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）要防止突然甩負荷引起的過電壓。小型水輪發(fā)電機突然甩負荷時，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。當滅磁開關(guān)Qfd因某種原因誤分斷時，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后分斷發(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。當在它的內(nèi)部及引出線上發(fā)生故障時，僅分斷斷路器QF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。所以在分斷斷路器QF的同時，還應(yīng)分斷勵磁發(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，造成嚴重后果，故應(yīng)及時處理。當轉(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，則過電壓更加嚴重（可達2UGn以上）。

3.7 發(fā)電機的不正常運行狀況主要是過負荷。由于外部短路和過負荷引起的過電流將使發(fā)電機繞組過熱，長時間過負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斷斷路器和滅磁開關(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 過負荷保護。過負荷保護反應(yīng)發(fā)電機定子繞組過負荷引起的對稱過電流。為了防止發(fā)電機長期過負荷引起定子繞組的過熱，通常在定子一相上裝設(shè)過負荷保護裝置，延時作用于信號。運行人員得到過負荷信號后，應(yīng)及時調(diào)整發(fā)電機負荷。

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，只用作分斷發(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)子繞組的過負荷，可利用轉(zhuǎn)子電流表進行監(jiān)視。應(yīng)當指出，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，并較詳細介紹發(fā)電機所特有的幾種保護。例如，過負荷保護，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。