大型发变组保护的研究及应用分析

大型发变组保护的研究及应用分析

丁俊凯

（神华（福州）罗源湾港电有限公司福建福州350512）

摘要:随着我国经济建设的快速发展，国家对现代电力系统的安全稳定性有了更高的要求。大型发电机组作为现代电力系统最重要的组成部分之一，它结构复杂，费用昂贵，一旦出现故障，将造成国民经济直接和间接的极大经济损失。大型发变组保护的拒动和误动，均将产生严重后果，决不可掉以轻心。因此，大型发变机组保护运行质量对整个机组系统安全运行有着直接影响。在此背景下，本文对大型发变组保护展开了研究和应用分析。

关键词：大型发变组保护、研究应用、电力系统

一、引言

电力系统的安全稳定运行与国民经济和社会的快速发展息息相关，大型发电机组作为现代电力系统最重要的组成部分之一，它一旦发生故障时，如果不能迅速切除或隔离故障点，将对机组产生极大的危害，造成巨额的经济损失。因此，大型机组继电保护的原理和应用研究对于当前电力工业的迅速发展来说相当重要，同时对大型机组的可靠性、灵敏性、选择性和快速性提出了更高的要求。

二、大型发变组主保护

（1）发电机、变压器差动保护

发电机差动保护是用来反映发电机定子绕组和引出线相间短路故障，发电机定子绕组相间短路是最严重的故障，一旦该故障出现，将会产生很大的短路电流，故障点的电弧会使绕组绝缘烧坏，甚至可能引起火灾。因此，要求装设差动保护作为发电机定子绕组相间故障的主保护，瞬时动作于停机。

在实现变压器差动保护的过程中，由于变压器具有两个及以上的电压等级，同时变压器两端所用的CT额定参数也不尽相同，差动保护会产生不平衡电流；调整变压器分接头也会使差动保护不平衡电流变大；变压器励磁电流是差动保护不平衡电流来源的其中一种，过励磁时励磁电流可达额定电流水平，势必引起差动误动；空载合闸或区外故障切除电压恢复时变压器将产生很大的励磁涌流，差动保护也将误动；还有各侧电流的幅值、相位补偿，零序电流的补偿问题。此外，匝间短路时虽然短路环中电流很大，但流入差动保护的电流可能很小，且此时变压器仍带有负荷，影响保护灵敏度；当高压侧经阻抗接地故障时，故障电流也很小。一方面由于各种因素产生很大的不平衡电流，一方面又要求能反应内部轻微故障，这些特点决定了实现变压器差动比发电机差动要更为复杂。

（2）发电机匝间保护

发电机匝间保护是为了保护大型发电机定子绕组同槽同相短路故障和定子绕组的开焊故障的一种保护方式，当发生定子绕组匝间短路或开焊故障时，三相对称性遭到破坏，使得三相对中性点的电压出现不平衡，即对中性点而言机端三相出现纵向零序电压。所以可用一个反应纵向零序电压的过电压元件作为匝间保护主判据。为了防止外部故障时纵向基波零序过电压元件误动，用负序功率方向元件作为辅助元件。当PT断线时，基波零序电压元件可能误动，故也需经PT断线元件闭锁。

发电机匝间保护由负序功率方向元件和零序电压组成。根据负序功率方向元件的动作特性不同，分为允许式的匝间保护和闭锁式匝间保护两种类型。

对于允许式保护，逻辑一直开放定子匝间保护，当发电机内部发生匝间短路时，保护直接出口，快速切除故障；当发生区外故障、相间短路等非匝间短路时，负序功率方向元件动作，闭锁匝间保护。这种方式的灵敏度高，但是当PT断线时，尤其是熔丝慢慢熔断时，PT断线闭锁功能可能不起作用，此时可能使纵向零序电压误动，从而使匝间保护误动。

对于闭锁式保护，当正常情况和区外故障时，负序功率元件不动，闭锁保护，当发生发电机匝间故障时，负序功率元件保护出口。这种方式可靠性高，不容易发生误动。但是当出现一些轻微的故障时，负序功率元件不会动作，保护灵敏度低。

（3）发电机定子接地保护

由于发电机的外壳是接地的，因此定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地就比较普遍。当发电机定子绕组发生单相接地时，有电容电流流过故障点，电容电流的大小取决于定子绕组的接地电容电流和与发电机有电联系的电网接地电容电流。当接地电容电流较大且产生电弧时，将使绝缘绕组和定子铁芯烧坏。

当前，国内外很多厂家主要通过正常运行时发电机中性点和机端的三次谐波零序电压的比值作为故障判断的依据，但是由于实际的运行方式存在差别，也就导致机端电压以及有功、无功功率都存在一定的变化，所以此类保护必然具有缺陷。而REG216定子接地保护主要应用的是组合式三次谐波电压继电器，其能够在空载的情况下，对发电机中性点三次谐波进行测量；在满载的情况下，对机端三次谐波进行测量，并以1.5倍返回系数整定发电机中性点低电压。

三、发电机变压器后备保护

（1）发电机失磁保护

发电机失磁后，引起发电机失步，将在转子的阻尼绕组、转子表面、转子绕组中产生差频电流，引起附加温升，可能引起转子局部高温，产生严重过热现象，危及转子安全，其次，同步发电机异步运行，在定子绕组中将出现脉动电流，产生交变的机械力矩，使机组发生振动，影响发电机的安全。失磁后机端测量阻抗的变化过程为机端测量阻抗末端轨迹沿等有功圆由第一象限进入第四象限，机端测量阻抗进入第四象限后，进一步跨越静态阻抗边界阻抗圆，最后进入异步阻抗圆，表明发电机已进入异步运行状态。失磁保护的主要判断依据包括检测无功功率方向和检测机端测量阻抗变化。

（2）发电机逆功率保护

汽轮发电机与电网并列运行时，由于某种原因使汽机主汽门关闭，发电机由输出功率变成吸收电网功率以维持发电机的同步转速和损耗，这种状态称为逆功率运行，这时发电机将成为电动机运行，即从系统中吸取有功功率，拖动汽轮机旋转。这种运行工况对发电机并无影响，但是对汽轮机而言，长时间无蒸汽运行将会导致排汽缸温度升高及尾部叶片过热。由于汽缸中充满了不流动的蒸汽，它会与汽轮机叶片摩擦产生热，使汽轮机叶片过热和低压缸排汽温度升高，低压缸整体向上膨胀，转子中心上移，在轴承座位置不变的情况下引起机组振动。

逆功率保护的输入量为机端PT二次三相电压及发电机CT二次三相电流。当发电机吸收有功功率时动作。因此，逆功率保护能够确切地反应功率反方向的异常工况，及时发出信号，在允许的时间内自动停机。对于发电机出口开关是非三相机构联动开关时，逆功率保护动作出口应只跳发电机出口开关，而不应同时也跳灭磁开关。

当发电机出现非全相运行时，即发电机出口开关非全相断开或非全相合上，发电机定子电流三相不平衡出现负序电流及振动，在转子表面感应出两倍工频的电流，引起转子发热，严重时烧毁转子。发电机处于空载状态下发电机非全相运行时无负序电流产生或产生的负序电流很小；发电机出口开关非全相断开、灭磁开关同时断开且原动机的能源供给切断时，发电机产生的负序电流最大，对系统、对发电机的影响也最大，必须立即切断相关电源，由此扩大了事故范围。因此在逆功率保护动作跳开发电机出口开关时，灭磁开关未联跳，如果发电机出口开关非全相断开，可立即减小励磁电流，使发电机维持空载运行，然后再根据规程处理。

（3）转子接地保护

发电机励磁回路一点接地故障是常见的故障形式之一，励磁回路一点接地故障，对发电机并未造成危害，但相继发生第二点接地，即转子两点接地时，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体，并使磁励绕组电流增加可能因过热而烧伤；由于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡从而引起振动甚至还可使轴系和汽机磁化，两点接地故障的后果是严重的，故必须装设转子接地保护。当前转子接地保护主要有乒乓式、电桥式、注入式(包括直流注入式、低频注入式等)。

四、结语

本文以提高大型发变组的运行可靠性和做好其保护配置为出发点，为提高发变组运行的稳定性和安全性，提升电力系统行业的生产效率，从实际需求出发，对大型发变组保护进行了研究和应用分析，通过对这些保护方式的原理和应用进行研究分析，指出其中存在的问题，并提出对应的改进优化措施，确保系统的正常工作。

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