電廠發(fā)電機(jī)變壓器保護(hù)原理及繼電保護(hù)方式研究

李宇豪

摘 要：電廠運(yùn)行狀況決定著社會用電質(zhì)量，這也成了我國現(xiàn)代化建設(shè)中的關(guān)鍵內(nèi)容。尤其是在當(dāng)前用電量逐漸提升的趨勢下，對于電廠生產(chǎn)提出了更高的要求。發(fā)電機(jī)是電廠的核心設(shè)備，變壓器性能影響電廠的生產(chǎn)效率與質(zhì)量，也是決定能否滿足社會用電需求的重要因素。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，繼電保護(hù)裝置的性能得到了明顯提升，為電廠高效運(yùn)轉(zhuǎn)奠定了基礎(chǔ)。本文將通過分析電廠發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)的必要性與保護(hù)原理，探索電廠發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)方式，為設(shè)備的維護(hù)與檢修工作提供參考與建議。

關(guān)鍵詞：電廠發(fā)電機(jī);變壓器;繼電保護(hù)原理;方式

中圖分類號：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）03-0154-02

電廠發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)裝置的運(yùn)維工作，是電廠的重要工作之一，需要以電廠實(shí)際生產(chǎn)狀況為依據(jù)，對低壓過流保護(hù)、后備保護(hù)、過激磁保護(hù)和零序過電流保護(hù)等進(jìn)行深入分析和研究，以制定科學(xué)的繼電保護(hù)方案。變壓器流量、溫度和壓力等參數(shù)，能夠在繼電保護(hù)設(shè)備中得到充分體現(xiàn)，為變壓器的正常運(yùn)行奠定基礎(chǔ)。當(dāng)變壓器發(fā)生故障時，繼電保護(hù)裝置對故障進(jìn)行有效控制，防止故障范圍的擴(kuò)大化，以實(shí)現(xiàn)變壓器設(shè)備的保護(hù)。與此同時，繼電保護(hù)裝置的運(yùn)用，也為發(fā)電機(jī)變壓器的故障排除與維護(hù)提供了幫助，大大提升了運(yùn)維工作效率。加強(qiáng)對發(fā)電機(jī)變壓器保護(hù)原理和保護(hù)方式的研究，能夠?qū)崿F(xiàn)繼電保護(hù)裝置的不斷改進(jìn)與完善，充分發(fā)揮其在變壓器中的有效功能，為電廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)奠定基礎(chǔ)。

1 電廠發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)的必要性

在電廠的日常生產(chǎn)工作中，發(fā)電機(jī)變壓器是其核心設(shè)備，電廠生產(chǎn)效率和電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性，都與發(fā)電機(jī)變壓器的運(yùn)行狀況直接相關(guān)。繼電保護(hù)裝置能夠在保障發(fā)電機(jī)運(yùn)行安全性與穩(wěn)定性的同時，促進(jìn)其輸出性能的優(yōu)化，保障各項(xiàng)工作的順利進(jìn)行。如果發(fā)電機(jī)故障被繼電保護(hù)裝置檢測到，故障機(jī)組就會被及時切斷，可以避免故障范圍的擴(kuò)大化，最大限度降低對電廠運(yùn)行的影響[1]。電能從電廠輸送至用戶的過程中，變壓器發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，能夠滿足不同用戶對電壓的差異性需求。應(yīng)該以變壓器的實(shí)際工作狀況為依據(jù)，選擇合理的繼電保護(hù)方式，以提升變壓器性能。

2 電廠發(fā)電機(jī)變壓器保護(hù)原理

2.1 定子接地繼電保護(hù)原理

相間短路、匝間短路和兩點(diǎn)接地短路等狀況的發(fā)生，是由于電廠發(fā)動機(jī)變壓器定子單相接地引發(fā)的。變壓器甚至整個電廠的運(yùn)行狀況，都會受到變壓器短路狀況的影響，導(dǎo)致電廠生產(chǎn)效率降低，降低變壓器運(yùn)行安全性。高阻通常設(shè)置于定子接地繼電保護(hù)的中性點(diǎn)，暫態(tài)過電壓會通過變壓器進(jìn)行有效限制，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一保護(hù)系統(tǒng)的建立。那么變壓器定子單相接地故障出現(xiàn)時，變壓器就可以受到有效保護(hù)，防止故障范圍的擴(kuò)大引發(fā)的電力事故。

2.2 繼電保護(hù)的原則

電能由動能和水位能轉(zhuǎn)化而來，水流狀況和地形狀況等因素，會對發(fā)電形式產(chǎn)生影響，這也是導(dǎo)致火電廠和水電廠發(fā)電差異的主要原因。發(fā)電機(jī)和變壓器的接線連接，是水電廠發(fā)電的主要形式，20MW-100MW為發(fā)電機(jī)的容量范圍，一般比火電廠的發(fā)電機(jī)容量小。為了保障一臺變壓器能夠與多臺發(fā)電機(jī)進(jìn)行有效連接，可以在繼電保護(hù)中采用擴(kuò)大單元接線的方式，并由斷路器在母線上進(jìn)行并聯(lián)處理。

2.3 電廠發(fā)電機(jī)變壓器保護(hù)配置

（1）發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子保護(hù)配置。轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和定子接地保護(hù)，是發(fā)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子保護(hù)配置的兩種主要形式。在進(jìn)行定子接地保護(hù)配置時，發(fā)電機(jī)大部分定子繞組的接地保護(hù)由基波零序電壓實(shí)現(xiàn)，中性點(diǎn)附近定子繞組的接地保護(hù)由三次諧波電壓實(shí)現(xiàn)。為了滿足發(fā)電機(jī)對于保護(hù)配置的要求，應(yīng)該對定子獨(dú)立出口回路進(jìn)行確定，因此需要對三次諧波和零序電壓進(jìn)行分析和研究[2]。當(dāng)一點(diǎn)接地故障出現(xiàn)在勵磁回路當(dāng)中，故障未發(fā)生在發(fā)電機(jī)中，二點(diǎn)接地會導(dǎo)致發(fā)電機(jī)故障，此時就應(yīng)該采用轉(zhuǎn)子保護(hù)配置。繼電保護(hù)裝置能夠?qū)σ稽c(diǎn)接地故障位置進(jìn)行判斷，并對接地電阻進(jìn)行計(jì)算，以便于工作人員進(jìn)行及時處理。（2）變壓器的繼電保護(hù)配置。廠用變壓器和主變壓器是電廠變壓器的兩種主要類型。零序、差動、溫度升高、重瓦斯、低壓側(cè)接地、溫度過高和低壓過流等，是主變壓器繼電保護(hù)配置的主要組成。保護(hù)配置中設(shè)置差動速斷保護(hù)和間隙零序過流，能夠?qū)χ髯儔浩髌鸬搅己玫谋Ｗo(hù)作用。在主變壓器繼電保護(hù)配置與廠用變壓器繼電保護(hù)配置的管理中，以工控機(jī)作為單元管理機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)外部接線流程的優(yōu)化。為了便于維護(hù)和管理保護(hù)裝置，可以拆除廠用變壓器繼電保護(hù)中高壓開關(guān)柜中的保護(hù)配置。在主變壓器保護(hù)屏附近安裝原來的保護(hù)屏，實(shí)現(xiàn)單元管理機(jī)的共用，滿足變壓器運(yùn)行需求的同時，能夠降低繼電保護(hù)配置成本，有利于提升電廠的經(jīng)濟(jì)效益。

3 電廠發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)方式

3.1 電廠發(fā)電機(jī)變壓器故障分析

轉(zhuǎn)子繞組故障和定子繞組故障，是電廠變壓器常見的兩種運(yùn)行故障，其中轉(zhuǎn)子繞組故障又包括了轉(zhuǎn)子繞組二點(diǎn)接地、一點(diǎn)接地和轉(zhuǎn)子繞組匝間短路等，定子繞組故障又包括了接地故障和相間短路等等。三相超負(fù)荷狀況會由于超額定電容而發(fā)生，發(fā)電機(jī)過電流狀況會由于不對稱短路而發(fā)生，此外還包括了繞組過電流等運(yùn)行狀態(tài)。接地保護(hù)、短路保護(hù)和異常運(yùn)行保護(hù)，是發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)裝置的三種主要保護(hù)形式。將后備保護(hù)裝置、主保護(hù)裝置和異常運(yùn)行保護(hù)裝置安裝于發(fā)電機(jī)和變壓器中，跳閘線圈出口和直流電源都具備獨(dú)立性，能夠?qū)﹄姀S發(fā)電機(jī)變壓器進(jìn)行有效保護(hù)，確保電廠設(shè)備運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性。

3.2 短路故障的主保護(hù)

電力系統(tǒng)中較大短路電流的出現(xiàn)，往往是由電廠變壓器定子繞組和輸出端的相間短路、接地短路引發(fā)，嚴(yán)重時會對變壓器造成損毀，導(dǎo)致重大電力事故的發(fā)生，不利于電廠生產(chǎn)工作的順利開展。橫差保護(hù)法和縱差保護(hù)法，是解決上述故障的兩種主保護(hù)方式。對于發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路的情況，橫差保護(hù)法能夠起到有效作用，主要是利用支路電流差的反應(yīng)，以兩種接線方式實(shí)現(xiàn)保護(hù)。若定子繞組可以實(shí)現(xiàn)多個中性點(diǎn)的引出，可以將零序電流互感器設(shè)置于中性點(diǎn)引出線，實(shí)現(xiàn)多元件橫差保護(hù)或者單元件橫差保護(hù)[3]。對于發(fā)電機(jī)內(nèi)部短路狀況，縱差保護(hù)能夠起到有效作用。對于短路線路的切斷，縱差保護(hù)能夠做到無延時，對于發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)振蕩和過負(fù)荷也不會產(chǎn)生影響，及時防止短路故障造成的大面積電力事故。尤其是在1MW以上的發(fā)電機(jī)保護(hù)中，縱差保護(hù)能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用。

3.3 短路故障的后備保護(hù)

定子繞組過負(fù)荷保護(hù)法、低壓過電流保護(hù)法、轉(zhuǎn)子負(fù)序電流保護(hù)法和次同步過電流保護(hù)法，是電廠發(fā)電機(jī)變壓器短路故障后備保護(hù)的四種主要類型。在變壓器長期超負(fù)荷運(yùn)行中，會出現(xiàn)溫度過高的問題，定子繞組過負(fù)荷保護(hù)法的運(yùn)用，能夠防止電路元件由于溫度過高而出現(xiàn)損壞;在變壓器周圍設(shè)備的后備保護(hù)中，低壓過電流保護(hù)法能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用;轉(zhuǎn)子內(nèi)部零件會由于三相負(fù)荷不平衡和電力系統(tǒng)短路狀況而出現(xiàn)燒毀問題，轉(zhuǎn)子負(fù)序電流保護(hù)法能夠有效避免上述問題的產(chǎn)生，是保障電廠發(fā)動機(jī)變壓器高效運(yùn)轉(zhuǎn)的重要保護(hù)方式;針對變壓器變頻啟動中繞組的短路故障，次同步過電流保護(hù)法能夠起到良好的保護(hù)作用。

3.4 接地故障保護(hù)

較強(qiáng)的瞬間電流會由于變壓器的接地故障而產(chǎn)生，對于變壓器內(nèi)部器件造成嚴(yán)重?fù)p毀，引發(fā)電力事故，導(dǎo)致電廠生產(chǎn)中存在較大的安全隱患。與此同時，弧光過電壓也是由于接地故障引發(fā)的，損毀變壓器絕緣位置，引起相應(yīng)的短路故障，給工作人員的維護(hù)與檢修帶來困難。轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和定子繞組接地保護(hù)，是解決電廠發(fā)電機(jī)變壓器接地故障的主要保護(hù)方式。應(yīng)用定子繞組95%接地保護(hù)的方式，電流元件的運(yùn)行能夠由流過中性點(diǎn)的電流所帶動，實(shí)現(xiàn)變壓器的有效保護(hù)。我國對于定子繞組95%接地保護(hù)的研究尚處于起步階段，因此存在諸多限制性因素，因此就需要應(yīng)用定子繞組100%接地保護(hù)對容量大于100MW的發(fā)電機(jī)進(jìn)行保護(hù)[4]。為了確保工作人員能夠及時發(fā)現(xiàn)接地故障，還需要建立高效的預(yù)警系統(tǒng)，當(dāng)接地故障發(fā)生時能夠及時切斷電源，防止故障范圍的擴(kuò)大化，最大限度保障電廠設(shè)備的安全性。

4 電廠發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)的發(fā)展方向

4.1 微機(jī)化

微機(jī)保護(hù)硬件性能提升，有賴于計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展。元件與機(jī)械設(shè)備的體積逐漸變小，芯片功能更加豐富多樣。32位CPU是我國電廠發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)配置的核心構(gòu)件，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)空間的優(yōu)化，而且其強(qiáng)大的信息處理能力和儲備管理能力，也能夠提升繼電保護(hù)配置的管理效率，促進(jìn)電廠生產(chǎn)工作的順利進(jìn)行。繼電保護(hù)配置的運(yùn)維與檢修工作也更加容易開展，保障電廠設(shè)備的安全性。

4.2 網(wǎng)絡(luò)信息化

信息化時代已悄然來臨，社會各個行業(yè)借助于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的優(yōu)勢，逐步實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級，為生產(chǎn)效率的提升奠定了基礎(chǔ)。電廠發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)也應(yīng)加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)的運(yùn)用，提升用電安全性的同時，滿足社會日益增長的用電需求。發(fā)電機(jī)變壓器故障位置、故障類型與原因的判斷等，都可以借助于網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)，有助于技術(shù)人員及時對故障進(jìn)行處理，防止故障范圍的擴(kuò)大化[5]。與此同時，在信息數(shù)據(jù)的采集工作中，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)也能夠提升其高效性與精確性，明確了解發(fā)電機(jī)變壓器的運(yùn)行狀況，通過可靠的信息數(shù)據(jù)建立完善的管理體系，實(shí)現(xiàn)電廠資源的優(yōu)化配置。

4.3 智能化

在電廠管理工作中，智能化技術(shù)的運(yùn)用逐漸廣泛。尤其是以非線性映射為基本原理的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，能夠大大提升繼電保護(hù)配置運(yùn)行故障的檢測與解決效率。對于發(fā)電機(jī)變壓器運(yùn)行故障的定位、分析與解決方案的提出，專家系統(tǒng)能夠起到關(guān)鍵作用，通過數(shù)據(jù)庫的建立，能夠?yàn)楣收系念A(yù)防和檢測提供保障。

4.4 多功能一體化

在電廠發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)功能呈現(xiàn)一體化發(fā)展趨勢。實(shí)時監(jiān)測電廠發(fā)電機(jī)變壓器的運(yùn)行狀態(tài)，并對相關(guān)異常參數(shù)進(jìn)行獲取與分析，為工作人員及時處理故障奠定基礎(chǔ)。多功能一體化的發(fā)展，是提升繼電保護(hù)效率的重要途徑。

5 結(jié)語

隨著電力需求的持續(xù)增長，發(fā)電機(jī)變壓器在電廠中的重要性越來越突出，只有加強(qiáng)其繼電保護(hù)原理與方式的研究，才能夠逐步提升其保護(hù)性能，防止各類故障引發(fā)的電力事故。未來發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)會朝著微機(jī)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)信息化和多功能一體化方向發(fā)展，應(yīng)該加強(qiáng)技術(shù)與設(shè)備的引進(jìn)，逐步提升繼電保護(hù)裝置的性能，為電廠生產(chǎn)工作奠定基礎(chǔ)。

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