王 光，陳 俊，王 凱，李華忠，陳佳勝，鐘守平，季遙遙

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇省南京市 211102）

0 引言

基于傳統(tǒng)電磁式電流互感器（TA）的微機(jī)發(fā)電廠繼電保護(hù)發(fā)展多年，技術(shù)已很成熟，但由于電磁式TA一些固有特性限制，如磁飽和、小電流非線性段、二次開路過電壓等[1]，發(fā)電廠繼電保護(hù)在應(yīng)用中仍存在一些問題無法解決。汽輪發(fā)電機(jī)組中性點空間狹小，無法在分支上安裝電磁式TA，采用縱向零序電壓保護(hù)應(yīng)對定子匝間短路故障，靈敏度較低，某電廠曾發(fā)生發(fā)電機(jī)先出現(xiàn)分支開焊故障，繼而發(fā)展成匝間故障和接地故障，損失慘重。大型水電機(jī)組一般僅安裝分支組TA，不能獲取所有分支電流信息，主保護(hù)配置仍有一定限制，仍有一定比例的小匝數(shù)匝間短路故障不能反映。另外大型水電機(jī)組中性點空間仍然緊張，TA磁場屏蔽設(shè)計和空間排布困難，多個電廠發(fā)生因TA繞組溫升過高而發(fā)生匝間短路燒毀事故。對于擴(kuò)大單元機(jī)組，定子繞組接地故障的選擇性仍未能有效解決。核電站輔助電源斷相可能導(dǎo)致停堆問題，自2015年WANO發(fā)布預(yù)警，目前現(xiàn)場仍未有成熟方案。對于抽水蓄能機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)組、新型調(diào)相機(jī)等采用變頻啟動方式的機(jī)組，其低頻保護(hù)性能有待提高，特別是啟動初始時頻率極低階段（10Hz以下），常規(guī)電磁式TA傳變特性差，嚴(yán)重影響保護(hù)性能。為解決上述問題，開展柔性光學(xué)TA在發(fā)電廠繼電保護(hù)上的應(yīng)用研究是一個很好的思路，本文總結(jié)了柔性光學(xué)TA在發(fā)電廠保護(hù)不同場景上的應(yīng)用探索，利用柔性光學(xué)TA優(yōu)良的傳變特性和靈活的安裝方式，進(jìn)一步優(yōu)化和提升發(fā)電廠保護(hù)性能，為發(fā)電廠保護(hù)發(fā)展提供一些參考思路。

1 柔性光學(xué)電流互感器

柔性光學(xué)電流互感器[2]屬于光學(xué)電流互感器的一種，其對電流傳變基于Faraday磁光效應(yīng)原理，傳感原理如圖1所示。線偏振光通過處于磁場中的Faraday材料后，偏振光的偏振方向?qū)a(chǎn)生與磁感應(yīng)強(qiáng)度平行分量大小相關(guān)的旋轉(zhuǎn)角度（旋光角），應(yīng)用干涉原理和動態(tài)補償方式實現(xiàn)偏振光的干涉來檢測旋光角變化，進(jìn)而測量出產(chǎn)生磁場的導(dǎo)體電流大小。

圖1 光學(xué)電流互感器傳感原理示意圖Figure 1 Sensing principle of flexible optical TA

根據(jù)安培環(huán)路定理，當(dāng)傳感光纖圍繞一次通流導(dǎo)體閉合成環(huán)時。旋光角φ可用式（1）表示：

式中：V——光學(xué)介質(zhì)的Verdet常數(shù)，表示單位磁場產(chǎn)生的旋光角；

H——磁場強(qiáng)度；

l——光在介質(zhì)中傳播的距離；

NL——圍繞通流導(dǎo)體閉合光路的圈數(shù)；

I——產(chǎn)生磁場的電流。

根據(jù)光學(xué)TA傳變原理，其傳變性能與頻率無關(guān)，交流和直流分量均可傳變，因此可適應(yīng)所有頻率段。另外光學(xué)介質(zhì)Verdet常數(shù)為恒定數(shù)值，在全測量范圍內(nèi)都是線性的，不存在飽和特性，小電流測量時也不存在非線性段，只要采用合適的測量方案，從小電流到大電流均可精確測量。

另外柔性光學(xué)TA還具有一大優(yōu)勢，TA繞制方式可根據(jù)一次導(dǎo)體靈活設(shè)計，現(xiàn)場應(yīng)用極為方便。柔性光學(xué)TA可將一次傳感光纖部分制成柔軟的光纜形式，傳感光纜可以方便地纏繞在任何形式的一次導(dǎo)體上，對一次導(dǎo)體的幾何形狀幾乎沒有任何要求，可以較好滿足電廠中導(dǎo)體直徑較大的需求。同時，柔性光纖TA體積小，對物理空間要求很小，能夠在狹小空間內(nèi)完成柔性光學(xué)TA的安裝，可以解決火電機(jī)組等中性點空間狹小無法在分支上安裝傳統(tǒng)TA實現(xiàn)電流測量的問題。另外，柔性光學(xué)TA可現(xiàn)場進(jìn)行繞制，無需拆卸一次導(dǎo)體，便于現(xiàn)場改造實施。

2 發(fā)電機(jī)主保護(hù)方案優(yōu)化

由于傳統(tǒng)電磁式TA體積大，TA配置安裝受到很大限制，影響發(fā)電機(jī)差動保護(hù)配置方案，尤其是定子繞組匝間保護(hù)薄弱。對于火電、核電、燃?xì)鈾C(jī)組等，中性點由于空間狹小難以安裝分支TA，一般配置縱向零序電壓匝間保護(hù)，靈敏度相對較低，且不能反映分支開焊故障。對于水電、抽水蓄能機(jī)組，通常有條件在分支組安裝TA，但一般僅能安裝2組，主保護(hù)配置仍受到一定限制，整體性能仍有提升空間[1][3]。

針對上述問題，我們提出了基于柔性光學(xué)TA的多重多種差動保護(hù)方案。對于火電、核電、燃?xì)獾葯C(jī)組，在中性點兩個分支上分別裝設(shè)柔性光學(xué)TA，測量兩分支電流，在原有完全縱差保護(hù)基礎(chǔ)上，可以新增裂相橫差保護(hù)或不完全縱差保護(hù)，可提高定子繞組匝間保護(hù)的靈敏度，并解決分支開焊保護(hù)缺失問題。某電廠300MW火電機(jī)組的內(nèi)部故障計算表明，原有完全縱差+縱向零序電壓保護(hù)方案，不能可靠動作故障數(shù)達(dá)到4.5%，這還不包括分支開焊故障數(shù)，在分支上裝設(shè)柔性光學(xué)TA，增加裂相橫差保護(hù)后，如圖2所示，不能動作故障數(shù)為零，顯著提高了發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)性能。

圖2 某火電機(jī)組主保護(hù)優(yōu)化方案Figure 2 Optimization scheme of main protection for thermal power generating unit

對于水電機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組，我們可在中性點所有分支或任意分支組上安裝柔性光學(xué)TA，差動保護(hù)可根據(jù)內(nèi)部故障計算結(jié)果更加靈活地配置，實現(xiàn)多重多種的最優(yōu)主保護(hù)方案，進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障主保護(hù)性能。某水電站600MW機(jī)組，定子繞組為6分支，原有方案電磁式TA受到安裝空間限制，6個分支分為2組，僅在兩個分支組上安裝，差動保護(hù)配置方案優(yōu)化受到限制，仍有部分小匝間短路故障靈敏度不足。采用基于柔性光學(xué)TA的發(fā)電機(jī)保護(hù)方案后，最終實現(xiàn)了在所有6個分支上安裝，如圖3所示，并根據(jù)內(nèi)部故障計算結(jié)果，在原有基礎(chǔ)上增加了若干套不完全縱差保護(hù)、若干套裂相橫差保護(hù)，實現(xiàn)了最完善的差動保護(hù)配置方案，基本消除了小匝間故障死區(qū)。

圖3 某水電機(jī)組主保護(hù)優(yōu)化方案Figure 3 Optimization scheme of main protection for Hydraulic generator unit

3 轉(zhuǎn)子繞組匝間保護(hù)

轉(zhuǎn)子繞組匝間故障也是發(fā)電機(jī)一種常見故障類型。相對于定子繞組，轉(zhuǎn)子繞組電壓等級低，絕緣墊條比較薄，絕緣強(qiáng)度偏弱，匝間故障時有發(fā)生。大匝數(shù)的匝間故障，造成發(fā)電機(jī)失磁、機(jī)組軸振、轉(zhuǎn)子局部過熱，轉(zhuǎn)化為接地故障引起轉(zhuǎn)子鐵心磁化、燒傷軸頸軸瓦等。20世紀(jì)90年代，某電廠有300MW機(jī)組導(dǎo)致大軸磁化。小匝數(shù)的匝間故障，發(fā)電機(jī)可以繼續(xù)運行，但是潛在的危害很大。2009～2011年，廣東省十余臺400MW以上容量發(fā)電機(jī)出現(xiàn)匝間短路故障[4][5]。目前普遍缺少轉(zhuǎn)子匝間故障監(jiān)測和保護(hù)，無法發(fā)現(xiàn)輕微的轉(zhuǎn)子匝間故障，機(jī)組帶故障運行，存在由輕微故障擴(kuò)展至嚴(yán)重故障的可能。

針對轉(zhuǎn)子匝間監(jiān)測和保護(hù)，可利用柔性光學(xué)TA安裝靈活性，采集分支TA電流或單元件橫差TA電流，采用定子繞組分支環(huán)流的諧波特征實現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間故障的監(jiān)測和保護(hù)，如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)子繞組匝間故障保護(hù)方案Figure 4 Generator rotor winding inter turn fault protection scheme

同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間故障后，轉(zhuǎn)子磁勢不再對稱，通過氣隙磁場的感應(yīng)，定子繞組側(cè)將產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子極對數(shù)P有關(guān)的諧波分量電動勢（1/P、2/P、…），且在定子繞組同相各分支產(chǎn)生的分?jǐn)?shù)次電動勢相位不同，于是在定子繞組內(nèi)部產(chǎn)生同相不同分支之間的環(huán)流，各分支電流不再相等[6]。因此可通過在分支或分支組上安裝柔性光學(xué)TA或在分支組中性點連線上安裝柔性光學(xué)TA，實時測量定子相繞組內(nèi)部的分支環(huán)流，間接實現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組匝間故障監(jiān)測和保護(hù)。

4 選擇性定子接地保護(hù)

定子繞組的單相接地是發(fā)電機(jī)最常見的一種故障形式。現(xiàn)有定子接地保護(hù)主要采用基波零序電壓、基波零序電流、三次諧波電壓和注入低頻電源等原理，均存在無選擇性的問題，即不能區(qū)分區(qū)內(nèi)還是區(qū)外接地故障。對于多機(jī)共母線的擴(kuò)大單元接線方式的發(fā)電機(jī)組，任意一臺發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組單相接地故障時，所有并列運行的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)均將動作，導(dǎo)致非故障機(jī)組停機(jī)，擴(kuò)大了事故范圍，停機(jī)損失巨大。此外，定子接地保護(hù)的無選擇性還導(dǎo)致現(xiàn)場故障定位和排查不便，檢查范圍廣，耗時長，效率低下，不利于快速恢復(fù)生產(chǎn)。

對于擴(kuò)大單元機(jī)組，實現(xiàn)定子接地保護(hù)的選擇性可采用零序方向原理，采集發(fā)電機(jī)機(jī)端或中性點零序電壓、機(jī)端零序電流，構(gòu)成零序方向元件，通過判別零序方向?qū)崿F(xiàn)定子接地故障的選擇性[7]，如圖5所示。

圖5 選擇性定子接地保護(hù)原理圖Figure 5 Principle of selective stator grounding protection

由于發(fā)電機(jī)一般為接地變高阻接地方式，接地零序電流很小，僅為幾安培或十幾安培，而發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電流可達(dá)數(shù)千安培，機(jī)端零序電流難以準(zhǔn)確測量，這也是這一原理實現(xiàn)的難點。以往有采用傳統(tǒng)電磁式零序電流互感器進(jìn)行測量，僅適用于機(jī)端為電纜出線方式。對于現(xiàn)場更多的絕緣澆筑母線或封閉母線出線方式，存在三相合成磁場不平衡問題，常規(guī)電磁式零序電流互感器在機(jī)組正常運行時不平衡零序電流過大，難以識別故障電流。針對機(jī)端零序電流的測量難題，可利用柔性光學(xué)TA的優(yōu)異傳變特性和靈活安裝方式，將柔性光學(xué)TA繞制在發(fā)電機(jī)機(jī)端三相電纜或銅排上，精確測量機(jī)端零序電流，與發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓共同構(gòu)成零序方向元件，實現(xiàn)定子接地保護(hù)的選擇性，如圖6所示。

圖6 基于柔性光學(xué)TA選擇性定子接地保護(hù)Figure 6 Selective stator grounding protection based on flexible optical TA

柔性光學(xué)TA精確測量機(jī)端零序電流，當(dāng)某臺發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生單相接地故障時，其他機(jī)組電容電流和接地變零序電流流向本機(jī)組故障接地點，當(dāng)發(fā)生區(qū)外單相接地故障時，本機(jī)組電容電流和接地變零序電流流向故障機(jī)組，通過零序方向元件判斷定子接地區(qū)內(nèi)或區(qū)外故障，如單相接地故障發(fā)生在主變低壓側(cè)共有母線上，則所有機(jī)組均判別為區(qū)外故障，可由較長延時保護(hù)全?；驁缶M(jìn)行人工處理。

5 核電輔助變斷相監(jiān)測和保護(hù)

世界核電運營者協(xié)會（WANO）在2015年的經(jīng)驗反饋（SOER 2015-1 Safety Challenges from Open Phase Events）中提出了核電站斷相故障事件可能導(dǎo)致核電停堆的嚴(yán)重后果，希望引起業(yè)內(nèi)重視[8]。目前針對發(fā)變組系統(tǒng)的斷線，因為長期帶載，且監(jiān)測和保護(hù)設(shè)施完善，一般認(rèn)為無風(fēng)險。針對廠用系統(tǒng)的斷相，理論分析和仿真表明可利用現(xiàn)有測量系統(tǒng)優(yōu)化實現(xiàn)斷相監(jiān)測和保護(hù)。但對于核電站輔助變斷相，由于長時間處于空載，通過常規(guī)測量手段難以識別。理論分析、仿真和動模試驗均表明，對于Y/D型或帶有三角形補償繞組的變壓器，當(dāng)高壓側(cè)斷相時，斷相點兩側(cè)三相電壓均無變化，兩側(cè)TV仍能測量出相同的額定電壓，利用電壓量判據(jù)理論上無法反應(yīng)。對于輔助變空載工況，三相電流只有極小的空載勵磁電流流過，某核電站輔助變一次空載電流僅為0.218A，如圖7試驗報告所示，現(xiàn)有電磁式保護(hù)或測量TA無法測量如此小的一次電流。

圖7 輔助變空載電流測試報告Figure 7 No-load current test report of auxiliary transformer

根據(jù)光學(xué)TA傳變原理，光學(xué)介質(zhì)Verdet常數(shù)不會隨磁場強(qiáng)度變化，其數(shù)值始終不變，因此理論上在測量微弱磁場（小電流）時仍是完全線性的，不存在傳統(tǒng)電磁式TA的小電流非線性問題，因此只要采用合適的設(shè)計是有可能精確測量微小電流的。因此可以利用柔性光學(xué)TA良好的微小電流測量能力，安裝在輔助變高壓側(cè)三相出線上，當(dāng)輔助變斷相時，通過精確測量空載勵磁電流的變化，可以準(zhǔn)確判別斷相故障。如圖8所示，監(jiān)測裝置接入輔助變高低壓側(cè)各相電壓和高壓側(cè)三相電流，可以判別輔助變高、低壓側(cè)各類斷相故障。

圖8 基于柔性光學(xué)TA核電斷相監(jiān)測保護(hù)系統(tǒng)圖Figure 8 Phase failure monitoring and protection of nuclear power auxiliary transformer based on flexible optical TA

另外，柔性光學(xué)TA可根據(jù)現(xiàn)場需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計，便于現(xiàn)場安裝實施，對現(xiàn)有系統(tǒng)基本無影響。圖9為某核電站現(xiàn)場安裝圖，柔性光學(xué)TA測量一次電流0.2A時，精度仍可達(dá)到5%，足以分辨出微小的勵磁電流。

圖9 核電斷相監(jiān)測保護(hù)用柔性光學(xué)TA結(jié)構(gòu)設(shè)計Figure 9 Structure design of flexible optical TA for phase failure monitoring and protection of nuclear power auxiliary transformer

6 變頻啟動機(jī)組的保護(hù)優(yōu)化

抽水蓄能機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)組、新型調(diào)相機(jī)等機(jī)組一般采用靜止變頻器啟動，從靜止逐步拖動到額定轉(zhuǎn)速再同期并網(wǎng)，整個啟動過程勵磁均正常工作，機(jī)組全程帶電，頻率由0Hz逐步升高至50Hz。而傳統(tǒng)電磁式TA是設(shè)計用于傳變交流電流的，其傳變特性隨頻率下降逐漸變差，在抽水蓄能等機(jī)組變頻啟動過程初始階段，尤其是10Hz以下，傳統(tǒng)電磁式TA深度飽和，傳變嚴(yán)重失真，易導(dǎo)致發(fā)電機(jī)保護(hù)不正確動作或靈敏度大幅下降。圖10是某抽水蓄能機(jī)組在背靠背啟動過程中，約3Hz時的電流波形，機(jī)端和中性點電流甚至出現(xiàn)相位相反情況，差動不平衡電流最高可達(dá)0.45倍額定電流[9]。

圖10 某電站變頻啟動過程電流波形Figure 10 Secondary current waveform of electromagnetic TA at back-to-back starting process of pumped storage unit

柔性光學(xué)TA傳變特性與頻率無關(guān)，可傳變直流分量，低頻時傳變也不失真，可準(zhǔn)確傳變低頻電流，因此可顯著提高變頻啟動過程中保護(hù)的可靠性。圖11為柔性光學(xué)TA與傳統(tǒng)電磁式TA在2Hz時的動模波形比較，柔性光學(xué)TA傳變準(zhǔn)確，電磁式TA飽和嚴(yán)重。

發(fā)電機(jī)-變壓器組保護(hù)采用柔性光學(xué)TA后，在變頻啟動全過程中電流均可準(zhǔn)確傳變，對于啟動過程保護(hù)特別是差動保護(hù)，機(jī)端和中性點電流傳變一致，差動不平衡電流很小，保護(hù)定值可大幅降低，顯著提高保護(hù)靈敏度，對于10Hz以下極低頻段，保護(hù)也無需閉鎖或抬高定值，保護(hù)靈敏度和可靠性可以兼顧。

7 結(jié)語

根據(jù)柔性光學(xué)TA在發(fā)電廠繼電保護(hù)上的應(yīng)用探索和經(jīng)驗積累，在以下幾個方面具有較好的應(yīng)用效果，可逐步進(jìn)行推廣和提高。

（1）柔性光學(xué)TA具有優(yōu)異的傳變性能，安裝方式靈活，受安裝空間限制少，可應(yīng)用于各類特殊場合。

（2）實現(xiàn)多重多種主保護(hù)配置，可進(jìn)一步提高常規(guī)發(fā)電機(jī)主保護(hù)性能，特別是隱極發(fā)電機(jī)，常規(guī)電磁式TA安裝受限，保護(hù)配置受到較大制約。

（3）實現(xiàn)轉(zhuǎn)子匝間故障監(jiān)測保護(hù)，及早發(fā)現(xiàn)小匝數(shù)短路故障，降低嚴(yán)重故障可能性。

（4）對于擴(kuò)大單元機(jī)組，實現(xiàn)定子接地保護(hù)的選擇性，避免非故障機(jī)組的無序跳閘，顯著降低電廠停電損失。

（5）精確測量核電站輔助變微小的勵磁電流，實現(xiàn)核電斷相監(jiān)測保護(hù)功能，解決了WANO提出的斷相導(dǎo)致停堆的嚴(yán)重事故風(fēng)險。

（6）對于抽水蓄能機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)組、新型調(diào)相機(jī)等機(jī)組，準(zhǔn)確傳變變頻啟動過程中電壓、電流等電氣量，提高變頻啟動過程保護(hù)可靠性和靈敏度，尤其是10Hz以下極低頻率段。