水轮发电机发生差动保护的原因、危害和防范

韦灿军

摘 要：随着我国水电事业的快速发展，对水轮发电机的使用也提出更高的要求。然而现行大多水轮发电机投入使用后出现的差动保护也成为阻碍水电发展水平进一步提高的重要因素，一旦发生差动保护，相关故障电流便发生改变，导致设备严重受损，影响水轮发电机的可靠运行。文章主要以我国某地区水电站水轮发电机差动保护为例，对其产生的原因、危害与相关防范策略进行探析。

关键词：水轮发电机；差动保护；原因；防范

前言

作为水电系统中的重要组成部分，水轮发电机能否可靠运行关乎电力系统整体供电性能。尽管近年来我国水电系统建设过程中水轮发电机的应用逐渐体现出较高的灵敏性、可靠性以及速动性等特征，但运行中仍存在差动保护问题，容易导致故障问题的发生。因此，如何做好产生差动保护的原因分析并采取相应的防范措施成为现行水电事业发展中需考虑的重要内容。

1 某区域水电站水轮发电机差动保护概述

该区域水电站存在的差动保护主要体现在两台发电机之间以及主变差动保护动作方面，发生时间主要为两台发电机并网运行过程中，差动保护动作下两台发电机直接解列，主变开关发生跳闸，导致整个电厂无法持续供电，需要借助外来厂用电以保证继续供电。从整个电站实际状况看，发电机组主要以混流式为主，且两台容量分别为40MW，接入系统的一级电压主要为220kV，而出口电压在10.5kV。在发电机2闭合出口开关中便出现机组整体异常运行，电流由此发生二次震荡现象，此时系统中主变、两台发电机解列。事实上，产生这种情况的原因并非完全归因于并网问题，更多体现在合闸过程中因相位偏差、频率以及装置电压等难以满足实际运行要求，冲击电流随相位偏差的增大而增加，而频率偏差变化表现也极为明显，使冲击电流长时间存在，系统运行受到严重影响[1]。

2 差动保护的原因与危害分析

2.1 从发电机1差动保护原因与危害角度

根据保护装置给定的相关数据，可判断对于发电机1，动作区内不存在B相与C相，而A相在动作区内的时间为90ms，其超出30ms延时，会导致保护装置执行跳闸动作。当系统运行中出现A相差动保护后，此时中性点、机端电流二者相角差表现为150°，而在B相差动保护时，相角差表现为210°，严重情况下相比差流，中心点电流将超出二倍左右，这样便使电流以极其不稳定的形式存在。若不平衡电流过大，将导致发电机难以可靠运行，甚至整个机组将受到不同程度的破坏。

2.2 从发电机2差动保护原因与危害角度

在实际分析过程中可发现，动作区内A相差动停留的时间为41.7ms，动作区内不存在B相或C相差动。此时并网过程中关于机端电流，可发现其可达到28A电流，事实上此时电流完全可控制在系统运行范围内，对发电机运行不会产生较大影响。为进一步验证动作区内的A相差动，可结合暂态过程变化曲线，但在非同期合闸中表现出较长的暂态时间，很难利用保护装置进行A相差动的判断，这就要求进行30ms延时跳闸动作。然而动作区内A相差动存在时间为41.7ms，保护装置仍会采取跳闸动作。结合发电机2两侧电流情况，在41.7ms时间内，中性点电流、机电电流在相角差上为180°，严重情况下仍可使中性点两侧电流波动过大，造成电流不平衡问题。因不平衡电流过大使该发电机难以可靠运行，在跳闸动作执行中系统将无法持续供电[2]。

2.3 从变压器差动保护原因与危害角度

在分析过程中发現，差动保护动作在A柜保护装置上表现较为明显，而B柜保护装置多以故障启动为主，因此，差动保护原因分析过程中可从A柜故障着手。通过该水电站实际运行情况，出现故障暂态的时间大约维持在278ms左右，一旦故障发生，尽管A相与B相继电器仍可保持运行，但在故障130ms时间内因励磁涌流闭锁问题，差动保护并未发生动作。而在故障结束前的130ms内，可对A柜差动保护的一系列数据进行判断，包括A相、B相、C相的差动与制动电流；高压侧、中压侧与低压侧下A相、B相与C相的电流。同时在相关保护定值方面，能够得出，最小动作与制动电流分别为0.795A与1.988A，且二次谐波与比率制动在系数上分别为0.15与0.5，由此可推出保护动作下的比率系数。需注意的是因差动保护动作下，故障暂态过程较长，若保护装置一直处于启动状态将难以准确判断故障发生的频率，无法进行录波。加上故障启动后130ms内不存在差动保护动作，使录波数据无法获取，因此要求实际进行故障分析中引入专用录波数据。分别对故障启动阶段录波数据、高压测电流进行选取，可使低压侧二次电流得以计算，对比分析可发现机端电流数据与计算后的二次电流数据存在较大幅值相差，且因两侧相角不同，差流问题容易出现在二次回路过程中[3]。

3 水轮发电机差动保护的防范策略

根据上述发电机差动保护分析，充分证明发电机2出口断路器在合闸中易出现问题，因非同期合闸影响而产生冲击电源流，加暂态时间过长，使差动保护跳闸动作在发电机中出现。结合故障波形，因中性点电流、机端电流存在较大的幅值相差，使不平衡电流差生，其可作为引起差动保护动作的直接原因。同时，对于A柜变压器，差动保护存在的原因主要体现故障后130ms内出现的不平衡电流与暂态后130ms二次谐波含量变化问题。而在B柜方面，因其区别于A柜，电流互感器多体现在低压侧方面，所有动作情况表现出一定差异。另外，检查过程中发现同期装置、保护装置等在性能参数上都与实际系统运行要求相适应，因此防范措施的引入可不考虑此方面问题[4]。

实际防范过程中为使出口断路器故障问题得以解决，且开关柜能够可靠运行，需要从开关柜设计阶段出发，做好相关检查工作，尤其判断联锁装置是否存在安全隐患问题，确保投入使用前相关设备系统在性能参数上都可达到使用标准。同时，对于投入使用的电气一次设备要求在汛前开展全方位试验工作，判断保护装置定值，并要求做好发电机差动保护问题分析，可利用循环闭锁式取代传统出口方式，需注意很多水电站在差动保护出口选取中多以三取一差动保护为主，其很难解决误动问题，可通过三取二出口方式的应用对解决差动保护出口问题可起到突出的作用。另外，发电机实际运行过程中应注重做好相关人员培训工作，确保运行人员在分析差动保护情况以及处理事故等综合能力得以上升，尤其在事故发生时能够沉着应对，为系统安全可靠运行提供保障[5]。

4结束语

水轮发电机差动保护是制约水电系统安全可靠的重要因素。针对差动保护问题，要求结合系统运行实际状况，通过对影响各发电机稳定运行的原因以及导致变压器差动保护的原因进行分析，从出口断路器故障解决、设备全面检查、差动保护出口的调整以及相关人员的培训等方面以解决发电机差动保护问题，使系统可靠稳定运行的目标得以实现，确保系统能够持续供电。

参考文献

[1]刘海军.发电机差动保护动作原因分析及预防措施[J].机电信息，2015，21：18-19.

[2]李西良.变压器空充引起发电机差动保护动作原因分析及防范措施[J].机电信息，2011，21：34-35.

[3]王睿博.CT安装位置错误引起主变差动保护动作原因分析[J].内蒙古石油化工，2011，18：56-58.

[4]何 .区外故障引起变电站主变差动保护动作原因分析及对策[J].四川水力发电，2014，S1：146-149.

[5]田志瑞，宋玉锋.励磁涌流引起主变差动保护动作原因分析及防范措施[J].价值工程，2015，4：57-58.