关于200MW发电机变压器继电保护配置方案的探讨

　　继电保护是指研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件(发电机、变压器、输电线路等)，使之免遭损害。基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。继电保护装置是一种自动装置，在电力系统中主要负责电力系统的安全可靠运行，这是它的主要职责也是任务，它可以随时掌握电力系统的运行状态，同时及时发现问题，从而通过选择合适的断路器切断问题部分。

　　一、继电保护的基本原理及发展趋势

　　1、基本原理

　　继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。

　　电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：

　　(1) 电流增大。短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。

　　(2) 电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。

　　(3) 电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60°～85°，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180°+(60°～85°)。

　　(4) 测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗;金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。

　　不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量;单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。

　　利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。

　　此外，除了上述反应工频电气量的保护外，还有反应非工频电气量及非电气量的保护。

　　2、发展趋势

　　继电保护方式的发展经历了方向比较式、相位比较式、电流差动式等阶段, 所使用的继电器从电磁式到模拟静止式, 进而发展到数字静止式, 随着数字技术的发展、微型计算机和微处理器的出现, 为继电保护数字化开辟了广阔前景, 出现了以微机和光传输技术为基础的全数字控制保护系统。微机保护具有下列特点:

　　(1)保护功能由软件实现;

　　(2)采用数字信号处理技术;

　　(3)具有数字储存功能, 如过程记忆、录波等;

　　(4)容易实现远方通信, 接口简单;

　　(5)具有自动测试和监视功能;

　　(6)软硬件标准化;

　　(7)公共数据可重复使用实现不同功能。

　　我国已成功研制了多套大机组微机保护装置,并先后投入试运行或正式运行。不少 35 kV 和 110kV 变电所采用了多种微机监控和保护装置, 但在300MW 及以上大型发电机组上应用微机保护装置的例子还不多。由于微机保护具有灵活、高性能、运行维护方便、可靠性好、硬件尺寸小、硬件负担轻等优点, 可以预见未来继电保护发展的方向将是主保护采用微型处理机或小型计算机分散地装设在被保护元件处, 后备保护采用系统控制中心计算机构成变电所中心计算机以实现集中化控制。相信大机组的微机保护将有广阔的发展前景, 并将以其优越的性能在继电保护领域独领风骚。

　　二、200MW发电机变压器继电保护配置方案

　　1、三相定子绕组的结构对主保护配置的影响

　　三相定子绕组的结构问题, 主要指的是发电机中性点侧的引出方式,因为它与发变组内部短路主保护方案密切相关, 同时也与定子绕组每相并联分支数有关。

　　目前国内 200MW 及以上的汽轮发电机大多为每相两并联分支, 中性点仅引出三相的三个端子。作为发变组内部短路主保护, 普遍采用发电机传统纵差保护和发变组纵差保护, 这两种保护方案对发电机定子绕组同相的匝间或层间短路和开焊 (断线)故障均无保护作用,因此必须予以改进。

　　一种改进方案是改变发电机中性点侧的引出方式,将三相六个分支绕组分成两组同时引出, 这样可以装设单元件零序电流横差保护。高灵敏横差保护具有发电机相间短路、匝间短路和定子绕组开焊的保护功能、构成简单、灵敏度高, 可以作为发电机的第一主保护。如果设计安装不完全纵差保护,则从根本上改变了传统纵差保护不反映定子绕组匝间短路和开焊故障的不足, 成为发电机内部故障的第二主保护,实现了大机组主保护的双重化要求, 大大提高了短路保护的技术性能, 但必要的前提是发电机中性点侧应有四个引出端子。如果当发电机中性点不具备条件,它们对发电机定子绕组匝间短路和分支开焊无保护功能, 为此必须通过配置纵向零序电压保护来实现对发电机内部的匝间短路的保护功能。

　　2、定子绕组单相接地保护问题

　　为解决好定子单相接地故障的保护问题, 首先应注意发电机中性点接地方式, 使之满足单相接地电流小于 GB - 14285- 93《继电保护和安全自动装置技术规程》224条所规定的故障电流允许值 (即安全电流), 即对于 200MW 发电机组定子绕组单相接地电流应小于 2A。

　　同时必须注意的是, 所配置的保护应包括发电机定子绕组 100 %的保护区,即基波零序电压和三次谐波零序电压的定子接地保护。当单相接地电流小于安全电流时,保护装置带时限动作于信号, 反之则应动作于跳闸。如果发电机绝缘状况不良或超期服役绝缘老化严重, 保护可带时限作用于跳闸停机。现今, 新出台的《中国国电集团公司重大事故预防措施》中规定, 应将零序基波段保护和零序三次谐波段保护出口分开,零序基波段保护投跳闸,零序三次谐波段保护只允许投信号。

　　3、转子绕组两点接地保护问题

　　当汽轮发电机的励磁回路两点接地故障, 即使两点接地保护正确动作并跳闸, 也可能发生轴系和汽机部件的磁化现象,给机组尽快恢复正常运行带来很大困难。对于转子水内冷的汽轮发电机, 由于转子绕组漏水,造成励磁回路的接地故障,不再是从一点接地开始,随后继发第二点接地, 而是一开始就是多点或一片励磁绕组接地。

　　4、变压器电气量保护说明

　　纵差保护是一切电气主设备的主保护，它灵敏度高、选择性好，在变压器保护上运用较为成功。纵差保护是利用比较被保护元件各端电流的幅值和相位的原理构成的，根据KCL基本定理哪，当被保护设备无故障时恒有各流入电流之和必等于各流出电流之和。

　　5、变压器非电气量保护

　　非电气量保护是变压器的重要保护形式，它是相对于变压器各测的电气量保护而言的，变压器的非电量保护包括：瓦斯保护、压力释放、冷却器故障、冷风消失、油温升高等。

　　对于 200MW 汽轮发电机, 应装设一点接地保护。当一点接地保护动作后,应及时发出报警信号,尽快转移负荷,实现机组的平稳停机, 切勿认为一点接地无甚危害,不加处理, 一旦再发生第二点接地故障,将酿成大患,对大型汽轮发电机极为不利。基于这种考虑, 现代微机继电保护装置虽然在判断发生转子一点接地保护动作时, 自动投入转子两点接地保护, 但要求运行检修人员在发现转子一点接地时仍应尽快查明原因,立即处理, 在第一时间内消除接地故障点。

　　大型发电机组继电保护要求最大限度的保证机组安全和最大限度缩小破坏范围，这就要选择具有可靠性、灵敏性、选择性和快速性好的保护装置，做好短路保护、接地保护和异常运行保护。

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