大型水轮发电机组继电保护若干问题分析

汪洪魁+殷翠玲

摘 要：当前水电事业发展过程中，大型水轮发电机组机电保护在实际运行过程中存在诸多问题，严重影响机组运行的安全性和可靠性。对于大型水轮发电机组而言，合理且完备的机电保护装置以及整定计算是保证继电保护正确行驶职能的关键点。本文就大型水轮发电机组继电保护相关问题进行分析，以保证大型水轮发电机组的安全稳定运行。

关键词：大型水轮发电机组；继电保护；若干问题

现代社会经济不断发展进步，社会生产生活对能源的需求也不断加大，为更好的适应可持续发展战略，我国正大力发展水电，大型水轮发电机组纷纷投入运行，为电力系统的安全稳定运行提供可靠的支持，以更好的满足能源结构调整需求。

1 大型水轮发电机零序横差保护的改进

通常情况下，大型水轮发电机的绕组结构为多分支结构，将零序电流互感器引入并联粉质绕组中性点之间，能够对定子绕组故障进行灵敏反应，促进零序横差保护的顺利实现。单元件横差保护接线示意图见图1。通过分析研究可知，转子偏心以及定子绕组空间结构分布对称性不足等，都是导致水轮发电机组存在不平衡电流的主要原因。若发电机内部结构不对称，使得主气隙磁通分布的均匀程度较低，此种情况下往往会导致分布的不对称程度明显加大，最终导致定子绕组出现不平衡感应电动势。

为促进不平衡电流问题的妥善解决，应当积极采取有效措施对改行水轮发电机零序横差保护进行合理改进。零序横差保护的实现，应当通过带制动量的保护判据来实现主保护，从而保证继电保护的安全性，最大程度上避免外部穿越性故障导致误动情况发生。由于横差不平衡基波电流与气隙主磁通之间存在一定相关性，并且与电机内部因素之间存在密切的联系，因此在改进过程中可以将气隙感应电动势作为制动量，从而对结构不对称所导致的不平衡电流进行有效躲避，保证继电保护的安全性和有效性。若动作判据以气隙磁势为制动量，其能够在最大程度上弥补机端相电流为制动量的判断的不足，保证整定的有效性，切实改善零序横差保护的整体效率。

就保护辅助判据来看，以气隙感应电动势作为制动量的条件下，其比率制动判据具有一定合理性，能够在一定程度上弥补机端相电流在实际应用中的不足，为横差保护提供可靠的支持，提高主判据的有效性，使得大型水轮发电机组的继电保护性能明显提升。

2 大型水轮发电机励磁回路故障快速保护研究

大型水轮发电机静止励磁系统主要由励磁变压器、整流桥以及励磁绕组等组成，静止励磁系统是大型水轮发电机组运行的重要环节，为保证大型水轮发电机组的安全稳定运行，应当配备完善的继电保护，从而切实降低励磁系统故障事故的发生几率，保证大型水轮发电机组的实际应用价值的有效发挥。

在发电机保护配置下，励磁主回路的故障问题往往与其阻容器吸收装置和熔断器存在密切联系，一旦二者保护动作时间过长，往往会导致励磁设备被烧毁，从而给大型水轮发电机组造成极为严重的后果。当前对于励磁装置故障的保护上缺乏明确的规定，此种情况下导致励磁装置保护配置问题尚未得到有效解决，给大型水利发电机组的安全运行埋下严重的安全隐患，极易导致保护功能出现配置重叠而发生故障，若未能够及时采取有效保护措施势必会加大故障影响。因此在大型水轮发电机组实际运行过程中准确把握静止励磁系统的工作原理，并对常见故障问题进行科学化分析，明确有针对性的继电保护及合适的整定值，对于大型水利发电机组的安全稳定运行都具有重要意义。

3 大型水轮发电机组继电保护整定相关问题

大型水轮发电机组继电保护单机容量较大且结构复杂的条件下，使得发电机故障保护配置的复杂程度明显加大，并且继电保护整定的技术难度较大。为保证大型水轮发电机组的安全稳定运行，提高继电保护的科学性和有效性，应当充分做好发电机的保护配置分析和整定计算工作，为水电站的安全运行提供可靠的技术支持。对于工程建设及实际应用均具有重要的意义。

通过发电机失磁保护中转子辅助判断的取舍分析可知，大型水轮发电机组继电保护的实现，大多是在异步边界或静稳边界下对阻抗继电器进行整定，以阻抗继电器辅助以三相低电压继电器，通过各项设备之间的斜体配合，从而保证大型水轮发电机组的安全稳定运行。在非低励和失磁条件下，一旦出现异常工况，极易导致大型水轮发电机组出现异动情况，严重影响继电保护的安全稳定运行。为促进此类问题的有效解决，通常以转子励磁低电压来实现辅助判断，在实际应用中应当准确把握水电站大型水轮发电机组失磁保护中转子辅助判断的合理性和有效性。相关研究表明，在判断依据上，转子低电压判断依据与发电机静态稳定边界具有高度一致性，在准确把握发电机静稳极限条件的基础上，依照静稳边界整定定子侧机端阻抗判断依据的本质上具有相似性。而在转子判断工作特性上，其在本质上具有一致性，但二者的判断依据为不同的电气量，此种情况下导致二者在工作特性上存在一定差异。

就转子判断依据在非失磁故障条件在异常工作的行为进行分析可知，转子判据与定子判据都能够在一定程度上反映静稳边界，而转子判据对于失磁故障的反应更为迅速。失磁保护在非失磁故障条件下，出现外部短路和系统振荡时，判据存在失误几率，保护装置对电压回路断线情况具有一定监视作用，误动的情况较少。由此可知，以以判据作为辅助判据能够有效防止长线充电工况下失磁保护发生误动。整定定子接地保护过程中其基波零序电压具有一定稳定性和特殊性，为保证实际整定的科学性，应当对机端单项金属性接地时中性点火机端的零序二次值进行实测，并依据实际要求灵敏度进行整定，从而保证大型水轮发电机组继电保护的顺利实现。

就大型水轮发电机组保护配置及整定计算的工程实践应用来看，基于哲态仿真软件所建立的水电站发电机仿真模型具有一定特殊性，能够对发电机内部不同类型的短路故障形式进行科学化分析，并对短路电流进行合理计算，通过对仿真计算结构的合理应用，促进定值校核的顺利实现，促进大型水轮发电机组在继电保护配置上的各项问题得到妥善解决。

结束语

当前社会可持续发展理念下，为更好的保证大型水轮发电机组的安全稳定运行，应当积极做好继电保护的配置工作，准确把握潜在影响因素及相关问题，在准确把握工程实际并结合以往工作经验，积极采取有效的技术手段提高横差保护的灵敏度，确保快速反应滑环短路故障得到妥善解决，进而对励磁回路进行有效保护，全面提高大型水轮发电机组继电保护的安全性和可靠性，推进水电事业的稳定发展。

参考文献

[1]娄玲娇.大型水轮发电机组继电保护若干问题研究[D].武汉：华中科技大学，2014.

[2]于强.大型水轮发电机定子接地方式及其继电保护的相关问题分析[J].中国科技投资，2013（A35）：211-211.