电力主设备保护研究的几个热点问题

姜松 南京国电南自电网自动化有限公司

介于电力主设备单机容量增大、额定功率增高等问题，保护措施研究更为重要。为确保电力主设备安全、经济、高效、稳定运行，需充分了解保护方式，透析构成机理、交流接入回路以及构成逻辑问题，本研究针对发电机与变压器运行常遇问题与保护方式进行分析，提出相对措施。

一、发电机保护研究

（一）内部故障主保护问题

内部故障主保护即发电机定子绕组的相间短路和匝间短路保护。前者的纵差保护特性可发挥良好的发电机保护功能，在注重电力互感器暂态特征外，其比率制动特征的差动保护也可发挥良好的保护功能。后者多应用横差保护、负序功率方向保护、纵向零序电压保护等。

（1）横差保护结构相对简单，可应对反应匝间短路与相间短路，需要注意的核心问题是故障既发与未发间不平衡电流的影响。此处所指的不平衡电流和发电机本身的构造与运行情况相关，具备明显的差异性，外部短路的不平衡电流极值无法核算。

（2）负序功率方向保护在理论上有如下几点适用性：首先，电力系统的拓扑结构中，发电机位于分支末端；其次，发电机因其自身构造并不会出现对称三相短路，同时采用封闭式母线的出线方式，同样不会发生三相短路。基于此，发电机内部故障诱发的负序功率时刻会得到正确的反应。负序功率方向保护多适用在外部短路状态发生变化的情况，内部数据窗过渡时很容易出现短路方向误判的问题。除此之外，发电机外部发生的三相短路多由负序功率方向的元件工作环境恶劣导致，需特别注意其保护的可靠性。

（3）纵向零序电压主要由发电机内部绕组不平衡导致，外部短路会将部分细小变异放大，表现出零序电压升高，以此促使纵向零序电压保护工作出现问题。除此之外，当互感器与发电机中性点出现断线、接地等情况时，纵向零序电压保护易出现错误动作。

发电机内部故障主保护需关注相间短路与匝间短路两个问题，需对两种情况进行特定设计与配置，确保发电机安全运行，保障电力系统稳定运行。

（二）定子绕组一点接地保护

定子绕组一点接地故障在发电机故障中占比较高，若得不到及时解决，将诱发更为严重的相间短路问题。介此，提高定子一点接地保护的有效性与灵敏性对发电机保护大有裨益。相对大机组，既需要定子绕组一点接地保护全覆盖，同时还需极强的反应过渡电阻的能力。发电机基波零序电压型定子接地保护的原理是运用三次谐波滤波算法与主变高压侧零序电压闭锁等方法后，对高达90%以上的绕组进行保护，可保证其稳定工作。当发电机存在母线时，需介入零序电流确保保护措施的可选择性。

相对三次谐波电压保护，本文以近年研究成果为参考，认为全覆盖保护与提高抗过渡电阻能力的保护措施在理论上可行，但实际应用尚难以广泛应用。考虑到发电机三次谐波电势较小，同时电压互感器产生的误差难以避免，三次滤波电压提取算法与变压器高低绕组间耦合电容传递外部谐波电压都将影响三次谐波电压保护，导致其可靠性较差，因此该保护措施多应用于发送信号。

区别于三次谐波电压保护，注入式定子接地保护具有全覆盖、灵敏度高的优势，通过导纳判据计算故障电阻的方式，直观反映定子绝缘变化趋势。发电机保护需重点关注启停阶段频率变化走势与中性点接地方式的自适应力，拓宽发电机保护研究。

（三）转子绕组接地保护

该方式主要借助励磁电压与微机保护装置调控回路状态，以切换采样值式、变电桥式完成绕组接地保护。由于不需要外加电源，其回路形态较为简洁，所以可直观反映并计算接地电阻值，转子绕组分布电容对该保护方式不产生影响。转子绕组接地保护中需注意切换元件工作的可靠性，重点关注励磁电压中谐波电压对保护效果的影响。转子绕组多为两点及以上接地，易对发电机机组造成损害。截至目前，转子两点接地保护原理研究尚有一定发展空间，还无法有效应对近距离或同时发生的故障。

介于目前发电机保护研究的局限性与应对各类故障的方式科学性不足等问题，需重点关注各类故障类型确定量的计算、特殊机组保护方案与特殊性研究、异常工况保护等。

（四）发电机频率异常保护——以汽轮发电机为例

某大型发电机发生频率异常故障，经检验由汽轮机叶片问题导致。该发电机设置低频保护、频率累积保护与过频保护。频率异常时发电机允许时间表如表1。

经表1可知，为保证该汽轮发电机安全，处于异常频率运行的允许时间较长，同时并网运行发电机频率与电网功率平衡状况相关，由系统调度情况决定。由于电网系统的高度发展与装机容量的增大，系统间紧密度显著提升，调度人员对系统频率控制愈加严格。本研究认为，此大型发电机设置过频保护不仅无益于发电机安全运行，一旦系统发生频率异常，整体系统发电机过频保护同时响应，此时发电机机组将被切除，导致系统瘫痪。为应对此发电机频率异常故障，将反应全系统的稳定装置作为恒定频率异常的指标。在发电厂设置稳控装置，执行高周切机。如果系统频率超过临界值过多，稳控装置可进行“多轮式”切机，以此达到频率异常保护的目的。

表1 本汽轮机组频率异常允许时间

二、变压器保护研究

（一）变压器差动保护

不论是模拟式保护，或是微机保护，差动保护始终存在。差动保护以基尔霍夫电流定律为基础，在电力系统的输电线路、母线、发电机等结构上得到成功使用。由于变压器原副边电气量由内部磁路连通，在理论上不完全满足基尔霍夫电流定律。差动保护需充分考虑变压器绕组接线方式、传变误差、励磁涌流等因素，以此提高差动保护成效。

相比于模拟式保护，微机保护在不平衡电流补偿、比率制动判据、保护接线、TA饱和识别等进行了优化，极大程度上提高差动保护对变压器保护的适用性。在变压器差动保护中，励磁涌流是该模式不可避免的问题，是研究的热点课题。基于间断角原理、波形有关系原理、数学形态研究、模糊算法、智能算法等理论成果，为改进传统谐波含量识别、波形特征识别等进行改进，目的是更准确的识别励磁涌流与内部故障电流，以此对变压器进行有力保护。

即便如此，励磁涌流识别的研究始终存在下述几个困境：其一，励磁涌流的产生具有高度的不可控性，剩磁大小、合闸三相不同时、合闸初相角、等值抗阻等都将导致励磁涌流的形成具备多样性与随机性的特征。与此同时，空载合闸、空投并列运行变压器、投切非线性负荷等情况下都会产生励磁涌流。其二，由于励磁涌流具有较强的非线性特征，励磁涌流是在变压器铁芯饱和的非线性状态下产生，非线性计算难度较大。其三，当变压器处于绕组星角接线的情况，角侧绕组的电流难以测定与计算，故障电流与励磁涌流难以区分。上述三类难题始终存在，针对变压器励磁涌流识别的判别依据虽然层出不穷，但皆存在一定局限性。

介于目前研究成果，变压器差动保护还需解决如下几点问题：其一，励磁涌流和故障电流判据与区分的研究仍需继续深入，任何以励磁涌流波形为基础的研究都无法完全判别励磁涌流，表现在空投正常时变压器易出现误动或延迟，所以波形判别无法100%识别励磁涌流；其二，空投变压器在匝间存在故障时，保护速度较慢，很容易在励磁涌流衰减后才可以出口，需加快反应速度，让其在出口前完成区分。

（二）变压器分侧差动保护

为避免变压器高压侧接地故障而诱发变压器纵差保护误动，需采用变压器分侧差动保护。该保护方式的原理是借助过滤高压侧零序电流，变压器高压侧绕组发生单相接地故障时，变压器纵差保护动作灵敏度较低。相对超高压或特高压变压器，高压侧设置可反应高压侧短路故障的分侧差动保护，有效提高接地故障时动作灵敏性。分侧差动保护的交流接入回路和逻辑框图见图1与图2。

图1 分相差动保护交流接入回路

图2 分侧差动保护逻辑图

变压器分侧差动保护的优势在于：可应用型号与变化形式相同的互感器，二者误差和暂态特征差异不明显。此外，判定最小动作电流和比率制动系数的过程中，可不考虑励磁电流，因此其取值较小，动作灵敏性高。尤其是高压侧绕组单相接地故障，由于不应用滤去零序电流，所以可保证高灵敏度的变压器保护。

（三）变压器新保护措施

长期以来，国内外学者始终致力变压器保护原理的研究与实践。目前针对励磁涌流识别的方式不仅凭借波形特征，还引入电压量这一评定指标，从励磁特征的变化着手，提出了崭新的识别措施。部分判据直接跳出差动保护构成思路，基于变压器产生励磁涌流时的特征与表象，根据磁路饱和的问题让变压器成为非线性时变系统的基础上，凭借非线性关联的电流与电压这两个核心变量的描述来体现系统运行状态，此判定方式从初始阶段就规避了励磁涌流问题。该种判定方式的典型代表为：功率差动保护、瞬时功率保护、变压器回路方程等。介于对变压器保护研究的深入与技术的发展，仿真与实验联合的方式为变压器保护新原理的研究提供了新的路径。目前，变压器保护研究需将重点落根于漏感参数与空投变压器时空载侧绕组电压的测量。

三、结束语

我国电力系统的高度发展下，对发电机与变压器的性能提出更高的要求，促使单机容量增大、结构设计更加复杂，机组保护难度不断提升。不论是大机组或是小机组，在继电保护工作环境的恶化下，各项保护措施必须予以改善与更新。介于当下诸多不足与保护措施无法全覆盖等问题，需持续加大研究力度，确保电力系统稳定运行。