基于光学电流互感器的发电厂保护优化研究

王 光，陈 俊，王 凯，李华忠，陈佳胜，钟守平，季遥遥

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏省南京市 211102）

0 引言

基于传统电磁式电流互感器（TA）的微机发电厂继电保护发展多年，技术已很成熟，但由于电磁式TA一些固有特性限制，如磁饱和、小电流非线性段、二次开路过电压等[1]，发电厂继电保护在应用中仍存在一些问题无法解决。汽轮发电机组中性点空间狭小，无法在分支上安装电磁式TA，采用纵向零序电压保护应对定子匝间短路故障，灵敏度较低，某电厂曾发生发电机先出现分支开焊故障，继而发展成匝间故障和接地故障，损失惨重。大型水电机组一般仅安装分支组TA，不能获取所有分支电流信息，主保护配置仍有一定限制，仍有一定比例的小匝数匝间短路故障不能反映。另外大型水电机组中性点空间仍然紧张，TA磁场屏蔽设计和空间排布困难，多个电厂发生因TA绕组温升过高而发生匝间短路烧毁事故。对于扩大单元机组，定子绕组接地故障的选择性仍未能有效解决。核电站辅助电源断相可能导致停堆问题，自2015年WANO发布预警，目前现场仍未有成熟方案。对于抽水蓄能机组、燃气轮机组、新型调相机等采用变频启动方式的机组，其低频保护性能有待提高，特别是启动初始时频率极低阶段（10Hz以下），常规电磁式TA传变特性差，严重影响保护性能。为解决上述问题，开展柔性光学TA在发电厂继电保护上的应用研究是一个很好的思路，本文总结了柔性光学TA在发电厂保护不同场景上的应用探索，利用柔性光学TA优良的传变特性和灵活的安装方式，进一步优化和提升发电厂保护性能，为发电厂保护发展提供一些参考思路。

1 柔性光学电流互感器

柔性光学电流互感器[2]属于光学电流互感器的一种，其对电流传变基于Faraday磁光效应原理，传感原理如图1所示。线偏振光通过处于磁场中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向将产生与磁感应强度平行分量大小相关的旋转角度（旋光角），应用干涉原理和动态补偿方式实现偏振光的干涉来检测旋光角变化，进而测量出产生磁场的导体电流大小。

图1 光学电流互感器传感原理示意图Figure 1 Sensing principle of flexible optical TA

根据安培环路定理，当传感光纤围绕一次通流导体闭合成环时。旋光角φ可用式（1）表示：

式中：V——光学介质的Verdet常数，表示单位磁场产生的旋光角；

H——磁场强度；

l——光在介质中传播的距离；

NL——围绕通流导体闭合光路的圈数；

I——产生磁场的电流。

根据光学TA传变原理，其传变性能与频率无关，交流和直流分量均可传变，因此可适应所有频率段。另外光学介质Verdet常数为恒定数值，在全测量范围内都是线性的，不存在饱和特性，小电流测量时也不存在非线性段，只要采用合适的测量方案，从小电流到大电流均可精确测量。

另外柔性光学TA还具有一大优势，TA绕制方式可根据一次导体灵活设计，现场应用极为方便。柔性光学TA可将一次传感光纤部分制成柔软的光缆形式，传感光缆可以方便地缠绕在任何形式的一次导体上，对一次导体的几何形状几乎没有任何要求，可以较好满足电厂中导体直径较大的需求。同时，柔性光纤TA体积小，对物理空间要求很小，能够在狭小空间内完成柔性光学TA的安装，可以解决火电机组等中性点空间狭小无法在分支上安装传统TA实现电流测量的问题。另外，柔性光学TA可现场进行绕制，无需拆卸一次导体，便于现场改造实施。

2 发电机主保护方案优化

由于传统电磁式TA体积大，TA配置安装受到很大限制，影响发电机差动保护配置方案，尤其是定子绕组匝间保护薄弱。对于火电、核电、燃气机组等，中性点由于空间狭小难以安装分支TA，一般配置纵向零序电压匝间保护，灵敏度相对较低，且不能反映分支开焊故障。对于水电、抽水蓄能机组，通常有条件在分支组安装TA，但一般仅能安装2组，主保护配置仍受到一定限制，整体性能仍有提升空间[1][3]。

针对上述问题，我们提出了基于柔性光学TA的多重多种差动保护方案。对于火电、核电、燃气等机组，在中性点两个分支上分别装设柔性光学TA，测量两分支电流，在原有完全纵差保护基础上，可以新增裂相横差保护或不完全纵差保护，可提高定子绕组匝间保护的灵敏度，并解决分支开焊保护缺失问题。某电厂300MW火电机组的内部故障计算表明，原有完全纵差+纵向零序电压保护方案，不能可靠动作故障数达到4.5%，这还不包括分支开焊故障数，在分支上装设柔性光学TA，增加裂相横差保护后，如图2所示，不能动作故障数为零，显著提高了发电机内部故障主保护性能。

图2 某火电机组主保护优化方案Figure 2 Optimization scheme of main protection for thermal power generating unit

对于水电机组和抽水蓄能机组，我们可在中性点所有分支或任意分支组上安装柔性光学TA，差动保护可根据内部故障计算结果更加灵活地配置，实现多重多种的最优主保护方案，进一步提高发电机内部故障主保护性能。某水电站600MW机组，定子绕组为6分支，原有方案电磁式TA受到安装空间限制，6个分支分为2组，仅在两个分支组上安装，差动保护配置方案优化受到限制，仍有部分小匝间短路故障灵敏度不足。采用基于柔性光学TA的发电机保护方案后，最终实现了在所有6个分支上安装，如图3所示，并根据内部故障计算结果，在原有基础上增加了若干套不完全纵差保护、若干套裂相横差保护，实现了最完善的差动保护配置方案，基本消除了小匝间故障死区。

图3 某水电机组主保护优化方案Figure 3 Optimization scheme of main protection for Hydraulic generator unit

3 转子绕组匝间保护

转子绕组匝间故障也是发电机一种常见故障类型。相对于定子绕组，转子绕组电压等级低，绝缘垫条比较薄，绝缘强度偏弱，匝间故障时有发生。大匝数的匝间故障，造成发电机失磁、机组轴振、转子局部过热，转化为接地故障引起转子铁心磁化、烧伤轴颈轴瓦等。20世纪90年代，某电厂有300MW机组导致大轴磁化。小匝数的匝间故障，发电机可以继续运行，但是潜在的危害很大。2009～2011年，广东省十余台400MW以上容量发电机出现匝间短路故障[4][5]。目前普遍缺少转子匝间故障监测和保护，无法发现轻微的转子匝间故障，机组带故障运行，存在由轻微故障扩展至严重故障的可能。

针对转子匝间监测和保护，可利用柔性光学TA安装灵活性，采集分支TA电流或单元件横差TA电流，采用定子绕组分支环流的谐波特征实现转子匝间故障的监测和保护，如图4所示。

图4 转子绕组匝间故障保护方案Figure 4 Generator rotor winding inter turn fault protection scheme

同步发电机转子绕组出现匝间故障后，转子磁势不再对称，通过气隙磁场的感应，定子绕组侧将产生与转子极对数P有关的谐波分量电动势（1/P、2/P、…），且在定子绕组同相各分支产生的分数次电动势相位不同，于是在定子绕组内部产生同相不同分支之间的环流，各分支电流不再相等[6]。因此可通过在分支或分支组上安装柔性光学TA或在分支组中性点连线上安装柔性光学TA，实时测量定子相绕组内部的分支环流，间接实现转子绕组匝间故障监测和保护。

4 选择性定子接地保护

定子绕组的单相接地是发电机最常见的一种故障形式。现有定子接地保护主要采用基波零序电压、基波零序电流、三次谐波电压和注入低频电源等原理，均存在无选择性的问题，即不能区分区内还是区外接地故障。对于多机共母线的扩大单元接线方式的发电机组，任意一台发电机发生定子绕组单相接地故障时，所有并列运行的发电机定子接地保护均将动作，导致非故障机组停机，扩大了事故范围，停机损失巨大。此外，定子接地保护的无选择性还导致现场故障定位和排查不便，检查范围广，耗时长，效率低下，不利于快速恢复生产。

对于扩大单元机组，实现定子接地保护的选择性可采用零序方向原理，采集发电机机端或中性点零序电压、机端零序电流，构成零序方向元件，通过判别零序方向实现定子接地故障的选择性[7]，如图5所示。

图5 选择性定子接地保护原理图Figure 5 Principle of selective stator grounding protection

由于发电机一般为接地变高阻接地方式，接地零序电流很小，仅为几安培或十几安培，而发电机机端三相电流可达数千安培，机端零序电流难以准确测量，这也是这一原理实现的难点。以往有采用传统电磁式零序电流互感器进行测量，仅适用于机端为电缆出线方式。对于现场更多的绝缘浇筑母线或封闭母线出线方式，存在三相合成磁场不平衡问题，常规电磁式零序电流互感器在机组正常运行时不平衡零序电流过大，难以识别故障电流。针对机端零序电流的测量难题，可利用柔性光学TA的优异传变特性和灵活安装方式，将柔性光学TA绕制在发电机机端三相电缆或铜排上，精确测量机端零序电流，与发电机机端零序电压共同构成零序方向元件，实现定子接地保护的选择性，如图6所示。

图6 基于柔性光学TA选择性定子接地保护Figure 6 Selective stator grounding protection based on flexible optical TA

柔性光学TA精确测量机端零序电流，当某台发电机内部发生单相接地故障时，其他机组电容电流和接地变零序电流流向本机组故障接地点，当发生区外单相接地故障时，本机组电容电流和接地变零序电流流向故障机组，通过零序方向元件判断定子接地区内或区外故障，如单相接地故障发生在主变低压侧共有母线上，则所有机组均判别为区外故障，可由较长延时保护全停或报警进行人工处理。

5 核电辅助变断相监测和保护

世界核电运营者协会（WANO）在2015年的经验反馈（SOER 2015-1 Safety Challenges from Open Phase Events）中提出了核电站断相故障事件可能导致核电停堆的严重后果，希望引起业内重视[8]。目前针对发变组系统的断线，因为长期带载，且监测和保护设施完善，一般认为无风险。针对厂用系统的断相，理论分析和仿真表明可利用现有测量系统优化实现断相监测和保护。但对于核电站辅助变断相，由于长时间处于空载，通过常规测量手段难以识别。理论分析、仿真和动模试验均表明，对于Y/D型或带有三角形补偿绕组的变压器，当高压侧断相时，断相点两侧三相电压均无变化，两侧TV仍能测量出相同的额定电压，利用电压量判据理论上无法反应。对于辅助变空载工况，三相电流只有极小的空载励磁电流流过，某核电站辅助变一次空载电流仅为0.218A，如图7试验报告所示，现有电磁式保护或测量TA无法测量如此小的一次电流。

图7 辅助变空载电流测试报告Figure 7 No-load current test report of auxiliary transformer

根据光学TA传变原理，光学介质Verdet常数不会随磁场强度变化，其数值始终不变，因此理论上在测量微弱磁场（小电流）时仍是完全线性的，不存在传统电磁式TA的小电流非线性问题，因此只要采用合适的设计是有可能精确测量微小电流的。因此可以利用柔性光学TA良好的微小电流测量能力，安装在辅助变高压侧三相出线上，当辅助变断相时，通过精确测量空载励磁电流的变化，可以准确判别断相故障。如图8所示，监测装置接入辅助变高低压侧各相电压和高压侧三相电流，可以判别辅助变高、低压侧各类断相故障。

图8 基于柔性光学TA核电断相监测保护系统图Figure 8 Phase failure monitoring and protection of nuclear power auxiliary transformer based on flexible optical TA

另外，柔性光学TA可根据现场需要进行结构设计，便于现场安装实施，对现有系统基本无影响。图9为某核电站现场安装图，柔性光学TA测量一次电流0.2A时，精度仍可达到5%，足以分辨出微小的励磁电流。

图9 核电断相监测保护用柔性光学TA结构设计Figure 9 Structure design of flexible optical TA for phase failure monitoring and protection of nuclear power auxiliary transformer

6 变频启动机组的保护优化

抽水蓄能机组、燃气轮机组、新型调相机等机组一般采用静止变频器启动，从静止逐步拖动到额定转速再同期并网，整个启动过程励磁均正常工作，机组全程带电，频率由0Hz逐步升高至50Hz。而传统电磁式TA是设计用于传变交流电流的，其传变特性随频率下降逐渐变差，在抽水蓄能等机组变频启动过程初始阶段，尤其是10Hz以下，传统电磁式TA深度饱和，传变严重失真，易导致发电机保护不正确动作或灵敏度大幅下降。图10是某抽水蓄能机组在背靠背启动过程中，约3Hz时的电流波形，机端和中性点电流甚至出现相位相反情况，差动不平衡电流最高可达0.45倍额定电流[9]。

图10 某电站变频启动过程电流波形Figure 10 Secondary current waveform of electromagnetic TA at back-to-back starting process of pumped storage unit

柔性光学TA传变特性与频率无关，可传变直流分量，低频时传变也不失真，可准确传变低频电流，因此可显著提高变频启动过程中保护的可靠性。图11为柔性光学TA与传统电磁式TA在2Hz时的动模波形比较，柔性光学TA传变准确，电磁式TA饱和严重。

发电机-变压器组保护采用柔性光学TA后，在变频启动全过程中电流均可准确传变，对于启动过程保护特别是差动保护，机端和中性点电流传变一致，差动不平衡电流很小，保护定值可大幅降低，显著提高保护灵敏度，对于10Hz以下极低频段，保护也无需闭锁或抬高定值，保护灵敏度和可靠性可以兼顾。

7 结语

根据柔性光学TA在发电厂继电保护上的应用探索和经验积累，在以下几个方面具有较好的应用效果，可逐步进行推广和提高。

（1）柔性光学TA具有优异的传变性能，安装方式灵活，受安装空间限制少，可应用于各类特殊场合。

（2）实现多重多种主保护配置，可进一步提高常规发电机主保护性能，特别是隐极发电机，常规电磁式TA安装受限，保护配置受到较大制约。

（3）实现转子匝间故障监测保护，及早发现小匝数短路故障，降低严重故障可能性。

（4）对于扩大单元机组，实现定子接地保护的选择性，避免非故障机组的无序跳闸，显著降低电厂停电损失。

（5）精确测量核电站辅助变微小的励磁电流，实现核电断相监测保护功能，解决了WANO提出的断相导致停堆的严重事故风险。

（6）对于抽水蓄能机组、燃气轮机组、新型调相机等机组，准确传变变频启动过程中电压、电流等电气量，提高变频启动过程保护可靠性和灵敏度，尤其是10Hz以下极低频率段。