電力主設(shè)備保護(hù)研究的幾個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題

姜松 南京國(guó)電南自電網(wǎng)自動(dòng)化有限公司

介于電力主設(shè)備單機(jī)容量增大、額定功率增高等問(wèn)題，保護(hù)措施研究更為重要。為確保電力主設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)、高效、穩(wěn)定運(yùn)行，需充分了解保護(hù)方式，透析構(gòu)成機(jī)理、交流接入回路以及構(gòu)成邏輯問(wèn)題，本研究針對(duì)發(fā)電機(jī)與變壓器運(yùn)行常遇問(wèn)題與保護(hù)方式進(jìn)行分析，提出相對(duì)措施。

一、發(fā)電機(jī)保護(hù)研究

（一）內(nèi)部故障主保護(hù)問(wèn)題

內(nèi)部故障主保護(hù)即發(fā)電機(jī)定子繞組的相間短路和匝間短路保護(hù)。前者的縱差保護(hù)特性可發(fā)揮良好的發(fā)電機(jī)保護(hù)功能，在注重電力互感器暫態(tài)特征外，其比率制動(dòng)特征的差動(dòng)保護(hù)也可發(fā)揮良好的保護(hù)功能。后者多應(yīng)用橫差保護(hù)、負(fù)序功率方向保護(hù)、縱向零序電壓保護(hù)等。

（1）橫差保護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，可應(yīng)對(duì)反應(yīng)匝間短路與相間短路，需要注意的核心問(wèn)題是故障既發(fā)與未發(fā)間不平衡電流的影響。此處所指的不平衡電流和發(fā)電機(jī)本身的構(gòu)造與運(yùn)行情況相關(guān)，具備明顯的差異性，外部短路的不平衡電流極值無(wú)法核算。

（2）負(fù)序功率方向保護(hù)在理論上有如下幾點(diǎn)適用性：首先，電力系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，發(fā)電機(jī)位于分支末端；其次，發(fā)電機(jī)因其自身構(gòu)造并不會(huì)出現(xiàn)對(duì)稱三相短路，同時(shí)采用封閉式母線的出線方式，同樣不會(huì)發(fā)生三相短路?；诖?，發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障誘發(fā)的負(fù)序功率時(shí)刻會(huì)得到正確的反應(yīng)。負(fù)序功率方向保護(hù)多適用在外部短路狀態(tài)發(fā)生變化的情況，內(nèi)部數(shù)據(jù)窗過(guò)渡時(shí)很容易出現(xiàn)短路方向誤判的問(wèn)題。除此之外，發(fā)電機(jī)外部發(fā)生的三相短路多由負(fù)序功率方向的元件工作環(huán)境惡劣導(dǎo)致，需特別注意其保護(hù)的可靠性。

（3）縱向零序電壓主要由發(fā)電機(jī)內(nèi)部繞組不平衡導(dǎo)致，外部短路會(huì)將部分細(xì)小變異放大，表現(xiàn)出零序電壓升高，以此促使縱向零序電壓保護(hù)工作出現(xiàn)問(wèn)題。除此之外，當(dāng)互感器與發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)出現(xiàn)斷線、接地等情況時(shí)，縱向零序電壓保護(hù)易出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作。

發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)需關(guān)注相間短路與匝間短路兩個(gè)問(wèn)題，需對(duì)兩種情況進(jìn)行特定設(shè)計(jì)與配置，確保發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

（二）定子繞組一點(diǎn)接地保護(hù)

定子繞組一點(diǎn)接地故障在發(fā)電機(jī)故障中占比較高，若得不到及時(shí)解決，將誘發(fā)更為嚴(yán)重的相間短路問(wèn)題。介此，提高定子一點(diǎn)接地保護(hù)的有效性與靈敏性對(duì)發(fā)電機(jī)保護(hù)大有裨益。相對(duì)大機(jī)組，既需要定子繞組一點(diǎn)接地保護(hù)全覆蓋，同時(shí)還需極強(qiáng)的反應(yīng)過(guò)渡電阻的能力。發(fā)電機(jī)基波零序電壓型定子接地保護(hù)的原理是運(yùn)用三次諧波濾波算法與主變高壓側(cè)零序電壓閉鎖等方法后，對(duì)高達(dá)90%以上的繞組進(jìn)行保護(hù)，可保證其穩(wěn)定工作。當(dāng)發(fā)電機(jī)存在母線時(shí)，需介入零序電流確保保護(hù)措施的可選擇性。

相對(duì)三次諧波電壓保護(hù)，本文以近年研究成果為參考，認(rèn)為全覆蓋保護(hù)與提高抗過(guò)渡電阻能力的保護(hù)措施在理論上可行，但實(shí)際應(yīng)用尚難以廣泛應(yīng)用?？紤]到發(fā)電機(jī)三次諧波電勢(shì)較小，同時(shí)電壓互感器產(chǎn)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(hù)，導(dǎo)致其可靠性較差，因此該保護(hù)措施多應(yīng)用于發(fā)送信號(hào)。

區(qū)別于三次諧波電壓保護(hù)，注入式定子接地保護(hù)具有全覆蓋、靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)導(dǎo)納判據(jù)計(jì)算故障電阻的方式，直觀反映定子絕緣變化趨勢(shì)。發(fā)電機(jī)保護(hù)需重點(diǎn)關(guān)注啟停階段頻率變化走勢(shì)與中性點(diǎn)接地方式的自適應(yīng)力，拓寬發(fā)電機(jī)保護(hù)研究。

（三）轉(zhuǎn)子繞組接地保護(hù)

該方式主要借助勵(lì)磁電壓與微機(jī)保護(hù)裝置調(diào)控回路狀態(tài)，以切換采樣值式、變電橋式完成繞組接地保護(hù)。由于不需要外加電源，其回路形態(tài)較為簡(jiǎn)潔，所以可直觀反映并計(jì)算接地電阻值，轉(zhuǎn)子繞組分布電容對(duì)該保護(hù)方式不產(chǎn)生影響。轉(zhuǎn)子繞組接地保護(hù)中需注意切換元件工作的可靠性，重點(diǎn)關(guān)注勵(lì)磁電壓中諧波電壓對(duì)保護(hù)效果的影響。轉(zhuǎn)子繞組多為兩點(diǎn)及以上接地，易對(duì)發(fā)電機(jī)機(jī)組造成損害。截至目前，轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)原理研究尚有一定發(fā)展空間，還無(wú)法有效應(yīng)對(duì)近距離或同時(shí)發(fā)生的故障。

介于目前發(fā)電機(jī)保護(hù)研究的局限性與應(yīng)對(duì)各類故障的方式科學(xué)性不足等問(wèn)題，需重點(diǎn)關(guān)注各類故障類型確定量的計(jì)算、特殊機(jī)組保護(hù)方案與特殊性研究、異常工況保護(hù)等。

（四）發(fā)電機(jī)頻率異常保護(hù)——以汽輪發(fā)電機(jī)為例

某大型發(fā)電機(jī)發(fā)生頻率異常故障，經(jīng)檢驗(yàn)由汽輪機(jī)葉片問(wèn)題導(dǎo)致。該發(fā)電機(jī)設(shè)置低頻保護(hù)、頻率累積保護(hù)與過(guò)頻保護(hù)。頻率異常時(shí)發(fā)電機(jī)允許時(shí)間表如表1。

經(jīng)表1可知，為保證該汽輪發(fā)電機(jī)安全，處于異常頻率運(yùn)行的允許時(shí)間較長(zhǎng)，同時(shí)并網(wǎng)運(yùn)行發(fā)電機(jī)頻率與電網(wǎng)功率平衡狀況相關(guān)，由系統(tǒng)調(diào)度情況決定。由于電網(wǎng)系統(tǒng)的高度發(fā)展與裝機(jī)容量的增大，系統(tǒng)間緊密度顯著提升，調(diào)度人員對(duì)系統(tǒng)頻率控制愈加嚴(yán)格。本研究認(rèn)為，此大型發(fā)電機(jī)設(shè)置過(guò)頻保護(hù)不僅無(wú)益于發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行，一旦系統(tǒng)發(fā)生頻率異常，整體系統(tǒng)發(fā)電機(jī)過(guò)頻保護(hù)同時(shí)響應(yīng)，此時(shí)發(fā)電機(jī)機(jī)組將被切除，導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。為應(yīng)對(duì)此發(fā)電機(jī)頻率異常故障，將反應(yīng)全系統(tǒng)的穩(wěn)定裝置作為恒定頻率異常的指標(biāo)。在發(fā)電廠設(shè)置穩(wěn)控裝置，執(zhí)行高周切機(jī)。如果系統(tǒng)頻率超過(guò)臨界值過(guò)多，穩(wěn)控裝置可進(jìn)行“多輪式”切機(jī)，以此達(dá)到頻率異常保護(hù)的目的。

表1 本汽輪機(jī)組頻率異常允許時(shí)間

二、變壓器保護(hù)研究

（一）變壓器差動(dòng)保護(hù)

不論是模擬式保護(hù)，或是微機(jī)保護(hù)，差動(dòng)保護(hù)始終存在。差動(dòng)保護(hù)以基爾霍夫電流定律為基礎(chǔ)，在電力系統(tǒng)的輸電線路、母線、發(fā)電機(jī)等結(jié)構(gòu)上得到成功使用。由于變壓器原副邊電氣量由內(nèi)部磁路連通，在理論上不完全滿足基爾霍夫電流定律。差動(dòng)保護(hù)需充分考慮變壓器繞組接線方式、傳變誤差、勵(lì)磁涌流等因素，以此提高差動(dòng)保護(hù)成效。

相比于模擬式保護(hù)，微機(jī)保護(hù)在不平衡電流補(bǔ)償、比率制動(dòng)判據(jù)、保護(hù)接線、TA飽和識(shí)別等進(jìn)行了優(yōu)化，極大程度上提高差動(dòng)保護(hù)對(duì)變壓器保護(hù)的適用性。在變壓器差動(dòng)保護(hù)中，勵(lì)磁涌流是該模式不可避免的問(wèn)題，是研究的熱點(diǎn)課題?；陂g斷角原理、波形有關(guān)系原理、數(shù)學(xué)形態(tài)研究、模糊算法、智能算法等理論成果，為改進(jìn)傳統(tǒng)諧波含量識(shí)別、波形特征識(shí)別等進(jìn)行改進(jìn)，目的是更準(zhǔn)確的識(shí)別勵(lì)磁涌流與內(nèi)部故障電流，以此對(duì)變壓器進(jìn)行有力保護(hù)。

即便如此，勵(lì)磁涌流識(shí)別的研究始終存在下述幾個(gè)困境：其一，勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生具有高度的不可控性，剩磁大小、合閘三相不同時(shí)、合閘初相角、等值抗阻等都將導(dǎo)致勵(lì)磁涌流的形成具備多樣性與隨機(jī)性的特征。與此同時(shí)，空載合閘、空投并列運(yùn)行變壓器、投切非線性負(fù)荷等情況下都會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流。其二，由于勵(lì)磁涌流具有較強(qiáng)的非線性特征，勵(lì)磁涌流是在變壓器鐵芯飽和的非線性狀態(tài)下產(chǎn)生，非線性計(jì)算難度較大。其三，當(dāng)變壓器處于繞組星角接線的情況，角側(cè)繞組的電流難以測(cè)定與計(jì)算，故障電流與勵(lì)磁涌流難以區(qū)分。上述三類難題始終存在，針對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流識(shí)別的判別依據(jù)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(dòng)保護(hù)還需解決如下幾點(diǎn)問(wèn)題：其一，勵(lì)磁涌流和故障電流判據(jù)與區(qū)分的研究仍需繼續(xù)深入，任何以勵(lì)磁涌流波形為基礎(chǔ)的研究都無(wú)法完全判別勵(lì)磁涌流，表現(xiàn)在空投正常時(shí)變壓器易出現(xiàn)誤動(dòng)或延遲，所以波形判別無(wú)法100%識(shí)別勵(lì)磁涌流；其二，空投變壓器在匝間存在故障時(shí)，保護(hù)速度較慢，很容易在勵(lì)磁涌流衰減后才可以出口，需加快反應(yīng)速度，讓其在出口前完成區(qū)分。

（二）變壓器分側(cè)差動(dòng)保護(hù)

為避免變壓器高壓側(cè)接地故障而誘發(fā)變壓器縱差保護(hù)誤動(dòng)，需采用變壓器分側(cè)差動(dòng)保護(hù)。該保護(hù)方式的原理是借助過(guò)濾高壓側(cè)零序電流，變壓器高壓側(cè)繞組發(fā)生單相接地故障時(shí)，變壓器縱差保護(hù)動(dòng)作靈敏度較低。相對(duì)超高壓或特高壓變壓器，高壓側(cè)設(shè)置可反應(yīng)高壓側(cè)短路故障的分側(cè)差動(dòng)保護(hù)，有效提高接地故障時(shí)動(dòng)作靈敏性。分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的交流接入回路和邏輯框圖見(jiàn)圖1與圖2。

圖1 分相差動(dòng)保護(hù)交流接入回路

圖2 分側(cè)差動(dòng)保護(hù)邏輯圖

變壓器分側(cè)差動(dòng)保護(hù)的優(yōu)勢(shì)在于：可應(yīng)用型號(hào)與變化形式相同的互感器，二者誤差和暫態(tài)特征差異不明顯。此外，判定最小動(dòng)作電流和比率制動(dòng)系數(shù)的過(guò)程中，可不考慮勵(lì)磁電流，因此其取值較小，動(dòng)作靈敏性高。尤其是高壓側(cè)繞組單相接地故障，由于不應(yīng)用濾去零序電流，所以可保證高靈敏度的變壓器保護(hù)。

（三）變壓器新保護(hù)措施

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者始終致力變壓器保護(hù)原理的研究與實(shí)踐。目前針對(duì)勵(lì)磁涌流識(shí)別的方式不僅憑借波形特征，還引入電壓量這一評(píng)定指標(biāo)，從勵(lì)磁特征的變化著手，提出了嶄新的識(shí)別措施。部分判據(jù)直接跳出差動(dòng)保護(hù)構(gòu)成思路，基于變壓器產(chǎn)生勵(lì)磁涌流時(shí)的特征與表象，根據(jù)磁路飽和的問(wèn)題讓變壓器成為非線性時(shí)變系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，憑借非線性關(guān)聯(lián)的電流與電壓這兩個(gè)核心變量的描述來(lái)體現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，此判定方式從初始階段就規(guī)避了勵(lì)磁涌流問(wèn)題。該種判定方式的典型代表為：功率差動(dòng)保護(hù)、瞬時(shí)功率保護(hù)、變壓器回路方程等。介于對(duì)變壓器保護(hù)研究的深入與技術(shù)的發(fā)展，仿真與實(shí)驗(yàn)聯(lián)合的方式為變壓器保護(hù)新原理的研究提供了新的路徑。目前，變壓器保護(hù)研究需將重點(diǎn)落根于漏感參數(shù)與空投變壓器時(shí)空載側(cè)繞組電壓的測(cè)量。

三、結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)電力系統(tǒng)的高度發(fā)展下，對(duì)發(fā)電機(jī)與變壓器的性能提出更高的要求，促使單機(jī)容量增大、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加復(fù)雜，機(jī)組保護(hù)難度不斷提升。不論是大機(jī)組或是小機(jī)組，在繼電保護(hù)工作環(huán)境的惡化下，各項(xiàng)保護(hù)措施必須予以改善與更新。介于當(dāng)下諸多不足與保護(hù)措施無(wú)法全覆蓋等問(wèn)題，需持續(xù)加大研究力度，確保電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。