水電廠發電機變壓器保護原理及繼電保護方式探討

摘要：隨著現代科學技術的不斷發展，我國電力設備在制造原理、運轉規律和維修保養等方面都取得了非常大的進步，大大提高了我國電力設備的使用質量和效果。為了滿足人們對電力日益增長的需求，水電廠對于發電機和變壓器的性能要求也越來越高。文章闡述了發電機、變壓器的繼電保護方式及原理。

關鍵詞：大型水電廠；發電機；變壓器；繼電保護；保護原理；電力設備 文獻標識碼：A

中圖分類號：TV734 文章編號：1009-2374（2016）26-0116-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.26.056

發電機是生產電的核心，變壓器是完成電力輸出與使用的核心。二者在整個電力系統中都有著非常重要的地位與作用。重視發電機和變壓器的繼電保護，是維持二者正常工作的必要措施，是維護電力系統正常運作的必然要求。

1 發電機變壓器繼電保護的必要性與方式

1.1 發電機繼電保護的必要性與方式

對發電機進行繼電保護最為根本的目的是為了維持發電機的正常運作，以保證正常的電力輸出，維持整個電網穩定運行。發電機的繼電保護具有安全性、選擇性、迅速性、可靠性和靈敏性五大性能。當發電機出現故障時，繼電保護裝置就會在最短的時間內盡快切除故障機組，不影響周圍的線路及發電機運行。在故障排除后，發電機又可以正常地使用。由此可以看出，繼電保護不僅是為了維持發電機的正常運行，也是為了保證周圍線路及設備的安全，為盡快恢復正常的電力輸出提供良好的條件。

發電機的繼電保護方式主要有三種，分別是縱差保護、橫差保護和接地保護。

縱差保護主要針對于發電機內部出現短路的情況。這種保護方式能夠在無延時的情況切斷保護范圍內的各種短路線路，并同時不影響發電機的過負荷和系統振蕩，非常適用于容量在1MW以上的發電機保護中。

橫差保護是利用兩個支路電流差的反應，來實現對發電機定子繞組匝間短路的情況。該方式主要通過兩種接線方式實現：一是在每相裝設兩個電流互感器和一個繼電器，以形成單獨的保護系統；二是對于可以引出多個中性點的定子繞組，通過在各中性點引出線處增設零序電流互感器的方法，構成單元件橫差或多元件橫差保護。單相接地保護主要有四種實現方式，分別是發電機定子繞組單相接地、利用零序電流構成定子接地保護、利用零序電壓構成定子接地保護或利用三次諧波電壓構成定子接地保護。

1.2 變壓器繼電保護的必要性與方式

變壓器是電力系統中一個重要的元件，對維持整個電力系統的正常運行有著非常重要的影響。不同地區對于用電的要求不同，變壓器能夠將從發電機發出的統一的電壓變成不同的電壓輸出，以滿足不同用戶對電力的需求，所以當變壓器發生故障，將無法按照各用戶的需求提供相應電壓的電力，故而造成整個電力使用情況的混亂，甚至是癱瘓。

變壓器的繼電保護方式主要分為瓦斯保護、電流速斷保護、外部相間短路所采用的保護方式、外部接地短路所采用的保護方式、過負荷保護及過勵磁保護。外部相間短路一般所用的保護方式為過電流保護、復合電壓、負序電流及低電壓啟動的過電流保護和阻抗保護。由此可見，變壓器的繼電保護方式非常多，其原因之一是變壓器的種類、容量與運行功率等具體情況也不盡相同，因此在選擇合理的繼電保護方式時一定要符合變壓器實際的需求。

2 水電廠發電機變壓器的繼電保護方式

2.1 水電廠發電機定子接地繼電保護的原理

當水電廠發電機中的定子單相接地極有可能會發展成為匝間短路、相間短路和兩點接地短路。一旦發生短路，就會影響整個發電機的正常運轉，進而影響整個電網系統的正常運行，所以其繼電保護通常都是在其中性點設置高阻，即通過接地變壓器來限制暫態過電壓或以相同的原理建立一個保護系統。當定子繞組單相接地出現故障時，能夠對發電機的系統進行100%的保護，如當故障發生時，能夠立即反應并進行自動跳閘，以實現保護的目的。

2.2 遵循水電廠繼電保護的基本原則

水電廠是將水的位能和動能轉化為電能的工廠，因位置、徑流的不同，其具體的形式也是不同的。與火電廠不同，大多數水電廠是采用發電機和變壓器接線連接的方式，但需要注意的是，大多水電廠的發電機容量都以小型為主（容量在25MW）。一般采用擴大單元接線，將幾臺小型的發電機共用一臺變壓器，然后經斷路器后并聯于母線上。而大型水電廠一般采用單元接線，且大多設置有發電機出口斷路器，一般水電廠的發電機和變壓器的繼電保護配置是分開的，通常采用雙套保護

配置。

2.3 合理地配置水電廠繼電保護

2.3.1 發電機定、轉子保護配置。發電機定、轉子保護配置有發電機定子接地保護和轉子接地保護。定子接地保護配置的原理是通過基波零序電壓實現對發電機85%～95%的定子繞組接地的保護，同時通過三次諧波電壓實現對中性點附近的定子繞組接地保護。在進行該繼電保護配置時，需要根據零序電壓和三次諧波確定各定子的獨立出口回路，以適應不同發電機對保護配置的要求。

轉子接地保護配置主要是用于當勵磁回路一點接地故障時且，發電機并未因此出現故障，但如果繼續發生第二點接地就會嚴重影響發電機的正常運行的情況中。當出現一點接地故障時，繼電保護裝置測到其具體的位置，計算出測量接地電阻和接地位置，并發出告警信息，運行人員及時采取減負荷、停機等措施。

2.3.2 變壓器的繼電保護配置。水電廠的變壓器分為主變壓器和廠用變壓器。主變壓器的繼電保護配置一般是由差動、重瓦斯、低壓過流、零序、低壓側接地、輕瓦斯、溫度升高和溫度過高組成。根據水電廠和主變壓器的具體情況，可以適當地加上間隙零序過流和差動速斷保護建立一個新的保護配置。將一套工控機作為連接和管理主變壓器繼電保護配置和廠用變壓器繼電保護配置的單元管理機，從而簡化二者外部的接線流程。

廠用變壓器的繼電保護中原來裝在高壓開關柜上的保護配置可以拆除，便于對該保護裝置的管理與維護。將之前的保護屏裝在主變壓器的保護屏旁邊，并與之共用一臺單元管理機，如此既能有效地實現水電廠變壓器的需求，同時也節約了繼電保護配置的成本投入。

3 關于水電廠的繼電保護發展方向研究

3.1 網絡信息化

隨著信息化以及用電安全逐步深入人心，人們對水電廠的運行安全要求越來越高。當前的網絡信息技術完全能夠幫助管理人員及時地發現水電廠中設備的故障范圍，并診斷出具體的故障，幫助維修人員及時地處理。而其對于各種相關數據的收集，能幫助管理人員更好地了解發電機和變壓器的運行情況，從而建立一個有效的管理方式，幫助水電廠更好地實現人力資源的合理利用。

3.2 微機化

網絡化的實現有賴于計算機技術的發展，而計算機技術在很大程度上推動了微機保護硬件的發展。大量的機械設備、元件開始變得越來越小，一塊小小的芯片所蘊含的功能也越來越多。如今我國大多數水電廠中對發電機和變壓器的繼電保護配置都是集中在32位的CPU中，通過CPU的儲備管理能力和處理信息的功能，加大了對繼電保護配置的管理，同時也很大地節約了設備的空間。這些都能有效地提升繼電保護配置運行的便利性和正常的維護保養，進而大大提升水電廠的安全系數。

3.3 智能化

微機化與網絡化技術的大量使用與發展，必然會促進智能化技術的出現。目前智能化技術已經成為水電廠管理中不可或缺的工具。其中最為常用的方式是神經網絡，即運用非線性映射的方式來解決發電機或變壓器的繼電保護配置在運行中出現的問題。將專家系統加入到水電廠中發電機與變壓器的管理系統中，能就其出現的故障和繼電保護問題進行有效的分析、總結，快速地查找出問題的原因，并制定出解決方案。如果繼電保護中出現一些從未見過的故障情況，系統會自動對其進行記錄，為下一次解決故障提供準備。

3.4 多功能一體化

當上述技術都得到有效的運用與發展時，實際上就是將一套集多種功能于一體的計算機管理系統應用在水電廠的繼電保護系統中。該系統能夠對水電廠中的發電機和變壓器的運作進行實時監測與分析，對其運行的數據和故障信息進行有效的分析及處理，保證及時處理或發現繼電保護中的問題。

4 結語

作為水電廠最為重要的兩個核心部件——發電機和變壓器，對其進行繼電保護是非常重要的。但需要注意水電廠不同于火電廠，二者發電機和變壓器的連接方式不同，自然發電機和變壓器的繼電保護配置也不一樣。在設計水電廠發電機和變壓器的繼電保護配置時，要嚴格遵循其配置的原則，選擇合適的配置方式。緊緊跟隨時代的腳步，及時地引進現有的科學技術，讓水電廠的發電機和變壓器的繼電保護方式能更好地發揮作用，更好地幫助水電廠實現經濟效益和社會效益。

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作者簡介：宋連會（1986-），男，山東梁山人，云南華電金沙江中游水電開發有限公司助理工程師，研究方向：水電廠繼電保護、自動化。

（責任編輯：小 燕）