基于发电机组的继电保护系统研究

刘 攀 梁里鹏 董燕丽 赵晓艳

（1.晋中信息学院，晋中 030800；2.山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟矿，吕梁 033602）

在电力生产过程中，可将电力系统故障划分为横向故障与纵向故障两种。若故障接触点出现在电网中，电力系统的电压会急剧下降，从而使电量难以满足广大用户的用电需求。故障发生后，接触点的短路电流相对较大，电气设备将会受到电弧的冲击与影响。同时，在这种情况下，电力系统的稳定性也无法得到有效保障，严重情况下甚至会出现电力系统损坏现象。若故障发生于电力系统内，继电保护可迅速切除系统中的故障设备，从而为系统运行的稳定性提供有效保障，避免故障的影响进一步扩大。当发电机组处于不正常的工作状态时，可迅速将相关信号上传给运行管理人员，以便于及时针对故障作出有效处理[1]。因此，发电机组的继电保护对电力系统的正常稳定运行具有重要意义。

1 发电机组的故障和不正常运行状态

1.1 发电机组的故障

发电机的故障可分为发电机定子绕组的故障与转子绕组的故障，其中根据其旋转部分与静止部分又可划分为以下故障。

第一，定子绕组相间短路：该故障对系统所造成的危害最为严重。

第二，定子绕组匝间短路：主要为相间短路或接地短路，对发电机的危害极大，这一重要短路故障不容忽视。

第三，定子绕组单相接地：该故障在电力系统中较为常见，大多是由于高阻接地或中性点未接地造成的，其中并不存在较高的单向电流，但其电流值相对较大，会导致铁芯发生局部融化现象；同时，该故障产生的不均匀磁场会导致其磁力作用大小不一，从而使电机组发生振动。该故障对发电机的危害十分严重，此时应切断电机运行[2]。

1.2 发电机不正常运行状态

当系统受到变压器定子绕组的过负荷影响时，会产生三相对称过负荷的现象。与变压器相比，发电机抵抗过负荷的能力相对较差。同时，由于发电机中的转子部分存在高速旋转，会产生较大的热量，与静止变压器相比，其散热能力相对较差，难以完全支撑三相对称过负荷状态，一旦旋转部分发生三相对称过负荷的现象，就会产生报警情况[3]。

2 发电机组的保护作用及配置原则

2.1 发电机组保护作用

发电机定子绕组相间短路保护一般主要采用发电机的差动铁芯短路保护。此外，发电机组的保护作用还可分为发电机定子铁芯绕组的匝间铁芯短路过负荷保护、励磁绕组回路一点及两点的接地短路保护、发电机定子铁芯绕组过负荷保护、定子铁芯绕组过电压保护、励磁绕组过负荷保护（100 MW以上发电机）、发电机逆功率保护（200 MW以上的汽轮机）、发电机低频过负荷保护（300 MW以上的汽轮机）、失步过负荷保护（300 MW以上的汽轮机）以及其他发电机故障及异常发电机运行的失磁保护。

针对300 MW的发电机组，其异常保护装置一般可划分为异常短路运行与后备短路保护两种类型。其中，短路保护能够针对异常区域内可能存在的多种短路故障情况进行有效保护，同时避免发生损坏断路器的异常现象。基于此，异常保护装置通常是通过主保护与后备保护的联合方式进行设置。

2.2 发电机的配置依据及元件选型

大型的发电机变压器组往往会与220 kV以上的变压绕组母线直接相连。在220 kV以上的变压绕组线路中，仅供电绕组具有完整的后备故障保护装置。与此同时，仅供电绕组往往具有一套无线故障保护的设备，且存在不投入运行的无线保护状态。因此，为了增强与大型发电机变压绕组母线相邻的后备保护母线的可靠性和故障后备保护，在本次的设计中可以考虑在线路中推广应用三相全阻抗后备故障保护装置[5]。发电机接地保护与元件选择如表1所示。

表1 发电机接地保护与元件选择

在大型发电机中，定子绕组的单向中性点接地现象为最容易发生的单向故障。与大型发电机相接的中性点基本不与接地中性点相接，或者只是经高阻抗与发电机接地的中性点相接。尽管定子单向中性点接地故障并不会直接导致产生较大的单向故障接地电流，但是由于大型发电机在我国电力系统维修保护中的特殊重要性以及其昂贵的维修保护价格，大型发电机的日常维修保护难度相对较大。因此，为了充分保护大型发电机，需要严格要求发电机定子绕组接地电流的大小与其保护的性能。

3 发电机组继电保护系统

3.1 发电机组的纵差保护

电力系统发电机组的中性点内部并非直接出现接地的状态，一旦该系统的发电机内部中性点存在短路动作故障，就有可能会直接导致两相或三相的插动机械器在发电机的中性点发生直接接地动作。鉴于这一逻辑特征，在进行该系统的保护设计时，可针对其实际情况进行相应的分析与检测[6]。

由于动作保护装置采用了较大比率制动的特性，其动作电流的最小整定值不必按照躲过外部回路故障时的不平衡动作电流来整定，只需躲过最大动作保护负荷和平衡条件下的回路差动电流进行整定即可。在一种常规的双重差动电流保护中，同时引入发电机的磁极端电流与电机中性点中存在的电流，在每相定子绕组处于短路的状态时，两相的并联电流仍然处于相等的状态，此时发电机的纵差保护将使系统无法进行动作。若将电机进行中性点监测，部分并联支路电流就会被有效引入，从而形成电力系统的纵差动保护。根据其国际标准进行分析，系统继电保护动作的逻辑特征可以对单相断线故障进行保护，同时可监测直接发生短路的故障，因此保护设计可有效处理该系统断线闭锁这一环节的故障，确保发电机系统的动作安全性与系统的稳定性。

3.2 发电机组定子单相接地保护

发电机组定子接地保护中，一般需要在发电机中进行两种接地保护的设置，即95%定子接地保护和100%定子接地保护。发电机单相接地故障电流因中性点接地方式的不同而不同，同时其保护方式也不同。按照继电保护配置规程的规定，大型发电机组单相接地故障电流达到1 A时，定子一点接地保护应动作跳闸，同时要求实现定子接地保护，而且要求在保护区内任一点的接地保护应有足够高的灵敏度。95%定子接地保护将影响电压继电器的电压偏移程度，因此从磁极端至中性点方向对95%的定子绕组提供有效保护，并有效规避高次谐波所产生的影响，能够对三次谐波起到抑制作用。根据接地点电压的实际运行情况，该处的接地电流处于较小状态，若不及时清除，长此以往会对铁芯造成严重损坏。

当发电机某一定子铁芯绕组的绝缘结构发生了接地现象，或电机外壳绝缘结构发生短路接地现象，此故障称为绝缘单相接地状态。单相铁芯接地故障的危害不容忽视，其原因在于故障接地点的某一定子铁芯单相接地会使外壳受到严重伤害，从而导致定子铁芯绝缘的接地损坏严重程度进一步加剧，甚至会使发电机产生复杂相间的短路接地现象，严重损坏发电机。为了确保发电机组的运行安全，其外壳均需与单相接地绝缘结构相接。

3.3 发电机组的失磁保护

发电机组失磁保护是发电机继电保护的一种，是指发电机的励磁突然消失或部分消失时进行保护动作的情况，如图1所示。当发电机完全失去励磁时，励磁电流将逐渐衰减至零，当内功率因数角超过静态稳定极限角时，发电机会与系统失去同步，此时发电机保护装置会动作于发电机出口断路器，使发电机脱离电网，以防止发电机损坏，保护电网稳定运行。当发电机组启动时，若励磁电流存在部分自动消失的现象，则意味着发电机励磁存在自动失死的故障。导致这一异常现象的原因有很多，如发电机的回路变压器发生故障等。

若发电机励磁变压器存在故障或者不正常现象，启动时电流会明显下降，甚至下降至零。为了有效保护其中的失磁故障保护装置，需要设置一系列的失磁故障保护装置。系统发生失磁现象后，其磁极的极端电压会明显下降，导致磁极极端电流迅速提升，从而使发电机的有功输出受到波动，从原本的输出状态转化为吸收无功状态。发电机失磁保护是发电机励磁电流异常下降或完全消失时，防止危及发电机安全及电力系统稳定运行而进行的保护。该保护能检测或预测机组的静稳边界，同时还能检测机组的稳态异步边界、系统的崩溃电压以及不同负荷下各种全失磁和部分失磁现象，并且能够防止系统振荡、系统故障、故障切除过程中及电压互感器断线和电压切换时的误动。

4 结语

本文主要介绍了发电机组在电力系统中的重要性，并阐述了继电保护对保障发电机组正常稳定运行的重要意义。通过对发电机组的继电保护系统进行理论分析与研究，基于发电机组的特点，描述了其运作过程中存在的故障以及不正常运行状态，并重点阐述了发电机的保护作用及其配置规则。同时，分别研究了发电机组的纵差保护、接地保护和失磁保护，并分别阐述了各种继电保护的原理、选型、应用及意义，对继电保护的可靠性、稳定性、灵敏性与快速性提出了较高的要求，实现了继电保护系统的完整性与合理性。