淺談小型水輪發(fā)電機的保護措施

王有帥

【摘要】本文主要闡述了小型水輪發(fā)電機的特點，保護特點及故障和不正常運行狀態(tài)，保護方式。

【關(guān)鍵詞】小型水輪發(fā)電機；特點；保護特點；故障；保護方式

小型水輪發(fā)電機是水電站的主設(shè)備之一，它能否安全、可靠地運行，將直接影響水電站乃至電力系統(tǒng)的安全運行，影響水電站和電力系統(tǒng)能否不間斷地對電力用戶供電小型水輪發(fā)電機的單機容量一般不超過6MW，目前已逐步擴大到8～12MW。

1. 小型水輪發(fā)電機的特點

（1）容量小。農(nóng)村水電站用的小型水輪發(fā)電機的單機容量由農(nóng)村水力資源而定，差異較 大，容量范圍常在幾十至6000KW之間，一類為400V出線電壓的低壓水輪發(fā)電機，另一類 為3～10kV出線電壓的高壓水輪發(fā)電機。低壓水輪發(fā)電機保護在《低壓水輪發(fā)電機運行與維修》一書中予以介紹，本書只討論高壓小型水輪發(fā)電機保護。

（2）電能質(zhì)量差。小型水輪發(fā)電機的自動化程度通常較低，自動調(diào)壓、調(diào)速裝置較簡單，性能也較差，因而電能質(zhì)量（電壓和頻率）難以保證。

（3）短路電流衰減快。由于目前小型水輪發(fā)電機廣泛采用結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉，運行維護方便的自并勵或直流側(cè)并聯(lián)的自復(fù)勵靜止勵磁方式（靜止二極管或靜止晶閘管供給勵磁），如圖1（a）所示。因此，在發(fā)電機機端或近處短路時，勵磁電源電壓將降低或消失，使穩(wěn)態(tài)短路電流的數(shù)值小于額定電流值，影響后備保護的可靠動作。一般對于動作時限超過0.5s的保護，應(yīng)采取“瞬時測定電流”的補救措施，如圖1 （b）所示。當(dāng)發(fā)電機機端或近處短路時，后備保護欠電壓過電流保護的電流測量元件KC啟動后，若因短路電流的降低而造成繼電器KC返回，則由并聯(lián)于該繼電器動合觸電KC的時間繼電器KT的瞬時動合觸點KT1替代之，以保證后背保滬的動作狀態(tài)。可見，時間繼電器的瞬時動合觸點KT1具有“瞬時測定電流”的作用。

勵磁方式和“順勢測定電流”接線圖（4）要防止突然甩負(fù)荷引起的過電壓。小型水輪發(fā)電機突然甩負(fù)荷時，由于水輪機進水閥不能立即關(guān)閉，而使水輪機轉(zhuǎn)速升高產(chǎn)生危險的過電壓，破壞定子繞組絕緣和燒毀單獨運行系統(tǒng)中的用電設(shè)備，故應(yīng)有相應(yīng)的保護措施。圖2為小型水輪發(fā)電機的過電壓保護示意圖，該保護測量元件過電壓繼電器KV> 的動作電壓一般為1.5～1.7Un。

（5）不能無勵磁運行小型水輪發(fā)電機因某種原因失去勵磁后，將轉(zhuǎn)入異步運行，在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生的差拍電流（或稱差頻電流）或電壓可能毀壞轉(zhuǎn)子繞組或擊穿勵磁裝置中的晶閘管。故小型水輪發(fā)電機一般不允許無勵磁運行。為此，應(yīng)有失磁保護裝置。圖3（a）為發(fā)電機的勵磁回路，圖3（b）為反應(yīng)滅磁開關(guān)誤分的最簡單的失磁保護。當(dāng)滅磁開關(guān)Qfd因某種原因誤分?jǐn)鄷r，其輔助動斷觸頭Qfd`3和Qfd`4返回閉合，起動時間繼電器KT，延時1～2s后分?jǐn)喟l(fā)電機的斷路器QF，延時目的是防止電力系統(tǒng)振蕩和發(fā)電機自同期時誤動作。

2. 小型水輪發(fā)電機的保護特點

小型發(fā)電機的保護和大、中型發(fā)電機一樣.也具有以下兩個基本特點：

（1）保護性能完善。同變壓器相比，發(fā)電機更昂貴。發(fā)電機發(fā)生故障后，修理費用大，檢修時間長，對用戶的影響大。若發(fā)電機內(nèi)部故障而引起鐵芯局部熔接，將使發(fā)電機的修復(fù)時間加長甚至無法修復(fù)而報廢。因此，對發(fā)電機的繼電保護裝置，在動作的快速性、反應(yīng)故障的靈敏性以及保護裝置本身的可靠性諸方面，都提出了更高的要求。故發(fā)電機必須裝設(shè)性能完善、能反映各種異常與故障狀態(tài)的繼電保護裝置。

（2）保護作用于“三分”發(fā)電機與變壓器不同，它是一種有源旋轉(zhuǎn)電氣設(shè)備。當(dāng)在它的內(nèi)部及引出線上發(fā)生故障時，僅分?jǐn)鄶嗦菲鱍F還不足以使其內(nèi)部的短路電流得到消除。這時只切斷了系統(tǒng)（或并列運行的其他發(fā)電機）供給點的短路電流，而不能切除發(fā)電機本身供給短路點的短路電流。所以在分?jǐn)鄶嗦菲鱍F的同時，還應(yīng)分?jǐn)鄤畲虐l(fā)回路中的自動滅磁開關(guān)QFD見圖3（a），并視其情況自動（或人工）停機，簡稱“三分”（即發(fā)電機出口斷路器分閘、自動滅磁開關(guān)。及水輪發(fā)電機停機）。只有這樣，.發(fā)電機定子繞組才不再產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和提供短路電流。中、小型水輪發(fā)電機，一般采用將發(fā)電機勵磁繞組LGE斷開，并接入滅磁電阻Rfd，的方法來進行滅磁，如圖3（a）所示。發(fā)電機勵磁回路的滅磁電阻RFD， 一般采用轉(zhuǎn)子繞組熱態(tài)電阻的4～5倍。

3. 發(fā)電機的故障和不正常運行狀態(tài)

3.1 發(fā)電機定子繞組因絕緣損壞引起的相間短路。發(fā)生這種故障時，短路電流很大，往往由于短路點產(chǎn)生的電弧會燒壞絕緣和鐵心，并將引起系統(tǒng)頻率和電壓的波動。

3.2 發(fā)電機定子繞組的匝間短路。發(fā)生這種故障時，也會導(dǎo)致絕緣和鐵心的破壞。

3.3 發(fā)電機定子繞組單相接地。一般電容電流小于5A，可繼續(xù)運行，但因接地處的電弧等原因，易使故障擴大成為相間短路，故需及時檢查及處理。若電容電流大于5A，電弧不容易熄滅，就會燒壞絕緣，甚至危及定子鐵心，造成嚴(yán)重后果。

3.4 發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地時，雖可繼續(xù)運行，但容易擴大為兩點接地故障，造成嚴(yán)重后果，故應(yīng)及時處理。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生兩點接地時，由于轉(zhuǎn)子勵磁繞組的部分線圈被兩個接地點短接掉，因此，氣隙磁勢的對稱性遭到破壞，將引起轉(zhuǎn)子的強烈振動，水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子是凸極式結(jié)構(gòu)，振動所產(chǎn)生的后果尤為嚴(yán)重。

3.5 發(fā)電機的失磁故障。

3.5.1 同步發(fā)電機在運行過程中，可能突然全部或部分地失去勵磁，引起失磁故障的原因有：勵磁回路開路（如：滅磁開關(guān)或整流裝置的自動開關(guān)誤跳開、斷線等）、短路或勵磁機的電樞和勵磁繞組故障所引起的勵磁電源消失等等。

3.5.2 發(fā)電機失磁后將引起不利的影響，主要是：

（1）失磁的發(fā)電機將從并列運行的系統(tǒng)中吸取大量的無功功率。若失磁前向系統(tǒng)送出無功功率為Q1，失磁后向系統(tǒng)吸取無功功率為Q2，則系統(tǒng)中會出現(xiàn)無功功率缺額Q= Q1+Q2，將導(dǎo)致母線電壓下降，系統(tǒng)電壓嚴(yán)重波動，甚至整個系統(tǒng)因電壓崩潰而瓦解，造成大面積停電。

（2）在重負(fù)荷下失磁后，發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩、有功功率要發(fā)生劇烈的周期性擺動，將產(chǎn)生危及發(fā)電機安全的機械力矩，發(fā)電機組受機械力矩的沖擊而發(fā)生震動。這種情況對水輪發(fā)電機組的影響尤為明顯；

（3）發(fā)電機進入異步運行狀態(tài)后，將在轉(zhuǎn)子和阻尼系統(tǒng)的勵磁繞組中產(chǎn)生差頻電流，引起附加溫升及局部高溫，危及轉(zhuǎn)子安全。所以水輪發(fā)電機不宜作異步運行。

3.6 過電壓。水輪發(fā)電機組的慣性較大。猶豫突然甩負(fù)荷（如發(fā)電機總開關(guān)跳閘）后，調(diào)速器動作遲緩，導(dǎo)葉來不及關(guān)閉，而使發(fā)電機轉(zhuǎn)速急劇升高，將引起危險的過電壓。特別是當(dāng)調(diào)速器失靈或強行減滅磁裝置拒動作時，則過電壓更加嚴(yán)重（可達(dá)2UGn以上）。

3.7 發(fā)電機的不正常運行狀況主要是過負(fù)荷。由于外部短路和過負(fù)荷引起的過電流將使發(fā)電機繞組過熱，長時間過負(fù)荷將加速絕緣的老化。

4. 小型水輪發(fā)電機的保護方式及保護裝設(shè)原則

小型發(fā)電機與大、中型發(fā)電機的主體結(jié)構(gòu)大致相似，保護方式也基本想通。小型水輪機電機保護裝置的復(fù)雜程度，則因其容量、重要程度不同而異。根據(jù)部頒《繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合小型水輪發(fā)電機的特點，反應(yīng)其定子、轉(zhuǎn)子部分可能出現(xiàn)的各種故障或異常狀態(tài)的保護方式有下述8種。

4.1 定子部分的保護。

4.1.1 主保護。小型水輪發(fā)電機的主保護用以反應(yīng)定子繞組及其引出線的相間短路故障，作用于“三分”，通常有以下3種：

（1）過電流保護。它適用于l00KW及以下單獨運行的小型低壓發(fā)電機。若發(fā)電機中性點側(cè)有分相引出線時，則裝設(shè)在中性點側(cè)，如圖4所示；若中性點側(cè)無引出線，則在發(fā)電機引出線的端部上裝設(shè)，但只能反應(yīng)引出線的短路，而不能反應(yīng)發(fā)電機內(nèi)部相間短路故障。這種保護方式在高壓水輪發(fā)電機中不采用。

（2）電流速斷保護。在800KW以下并列運行的小型水輪發(fā)電機機端上裝設(shè)。若靈敏度不能滿足要求時，則應(yīng)裝設(shè)發(fā)電機縱差保護。

（3）縱差保護。800KW及以上容量的小型水輪發(fā)電機，或者800KW以下的重要發(fā)電機均應(yīng)裝設(shè)縱差保護，800KW以下的一般發(fā)電機，當(dāng)電流速斷保護的靈敏度不能滿足要求時，也應(yīng)裝設(shè)縱差保護。作為小型水輪發(fā)電機的主保護，以防御發(fā)電機內(nèi)部定子繞組及其引出線相間短路。其動作范圍應(yīng)包括發(fā)電機及其與發(fā)電機出口斷路器之間的連接線（即構(gòu)成縱差保護的兩組電流互感器之間）。一組電流互感器應(yīng)裝在發(fā)電機中性點側(cè)分相引出線上，另一組電流互感器則裝在發(fā)電機引出線與斷路器之間。

4.1.2 后備保護。小型水輪發(fā)電機的后備保護以過電流保護為主，作為發(fā)電機內(nèi)、外部相間短路的后備，其裝置作用于延時分?jǐn)鄶嗦菲骱蜏绱砰_關(guān)（即“二分”）。此保護通常有以下3種：

（1）一般過電流保護，適用于800KW以下的小型水輪發(fā)電機。

（2）欠電壓起動的過電流保護，適用于800～3000KW、3～10KV出線電壓的小型水輪發(fā)電機。但當(dāng)穩(wěn)態(tài)短路電流小于額定電流且衰減速度快時，宜采取“瞬時測定電流”的措施。

（3） 負(fù)荷電壓起動的過電流保護，適用于3000KW以上、3～10KV出線的小型水輪發(fā)電機。在800KW以上的小型水輪發(fā)電機當(dāng)采用欠電壓過電流保護的電壓元件靈敏度不能滿足要求時也應(yīng)采用復(fù)合電壓過電流保護。

4.1.3 單相接地保護。單相接地保護反應(yīng)發(fā)電機定子繞組的單相接地故障。對于3一l0KV、接地電容電流大于或等于5A和400V的小型發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)作用于“二分”的零序電流保護；對于3一l0KV接地電容電流小于5A的小型發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)作用于信號的零序電壓保護。以上三種保護是反應(yīng)發(fā)電機故障狀態(tài)的。而以下3種保護則是反應(yīng)發(fā)電機異常運行狀態(tài)的。

4.1.4 過負(fù)荷保護。過負(fù)荷保護反應(yīng)發(fā)電機定子繞組過負(fù)荷引起的對稱過電流。為了防止發(fā)電機長期過負(fù)荷引起定子繞組的過熱，通常在定子一相上裝設(shè)過負(fù)荷保護裝置，延時作用于信號。運行人員得到過負(fù)荷信號后，應(yīng)及時調(diào)整發(fā)電機負(fù)荷。

4.1.5 解列保護。解列保護用于防止本廠于系統(tǒng)出現(xiàn)分同期合閘時發(fā)電機定子繞組中引起的過電流，作用于“二分”。

4.1.6 小型水輪發(fā)電機的過電壓保護。在小型水輪發(fā)電機上裝設(shè)過電壓保護，用以反應(yīng)發(fā)電機突然甩負(fù)荷時，定子繞組中引起的對稱過電壓，通常用一只過電壓繼電器裝設(shè)在線電壓上，延時作用于“二分”。對于發(fā)電機定子繞組匝間短路，至今還沒有比較完善的簡便保護方式，所以，小型水輪發(fā)電機一般均不裝設(shè)防御釘子繞組匝間短路的比較復(fù)雜的橫聯(lián)差動保護，而是利用定子三相電流表來監(jiān)視運行情況。

4.2 轉(zhuǎn)子部分的保護。

4.2.1 轉(zhuǎn)子一點接地保護。 轉(zhuǎn)子一點接地保護裝設(shè)在1000KW以上的小型水輪發(fā)電機上，用以反應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的一點接地故障。此故障并不形成故障電流，但它有發(fā)展成為兩點接地的危險，故應(yīng)作用于信號，以便運行人員予以酌情處理（人工停機或不停機）。對于1000KW及其以下的小型水輪發(fā)電機宜采用轉(zhuǎn)子一點接地定期檢測裝置（即轉(zhuǎn)子勵磁回路絕緣監(jiān)視裝置），而不專門裝設(shè)轉(zhuǎn)子一點接地保護。

4.2.2 小型水輪發(fā)電機的失磁保護。 失磁保護用以反映發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組勵磁電流消失或異常下降的故障，只用作分?jǐn)喟l(fā)電祖出口斷路器（即“一分”）。小型水輪發(fā)電機通常采用以下2種簡單的失磁保護：

（1）反應(yīng)勵磁開關(guān)Qfd誤分的失磁保護，適用于帶直流勵磁機的小型水輪發(fā)電機。

（2）反應(yīng)勵磁欠電流的失磁保護，適用于帶半導(dǎo)體勵磁裝置的小型水輪發(fā)電機。 小型水輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組的過負(fù)荷，可利用轉(zhuǎn)子電流表進行監(jiān)視。應(yīng)當(dāng)指出，發(fā)電機的故障狀態(tài)與異常狀態(tài)的概念，不同于輸電線路，因此保護裝置“分閘”與“發(fā)信號”的情況也不盡相同，即故障直接發(fā)生在發(fā)電機內(nèi)部者，稱為故障狀態(tài)；故障發(fā)生在發(fā)電機外部而由發(fā)電機保護反應(yīng)者，稱為異常狀態(tài)。

上述8種保護裝置電有些保護在前面各章中已有較詳細(xì)的分析，本章只介紹與線路保護、電力變壓器保護的區(qū)別之處，并較詳細(xì)介紹發(fā)電機所特有的幾種保護。例如，過負(fù)荷保護，與變壓器保護中介紹的基本相同，只是動作電流按躲過發(fā)電機的額定電流整定，過負(fù)簡保護與發(fā)電機的過電流保護合用一組電流互感器。過電流保護的動作電流按躲過發(fā)電機最大負(fù)菏電流（對一般過電流保護）整定或按躲過發(fā)電機額定電流（對欠壓過流和復(fù)臺過流）整定。電流繼電器接于發(fā)電機中中性點側(cè)分相引出線上裝設(shè)的一組電流互感器的二次側(cè)。過電流保護的動作時限與升壓變壓器的過電流保護動作時限相配合。