水电站变压器保护的原理及发展探究

周 江

（国电四川民和水电投资有限公司 四川 成都 610041）

0 引言

经过半个多世纪的努力，我国线路保护在理论、装置制造和运行管理等方面都有了较高水平，但是元件保护却不尽如人意，其研究、运行以及管理都与线路保护有较大差距。随着三峡左岸发电机的并网发电和一批大型或特大型水电站的开工建设，发电机组单机容量朝着越来越大的趋势发展，300MW及以上的大型发电机组已成为我国系统的主力设备。这些大型设备在各个基层厂站中能否可靠稳定地运行，对整个电站乃至系统的安全稳定性具有非常重要的影响。因此，如何在熟悉保护原理的基础上对大型发电机变压器进行合理的保护配置和正确的整定计算以及提高元件保护的运行水平已成为一个十分重要的课题。

1 大型发电机变压器保护的现状及问题

大型发电机变压器是电力系统重要组成部分，其保护的拒动或者误动均将造成十分严重的后果。发电机变压器运行特点和故障机理远较线路复杂，其期待解决和完善的问题较多。

1990～1993年期间，220kV及以上主网保护的正确动作率在93.2%～94.28%，1994～1996年全国正确动作率平均达96.96%，其中10个网省局已达98.2%及以上。相对于主网保护，发变组保护远没有那么乐观。在96年的全国继电保护工作会议上专家指出，发电机变压器保护的正确动作率普遍偏低，有的甚至30%～40%，最多不到70%。

1998～2002年间，随着微机保护的不断成熟以及大量推广应用，发电机保护(含发变组)运行水平提高较快，保护不正确动作次数逐年减少，正确动作率不断提高，运行情况得到较大好转。100MW及以上发电机保护的平均正确动作率为96.98%。

2003年100MW及以上发电机保护正确动作率为97.02%，比2002年的正确动作率(98.32%)下降了1.3个百分点。其中，差动保护和接地保护的不正确动作次数较多。2004年全国电网交流系统全部继电保护装置正确动作率为99.88%。元件保护装置正确动作率为90.16%，比2003年的正确动作率90.43%下降了0.27%。

造成发电机保护不正确动作的主要原因有运行维护管理方面的责任，有制造部门的责任，以及设计部门的责任等。其中误整定是造成这种局面的一个重要原因。

2 发电机变压器保护原理

电力变压器是电力系统中使用相当普遍和十分重要的电气设备，故障后将给系统运行带来严重后果。根据继电保护配置原则，变压器应装设主保护和后备保护。当主保护或有关断路器拒动时，后备保护装置应为被保护设备或相邻设备提供后备保护作用。后备保护的保护区比主保护大，动作速度较慢，一般以过电流保护为主，配以其他电气量作为辅助判据。后备保护要求较主保护低。

2.1 变压器主保护

变压器差动保护是变压器的主保护。差动原理用于变压器保护违反了差动保护只适用于被保护设备仅为线性电路的基本原理，使空载合闸励磁涌流与内部故障难以区分。因此变压器保护的发展史也就成为了一部变压器励磁涌流鉴别技术发展史。随着超高压输电线路长度的增加、静止无功补偿容量的增大以及变压器硅钢片材料的改进，励磁涌流的识别问题变得更为突出。

目前普遍采用的是比例制动方式和标积制动方式的差动保护来防止外部短路时不平衡电流所造成的误动，两种制动方式在原理上是完全统一的。对于防止励磁涌流导致误动的问题，目前应用较多的方案是电流波形特征识别法。该方法以励磁涌流和内部故障电流波形特征的差异为依据，主要有二次谐波制动原理和间断角原理差动保护。

另外，随着人们研究领域的逐步扩大，研究层次的逐渐加深，产生的若干新兴学科也为判别励磁涌流提供了新的手段，其中有代表性的是神经网络和小波变换。然而，就目前发表的文献看，这些新兴手段也只是局限于对电流波形进行一些简单的加工，所以仍属于电流波形特征识别法的范畴。

2.2 变压器后备保护及相关问题探讨

随着变压器主保护的研究不断取得进展，变压器后备保护的研究和应用也日益引起人们的重视。对于变压器后备保护来说，由于变压器结构型式多样，运行环境不尽相同，对后备保护的配置存在不同应用要求。变压器短路故障后备保护主要包括相间短路后备保护和接地短路后备保护。

1）变压器相间短路后备保护

（1）过流保护

用于降压变压器，动作电流应考虑电动机自启动和变压器可能出现最大过负荷时不误动。

微机变压器差动保护应当双重化，两套主保护互为后备，于是过流保护对变压器内部故障的后备作用淡化，但还有对中、低压母线及馈线故障的后备保护作用，所以过流保护还是必需的。

（2）复压闭锁过流保护

复合电压闭锁元件是利用正序低电压和负序过电压反映系统故障防止保护误动作的对称序电压测量元件。

（3）负序过流保护和单相式低压启动过流保护

对于大型变压器或大型发电机变压器组常配置负序过流保护和单相式低压启动过流保护作为相间短路后备保护以满足保护的灵敏度要求，尤其是满足变压器在不对称短路时后备保护的灵敏度要求。

2）变压器接地短路后备保护

变压器高压（110kV及以上）侧单相接地短路应装设后备保护，作为变压器高压绕组和相邻元件接地故障主保护的后备。

220kV及以上的大型变压器，高压绕组均为分级绝缘，其中性点绝缘水平有2种类型：一类绝缘水平很低，其中性点必须直接接地运行；另一类绝缘水平较高，中性点可直接接地，也可在系统中不失去接地点的情况下不接地运行。当系统发生接地短路时，变压器中性点就将承受中性点对地电压、为了限制系统接地故障的短路容量和零序电流的水平，也为了接地保护本身的需要，有必要将220kV变压器的部分中性点不接地运行。

3 结论

发电机变压器保护原理多而复杂，而且随着电力系统的不断发展，这些保护也面临着机组及系统容量增大、电压等级升高等许多新的问题。计算机及其相关技术的发展为继电保护解决这些问题提供了广阔前景；新的数学工具的出现，新的控制技术的不断成熟，使得元件保护在原理上和实现上将比传统保护有更多的创新和进展；信号处理、人工智能等相关科学的不断进步，新的测量手段、技术的应用，也将使继电保护的性能得到极大的提高：元件保护必然因此向智能化、网络化方向高速发展。

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