摘要:繼電保護(hù)裝置是一種自動(dòng)裝置，在電力系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。本文介紹了繼電保護(hù)的基本原理及發(fā)展趨勢(shì)，提出了了200MW發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)配置方案。

　　關(guān)鍵:200MW發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)配置

　　繼電保護(hù)是指研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運(yùn)行的異常工況，以探討其對(duì)策的反事故自動(dòng)化措施。因在其發(fā)展過程中曾主要用有觸點(diǎn)的繼電器來保護(hù)電力系統(tǒng)及其元件(發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等)，使之免遭損害�；�本任務(wù)是：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時(shí)，在可能實(shí)現(xiàn)的最短時(shí)間和最小區(qū)域內(nèi)，自動(dòng)將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號(hào)由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對(duì)相鄰地區(qū)供電的影響。繼電保護(hù)裝置是一種自動(dòng)裝置，在電力系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)電力系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行，這是它的主要職責(zé)也是任務(wù)，它可以隨時(shí)掌握電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，同時(shí)及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題，從而通過選擇合適的斷路器切斷問題部分。

　　一、繼電保護(hù)的基本原理及發(fā)展趨勢(shì)

　　1、基本原理

　　繼電保護(hù)裝置必須具有正確區(qū)分被保護(hù)元件是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護(hù)區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能。保護(hù)裝置要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎(chǔ)來構(gòu)成。

　　電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：

　　(1) 電流增大。 短路時(shí)故障點(diǎn)與電源之間的電氣設(shè)備和輸電線路上的電流將由負(fù)荷電流增大至大大超過負(fù)荷電流。

　　(2) 電壓降低。當(dāng)發(fā)生相間短路和接地短路故障時(shí)，系統(tǒng)各點(diǎn)的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點(diǎn)，電壓越低。

　　(3) 電流與電壓之間的相位角改變。正常運(yùn)行時(shí)電流與電壓間的相位角是負(fù)荷的功率因數(shù)角，一般約為20°，三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60°～85°，而在保護(hù)反方向三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角則是180°+(60°～85°)。

　　(4) 測(cè)量阻抗發(fā)生變化。測(cè)量阻抗即測(cè)量點(diǎn)(保護(hù)安裝處)電壓與電流之比值。正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)量阻抗為負(fù)荷阻抗;金屬性短路時(shí)，測(cè)量阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榫�路阻抗，故障后測(cè)量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。

　　不對(duì)稱短路時(shí)，出現(xiàn)相序分量，如兩相及單相接地短路時(shí)，出現(xiàn)負(fù)序電流和負(fù)序電壓分量;單相接地時(shí)，出現(xiàn)負(fù)序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運(yùn)行時(shí)是不出現(xiàn)的。

　　利用短路故障時(shí)電氣量的變化，便可構(gòu)成各種原理的繼電保護(hù)。

　　此外，除了上述反應(yīng)工頻電氣量的保護(hù)外，還有反應(yīng)非工頻電氣量及非電氣量的保護(hù)。

　　2、發(fā)展趨勢(shì)

　　繼電保護(hù)方式的發(fā)展經(jīng)歷了方向比較式、相位比較式、電流差動(dòng)式等階段, 所使用的繼電器從電磁式到模擬靜止式, 進(jìn)而發(fā)展到數(shù)字靜止式, 隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展、微型計(jì)算機(jī)和微處理器的出現(xiàn), 為繼電保護(hù)數(shù)字化開辟了廣闊前景, 出現(xiàn)了以微機(jī)和光傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的全數(shù)字控制保護(hù)系統(tǒng)。微機(jī)保護(hù)具有下列特點(diǎn):

　　(1)保護(hù)功能由軟件實(shí)現(xiàn);

　　(2)采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù);

　　(3)具有數(shù)字儲(chǔ)存功能, 如過程記憶、錄波等;

　　(4)容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)方通信, 接口簡(jiǎn)單;

　　(5)具有自動(dòng)測(cè)試和監(jiān)視功能;

　　(6)軟硬件標(biāo)準(zhǔn)化;

　　(7)公共數(shù)據(jù)可重復(fù)使用實(shí)現(xiàn)不同功能。

　　我國(guó)已成功研制了多套大機(jī)組微機(jī)保護(hù)裝置,并先后投入試運(yùn)行或正式運(yùn)行。不少 35 kV 和 110kV 變電所采用了多種微機(jī)監(jiān)控和保護(hù)裝置, 但在300MW 及以上大型發(fā)電機(jī)組上應(yīng)用微機(jī)保護(hù)裝置的例子還不多。由于微機(jī)保護(hù)具有靈活、高性能、運(yùn)行維護(hù)方便、可靠性好、硬件尺寸小、硬件負(fù)擔(dān)輕等優(yōu)點(diǎn), 可以預(yù)見未來繼電保護(hù)發(fā)展的方向?qū)⑹侵鞅Ｗo(hù)采用微型處理機(jī)或小型計(jì)算機(jī)分散地裝設(shè)在被保護(hù)元件處, 后備保護(hù)采用系統(tǒng)控制中心計(jì)算機(jī)構(gòu)成變電所中心計(jì)算機(jī)以實(shí)現(xiàn)集中化控制。相信大機(jī)組的微機(jī)保護(hù)將有廣闊的發(fā)展前景, 并將以其優(yōu)越的性能在繼電保護(hù)領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

　　二、200MW發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)配置方案

　　1、三相定子繞組的結(jié)構(gòu)對(duì)主保護(hù)配置的影響

　　三相定子繞組的結(jié)構(gòu)問題, 主要指的是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的引出方式,因?yàn)樗�與發(fā)變組內(nèi)部短路主保護(hù)方案密切相關(guān), 同時(shí)也與定子繞組每相并聯(lián)分支數(shù)有關(guān)。

　　目前國(guó)內(nèi) 200MW 及以上的汽輪發(fā)電機(jī)大多為每相兩并聯(lián)分支, 中性點(diǎn)僅引出三相的三個(gè)端子。作為發(fā)變組內(nèi)部短路主保護(hù), 普遍采用發(fā)電機(jī)傳統(tǒng)縱差保護(hù)和發(fā)變組縱差保護(hù), 這兩種保護(hù)方案對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組同相的匝間或?qū)娱g短路和開焊 (斷線)故障均無保護(hù)作用,因此必須予以改進(jìn)。

　　一種改進(jìn)方案是改變發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)的引出方式,將三相六個(gè)分支繞組分成兩組同時(shí)引出, 這樣可以裝設(shè)單元件零序電流橫差保護(hù)。高靈敏橫差保護(hù)具有發(fā)電機(jī)相間短路、 匝間短路和定子繞組開焊的保護(hù)功能、 構(gòu)成簡(jiǎn)單、 靈敏度高, 可以作為發(fā)電機(jī)的第一主保護(hù)。如果設(shè)計(jì)安裝不完全縱差保護(hù),則從根本上改變了傳統(tǒng)縱差保護(hù)不反映定子繞組匝間短路和開焊故障的不足, 成為發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障的第二主保護(hù),實(shí)現(xiàn)了大機(jī)組主保護(hù)的雙重化要求, 大大提高了短路保護(hù)的技術(shù)性能, 但必要的前提是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)應(yīng)有四個(gè)引出端子。如果當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)不具備條件,它們對(duì)發(fā)電機(jī)定子繞組匝間短路和分支開焊無保護(hù)功能, 為此必須通過配置縱向零序電壓保護(hù)來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電機(jī)內(nèi)部的匝間短路的保護(hù)功能。

　　2、定子繞組單相接地保護(hù)問題

　　為解決好定子單相接地故障的保護(hù)問題, 首先應(yīng)注意發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式, 使之滿足單相接地電流小于 GB - 14285- 93《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》224條所規(guī)定的故障電流允許值 (即安全電流), 即對(duì)于 200MW 發(fā)電機(jī)組定子繞組單相接地電流應(yīng)小于 2A。

　　同時(shí)必須注意的是, 所配置的保護(hù)應(yīng)包括發(fā)電機(jī)定子繞組 100 %的保護(hù)區(qū),即基波零序電壓和三次諧波零序電壓的定子接地保護(hù)。當(dāng)單相接地電流小于安全電流時(shí),保護(hù)裝置帶時(shí)限動(dòng)作于信號(hào), 反之則應(yīng)動(dòng)作于跳閘。如果發(fā)電機(jī)絕緣狀況不良或超期服役絕緣老化嚴(yán)重, 保護(hù)可帶時(shí)限作用于跳閘停機(jī)�，F(xiàn)今, 新出臺(tái)的《中國(guó)國(guó)電集團(tuán)公司重大事故預(yù)防措施》中規(guī)定, 應(yīng)將零序基波段保護(hù)和零序三次諧波段保護(hù)出口分開,零序基波段保護(hù)投跳閘,零序三次諧波段保護(hù)只允許投信號(hào)。

　　3、轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地保護(hù)問題

　　當(dāng)汽輪發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁回路兩點(diǎn)接地故障, 即使兩點(diǎn)接地保護(hù)正確動(dòng)作并跳閘, 也可能發(fā)生軸系和汽機(jī)部件的磁化現(xiàn)象,給機(jī)組盡快恢復(fù)正常運(yùn)行帶來很大困難。對(duì)于轉(zhuǎn)子水內(nèi)冷的汽輪發(fā)電機(jī), 由于轉(zhuǎn)子繞組漏水,造成勵(lì)磁回路的接地故障,不再是從一點(diǎn)接地開始,隨后繼發(fā)第二點(diǎn)接地, 而是一開始就是多點(diǎn)或一片勵(lì)磁繞組接地。

　　4、變壓器電氣量保護(hù)說明

　　縱差保護(hù)是一切電氣主設(shè)備的主保護(hù)，它靈敏度高、選擇性好，在變壓器保護(hù)上運(yùn)用較為成功�？v差保護(hù)是利用比較被保護(hù)元件各端電流的幅值和相位的原理構(gòu)成的，根據(jù)KCL基本定理哪，當(dāng)被保護(hù)設(shè)備無故障時(shí)恒有各流入電流之和必等于各流出電流之和。

　　5、變壓器非電氣量保護(hù)

　　非電氣量保護(hù)是變壓器的重要保護(hù)形式，它是相對(duì)于變壓器各測(cè)的電氣量保護(hù)而言的，變壓器的非電量保護(hù)包括：瓦斯保護(hù)、壓力釋放、冷卻器故障、冷風(fēng)消失、油溫升高等。

　　對(duì)于 200MW 汽輪發(fā)電機(jī), 應(yīng)裝設(shè)一點(diǎn)接地保護(hù)。當(dāng)一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作后,應(yīng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào),盡快轉(zhuǎn)移負(fù)荷,實(shí)現(xiàn)機(jī)組的平穩(wěn)停機(jī), 切勿認(rèn)為一點(diǎn)接地?zé)o甚危害,不加處理, 一旦再發(fā)生第二點(diǎn)接地故障,將釀成大患,對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)極為不利�；�于這種考慮, 現(xiàn)代微機(jī)繼電保護(hù)裝置雖然在判斷發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作時(shí), 自動(dòng)投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù), 但要求運(yùn)行檢修人員在發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地時(shí)仍應(yīng)盡快查明原因,立即處理, 在第一時(shí)間內(nèi)消除接地故障點(diǎn)。

　　大型發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)要求最大限度的保證機(jī)組安全和最大限度縮小破壞范圍，這就要選擇具有可靠性、靈敏性、選擇性和快速性好的保護(hù)裝置，做好短路保護(hù)、接地保護(hù)和異常運(yùn)行保護(hù)。

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