劉 攀 梁里鵬 董燕麗 趙曉艷

（1.晉中信息學(xué)院，晉中 030800；2.山西西山晉興能源有限責(zé)任公司斜溝礦，呂梁 033602）

在電力生產(chǎn)過程中，可將電力系統(tǒng)故障劃分為橫向故障與縱向故障兩種。若故障接觸點(diǎn)出現(xiàn)在電網(wǎng)中，電力系統(tǒng)的電壓會急劇下降，從而使電量難以滿足廣大用戶的用電需求。故障發(fā)生后，接觸點(diǎn)的短路電流相對較大，電氣設(shè)備將會受到電弧的沖擊與影響。同時，在這種情況下，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性也無法得到有效保障，嚴(yán)重情況下甚至?xí)霈F(xiàn)電力系統(tǒng)損壞現(xiàn)象。若故障發(fā)生于電力系統(tǒng)內(nèi)，繼電保護(hù)可迅速切除系統(tǒng)中的故障設(shè)備，從而為系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性提供有效保障，避免故障的影響進(jìn)一步擴(kuò)大。當(dāng)發(fā)電機(jī)組處于不正常的工作狀態(tài)時，可迅速將相關(guān)信號上傳給運(yùn)行管理人員，以便于及時針對故障作出有效處理[1]。因此，發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)對電力系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

1 發(fā)電機(jī)組的故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)

1.1 發(fā)電機(jī)組的故障

發(fā)電機(jī)的故障可分為發(fā)電機(jī)定子繞組的故障與轉(zhuǎn)子繞組的故障，其中根據(jù)其旋轉(zhuǎn)部分與靜止部分又可劃分為以下故障。

第一，定子繞組相間短路：該故障對系統(tǒng)所造成的危害最為嚴(yán)重。

第二，定子繞組匝間短路：主要為相間短路或接地短路，對發(fā)電機(jī)的危害極大，這一重要短路故障不容忽視。

第三，定子繞組單相接地：該故障在電力系統(tǒng)中較為常見，大多是由于高阻接地或中性點(diǎn)未接地造成的，其中并不存在較高的單向電流，但其電流值相對較大，會導(dǎo)致鐵芯發(fā)生局部融化現(xiàn)象；同時，該故障產(chǎn)生的不均勻磁場會導(dǎo)致其磁力作用大小不一，從而使電機(jī)組發(fā)生振動。該故障對發(fā)電機(jī)的危害十分嚴(yán)重，此時應(yīng)切斷電機(jī)運(yùn)行[2]。

1.2 發(fā)電機(jī)不正常運(yùn)行狀態(tài)

當(dāng)系統(tǒng)受到變壓器定子繞組的過負(fù)荷影響時，會產(chǎn)生三相對稱過負(fù)荷的現(xiàn)象。與變壓器相比，發(fā)電機(jī)抵抗過負(fù)荷的能力相對較差。同時，由于發(fā)電機(jī)中的轉(zhuǎn)子部分存在高速旋轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生較大的熱量，與靜止變壓器相比，其散熱能力相對較差，難以完全支撐三相對稱過負(fù)荷狀態(tài)，一旦旋轉(zhuǎn)部分發(fā)生三相對稱過負(fù)荷的現(xiàn)象，就會產(chǎn)生報警情況[3]。

2 發(fā)電機(jī)組的保護(hù)作用及配置原則

2.1 發(fā)電機(jī)組保護(hù)作用

發(fā)電機(jī)定子繞組相間短路保護(hù)一般主要采用發(fā)電機(jī)的差動鐵芯短路保護(hù)。此外，發(fā)電機(jī)組的保護(hù)作用還可分為發(fā)電機(jī)定子鐵芯繞組的匝間鐵芯短路過負(fù)荷保護(hù)、勵磁繞組回路一點(diǎn)及兩點(diǎn)的接地短路保護(hù)、發(fā)電機(jī)定子鐵芯繞組過負(fù)荷保護(hù)、定子鐵芯繞組過電壓保護(hù)、勵磁繞組過負(fù)荷保護(hù)（100 MW以上發(fā)電機(jī)）、發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)（200 MW以上的汽輪機(jī)）、發(fā)電機(jī)低頻過負(fù)荷保護(hù)（300 MW以上的汽輪機(jī)）、失步過負(fù)荷保護(hù)（300 MW以上的汽輪機(jī)）以及其他發(fā)電機(jī)故障及異常發(fā)電機(jī)運(yùn)行的失磁保護(hù)。

針對300 MW的發(fā)電機(jī)組，其異常保護(hù)裝置一般可劃分為異常短路運(yùn)行與后備短路保護(hù)兩種類型。其中，短路保護(hù)能夠針對異常區(qū)域內(nèi)可能存在的多種短路故障情況進(jìn)行有效保護(hù)，同時避免發(fā)生損壞斷路器的異常現(xiàn)象。基于此，異常保護(hù)裝置通常是通過主保護(hù)與后備保護(hù)的聯(lián)合方式進(jìn)行設(shè)置。

2.2 發(fā)電機(jī)的配置依據(jù)及元件選型

大型的發(fā)電機(jī)變壓器組往往會與220 kV以上的變壓繞組母線直接相連。在220 kV以上的變壓繞組線路中，僅供電繞組具有完整的后備故障保護(hù)裝置。與此同時，僅供電繞組往往具有一套無線故障保護(hù)的設(shè)備，且存在不投入運(yùn)行的無線保護(hù)狀態(tài)。因此，為了增強(qiáng)與大型發(fā)電機(jī)變壓繞組母線相鄰的后備保護(hù)母線的可靠性和故障后備保護(hù)，在本次的設(shè)計中可以考慮在線路中推廣應(yīng)用三相全阻抗后備故障保護(hù)裝置[5]。發(fā)電機(jī)接地保護(hù)與元件選擇如表1所示。

表1 發(fā)電機(jī)接地保護(hù)與元件選擇

在大型發(fā)電機(jī)中，定子繞組的單向中性點(diǎn)接地現(xiàn)象為最容易發(fā)生的單向故障。與大型發(fā)電機(jī)相接的中性點(diǎn)基本不與接地中性點(diǎn)相接，或者只是經(jīng)高阻抗與發(fā)電機(jī)接地的中性點(diǎn)相接。盡管定子單向中性點(diǎn)接地故障并不會直接導(dǎo)致產(chǎn)生較大的單向故障接地電流，但是由于大型發(fā)電機(jī)在我國電力系統(tǒng)維修保護(hù)中的特殊重要性以及其昂貴的維修保護(hù)價格，大型發(fā)電機(jī)的日常維修保護(hù)難度相對較大。因此，為了充分保護(hù)大型發(fā)電機(jī)，需要嚴(yán)格要求發(fā)電機(jī)定子繞組接地電流的大小與其保護(hù)的性能。

3 發(fā)電機(jī)組繼電保護(hù)系統(tǒng)

3.1 發(fā)電機(jī)組的縱差保護(hù)

電力系統(tǒng)發(fā)電機(jī)組的中性點(diǎn)內(nèi)部并非直接出現(xiàn)接地的狀態(tài)，一旦該系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)內(nèi)部中性點(diǎn)存在短路動作故障，就有可能會直接導(dǎo)致兩相或三相的插動機(jī)械器在發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)發(fā)生直接接地動作。鑒于這一邏輯特征，在進(jìn)行該系統(tǒng)的保護(hù)設(shè)計時，可針對其實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的分析與檢測[6]。

由于動作保護(hù)裝置采用了較大比率制動的特性，其動作電流的最小整定值不必按照躲過外部回路故障時的不平衡動作電流來整定，只需躲過最大動作保護(hù)負(fù)荷和平衡條件下的回路差動電流進(jìn)行整定即可。在一種常規(guī)的雙重差動電流保護(hù)中，同時引入發(fā)電機(jī)的磁極端電流與電機(jī)中性點(diǎn)中存在的電流，在每相定子繞組處于短路的狀態(tài)時，兩相的并聯(lián)電流仍然處于相等的狀態(tài)，此時發(fā)電機(jī)的縱差保護(hù)將使系統(tǒng)無法進(jìn)行動作。若將電機(jī)進(jìn)行中性點(diǎn)監(jiān)測，部分并聯(lián)支路電流就會被有效引入，從而形成電力系統(tǒng)的縱差動保護(hù)。根據(jù)其國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分析，系統(tǒng)繼電保護(hù)動作的邏輯特征可以對單相斷線故障進(jìn)行保護(hù)，同時可監(jiān)測直接發(fā)生短路的故障，因此保護(hù)設(shè)計可有效處理該系統(tǒng)斷線閉鎖這一環(huán)節(jié)的故障，確保發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的動作安全性與系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3.2 發(fā)電機(jī)組定子單相接地保護(hù)

發(fā)電機(jī)組定子接地保護(hù)中，一般需要在發(fā)電機(jī)中進(jìn)行兩種接地保護(hù)的設(shè)置，即95%定子接地保護(hù)和100%定子接地保護(hù)。發(fā)電機(jī)單相接地故障電流因中性點(diǎn)接地方式的不同而不同，同時其保護(hù)方式也不同。按照繼電保護(hù)配置規(guī)程的規(guī)定，大型發(fā)電機(jī)組單相接地故障電流達(dá)到1 A時，定子一點(diǎn)接地保護(hù)應(yīng)動作跳閘，同時要求實(shí)現(xiàn)定子接地保護(hù)，而且要求在保護(hù)區(qū)內(nèi)任一點(diǎn)的接地保護(hù)應(yīng)有足夠高的靈敏度。95%定子接地保護(hù)將影響電壓繼電器的電壓偏移程度，因此從磁極端至中性點(diǎn)方向?qū)?5%的定子繞組提供有效保護(hù)，并有效規(guī)避高次諧波所產(chǎn)生的影響，能夠?qū)θ沃C波起到抑制作用。根據(jù)接地點(diǎn)電壓的實(shí)際運(yùn)行情況，該處的接地電流處于較小狀態(tài)，若不及時清除，長此以往會對鐵芯造成嚴(yán)重?fù)p壞。

當(dāng)發(fā)電機(jī)某一定子鐵芯繞組的絕緣結(jié)構(gòu)發(fā)生了接地現(xiàn)象，或電機(jī)外殼絕緣結(jié)構(gòu)發(fā)生短路接地現(xiàn)象，此故障稱為絕緣單相接地狀態(tài)。單相鐵芯接地故障的危害不容忽視，其原因在于故障接地點(diǎn)的某一定子鐵芯單相接地會使外殼受到嚴(yán)重傷害，從而導(dǎo)致定子鐵芯絕緣的接地?fù)p壞嚴(yán)重程度進(jìn)一步加劇，甚至?xí)拱l(fā)電機(jī)產(chǎn)生復(fù)雜相間的短路接地現(xiàn)象，嚴(yán)重?fù)p壞發(fā)電機(jī)。為了確保發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行安全，其外殼均需與單相接地絕緣結(jié)構(gòu)相接。

3.3 發(fā)電機(jī)組的失磁保護(hù)

發(fā)電機(jī)組失磁保護(hù)是發(fā)電機(jī)繼電保護(hù)的一種，是指發(fā)電機(jī)的勵磁突然消失或部分消失時進(jìn)行保護(hù)動作的情況，如圖1所示。當(dāng)發(fā)電機(jī)完全失去勵磁時，勵磁電流將逐漸衰減至零，當(dāng)內(nèi)功率因數(shù)角超過靜態(tài)穩(wěn)定極限角時，發(fā)電機(jī)會與系統(tǒng)失去同步，此時發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置會動作于發(fā)電機(jī)出口斷路器，使發(fā)電機(jī)脫離電網(wǎng)，以防止發(fā)電機(jī)損壞，保護(hù)電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)組啟動時，若勵磁電流存在部分自動消失的現(xiàn)象，則意味著發(fā)電機(jī)勵磁存在自動失死的故障。導(dǎo)致這一異常現(xiàn)象的原因有很多，如發(fā)電機(jī)的回路變壓器發(fā)生故障等。

若發(fā)電機(jī)勵磁變壓器存在故障或者不正?，F(xiàn)象，啟動時電流會明顯下降，甚至下降至零。為了有效保護(hù)其中的失磁故障保護(hù)裝置，需要設(shè)置一系列的失磁故障保護(hù)裝置。系統(tǒng)發(fā)生失磁現(xiàn)象后，其磁極的極端電壓會明顯下降，導(dǎo)致磁極極端電流迅速提升，從而使發(fā)電機(jī)的有功輸出受到波動，從原本的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)化為吸收無功狀態(tài)。發(fā)電機(jī)失磁保護(hù)是發(fā)電機(jī)勵磁電流異常下降或完全消失時，防止危及發(fā)電機(jī)安全及電力系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行而進(jìn)行的保護(hù)。該保護(hù)能檢測或預(yù)測機(jī)組的靜穩(wěn)邊界，同時還能檢測機(jī)組的穩(wěn)態(tài)異步邊界、系統(tǒng)的崩潰電壓以及不同負(fù)荷下各種全失磁和部分失磁現(xiàn)象，并且能夠防止系統(tǒng)振蕩、系統(tǒng)故障、故障切除過程中及電壓互感器斷線和電壓切換時的誤動。

4 結(jié)語

本文主要介紹了發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中的重要性，并闡述了繼電保護(hù)對保障發(fā)電機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行的重要意義。通過對發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析與研究，基于發(fā)電機(jī)組的特點(diǎn)，描述了其運(yùn)作過程中存在的故障以及不正常運(yùn)行狀態(tài)，并重點(diǎn)闡述了發(fā)電機(jī)的保護(hù)作用及其配置規(guī)則。同時，分別研究了發(fā)電機(jī)組的縱差保護(hù)、接地保護(hù)和失磁保護(hù)，并分別闡述了各種繼電保護(hù)的原理、選型、應(yīng)用及意義，對繼電保護(hù)的可靠性、穩(wěn)定性、靈敏性與快速性提出了較高的要求，實(shí)現(xiàn)了繼電保護(hù)系統(tǒng)的完整性與合理性。