水輪發電機發生差動保護的原因、危害和防范

韋燦軍

摘 要：隨著我國水電事業的快速發展，對水輪發電機的使用也提出更高的要求。然而現行大多水輪發電機投入使用后出現的差動保護也成為阻礙水電發展水平進一步提高的重要因素，一旦發生差動保護，相關故障電流便發生改變，導致設備嚴重受損，影響水輪發電機的可靠運行。文章主要以我國某地區水電站水輪發電機差動保護為例，對其產生的原因、危害與相關防范策略進行探析。

關鍵詞：水輪發電機；差動保護；原因；防范

前言

作為水電系統中的重要組成部分，水輪發電機能否可靠運行關乎電力系統整體供電性能。盡管近年來我國水電系統建設過程中水輪發電機的應用逐漸體現出較高的靈敏性、可靠性以及速動性等特征，但運行中仍存在差動保護問題，容易導致故障問題的發生。因此，如何做好產生差動保護的原因分析并采取相應的防范措施成為現行水電事業發展中需考慮的重要內容。

1 某區域水電站水輪發電機差動保護概述

該區域水電站存在的差動保護主要體現在兩臺發電機之間以及主變差動保護動作方面，發生時間主要為兩臺發電機并網運行過程中，差動保護動作下兩臺發電機直接解列，主變開關發生跳閘，導致整個電廠無法持續供電，需要借助外來廠用電以保證繼續供電。從整個電站實際狀況看，發電機組主要以混流式為主，且兩臺容量分別為40MW，接入系統的一級電壓主要為220kV，而出口電壓在10.5kV。在發電機2閉合出口開關中便出現機組整體異常運行，電流由此發生二次震蕩現象，此時系統中主變、兩臺發電機解列。事實上，產生這種情況的原因并非完全歸因于并網問題，更多體現在合閘過程中因相位偏差、頻率以及裝置電壓等難以滿足實際運行要求，沖擊電流隨相位偏差的增大而增加，而頻率偏差變化表現也極為明顯，使沖擊電流長時間存在，系統運行受到嚴重影響[1]。

2 差動保護的原因與危害分析

2.1 從發電機1差動保護原因與危害角度

根據保護裝置給定的相關數據，可判斷對于發電機1，動作區內不存在B相與C相，而A相在動作區內的時間為90ms，其超出30ms延時，會導致保護裝置執行跳閘動作。當系統運行中出現A相差動保護后，此時中性點、機端電流二者相角差表現為150°，而在B相差動保護時，相角差表現為210°，嚴重情況下相比差流，中心點電流將超出二倍左右，這樣便使電流以極其不穩定的形式存在。若不平衡電流過大，將導致發電機難以可靠運行，甚至整個機組將受到不同程度的破壞。

2.2 從發電機2差動保護原因與危害角度

在實際分析過程中可發現，動作區內A相差動停留的時間為41.7ms，動作區內不存在B相或C相差動。此時并網過程中關于機端電流，可發現其可達到28A電流，事實上此時電流完全可控制在系統運行范圍內，對發電機運行不會產生較大影響。為進一步驗證動作區內的A相差動，可結合暫態過程變化曲線，但在非同期合閘中表現出較長的暫態時間，很難利用保護裝置進行A相差動的判斷，這就要求進行30ms延時跳閘動作。然而動作區內A相差動存在時間為41.7ms，保護裝置仍會采取跳閘動作。結合發電機2兩側電流情況，在41.7ms時間內，中性點電流、機電電流在相角差上為180°，嚴重情況下仍可使中性點兩側電流波動過大，造成電流不平衡問題。因不平衡電流過大使該發電機難以可靠運行，在跳閘動作執行中系統將無法持續供電[2]。

2.3 從變壓器差動保護原因與危害角度

在分析過程中發現，差動保護動作在A柜保護裝置上表現較為明顯，而B柜保護裝置多以故障啟動為主，因此，差動保護原因分析過程中可從A柜故障著手。通過該水電站實際運行情況，出現故障暫態的時間大約維持在278ms左右，一旦故障發生，盡管A相與B相繼電器仍可保持運行，但在故障130ms時間內因勵磁涌流閉鎖問題，差動保護并未發生動作。而在故障結束前的130ms內，可對A柜差動保護的一系列數據進行判斷，包括A相、B相、C相的差動與制動電流；高壓側、中壓側與低壓側下A相、B相與C相的電流。同時在相關保護定值方面，能夠得出，最小動作與制動電流分別為0.795A與1.988A，且二次諧波與比率制動在系數上分別為0.15與0.5，由此可推出保護動作下的比率系數。需注意的是因差動保護動作下，故障暫態過程較長，若保護裝置一直處于啟動狀態將難以準確判斷故障發生的頻率，無法進行錄波。加上故障啟動后130ms內不存在差動保護動作，使錄波數據無法獲取，因此要求實際進行故障分析中引入專用錄波數據。分別對故障啟動階段錄波數據、高壓測電流進行選取，可使低壓側二次電流得以計算，對比分析可發現機端電流數據與計算后的二次電流數據存在較大幅值相差，且因兩側相角不同，差流問題容易出現在二次回路過程中[3]。

3 水輪發電機差動保護的防范策略

根據上述發電機差動保護分析，充分證明發電機2出口斷路器在合閘中易出現問題，因非同期合閘影響而產生沖擊電源流，加暫態時間過長，使差動保護跳閘動作在發電機中出現。結合故障波形，因中性點電流、機端電流存在較大的幅值相差，使不平衡電流差生，其可作為引起差動保護動作的直接原因。同時，對于A柜變壓器，差動保護存在的原因主要體現故障后130ms內出現的不平衡電流與暫態后130ms二次諧波含量變化問題。而在B柜方面，因其區別于A柜，電流互感器多體現在低壓側方面，所有動作情況表現出一定差異。另外，檢查過程中發現同期裝置、保護裝置等在性能參數上都與實際系統運行要求相適應，因此防范措施的引入可不考慮此方面問題[4]。

實際防范過程中為使出口斷路器故障問題得以解決，且開關柜能夠可靠運行，需要從開關柜設計階段出發，做好相關檢查工作，尤其判斷聯鎖裝置是否存在安全隱患問題，確保投入使用前相關設備系統在性能參數上都可達到使用標準。同時，對于投入使用的電氣一次設備要求在汛前開展全方位試驗工作，判斷保護裝置定值，并要求做好發電機差動保護問題分析，可利用循環閉鎖式取代傳統出口方式，需注意很多水電站在差動保護出口選取中多以三取一差動保護為主，其很難解決誤動問題，可通過三取二出口方式的應用對解決差動保護出口問題可起到突出的作用。另外，發電機實際運行過程中應注重做好相關人員培訓工作，確保運行人員在分析差動保護情況以及處理事故等綜合能力得以上升，尤其在事故發生時能夠沉著應對，為系統安全可靠運行提供保障[5]。

4結束語

水輪發電機差動保護是制約水電系統安全可靠的重要因素。針對差動保護問題，要求結合系統運行實際狀況，通過對影響各發電機穩定運行的原因以及導致變壓器差動保護的原因進行分析，從出口斷路器故障解決、設備全面檢查、差動保護出口的調整以及相關人員的培訓等方面以解決發電機差動保護問題，使系統可靠穩定運行的目標得以實現，確保系統能夠持續供電。

參考文獻

[1]劉海軍.發電機差動保護動作原因分析及預防措施[J].機電信息，2015，21：18-19.

[2]李西良.變壓器空充引起發電機差動保護動作原因分析及防范措施[J].機電信息，2011，21：34-35.

[3]王睿博.CT安裝位置錯誤引起主變差動保護動作原因分析[J].內蒙古石油化工，2011，18：56-58.

[4]何 .區外故障引起變電站主變差動保護動作原因分析及對策[J].四川水力發電，2014，S1：146-149.

[5]田志瑞，宋玉鋒.勵磁涌流引起主變差動保護動作原因分析及防范措施[J].價值工程，2015，4：57-58.