电厂发电机变压器保护原理及继电保护方式研究

吴俊杰

（广州粤能电力科技开发有限公司,广东 广州 510000）

变压器的继电保护在整个电厂发电机系统中非常重要，始终与电厂的实际生产状况紧密结合，涉及低压过流保护、后备保护、过激磁保护等环节，运维人员需要制定科学的继电保护方案，确定温度和压力等基本参数，为变压器的正常运行提供有效的保障。继电保护装置可以对变压器运行故障进行识别和控制，尽可能缩小故障波及的范围，有效维护设备运营的稳定性。也就是说，继电保护不仅可以让发电机变压器运行安全，同时也能够推动装置的改进，提高电厂运转效益。

1 电厂发电机变压器保护的基本原理

1.1 电厂接地继电保护原理

短路是电厂中较为常见的现象，包括相间短路、匝间短路、两点接地短路等形式，而之所以会出现这些问题，主要根源于发电机变压器的定子单相接地。而短路状况一旦发生，就会直接影响到电厂的运行质量，降低生产效率和输送效率，也为变压器的运行埋下了安全风险和隐患。工作人员可以把高阻设置在定子接地继电保护的中心点位置，这样就可以让变压器直接限制暂态过电压，建立起较为完善的保护系统和机制。当变压器定子单相接地出现问题的时候，变压器就可以得到有效的保护，避免电力事故的发生和扩散。

1.2 继电保护的基本原则

电能的产生，根源在于动能和势能的相互转化，这也就意味着水流状况和地形地貌都会影响电厂的发电形式，水电厂和火电厂发电差异由此而来。就水电厂来讲，其发电的主要形式，大多依靠发电机和变压器的连线连接，20～100MW是较为常见的发电机容量范围，相较于火电厂而言是偏小的。对此，为了保证一台变压器能够实现多台发电机的有效连接，工作人员就会采用扩大单元接线的方法来提高继电保护效率，而且也会用并联处理的方法，去解决断路器和母线之间的问题。

1.3 电厂发电机变压器保护的基本配置

首先是转子接地保护和定子接地保护。从发电机定子和转子的保护配置来看，转子接地保护和定子接地保护是最为常见的配置形式。就定子接地保护配置来讲，大多数发电机的定子绕组保护都是通过基波零序电压来实现的，就中性点附近的定子绕组来讲，需要通过三次谐波电压实现。而电厂要想保证发电机的运行能够满足保护配置的基本要求，工作人员就应当对定制独立出口的回路进行分辨和确定，对三次谐波和零序电压进行深入分析和研究。如果励磁回路中出现接地故障，然而故障却并没有在发电机中有所展现，两点接地使得发电机出现问题，那么就应当采取转子保护配置，及时对故障出现的位置进行判断和定位，然后对故障位置的接地电阻进行计算，为后续的工作人员处理提供参考依据。

其次是变压器的继电保护。厂用变压器和主变压器是电厂最为常用的基本装置。就主变压器的继电保护配置来讲，主要涉及差动、温度升高、重瓦斯、低压侧接地、低压过流等等。而且，部分电厂还会设置差动速断保护和间隙零序过流，这样可以让主变压器的运转变得更加安全可靠，保护作用十分明显。而在主变压器和厂变压器的继电保护管理中，大多数电厂都会用工控机作为单元的主管理机，这样可以优化外部的接地线路（图1）流程和步骤，方便后续的维修和保养。

再者是拆除部分配置。部分电厂会拆除厂用变压器继电保护中高压开关柜中的保护配置节省维修时间。另外，部分电厂会在主变压器保护屏附近，安装原有的保护屏，这样可以让单元管理机实现连接和共用，不仅可以节省电厂的投资成本，也能够满足变压器的多种运行需求，让电厂保持足够的供电量。变压器的保护配置涉及多个方面的内容，会根据变压器规格的不同有所变化[1]。

2 电厂发电机变压器继电保护的主要方式

2.1 发电机变压器的主要故障

转子绕组故障和定子绕组故障是电厂运行中较为常见的问题，而转子绕组故障又涉及转子绕组两点接地、一点接地和绕组匝间短路等情况。除此之外，如果固定电容超额，那么变压器的三相超负荷状况就会变得更加突出，如果出现了不对称短路的问题，那么发电机也会存在过电流状况。而从变压器的继电保护方式来看，主要包括短路保护、接地保护和异常运行保护这三种形式。在这其中，后备保护装置、主保护装置和异常运行保护装置都位于变压器内，而跳闸线圈出口和直流电源都是相互独立的，能够各自发挥出有效的作用，根据变压器出现的故障和问题提供有效保护，提高设备运行的可靠性[2]。

图1 变压器接地线路

2.2 短路故障的主保护

短路电流的出现主要是由电厂变压器定子绕组和输出端的相间短路造成的，也涉及接地短路的问题，如果情况严重，变压器被损毁，从而产生严重的电力事故，给企业的发展造成巨大的经济损失。对此，工作人员可以采取横差保护法和纵差保护法这两种形式。横差保护法可以利用支路电流差的反应，通过两种不同的接线方式来保护变压器。如果定子绕组可以引出多个中性点，那么工作人员就应当把零序电流互感器放在中性点这一位置上，引出线，实现多个元件的横差保护。纵差保护能够有效解决发电机内部的短路状况，而且也不会对电力系统的正常运行产生影响，特别是就1MW以上的发电机来讲，纵差保护的作用是较为关键的，能够真正做到没有误差[3]。

2.3 短路故障的后备保护

从现阶段的电厂发电机变压器短路故障后备保护发展状况来看，主要涉及定子绕组过负荷保护法、低压过电流保护法、转子负序电流保护法、次同步过电流保护法这4种基本类型。目前，大多数变压器的运行都处于长期超负荷状态，变压器自身的温度也必然升高，在这种情况下，使用定子绕组过负荷保护法，能够让电路元件免于高温的损害。当面对变压器周围设备的后备保护时，工作人员可以使用低压过电流保护法[4]。

2.4 接地故障保护

接地故障产生的主要原因是瞬间电流的产生，并且瞬间电流的强度也较为明显，这一故障会严重损毁变压器内部的器件，引发大型的电力事故，有很大的安全隐患和风险[4-6]。而且，接地故障还会造成弧光过电压的产生，让变压器绝缘位置受到严重的损害，引发后续的短路故障，给工作人员的维修带来更多的挑战和困难。对此，工作人员可以采取转子接地保护和定子绕组接地保护这两种方法。

3 电厂发电机变压器继电保护的发展方向

3.1 微机化

微机系统的硬件性能的不断提升主要是由于计算机技术的快速发展。机械设备等相关配件的体积不断减小，芯片的功能则越来越强大。32位CPU是重要的核心部件，在变压器继电保护配置当中发挥积极的作用，可以不断优化使用空间，还具有非常先进的信息处理技术，可以很好地管理和储备信息，提高继电保护装置的科学管理质量和管理效率，进而推动电厂生产工作的稳定运行。继电保护装置要完成后期的检修和维护工作，使其更顺利地开展工作，确保电厂设备的使用安全。

3.2 网络信息化

我国处于信息化发展的时代，社会上的很多行业都在积极利用网络信息技术的显著优势不断升级相关的产业结构，提高各个行业的生产质量和生产效率。而继电保护也逐渐融入网络信息技术，给行业用电提高更多的安全性。另外，网络信息技术还可以满足各个行业对于用电的各种需求。发电机变压器出现故障的位置和原因，都可以利用网络信息技术去分析和查找，帮助工作人员快速、及时地解决故障问题，避免故障进一步扩大。另外，在采集数据的过程中，网络信息技术可以不断提高信息的准确性，实时监督和管理变压器的工作情况，根据可靠、准确的信息数据完善相应的数据管理体系，进而配置合理的电厂资源。

3.3 智能化

电厂在管理工作中要不断利用自动化和智能化的科学技术。该技术以非线性映射为主要工作原理，在一定程度上可以快速提升检测继电保护配置故障所在位置的速度和效率，并提出一些妥善的处理办法，准确找出出现故障的位置。专家系统在其中发挥着积极的作用，系统建立了相应的数据库，可以避免出现更多的故障，并进行实时的检测工作。

4 结语

加强电厂发电机变压器的继电保护是推动继电保护原理灵活运用的应有之策，也是提高电厂市场信誉的有效措施。电厂应当认真分析市场的形势，把握好电力需求持续增长这一基本态势，加强对自身继电保护原理和方式的研究，提高发电机的保护质量，及时排查潜在的风险和隐患，降低故障和问题发生的概率。未来，对发电机变压器的继电保护会取得更加明显的成效和更大的进步。