姜松 南京國電南自電網自動化有限公司

介于電力主設備單機容量增大、額定功率增高等問題，保護措施研究更為重要。為確保電力主設備安全、經濟、高效、穩定運行，需充分了解保護方式，透析構成機理、交流接入回路以及構成邏輯問題，本研究針對發電機與變壓器運行常遇問題與保護方式進行分析，提出相對措施。

一、發電機保護研究

（一）內部故障主保護問題

內部故障主保護即發電機定子繞組的相間短路和匝間短路保護。前者的縱差保護特性可發揮良好的發電機保護功能，在注重電力互感器暫態特征外，其比率制動特征的差動保護也可發揮良好的保護功能。后者多應用橫差保護、負序功率方向保護、縱向零序電壓保護等。

（1）橫差保護結構相對簡單，可應對反應匝間短路與相間短路，需要注意的核心問題是故障既發與未發間不平衡電流的影響。此處所指的不平衡電流和發電機本身的構造與運行情況相關，具備明顯的差異性，外部短路的不平衡電流極值無法核算。

（2）負序功率方向保護在理論上有如下幾點適用性：首先，電力系統的拓撲結構中，發電機位于分支末端；其次，發電機因其自身構造并不會出現對稱三相短路，同時采用封閉式母線的出線方式，同樣不會發生三相短路。基于此，發電機內部故障誘發的負序功率時刻會得到正確的反應。負序功率方向保護多適用在外部短路狀態發生變化的情況，內部數據窗過渡時很容易出現短路方向誤判的問題。除此之外，發電機外部發生的三相短路多由負序功率方向的元件工作環境惡劣導致，需特別注意其保護的可靠性。

（3）縱向零序電壓主要由發電機內部繞組不平衡導致，外部短路會將部分細小變異放大，表現出零序電壓升高，以此促使縱向零序電壓保護工作出現問題。除此之外，當互感器與發電機中性點出現斷線、接地等情況時，縱向零序電壓保護易出現錯誤動作。

發電機內部故障主保護需關注相間短路與匝間短路兩個問題，需對兩種情況進行特定設計與配置，確保發電機安全運行，保障電力系統穩定運行。

（二）定子繞組一點接地保護

定子繞組一點接地故障在發電機故障中占比較高，若得不到及時解決，將誘發更為嚴重的相間短路問題。介此，提高定子一點接地保護的有效性與靈敏性對發電機保護大有裨益。相對大機組，既需要定子繞組一點接地保護全覆蓋，同時還需極強的反應過渡電阻的能力。發電機基波零序電壓型定子接地保護的原理是運用三次諧波濾波算法與主變高壓側零序電壓閉鎖等方法后，對高達90%以上的繞組進行保護，可保證其穩定工作。當發電機存在母線時，需介入零序電流確保保護措施的可選擇性。

相對三次諧波電壓保護，本文以近年研究成果為參考，認為全覆蓋保護與提高抗過渡電阻能力的保護措施在理論上可行，但實際應用尚難以廣泛應用。考慮到發電機三次諧波電勢較小，同時電壓互感器產生的誤差難以避免，三次濾波電壓提取算法與變壓器高低繞組間耦合電容傳遞外部諧波電壓都將影響三次諧波電壓保護，導致其可靠性較差，因此該保護措施多應用于發送信號。

區別于三次諧波電壓保護，注入式定子接地保護具有全覆蓋、靈敏度高的優勢，通過導納判據計算故障電阻的方式，直觀反映定子絕緣變化趨勢。發電機保護需重點關注啟停階段頻率變化走勢與中性點接地方式的自適應力，拓寬發電機保護研究。

（三）轉子繞組接地保護

該方式主要借助勵磁電壓與微機保護裝置調控回路狀態，以切換采樣值式、變電橋式完成繞組接地保護。由于不需要外加電源，其回路形態較為簡潔，所以可直觀反映并計算接地電阻值，轉子繞組分布電容對該保護方式不產生影響。轉子繞組接地保護中需注意切換元件工作的可靠性，重點關注勵磁電壓中諧波電壓對保護效果的影響。轉子繞組多為兩點及以上接地，易對發電機機組造成損害。截至目前，轉子兩點接地保護原理研究尚有一定發展空間，還無法有效應對近距離或同時發生的故障。

介于目前發電機保護研究的局限性與應對各類故障的方式科學性不足等問題，需重點關注各類故障類型確定量的計算、特殊機組保護方案與特殊性研究、異常工況保護等。

（四）發電機頻率異常保護——以汽輪發電機為例

某大型發電機發生頻率異常故障，經檢驗由汽輪機葉片問題導致。該發電機設置低頻保護、頻率累積保護與過頻保護。頻率異常時發電機允許時間表如表1。

經表1可知，為保證該汽輪發電機安全，處于異常頻率運行的允許時間較長，同時并網運行發電機頻率與電網功率平衡狀況相關，由系統調度情況決定。由于電網系統的高度發展與裝機容量的增大，系統間緊密度顯著提升，調度人員對系統頻率控制愈加嚴格。本研究認為，此大型發電機設置過頻保護不僅無益于發電機安全運行，一旦系統發生頻率異常，整體系統發電機過頻保護同時響應，此時發電機機組將被切除，導致系統癱瘓。為應對此發電機頻率異常故障，將反應全系統的穩定裝置作為恒定頻率異常的指標。在發電廠設置穩控裝置，執行高周切機。如果系統頻率超過臨界值過多，穩控裝置可進行“多輪式”切機，以此達到頻率異常保護的目的。

表1 本汽輪機組頻率異常允許時間

二、變壓器保護研究

（一）變壓器差動保護

不論是模擬式保護，或是微機保護，差動保護始終存在。差動保護以基爾霍夫電流定律為基礎，在電力系統的輸電線路、母線、發電機等結構上得到成功使用。由于變壓器原副邊電氣量由內部磁路連通，在理論上不完全滿足基爾霍夫電流定律。差動保護需充分考慮變壓器繞組接線方式、傳變誤差、勵磁涌流等因素，以此提高差動保護成效。

相比于模擬式保護，微機保護在不平衡電流補償、比率制動判據、保護接線、TA飽和識別等進行了優化，極大程度上提高差動保護對變壓器保護的適用性。在變壓器差動保護中，勵磁涌流是該模式不可避免的問題，是研究的熱點課題。基于間斷角原理、波形有關系原理、數學形態研究、模糊算法、智能算法等理論成果，為改進傳統諧波含量識別、波形特征識別等進行改進，目的是更準確的識別勵磁涌流與內部故障電流，以此對變壓器進行有力保護。

即便如此，勵磁涌流識別的研究始終存在下述幾個困境：其一，勵磁涌流的產生具有高度的不可控性，剩磁大小、合閘三相不同時、合閘初相角、等值抗阻等都將導致勵磁涌流的形成具備多樣性與隨機性的特征。與此同時，空載合閘、空投并列運行變壓器、投切非線性負荷等情況下都會產生勵磁涌流。其二，由于勵磁涌流具有較強的非線性特征，勵磁涌流是在變壓器鐵芯飽和的非線性狀態下產生，非線性計算難度較大。其三，當變壓器處于繞組星角接線的情況，角側繞組的電流難以測定與計算，故障電流與勵磁涌流難以區分。上述三類難題始終存在，針對變壓器勵磁涌流識別的判別依據雖然層出不窮，但皆存在一定局限性。

介于目前研究成果，變壓器差動保護還需解決如下幾點問題：其一，勵磁涌流和故障電流判據與區分的研究仍需繼續深入，任何以勵磁涌流波形為基礎的研究都無法完全判別勵磁涌流，表現在空投正常時變壓器易出現誤動或延遲，所以波形判別無法100%識別勵磁涌流；其二，空投變壓器在匝間存在故障時，保護速度較慢，很容易在勵磁涌流衰減后才可以出口，需加快反應速度，讓其在出口前完成區分。

（二）變壓器分側差動保護

為避免變壓器高壓側接地故障而誘發變壓器縱差保護誤動，需采用變壓器分側差動保護。該保護方式的原理是借助過濾高壓側零序電流，變壓器高壓側繞組發生單相接地故障時，變壓器縱差保護動作靈敏度較低。相對超高壓或特高壓變壓器，高壓側設置可反應高壓側短路故障的分側差動保護，有效提高接地故障時動作靈敏性。分側差動保護的交流接入回路和邏輯框圖見圖1與圖2。

圖1 分相差動保護交流接入回路

圖2 分側差動保護邏輯圖

變壓器分側差動保護的優勢在于：可應用型號與變化形式相同的互感器，二者誤差和暫態特征差異不明顯。此外，判定最小動作電流和比率制動系數的過程中，可不考慮勵磁電流，因此其取值較小，動作靈敏性高。尤其是高壓側繞組單相接地故障，由于不應用濾去零序電流，所以可保證高靈敏度的變壓器保護。

（三）變壓器新保護措施

長期以來，國內外學者始終致力變壓器保護原理的研究與實踐。目前針對勵磁涌流識別的方式不僅憑借波形特征，還引入電壓量這一評定指標，從勵磁特征的變化著手，提出了嶄新的識別措施。部分判據直接跳出差動保護構成思路，基于變壓器產生勵磁涌流時的特征與表象，根據磁路飽和的問題讓變壓器成為非線性時變系統的基礎上，憑借非線性關聯的電流與電壓這兩個核心變量的描述來體現系統運行狀態，此判定方式從初始階段就規避了勵磁涌流問題。該種判定方式的典型代表為：功率差動保護、瞬時功率保護、變壓器回路方程等。介于對變壓器保護研究的深入與技術的發展，仿真與實驗聯合的方式為變壓器保護新原理的研究提供了新的路徑。目前，變壓器保護研究需將重點落根于漏感參數與空投變壓器時空載側繞組電壓的測量。

三、結束語

我國電力系統的高度發展下，對發電機與變壓器的性能提出更高的要求，促使單機容量增大、結構設計更加復雜，機組保護難度不斷提升。不論是大機組或是小機組，在繼電保護工作環境的惡化下，各項保護措施必須予以改善與更新。介于當下諸多不足與保護措施無法全覆蓋等問題，需持續加大研究力度，確保電力系統穩定運行。