施，對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)基本無(wú)影響。圖9為某核電站現(xiàn)場(chǎng)安裝圖，柔性光學(xué)TA測(cè)量一次電流0.2A時(shí)，精度仍可達(dá)到5%，足以分辨出微小的勵(lì)磁電流。

圖9 核電斷相監(jiān)測(cè)保護(hù)用柔性光學(xué)TA結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Figure 9 Structure design of flexible optical TA for phase failure monitoring and protection of nuclear power auxiliary transformer

6 變頻啟動(dòng)機(jī)組的保護(hù)優(yōu)化

抽水蓄能機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)組、新型調(diào)相機(jī)等機(jī)組一般采用靜止變頻器啟動(dòng)，從靜止逐步拖動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速再同期并網(wǎng)，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程勵(lì)磁均正常工作，機(jī)組全程帶電，頻率由0Hz逐步升高至50Hz。而傳統(tǒng)電磁式TA是設(shè)計(jì)用于傳變交流電流的，其傳變特性隨頻率下降逐漸變差，在抽水蓄能等機(jī)組變頻啟動(dòng)過(guò)程初始階段，尤其是10Hz以下，傳統(tǒng)電磁式TA深度飽和，傳變嚴(yán)重失真，易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)保護(hù)不正確動(dòng)作或靈敏度大幅下降。圖10是某抽水蓄能機(jī)組在背靠背啟動(dòng)過(guò)程中，約3Hz時(shí)的電流波形，機(jī)端和中性點(diǎn)電流甚至出現(xiàn)相位相反情況，差動(dòng)不平衡電流最高可達(dá)0.45倍額定電流[9]。

圖10 某電站變頻啟動(dòng)過(guò)程電流波形Figure 10 Secondary current waveform of electromagnetic TA at back-to-back starting process of pumped storage unit

柔性光學(xué)TA傳變特性與頻率無(wú)關(guān)，可傳變直流分量，低頻時(shí)傳變也不失真，可準(zhǔn)確傳變低頻電流，因此可顯著提高變頻啟動(dòng)過(guò)程中保護(hù)的可靠性。圖11為柔性光學(xué)TA與傳統(tǒng)電磁式TA在2Hz時(shí)的動(dòng)模波形比較，柔性光學(xué)TA傳變準(zhǔn)確，電磁式TA飽和嚴(yán)重。

發(fā)電機(jī)-變壓器組保護(hù)采用柔性光學(xué)TA后，在變頻啟動(dòng)全過(guò)程中電流均可準(zhǔn)確傳變，對(duì)于啟動(dòng)過(guò)程保護(hù)特別是差動(dòng)保護(hù)，機(jī)端和中性點(diǎn)電流傳變一致，差動(dòng)不平衡電流很小，保護(hù)定值可大幅降低，顯著提高保護(hù)靈敏度，對(duì)于10Hz以下極低頻段，保護(hù)也無(wú)需閉鎖或抬高定值，保護(hù)靈敏度和可靠性可以兼顧。

7 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)柔性光學(xué)TA在發(fā)電廠繼電保護(hù)上的應(yīng)用探索和經(jīng)驗(yàn)積累，在以下幾個(gè)方面具有較好的應(yīng)用效果，可逐步進(jìn)行推廣和提高。

（1）柔性光學(xué)TA具有優(yōu)異的傳變性能，安裝方式靈活，受安裝空間限制少，可應(yīng)用于各類(lèi)特殊場(chǎng)合。

（2）實(shí)現(xiàn)多重多種主保護(hù)配置，可進(jìn)一步提高常規(guī)發(fā)電機(jī)主保護(hù)性能，特別是隱極發(fā)電機(jī)，常規(guī)電磁式TA安裝受限，保護(hù)配置受到較大制約。

（3）實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間故障監(jiān)測(cè)保護(hù)，及早發(fā)現(xiàn)小匝數(shù)短路故障，降低嚴(yán)重故障可能性。

（4）對(duì)于擴(kuò)大單元機(jī)組，實(shí)現(xiàn)定子接地保護(hù)的選擇性，避免非故障機(jī)組的無(wú)序跳閘，顯著降低電廠停電損失。

（5）精確測(cè)量核電站輔助變微小的勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)核電斷相監(jiān)測(cè)保護(hù)功能，解決了WANO提出的斷相導(dǎo)致停堆的嚴(yán)重事故風(fēng)險(xiǎn)。

（6）對(duì)于抽水蓄能機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)組、新型調(diào)相機(jī)等機(jī)組，準(zhǔn)確傳變變頻啟動(dòng)過(guò)程中電壓、電流等電氣量，提高變頻啟動(dòng)過(guò)程保護(hù)可靠性和靈敏度，尤其是10Hz以下極低頻率段。