基于光學電流互感器的發電廠保護優化研究

王 光，陳 俊，王 凱，李華忠，陳佳勝，鐘守平，季遙遙

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

基于傳統電磁式電流互感器（TA）的微機發電廠繼電保護發展多年，技術已很成熟，但由于電磁式TA一些固有特性限制，如磁飽和、小電流非線性段、二次開路過電壓等[1]，發電廠繼電保護在應用中仍存在一些問題無法解決。汽輪發電機組中性點空間狹小，無法在分支上安裝電磁式TA，采用縱向零序電壓保護應對定子匝間短路故障，靈敏度較低，某電廠曾發生發電機先出現分支開焊故障，繼而發展成匝間故障和接地故障，損失慘重。大型水電機組一般僅安裝分支組TA，不能獲取所有分支電流信息，主保護配置仍有一定限制，仍有一定比例的小匝數匝間短路故障不能反映。另外大型水電機組中性點空間仍然緊張，TA磁場屏蔽設計和空間排布困難，多個電廠發生因TA繞組溫升過高而發生匝間短路燒毀事故。對于擴大單元機組，定子繞組接地故障的選擇性仍未能有效解決。核電站輔助電源斷相可能導致停堆問題，自2015年WANO發布預警，目前現場仍未有成熟方案。對于抽水蓄能機組、燃氣輪機組、新型調相機等采用變頻啟動方式的機組，其低頻保護性能有待提高，特別是啟動初始時頻率極低階段（10Hz以下），常規電磁式TA傳變特性差，嚴重影響保護性能。為解決上述問題，開展柔性光學TA在發電廠繼電保護上的應用研究是一個很好的思路，本文總結了柔性光學TA在發電廠保護不同場景上的應用探索，利用柔性光學TA優良的傳變特性和靈活的安裝方式，進一步優化和提升發電廠保護性能，為發電廠保護發展提供一些參考思路。

1 柔性光學電流互感器

柔性光學電流互感器[2]屬于光學電流互感器的一種，其對電流傳變基于Faraday磁光效應原理，傳感原理如圖1所示。線偏振光通過處于磁場中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向將產生與磁感應強度平行分量大小相關的旋轉角度（旋光角），應用干涉原理和動態補償方式實現偏振光的干涉來檢測旋光角變化，進而測量出產生磁場的導體電流大小。

圖1 光學電流互感器傳感原理示意圖Figure 1 Sensing principle of flexible optical TA

根據安培環路定理，當傳感光纖圍繞一次通流導體閉合成環時。旋光角φ可用式（1）表示：

式中：V——光學介質的Verdet常數，表示單位磁場產生的旋光角；

H——磁場強度；

l——光在介質中傳播的距離；

NL——圍繞通流導體閉合光路的圈數；

I——產生磁場的電流。

根據光學TA傳變原理，其傳變性能與頻率無關，交流和直流分量均可傳變，因此可適應所有頻率段。另外光學介質Verdet常數為恒定數值，在全測量范圍內都是線性的，不存在飽和特性，小電流測量時也不存在非線性段，只要采用合適的測量方案，從小電流到大電流均可精確測量。

另外柔性光學TA還具有一大優勢，TA繞制方式可根據一次導體靈活設計，現場應用極為方便。柔性光學TA可將一次傳感光纖部分制成柔軟的光纜形式，傳感光纜可以方便地纏繞在任何形式的一次導體上，對一次導體的幾何形狀幾乎沒有任何要求，可以較好滿足電廠中導體直徑較大的需求。同時，柔性光纖TA體積小，對物理空間要求很小，能夠在狹小空間內完成柔性光學TA的安裝，可以解決火電機組等中性點空間狹小無法在分支上安裝傳統TA實現電流測量的問題。另外，柔性光學TA可現場進行繞制，無需拆卸一次導體，便于現場改造實施。

2 發電機主保護方案優化

由于傳統電磁式TA體積大，TA配置安裝受到很大限制，影響發電機差動保護配置方案，尤其是定子繞組匝間保護薄弱。對于火電、核電、燃氣機組等，中性點由于空間狹小難以安裝分支TA，一般配置縱向零序電壓匝間保護，靈敏度相對較低，且不能反映分支開焊故障。對于水電、抽水蓄能機組，通常有條件在分支組安裝TA，但一般僅能安裝2組，主保護配置仍受到一定限制，整體性能仍有提升空間[1][3]。

針對上述問題，我們提出了基于柔性光學TA的多重多種差動保護方案。對于火電、核電、燃氣等機組，在中性點兩個分支上分別裝設柔性光學TA，測量兩分支電流，在原有完全縱差保護基礎上，可以新增裂相橫差保護或不完全縱差保護，可提高定子繞組匝間保護的靈敏度，并解決分支開焊保護缺失問題。某電廠300MW火電機組的內部故障計算表明，原有完全縱差+縱向零序電壓保護方案，不能可靠動作故障數達到4.5%，這還不包括分支開焊故障數，在分支上裝設柔性光學TA，增加裂相橫差保護后，如圖2所示，不能動作故障數為零，顯著提高了發電機內部故障主保護性能。

圖2 某火電機組主保護優化方案Figure 2 Optimization scheme of main protection for thermal power generating unit

對于水電機組和抽水蓄能機組，我們可在中性點所有分支或任意分支組上安裝柔性光學TA，差動保護可根據內部故障計算結果更加靈活地配置，實現多重多種的最優主保護方案，進一步提高發電機內部故障主保護性能。某水電站600MW機組，定子繞組為6分支，原有方案電磁式TA受到安裝空間限制，6個分支分為2組，僅在兩個分支組上安裝，差動保護配置方案優化受到限制，仍有部分小匝間短路故障靈敏度不足。采用基于柔性光學TA的發電機保護方案后，最終實現了在所有6個分支上安裝，如圖3所示，并根據內部故障計算結果，在原有基礎上增加了若干套不完全縱差保護、若干套裂相橫差保護，實現了最完善的差動保護配置方案，基本消除了小匝間故障死區。

圖3 某水電機組主保護優化方案Figure 3 Optimization scheme of main protection for Hydraulic generator unit

3 轉子繞組匝間保護

轉子繞組匝間故障也是發電機一種常見故障類型。相對于定子繞組，轉子繞組電壓等級低，絕緣墊條比較薄，絕緣強度偏弱，匝間故障時有發生。大匝數的匝間故障，造成發電機失磁、機組軸振、轉子局部過熱，轉化為接地故障引起轉子鐵心磁化、燒傷軸頸軸瓦等。20世紀90年代，某電廠有300MW機組導致大軸磁化。小匝數的匝間故障，發電機可以繼續運行，但是潛在的危害很大。2009～2011年，廣東省十余臺400MW以上容量發電機出現匝間短路故障[4][5]。目前普遍缺少轉子匝間故障監測和保護，無法發現輕微的轉子匝間故障，機組帶故障運行，存在由輕微故障擴展至嚴重故障的可能。

針對轉子匝間監測和保護，可利用柔性光學TA安裝靈活性，采集分支TA電流或單元件橫差TA電流，采用定子繞組分支環流的諧波特征實現轉子匝間故障的監測和保護，如圖4所示。

圖4 轉子繞組匝間故障保護方案Figure 4 Generator rotor winding inter turn fault protection scheme

同步發電機轉子繞組出現匝間故障后，轉子磁勢不再對稱，通過氣隙磁場的感應，定子繞組側將產生與轉子極對數P有關的諧波分量電動勢（1/P、2/P、…），且在定子繞組同相各分支產生的分數次電動勢相位不同，于是在定子繞組內部產生同相不同分支之間的環流，各分支電流不再相等[6]。因此可通過在分支或分支組上安裝柔性光學TA或在分支組中性點連線上安裝柔性光學TA，實時測量定子相繞組內部的分支環流，間接實現轉子繞組匝間故障監測和保護。

4 選擇性定子接地保護

定子繞組的單相接地是發電機最常見的一種故障形式?，F有定子接地保護主要采用基波零序電壓、基波零序電流、三次諧波電壓和注入低頻電源等原理，均存在無選擇性的問題，即不能區分區內還是區外接地故障。對于多機共母線的擴大單元接線方式的發電機組，任意一臺發電機發生定子繞組單相接地故障時，所有并列運行的發電機定子接地保護均將動作，導致非故障機組停機，擴大了事故范圍，停機損失巨大。此外，定子接地保護的無選擇性還導致現場故障定位和排查不便，檢查范圍廣，耗時長，效率低下，不利于快速恢復生產。

對于擴大單元機組，實現定子接地保護的選擇性可采用零序方向原理，采集發電機機端或中性點零序電壓、機端零序電流，構成零序方向元件，通過判別零序方向實現定子接地故障的選擇性[7]，如圖5所示。

圖5 選擇性定子接地保護原理圖Figure 5 Principle of selective stator grounding protection

由于發電機一般為接地變高阻接地方式，接地零序電流很小，僅為幾安培或十幾安培，而發電機機端三相電流可達數千安培，機端零序電流難以準確測量，這也是這一原理實現的難點。以往有采用傳統電磁式零序電流互感器進行測量，僅適用于機端為電纜出線方式。對于現場更多的絕緣澆筑母線或封閉母線出線方式，存在三相合成磁場不平衡問題，常規電磁式零序電流互感器在機組正常運行時不平衡零序電流過大，難以識別故障電流。針對機端零序電流的測量難題，可利用柔性光學TA的優異傳變特性和靈活安裝方式，將柔性光學TA繞制在發電機機端三相電纜或銅排上，精確測量機端零序電流，與發電機機端零序電壓共同構成零序方向元件，實現定子接地保護的選擇性，如圖6所示。

圖6 基于柔性光學TA選擇性定子接地保護Figure 6 Selective stator grounding protection based on flexible optical TA

柔性光學TA精確測量機端零序電流，當某臺發電機內部發生單相接地故障時，其他機組電容電流和接地變零序電流流向本機組故障接地點，當發生區外單相接地故障時，本機組電容電流和接地變零序電流流向故障機組，通過零序方向元件判斷定子接地區內或區外故障，如單相接地故障發生在主變低壓側共有母線上，則所有機組均判別為區外故障，可由較長延時保護全?；驁缶M行人工處理。

5 核電輔助變斷相監測和保護

世界核電運營者協會（WANO）在2015年的經驗反饋（SOER 2015-1 Safety Challenges from Open Phase Events）中提出了核電站斷相故障事件可能導致核電停堆的嚴重后果，希望引起業內重視[8]。目前針對發變組系統的斷線，因為長期帶載，且監測和保護設施完善，一般認為無風險。針對廠用系統的斷相，理論分析和仿真表明可利用現有測量系統優化實現斷相監測和保護。但對于核電站輔助變斷相，由于長時間處于空載，通過常規測量手段難以識別。理論分析、仿真和動模試驗均表明，對于Y/D型或帶有三角形補償繞組的變壓器，當高壓側斷相時，斷相點兩側三相電壓均無變化，兩側TV仍能測量出相同的額定電壓，利用電壓量判據理論上無法反應。對于輔助變空載工況，三相電流只有極小的空載勵磁電流流過，某核電站輔助變一次空載電流僅為0.218A，如圖7試驗報告所示，現有電磁式保護或測量TA無法測量如此小的一次電流。

圖7 輔助變空載電流測試報告Figure 7 No-load current test report of auxiliary transformer

根據光學TA傳變原理，光學介質Verdet常數不會隨磁場強度變化，其數值始終不變，因此理論上在測量微弱磁場（小電流）時仍是完全線性的，不存在傳統電磁式TA的小電流非線性問題，因此只要采用合適的設計是有可能精確測量微小電流的。因此可以利用柔性光學TA良好的微小電流測量能力，安裝在輔助變高壓側三相出線上，當輔助變斷相時，通過精確測量空載勵磁電流的變化，可以準確判別斷相故障。如圖8所示，監測裝置接入輔助變高低壓側各相電壓和高壓側三相電流，可以判別輔助變高、低壓側各類斷相故障。

圖8 基于柔性光學TA核電斷相監測保護系統圖Figure 8 Phase failure monitoring and protection of nuclear power auxiliary transformer based on flexible optical TA

另外，柔性光學TA可根據現場需要進行結構設計，便于現場安裝實施，對現有系統基本無影響。圖9為某核電站現場安裝圖，柔性光學TA測量一次電流0.2A時，精度仍可達到5%，足以分辨出微小的勵磁電流。

圖9 核電斷相監測保護用柔性光學TA結構設計Figure 9 Structure design of flexible optical TA for phase failure monitoring and protection of nuclear power auxiliary transformer

6 變頻啟動機組的保護優化

抽水蓄能機組、燃氣輪機組、新型調相機等機組一般采用靜止變頻器啟動，從靜止逐步拖動到額定轉速再同期并網，整個啟動過程勵磁均正常工作，機組全程帶電，頻率由0Hz逐步升高至50Hz。而傳統電磁式TA是設計用于傳變交流電流的，其傳變特性隨頻率下降逐漸變差，在抽水蓄能等機組變頻啟動過程初始階段，尤其是10Hz以下，傳統電磁式TA深度飽和，傳變嚴重失真，易導致發電機保護不正確動作或靈敏度大幅下降。圖10是某抽水蓄能機組在背靠背啟動過程中，約3Hz時的電流波形，機端和中性點電流甚至出現相位相反情況，差動不平衡電流最高可達0.45倍額定電流[9]。

圖10 某電站變頻啟動過程電流波形Figure 10 Secondary current waveform of electromagnetic TA at back-to-back starting process of pumped storage unit

柔性光學TA傳變特性與頻率無關，可傳變直流分量，低頻時傳變也不失真，可準確傳變低頻電流，因此可顯著提高變頻啟動過程中保護的可靠性。圖11為柔性光學TA與傳統電磁式TA在2Hz時的動模波形比較，柔性光學TA傳變準確，電磁式TA飽和嚴重。

發電機-變壓器組保護采用柔性光學TA后，在變頻啟動全過程中電流均可準確傳變，對于啟動過程保護特別是差動保護，機端和中性點電流傳變一致，差動不平衡電流很小，保護定值可大幅降低，顯著提高保護靈敏度，對于10Hz以下極低頻段，保護也無需閉鎖或抬高定值，保護靈敏度和可靠性可以兼顧。

7 結語

根據柔性光學TA在發電廠繼電保護上的應用探索和經驗積累，在以下幾個方面具有較好的應用效果，可逐步進行推廣和提高。

（1）柔性光學TA具有優異的傳變性能，安裝方式靈活，受安裝空間限制少，可應用于各類特殊場合。

（2）實現多重多種主保護配置，可進一步提高常規發電機主保護性能，特別是隱極發電機，常規電磁式TA安裝受限，保護配置受到較大制約。

（3）實現轉子匝間故障監測保護，及早發現小匝數短路故障，降低嚴重故障可能性。

（4）對于擴大單元機組，實現定子接地保護的選擇性，避免非故障機組的無序跳閘，顯著降低電廠停電損失。

（5）精確測量核電站輔助變微小的勵磁電流，實現核電斷相監測保護功能，解決了WANO提出的斷相導致停堆的嚴重事故風險。

（6）對于抽水蓄能機組、燃氣輪機組、新型調相機等機組，準確傳變變頻啟動過程中電壓、電流等電氣量，提高變頻啟動過程保護可靠性和靈敏度，尤其是10Hz以下極低頻率段。