□胡平

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西咸陽712000

大容量并網(wǎng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障與保護(hù)分析*

□胡平

陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院陜西咸陽712000

大容量發(fā)電機(jī)是電能生產(chǎn)的主要設(shè)備，確保其運(yùn)行穩(wěn)定性至關(guān)重要。對大容量并網(wǎng)發(fā)電機(jī)內(nèi)部定子和轉(zhuǎn)子繞組常見故障進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)的保護(hù)措施，可供相關(guān)工作參考。

發(fā)電機(jī)對于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定工作有著決定性的作用，加之發(fā)電機(jī)本身造價成本高，所以保障發(fā)電機(jī)安全運(yùn)行尤為重要。在日常生產(chǎn)應(yīng)用中，應(yīng)針對發(fā)電機(jī)易發(fā)的故障和非正常運(yùn)行狀態(tài)設(shè)計對應(yīng)的保護(hù)裝置。發(fā)電機(jī)基于電磁感應(yīng)原理工作，根據(jù)外界驅(qū)動機(jī)理不同可分為多種類型。涉及到磁場，就不可避免地會有繞組線圈故障問題，發(fā)電機(jī)內(nèi)部的定子和轉(zhuǎn)子繞組為事故多發(fā)處。此外，發(fā)電機(jī)的本體并未發(fā)生故障，但由于其它設(shè)備問題或操作不當(dāng)?shù)纫鸩徽＿\(yùn)行，長此以往也會嚴(yán)重影響發(fā)電機(jī)自身的安全。

針對發(fā)電機(jī)可能發(fā)生的各種故障設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)措施，是非常有必要的。發(fā)電機(jī)的保護(hù)配置原則是：故障時，將損失減到最??；非正常運(yùn)行方式時，在利用發(fā)電機(jī)充分出力的前提下確保其自身安全[1-3]。

1 定子繞組故障分析與保護(hù)

1.1 縱差保護(hù)

縱差保護(hù)的原理是比較線路始末兩端的電流大小和相位，電流大小和相位能夠反映發(fā)電機(jī)相間與線路中的短路故障。三相縱差保護(hù)裝置由分相差動元件連接在定子繞組之間構(gòu)成，當(dāng)發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行或者發(fā)生的故障在保護(hù)區(qū)外時，差動元件檢測到的差動電流為接近零的某一值，此時不會引起保護(hù)裝置動作；當(dāng)定子繞組發(fā)生短路故障時，始末兩端的電流會產(chǎn)生較大的電流差，從而引起保護(hù)裝置動作。

根據(jù)分相差動元件在繞組中始末兩端所連接的位置不同，可以分為完全縱差保護(hù)和不完全縱差保護(hù)，如圖1所示，圖中Ja、Jb、Jc表示發(fā)電機(jī)三相對應(yīng)的分相差動元件。

圖1 發(fā)電機(jī)三相縱差保護(hù)

比較以上兩種保護(hù)方式，完全縱差保護(hù)設(shè)備中，分相差動元件連接在繞組兩側(cè)，流經(jīng)的電流是對應(yīng)接入相的相電流，但不能完全反映出該相定子繞組之間的短路情況，分相差動元件兩側(cè)的電流互感器性能完全一樣，受系統(tǒng)波動影響較??；不完全縱差保護(hù)設(shè)備中，分相差動元件中流入的是繞組中某一分支電流，能夠準(zhǔn)確反映出繞組的匝間短路，但是由于兩側(cè)的電流互感器性能不完全一樣，因此比較容易受系統(tǒng)波動影響。

1.2 橫差保護(hù)

對于同相相同支路的匝間短路或同相不同支路的匝間短路來說，縱差保護(hù)下流經(jīng)發(fā)電機(jī)定子端和中性點的相電流I1、I2依然相等，不能起到保護(hù)作用。在這一情況下，發(fā)電機(jī)橫差保護(hù)能很好地解決這個問題，其接入回路如圖2所示，將橫差元件分別接在發(fā)電機(jī)三相對應(yīng)的定子繞組兩個分支上的電流互感器兩側(cè)。

圖2 單相橫差保護(hù)接入回路

由圖2可知兩組電流互感器中的線圈與繞組線圈的極性相反，在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行的情況下，一次電流相等，流經(jīng)橫差元件的電流為接近零的某一值。當(dāng)定子繞組發(fā)生故障時，互感器中兩側(cè)電流i1、i2不相等，引起橫差保護(hù)裝置動作。

1.3 定子單相接地保護(hù)

發(fā)電機(jī)在長期運(yùn)行下及發(fā)生故障狀態(tài)時會導(dǎo)致繞組中絕緣材料老化或損壞，嚴(yán)重時將會發(fā)生單相接地故障，設(shè)備中帶電導(dǎo)體與接地的鐵心之間會產(chǎn)生電場，相當(dāng)于一個電容器，發(fā)生單相接地時會產(chǎn)生電容電流。當(dāng)機(jī)端發(fā)生這一情況時，對地的電壓最大，產(chǎn)生的電流也就最大，在故障點有可能產(chǎn)生電弧導(dǎo)致繞組過壓，對發(fā)電機(jī)定子系統(tǒng)造成破壞。

在圖3中，單相定子繞組中某點發(fā)生接地故障，該點到中性點的距離為α，則機(jī)端對地電壓為（1-α）UA，線路中便會同時存在正序、負(fù)序和零序電壓，利用式（1）可計算零序電壓的大?。?/p>

圖3 單相定子繞組接地

若發(fā)生單相接地故障，那么正常的兩相電壓相等，線路中的零序電壓和接地點的位置呈線性關(guān)系，如圖4所示。

圖4 零序電壓大小與接地故障點位置關(guān)系

由圖4可知，零序電壓與接地故障點距中性點位置呈正比,機(jī)端發(fā)生接地故障時，零序電壓最大；接地故障點越接近中性點，零序電壓越小，保護(hù)越不靈敏。零序電壓保護(hù)能夠?qū)Ζ粒?5%L（L為機(jī)端至中性點的距離）范圍內(nèi)的單相接地故障作出反應(yīng)[4]。

接地時的最大電容電流為：

式中：Ue為機(jī)端電壓；Xc為發(fā)電機(jī)對地容抗。

發(fā)電機(jī)的安全接地電容電流指長期流過接地點而不損壞定子鐵心的最大電流。對于不同電壓等級或不同容量的發(fā)電機(jī)而言，安全接地電容電流也不同，電壓越高或容量越大，安全接地電容電流則越小。對容量為100 MW及以上的發(fā)電機(jī)，應(yīng)裝設(shè)100%無死區(qū)定子接地保護(hù)[5-7]。

各種類型發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，均會產(chǎn)生三次諧波電勢，在額定工況下，發(fā)電機(jī)的三次諧波電壓可能超過其額定電壓的5%。發(fā)電機(jī)定子繞組對地有分布電容，因此在發(fā)電機(jī)定子繞組及對地分布電容構(gòu)成的回路中將流過三次諧波電流，從而在機(jī)端及中性點對地之間產(chǎn)生三次諧波電壓[8]。正常運(yùn)行的狀態(tài)下，發(fā)電機(jī)中性點側(cè)的三次諧波電壓UN3總是大于機(jī)端的三次諧波電壓US3，當(dāng)發(fā)生單相繞組接地故障時，三次諧波電壓與接地故障點位置的關(guān)系如圖5所示，圖5中E3為電動勢。

圖5 三次諧波電壓與接地故障點位置關(guān)系

由圖5可以看出，當(dāng)單相接地故障靠近中性點時，保護(hù)靈敏度較高，所以利用三次諧波電壓構(gòu)成的接地保護(hù)能夠?qū)Ζ粒?0%L范圍內(nèi)的單相接地故障作出反應(yīng)。為了組成大容量發(fā)電機(jī)無死區(qū)的定子繞組單相接地保護(hù)，可以利用零序電壓動作和三次諧波電壓動作構(gòu)成的接地保護(hù)組合。

2 轉(zhuǎn)子繞組故障分析與保護(hù)

轉(zhuǎn)子繞組故障類型如下。

（1）繞組一點接地或兩點接地故障。發(fā)生一點接地時，系統(tǒng)中不能形成回路；而兩點接地時的狀況相當(dāng)于短路狀態(tài)，會存在非常大的短路電流，從而造成磁場畸變。

（2）勵磁回路的電流急劇下降或為零。這將會引起發(fā)電機(jī)失磁，進(jìn)一步會發(fā)生失步，從而引起系統(tǒng)電壓下降，甚至可能會使系統(tǒng)崩潰。

2.1 轉(zhuǎn)子失磁保護(hù)

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行狀況下，轉(zhuǎn)子通電后勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生磁場。轉(zhuǎn)子在外部做功的條件下以同步的速度旋轉(zhuǎn)，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)磁場在切割定子繞組，定子繞組便會產(chǎn)生感應(yīng)電流I，并向外部傳輸。發(fā)電機(jī)通過輸電線路與電網(wǎng)負(fù)荷連接，如圖6所示。圖6中Ed為發(fā)電機(jī)產(chǎn)出的電動勢，XdΣ為輸電線路的等值阻抗，Uc為電網(wǎng)系統(tǒng)電壓。

圖6 發(fā)電機(jī)并網(wǎng)運(yùn)行圖

根據(jù)圖6還可畫出并網(wǎng)發(fā)電機(jī)電動勢Ed與電網(wǎng)系統(tǒng)電壓Uc的矢量關(guān)系，如圖7所示。圖7中φ為功率因數(shù)角，δ為功角，UT為發(fā)電機(jī)運(yùn)行電壓，jIXd為電樞反應(yīng)電抗壓降，jI（XT+XL）為直軸和交軸電抗壓降。

圖7 發(fā)電機(jī)電動勢與電網(wǎng)負(fù)荷電壓矢量關(guān)系圖

由圖7可以得出：

兩邊同乘以Uc：

式中：P為發(fā)電機(jī)輸出功率。

由式（4）可繪制功角與功率之間的曲線圖，如圖8所示。

圖8 功角與功率的特性曲線

當(dāng)功角增大為90°時，發(fā)電機(jī)的輸出功率達(dá)到峰值Pm，隨后便隨著功角的增大而減小。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生失磁后，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流及氣隙磁通衰減，磁場的大小發(fā)生改變，發(fā)電機(jī)的感應(yīng)電動勢大小也會隨之改變。為保持輸入與輸出之間的功率平衡，需要增大功角，當(dāng)功角增大到180°時，發(fā)電機(jī)便發(fā)生失步運(yùn)行。

失磁情況下的保護(hù)具有以下要求：①能夠快速、準(zhǔn)確地檢測出失磁；②能夠?qū)κТ盼：M(jìn)行判別；③能夠自動處理，躲避異常運(yùn)行能力強(qiáng)[9]。針對以上狀況，要在轉(zhuǎn)子傳輸路線中采用低阻抗元件及轉(zhuǎn)子低電壓元件構(gòu)成的失磁保護(hù)，兩元件之間為邏輯與的關(guān)系，同時動作便可感知發(fā)電機(jī)失磁。機(jī)端電壓互感器發(fā)生斷路時，失磁保護(hù)發(fā)生閉鎖，其保護(hù)邏輯框圖如圖9所示。圖9中t1為跳閘時間，t2為切換廠用電時間。

圖9 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子失磁保護(hù)邏輯圖

2.2 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組及勵磁系統(tǒng)之間的絕緣材料發(fā)生損壞時，轉(zhuǎn)子繞組容易發(fā)生接地短路故障。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點接地時，不會對發(fā)電機(jī)造成太大危害，但是當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)兩點接地或者匝間短路時，會形成閉合的回路，將產(chǎn)生很大的短路電流，影響發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行[10]。

針對發(fā)電機(jī)的一點接地保護(hù)主要采用附加直流電源的方式，其工作原理是：在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的某一點與發(fā)電機(jī)軸之間加一個直流電壓Ud，通過計算輸出的電流值大小來判斷轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣性能是否正常，如圖10所示。圖10中Ip為故障電流，R為對地電阻。

圖10 外加直流電源保護(hù)原理圖

正常運(yùn)行工況時，轉(zhuǎn)子繞組或勵磁回路不與地接通，外加直流電壓沒有形成通路，則不會有電流產(chǎn)生。當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組某點處發(fā)生接地故障時，該部分的轉(zhuǎn)子繞組和接地電阻與發(fā)電機(jī)軸一起構(gòu)成回路，產(chǎn)生故障電流。接地電阻阻值越小，電流就越大，這一保護(hù)裝置的優(yōu)點在于不會受發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的影響。

轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)主要是對定子電壓中的二次諧波序量進(jìn)行測量并進(jìn)行接地保護(hù)，其構(gòu)成原理為：在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時，定子電壓中只存在基波很小的奇次諧波，因為氣隙磁通空間分布的對稱性，將其按傅里葉級數(shù)方式展開，不存在偶次諧波，所以在定子繞組中不會有偶次諧波電勢生成；當(dāng)發(fā)電機(jī)的絕緣性能遭到破壞，轉(zhuǎn)子繞組中某處發(fā)生了兩點接地短路故障時，勵磁系統(tǒng)會受到影響，氣隙磁通的均勻性不再平衡，定子繞組中就會產(chǎn)生偶數(shù)次諧波電壓。轉(zhuǎn)子接地保護(hù)邏輯框圖如圖11所示，圖11中t0為信號輸出時間。

3 結(jié)束語

大容量發(fā)電機(jī)的內(nèi)部故障保護(hù)是一個涉及多可能性、突發(fā)性的工程問題，對所設(shè)置保護(hù)裝置的合理性、安全性及反應(yīng)能力都提出了很高的要求，筆者所述故障保護(hù)基于科學(xué)理論，在實際工程中已有所應(yīng)用。當(dāng)然，未來還需要不斷優(yōu)化保護(hù)設(shè)計，提出更加高效、合理、可靠的發(fā)電機(jī)主保護(hù)配置方案。

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（編輯：丁罡）

Large-capacity generators are the main equipment for power production,there is crucial importance to guarantee its stable operation.The common faults of stator and rotor windings in large capacity grid-con nected gener ators were anal yzed and the corresponding protective measures were put forward for reference.

發(fā)電機(jī)；定子；轉(zhuǎn)子；故障

Generator；Stator；Rotor；Fault

TH123；TM307

A

1672-0555（2017）02-008-05

*全國新能源專業(yè)指導(dǎo)委員會項目（編號：XNY2016005）；中國職業(yè)技術(shù)教育協(xié)會科研規(guī)劃項目（編號：201628Y02）

2017年1月

胡平（1973—），男，博士，高級工程師，主要從事電廠自動化控制系統(tǒng)優(yōu)化研究工作。