水輪發電機組保護若干技術問題探討

裴文明 茍宏軍

摘要：本文針對水輪發電機組保護若干問題進行了探討，包括水輪發電機組保護及征訂研究的現狀，對水電站水輪發電機組運行設備的定期檢修分析，以及對水電站水輪機組運行設備的狀態檢修進行分析。

關鍵詞：現狀；檢修；狀態檢修

1.前言

我們具有豐富的水資源，是大力推動水電事業發展的先天條件，水輪發電機起著至關重要的作用，所以需要對水輪發電機配置完善的繼電保護。

2.水輪發電機組保護及整定研究現狀

水輪發電機通常與主變壓器形成單元連接形成變壓器聯動系統，需要按照變壓器-傳動組保護設計和配置的一般原則進行保護和配置。目前，針對發電機繼電保護的配置形成了多種典型的配置方案。

水力發電機不僅具有各種故障，而且還具有各種不正常的運行條件。因此，水力發電機的保護可能多達十幾種。每種保護類型都針對故障或不正常的運行條件。明確分工，相互配合，確保發電機組安全穩定運行。發電機的故障主要包括發電機定子側的故障和轉子側的故障。定子側的故障包括繞組之間的相間故障，匝間故障和定子繞組中的單相接地故障。轉子側故障包括轉子繞組的一點接地和轉子繞組的兩點接地故障以及轉子勵磁回路的故障。發電機的異常運行狀態主要包括以下狀態：定子繞組因外部短路而導致的過電流；由于外部非對稱短路和不對稱，發電機的負序過流和過載；對稱過載引起的過載；甩負荷造成的過電壓；勵磁回路過大或勵磁時間過長會導致勵磁繞組過載。

以下是基于故障和異常操作條件的一般發電機保護配置列表：

1）針對定子繞組之間短路的差動保護。

2）防止定子繞組匝間短路，如零序保護和縱向零序電壓保護。

3）為保護定子單相接地故障，如基波的零序電壓保護和三次諧波的零序電壓保護，共同構成100%定子單相接地保護。

4）防止轉子單點和雙點接地故障，如乒乓開關轉子接地保護。

5）低勵磁磁故障的低勵磁保護。

6）發電機外部故障不及時后備用保護，如復合電壓引起的過流保護。

7）定子過載保護，防止定子繞組過載。

8）由于非對稱操作引起的負序過電流的負序過流保護。

9）過電壓或低頻過激勵引起的過勵磁保護。

10）逆功率運行時渦輪葉片的逆功率保護受損。

11）發電機的其他異常運行情況，如頻率異常，失步運行和其他頻率保護和失步保護的配置。

2.2水輪發電機的保護設計與整定問題

除了考慮發電機中可能發生的各種故障和異常運行條件之外，在水輪發電機的保護配置設計中還有許多因素需要考慮。例如，發電機的容量，發電機的結構（繞組結構等）；發電機的中性點接地，無論是配電變壓器接地還是高阻或滅弧線圈接地；發生器的勵磁系統是他的。勵磁也是自諧振的；保護裝置中使用的電壓互感器和電流互感器的類型和安裝位置。這些影響了保護的具體配置和設定計算工作中固定值的確定。

另外，水力發電機的一個重要特征是定子繞組通常具有多個分支并且其內部故障是多種多樣的。配置針對這些各種內部故障的完整主保護并不容易。根據發電機定子繞組結構復雜，形成內部故障的故障集是發電機內部故障模擬的重要問題之一。準確有效的內部故障模擬計算可為主保護設定計算提供可靠依據，并有助于靈敏度驗證。對于其他保護，還需要進行設置計算和靈敏度檢查，以確保發電機根據發電機的具體條件和運行條件安全穩定地運行。如果設置值不合適，會導致保護失效或拒收率增加，嚴重影響發電機的正常運行。

3.水電站水輪機組運行設備的定期檢修分析

定期檢修制度具有一定的科學性，并且已經有了大量的關于機組運行的數據。經過認真詳細的分析和總結，根據單元運行失敗的時間間隔來確定維護和修理周期。一般情況下，水輪發電機組的檢修要盡可能在干燥季節安排，發電機組的損失可以通過損失小時數降至最低。對于電網來說，只要有足夠的剩余容量，一些單位會被徹底檢修。這很好。

另一方面，由于時間充足，綜合考慮各種條件，定期維護和大修可以處理水輪發電機組的一些不可檢測的缺陷，例如：空化磨損，機械聯軸器的螺栓斷裂和流道水。建筑物受損等。如果在雨季發現這些缺陷計劃進行維護，發電量的損失將會增加。

因此，在干燥季節對機組進行大修時，一般的小故障和缺陷需要重新處理，而在汛期，機組可以產生更多的動力，產生更少的動力，并獲得更大的經濟效益。定期進行維護和大修，有計劃，有針對性地進行維護和維修管理工作，但要掌握長期運行設備的損壞，維護和更換周期往往是困難的。

4.水電站水輪機組運行設備的狀態檢修分析

水輪發電機組的所謂條件檢修（或稱診斷和修理）是使用計算機監控系統對水輪發電機組的運行狀態和參數進行全面記錄，監控，檢測，分析和預測。發現設備運行異常時，科學判斷或診斷，并提供可靠的報告作為水輪發電機組檢修的依據。此時，水輪發電機組進行大修，以確保機組安全穩定。只要計算機的所有傳感元件都是可靠的，檢測到的數據是真實的，并且在重要部件中配置兩用自動感測元件。即使自動感應元件發生故障，計算機監控專家系統也可以做出準確的判斷。處理不會影響設備的安全操作。

為了實現水輪發電機組的狀態檢測和檢修，必須事先確定一個標準。當設備狀態改變達到或超過此標準時，確定設備將被檢修。嚴格來說，每個設備和每個設備的每個參數或索引都需要標準化。機械振動評估的標準是判斷機組的振動程度和是否需要檢修。判斷標準有兩個條件：一是設備的綜合指標。個別指標是指示設備狀態的基礎，需要逐一制定。個別指標超過標準限值，需要重新檢修；綜合指標是指單個設備或組件的多個指標，也指一個組合設備的多個指標，如一個單位。振動，汽蝕，軸承等。其次是設備的單個指示器。最終，哪些指標決定了維護或決策維護的規模取決于具體情況。

當導致狀態變化的原因，機制和影響因素得到正確認識和判斷時，可以使用自動檢查和維護。即由狀態診斷專家進行的系統診斷分析決定是否需要維護，但自動方法的使用必須具備完整，完整的狀態診斷專家系統，否則只有工程師才能根據所提供的數據確定是否進行檢修監控系統以及檢修和大修技術的內容。這也是各種水電站廣泛使用的方法，并且根據狀態診斷方法也可以不同。為了實現分階段實施，即首先執行手動狀態診斷模式，同時積累用于自動模式狀態診斷的經驗和數據；當技術各方面都成熟時，實現自動模式狀態診斷。

從以上可以看出，現狀檢修仍處于國內水電系統的初級階段。它還不成熟，缺乏經驗，還有很多研究工作要做。我們必須對此有清晰的認識。定期維護已經進行了很多年。對水輪發電機組進行有條件的檢修也是有風險的。如果沒有按照預期執行基于狀態的維護，可能會有許多意想不到的后果。安全第一是確保經濟效益的先決條件。

5.結束語

隨著水利事業的發展，水輪發電機組已經成為水利發電的主要力量，但是水輪發電機組結構復雜、價格昂貴，所以要根據水輪發電機組的特性進行檢修。

參考文獻：

[1]戴建民，何其偉，潘仁秋，陳俊.特大型水電機組發變組保護配置方案的探討[A].中國水力發電工程學會繼電保護專業委員會.2016

[2]王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用[M].北京：中國電力出版社，2016.