电厂发电机变压器保护原理及继电保护方式分析

电厂发电机变压器保护原理及继电保护方式分析

刘祥顺

（重庆梅溪河流域水电开发有限公司，重庆 404600）

摘要：研究发电机变压器保护原理及继电保护方式对确保电力系统的稳定运行至关重要。发电机变压器是连接发电机与电网的关键桥梁，其正常运行直接关系到整个电力系统的可靠性。任何小的故障或失效都可能导致巨大的供电中断，造成经济损失和安全风险。深入研究其保护原理和继电保护方法不仅可以实时、准确地检测和隔离故障，降低系统停机时间，而且有助于提高设备使用寿命，优化运维策略，进一步提高电网的安全性和经济效益。

关键词：发电机变压器；保护原理；继电保护方式

发电机变压器是电力系统的关键组件，它通过利用磁感应的原理，将发电机产生的电压转换成适合输电或配电的电压级别。在这过程中，两个或多个线圈间的互感作用使得电能得以转移而不直接连接。继电保护则是电力系统中的安全监护者，其基本工作原理是：当电力系统中出现故障或异常时，继电器会检测到这些异常（如过电流、过电压等），然后根据预设的逻辑和阈值，快速作出决策，通过驱动断路器切断故障部分，以保护电力设备和确保系统稳定运行。

1.发电机变压器保护原理

1.1热保护

热保护是一种关键的电力设备安全机制，其工作原理主要基于设备的温度或温升。在电力系统中，特别是在发电机和变压器的运行过程中，因为各种原因，如过载、内部故障或其他不规范的操作，设备可能会遭遇过热的情况。这种过热，如果不被及时检测和处理，可能会对设备的绝缘材料造成严重的损害。绝缘材料的损害又可能引起电弧、短路或其他形式的故障，这不仅威胁到设备的完整性，还可能对整个电力系统造成连锁反应，导致大规模的电力中断或更严重的事故。为了防止这种情况，热保护装置，如热继电器和温度传感器，被广泛应用于这些电力设备中。这些装置会持续、实时地监测设备的温度，并与预设的安全阈值进行比较。一旦检测到设备的温度超过这些安全阈值，热保护装置会迅速采取行动，包括发出警报通知操作人员或直接切断设备的电源，以确保设备不受损害并保持电力系统的稳定运行。

1.2瓦斯保护和压力保护

瓦斯保护机制致力于监测和分析变压器油中产生的气体，这些气体通常是由内部过热点引发的油的分解产生的，而这些过热点则往往源自潜在的故障，如绕组的短路或其他形式的物理损害；通过识别和量化油中不同类型的气体，瓦斯保护能在早期阶段揭示出隐藏在变压器内部的潜在问题，当检测到危险性的气体种类和数量超过预定阈值时，瓦斯保护将会自动启动，实施必要的保护措施，比如断开电源或触发警报，以避免更严重的故障发生。而压力保护，则主要关注变压器内部的油压变化，因为当变压器内部发生例如短路之类的故障时，会在油中引发局部的高温，进而产生气体并造成油压急剧上升，一旦油压超过了正常运行的安全范围，压力保护即会立即启动，执行例如切断电源或者激活报警系统等措施，防止因油压过高而引起的变压器破裂或其他相关危险情况的发生。通过精确而敏感的监测，这两种保护机制在实时的基础上确保了电力系统的安全、可靠运行，它们在预防潜在的故障和最大化地减小由故障引起的影响方面发挥着不可替代的作用，成为电力系统健康、稳定运行不可或缺的一部分。

1.3零序保护

零序保护是电力系统中一种至关重要的保护方式，主要关注的是三相系统中的不平衡电流，尤其是当某种故障导致设备或导线与地面接触时产生的零序电流。在正常的三相平衡系统中，三个相的电流之和应该是零，这意味着没有零序电流流经系统。然而，当某种故障，如接地故障发生时，情况会发生改变，这时候，一个显著的零序电流会在系统中出现。这种电流不仅表明了存在一个故障，还可能导致设备的损坏、电磁干扰或甚至火灾。因此，检测和应对零序电流变得至关重要。零序保护装置通过持续监测三相电流的不平衡来达到这一目的，当这种不平衡超出正常范围或达到一个危险的阈值时，零序保护装置会立即采取措施，例如断开故障回路或切断整个系统的电源。这种及时的干预确保了电力系统的安全和稳定，防止了可能的进一步损害或更大规模的事故。

1.4过压与欠压保护

过压与欠压保护是电力系统中的两种基本而关键的保护策略，它们都聚焦于确保电压水平在一个既定的安全范围内。在电力传输和分发过程中，因各种原因，如负载变化、线路故障或设备故障，电压可能会超出正常的操作范围。当电压超出正常值并持续上升至一个危险水平时，我们称之为过压；相反，当电压下降至一个低于正常操作范围的水平时，我们称之为欠压。这两种异常电压状态都可能对设备和用户的设备造成损害，从简单的设备故障到复杂的电源中断，甚至火灾。为了避免这些危险的后果，过压与欠压保护装置会持续监测电网的电压状态。一旦检测到电压超出预设的安全范围，这些装置会迅速采取行动，如切断受影响区域的电源、调整负载或启动备用电源，以确保整个电力系统及其连接的设备和用户能够安全、有效地运行。

2.发电机变压器的继电保护方式

2.1时间继电保护

时间继电保护是一种经典的发电机变压器继电保护方式，重点是根据预定的时间间隔来决定故障的响应动作。这种保护方法不仅考虑了电流或电压的异常，还考虑了异常持续的时间。这意味着当检测到一个可能的故障或异常时，时间继电器会等待一个预设的时间间隔，然后再执行断路或其他保护动作。这种延迟设计有助于避免由于瞬时或短暂的故障引起的不必要的断电。时间继电保护具有多个级别，通常被称为“时间曲线”。每个级别都有自己的延迟时长，以应对不同严重程度的故障。例如，对于较轻微的故障，可能会有较长的延迟来允许系统自身恢复；而对于严重的故障，反应时间则会迅速，几乎是立即的。这种基于时间的策略确保了仅在确实需要时才切断电路，从而避免了不必要的停机损失。例如，电力系统中的一些瞬态故障，如由雷击引起的短暂电压下降，可能会很快恢复。在这种情况下，没有必要中断供电，时间继电器的延迟响应可以避免这种中断。相反，对于那些可能对变压器或其他设备造成伤害的持续性故障，时间继电器会迅速响应，尽快隔离故障部分。

2.2电流继电保护

电流继电保护是发电机变压器继电保护的核心方法之一，旨在实时监测流过变压器的电流，并在检测到异常时迅速响应。它的工作原理是基于对电流值的持续监控，与预定的正常电流范围进行对比，从而判断电力系统的工作状态。电流异常通常意味着系统中存在某种不正常的情况。这可能是由于设备故障、外部干扰或系统配置错误等多种原因导致的。当电流超出正常范围时，这通常意味着需要采取措施以保护电力系统和其中的设备。电流继电保护通过高速的传感器和先进的电子技术实时监测电流值，确保其始终处于安全和有效的工作范围内。

电流继电器不仅能检测到电流的绝对值，还能识别其突然的变化或不规则的波动。这是因为在许多情况下，不仅仅是电流的大小，其变化的速率或模式也可能是潜在问题的指示。例如，一个突然的电流峰值可能意味着电路中的短路，而周期性的电流波动则可能表明设备的老化或故障。电流继电保护具有非常高的灵敏度和响应速度，能够在毫秒级时间内对异常进行检测并触发相应的保护动作。这种快速反应确保了在发生故障的最初时刻就能隔离问题区域，从而最大程度地减少了设备的损坏和系统的停机时间。然而，值得注意的是，为了避免误报和误操作，电流继电保护通常结合其他参数和条件来进行更准确的故障判定。这意味着单一的电流异常可能不会立即触发保护动作，而是需要结合其他信号或条件进行综合判断。

2.3差动继电保护

差动继电保护是发电机变压器保护中的一种高度专用和有效的策略，尤其是针对变压器内部的故障。这种保护方法的核心理念是对比变压器的输入和输出电流，确保两者在正常情况下大致相等。这种相等的关系基于能量守恒的原理，即在没有能量损失的前提下，进入和离开一个系统的能量应该是相等的。在电力系统中，特别是在变压器中，这一原理表现为进入和离开变压器的电流之间的关系。在没有内部故障的情况下，这两个电流应该是相等的，或者至少是按照变压器的变比进行调整后的相等。但是，当变压器内部发生故障，例如绕组短路时，这种平衡会被打破，导致输入和输出电流之间出现差异。

差动继电器可以检测这种差异，当差异超过预定的阈值时，它会判断为故障，并迅速触发保护动作，如断开电路或发出警报。这种快速响应不仅有助于最大程度地减少变压器的损伤，而且还避免了故障进一步蔓延至电网的其他部分。差动继电保护具有高度的灵敏度和准确性，因为它专门针对变压器内部的故障，而不是外部的故障或其他类型的异常。这意味着它不太可能对外部扰动或瞬时的非故障条件作出响应，从而大大减少了误报或误操作的可能性。但是，为了确保其准确性和可靠性，差动继电保护通常需要与其他继电保护策略相结合，如过电流保护或电流变换器的精确校准。此外，对于大型或复杂的变压器，可能需要使用多个差动继电器，以确保整个设备的全面保护。

结束语

随着科技的不断进步和电力工业的持续发展，变压器和继电保护技术也面临着新的挑战和机遇。智能电网、物联网技术以及人工智能为电力系统带来了前所未有的变革可能。未来的继电保护设备预计将更加智能化、自适应和互联。这意味着故障检测、定位和响应将更为迅速和准确，从而大大提高系统的稳定性和可靠性。同时，变压器的设计和制造也将进一步优化，以适应更高的效率、更长的寿命和更小的维护需求。面向未来，电力行业必须持续创新，以满足日益增长的电能需求，同时确保供电的稳定和安全。

参考文献：

[1]王忠权,彭宇南.电力变压器的继电保护策略分析[J].模具制造,2023,(09):220-222.

[2]孙祺帆,侯立杰.继电保护故障与新技术应用策略分析[J].模具制造,2023,(09):259-261.

[3]杨鹏杰,张克宇,徐宇,李颖卓.继电保护与自动控制的可靠性研究[J].电器工业,2023,(09):52-54.

[4]张伟.电厂发电机变压器保护原理及继电保护方式探究[J].低碳世界,2021,(12):46-47.

[5]吴俊杰.电厂发电机变压器保护原理及继电保护方式研究[J].中阿科技论坛(中英文),2021,(03):55-57.

[6]江洪.电力变压器继电保护[J].科技创新导报,2019,(29):72-73.

作者简介：刘祥顺（1995.12-），男，汉，重庆巫溪，本科，学士，助理工程师，主要研究方向：自动化、继电保护、电气二次。