電廠發電機變壓器保護原理及繼電保護方式研究

牟超

摘要：電力企業在不斷發展的過程中，電力設備的運行效率有了很大的提升， 這也得益于人們對電力能源的大量需求.鑒于社會生產活動對電力能源的需求量在不斷增大， 這為我國的電力企業發展提供了動力。面臨這種發展形勢， 對電力系統的運行帶來較大壓力， 此時就突出了變壓器保護裝置的重要性.在電廠發電過程中， 變壓器的保護以及繼電保護裝置均是保證電力系統穩定運行的關鍵內容。本文， 就針對電廠發電機變壓器保護原理以及繼電保護措施進行探討， 希望可以全面提升電力系統的運行質量。

關鍵詞： 發電機;變壓器;繼電保護

1 電廠發電機繼電保護的必要性

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。

①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。②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。③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。

2 電廠發電機變壓器保護原理

（1）定子接地繼電保護原理。相間短路、匝間短路和兩點接地短路等狀況的發生，是由于電廠發動機變壓器定子單相接地引發的。變壓器甚至整個電廠的運行狀況，都會受到變壓器短路狀況的影響，導致電廠生產效率降低，降低變壓器運行安全性。高阻通常設置于定子接地繼電保護的中性點，暫態過電壓會通過變壓器進行有效限制，實現統一保護系統的建立。那么變壓器定子單相接地故障出現時，變壓器就可以受到有效保護，防止故障范圍的擴大引發的電力事故。

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

（3）電廠發電機變壓器保護配置

①發電機定、轉子保護配置。轉子接地保護和定子接地保護，是發電機定、轉子保護配置的兩種主要形式。在進行定子接地保護配置時，發電機大部分定子繞組的接地保護由基波零序電壓實現，中性點附近定子繞組的接地保護由三次諧波電壓實現。為了滿足發電機對于保護配置的要求，應該對定子獨立出口回路進行確定，因此需要對三次諧波和零序電壓進行分析和研究。當一點接地故障出現在勵磁回路當中，故障未發生在發電機中，二點接地會導致發電機故障，此時就應該采用轉子保護配置。繼電保護裝置能夠對一點接地故障位置進行判斷，并對接地電阻進行計算，以便于工作人員進行及時處理。

②變壓器的繼電保護配置。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、低壓側接地、溫度過高和低壓過流等，是主變壓器繼電保護配置的主要組成。保護配置中設置差動速斷保護和間隙零序過流，能夠對主變壓器起到良好的保護作用。在主變壓器繼電保護配置與廠用變壓器繼電保護配置的管理中，以工控機作為單元管理機，能夠實現外部接線流程的優化。為了便于維護和管理保護裝置，可以拆除廠用變壓器繼電保護中高壓開關柜中的保護配置。在主變壓器保護屏附近安裝原來的保護屏，實現單元管理機的共用，滿足變壓器運行需求的同時，能夠降低繼電保護配置成本，有利于提升電廠的經濟效益。

3 電廠發電機變壓器繼電保護方式

3.1 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。

3.2 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。

結論：隨著電力需求的持續增長，發電機變壓器在電廠中的重要性越來越突出，只有加強其繼電保護原理與方式的研究，才能夠逐步提升其保護性能，防止各類故障引發的電力事故。未來發電機變壓器繼電保護會朝著微機化、智能化、網絡信息化和多功能一體化方向發展，應該加強技術與設備的引進，逐步提升繼電保護裝置的性能，為電廠生產工作奠定基礎。

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