吳松

現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，大容量發(fā)電機組所占的比重不斷增加。由于采用了比較復(fù)雜的冷卻方式，故障率提高；由于有效材料利用率提高使體積相對縮小，熱容量相對降低，使承受過負(fù)荷的能力顯著下降。因此，要不斷改進(jìn)和完善繼電保護(hù)的功能，采取較為完善的保護(hù)配置方案，最大限度地保證電力系統(tǒng)安全運行，并將故障和不正常運行方式對電力系統(tǒng)的影響限制到最小范圍。

1 發(fā)電機的內(nèi)部故障。主要是由定子繞組和轉(zhuǎn)子勵磁繞組絕緣損壞所引起的，其具體故障形式有以下幾種

1、定子繞組的相間短路

定子繞組的相間短路是危害發(fā)電機安全運行最嚴(yán)重的一種故障，短路點產(chǎn)生的電弧不但會損壞絕緣，而且可能燒壞定子鐵芯和繞組，甚至引起火災(zāi)，給發(fā)電機的修復(fù)工作帶來巨大的困難。

2、定子繞組一相匝間短路

大型發(fā)電機組的定子繞組多為雙分支或多分支并聯(lián)，同槽同相的線棒占相當(dāng)大比例。在運行中這種故障發(fā)生的機會較少，但由于電磁力引起的振動使絕緣磨損，發(fā)生一相匝間短路的可能性仍存在。一旦發(fā)生一相匝間短路，則由于故障點的電流較大，將導(dǎo)致絕緣進(jìn)一步損壞，因而伴隨產(chǎn)生單相接地故障，并可能發(fā)展成相間短路故障，使發(fā)電機遭受嚴(yán)重?fù)p傷。

3、定子繞組的單相接地故障

接地點的故障電流是發(fā)電機及發(fā)電機電壓網(wǎng)絡(luò)連接元件的對地電容電流，當(dāng)其大到一定程度并持續(xù)一定時間時，將損壞鐵芯和繞組絕緣，甚至進(jìn)一步引起匝間短路或相間短路。故應(yīng)采取措施限制接地點的電流，并及時檢測出定子繞組的接地故障。

4、勵磁回路一點接地或兩點接地故障

大型發(fā)電機組的勵磁電壓較高，水內(nèi)冷勵磁繞組對地絕緣水平較低，則當(dāng)勵磁繞組和外部回路一點接地時，由于一側(cè)軸承對地絕緣，沒有電流通過故障點，故可以繼續(xù)運行。從安全方面考慮，帶接地點運行的時間應(yīng)盡量縮短，并盡快轉(zhuǎn)移負(fù)荷，積極安排停機。如果再出現(xiàn)另一點接地時，將造成勵磁回路短路，可能燒壞繞組和轉(zhuǎn)子。兩點接地時，由于轉(zhuǎn)子的磁通對稱性遭到破壞，發(fā)電機組將劇烈地振動，其故障性質(zhì)是嚴(yán)重的，不宜繼續(xù)運行，故要求勵磁回路一點接地時發(fā)信號，兩點接地時停機。

發(fā)電機的異常工作狀態(tài)主要有以下幾種：

1、外部短路及系統(tǒng)振蕩引起過電流

發(fā)電機外部發(fā)生短路故障或振蕩時，將引起定子繞組過電流；不平衡負(fù)載或外部不對稱短路，將引起發(fā)電機的負(fù)序過電流。負(fù)序電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場將在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生感應(yīng)電流，增加了轉(zhuǎn)子的附加損耗，為此可能產(chǎn)生轉(zhuǎn)子過熱現(xiàn)象。

2、定子繞組過負(fù)荷

正常運行時，如果負(fù)載電流超過了發(fā)電機的額定電流，將造成定子繞組的對稱過負(fù)荷。

3、勵磁回路過負(fù)荷

勵磁回路發(fā)生故障，或強行勵磁時間過長，將引起勵磁回路的過負(fù)荷。

4、發(fā)電機失去勵磁電流

勵磁設(shè)備的故障，勵磁繞組斷線及自動滅磁開關(guān)誤動作或誤操作等原因，將造成失磁故障。這時，發(fā)電機將由系統(tǒng)中吸收大量無功功率，使系統(tǒng)電壓降低，并有可能破壞系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

5、水輪發(fā)電機定子繞組過電壓

系統(tǒng)突然甩負(fù)荷；勵磁系統(tǒng)故障和自引起發(fā)電機定子繞組電壓異常升高。過電壓將威脅發(fā)電機及其他電氣設(shè)備絕緣的安全，使定子鐵芯過飽和引起定子鐵芯局部過熱；使變壓器過激磁引起鐵芯過飽和而受到不良影響。

6、發(fā)電機逆功率運行

汽輪機主汽門已關(guān)閉，而發(fā)電機出口斷路器尚未斷開時，發(fā)電機將從系統(tǒng)吸取功率變?yōu)殡妱訖C。發(fā)電機逆功率對發(fā)電機沒有什么危害，但對汽輪機，由于鼓風(fēng)損失使其葉片過熱，過熱時間過長葉片可能損壞。

7、非全相運行

對于發(fā)電機—變壓器組，其高壓側(cè)（如220千伏側(cè)）斷路器可能發(fā)生非全相合閘或非全相跳閘的情況。發(fā)電機非全相運行時將出現(xiàn)負(fù)序電流，直接危害發(fā)電機的安全運行，并可能引起相鄰元件后備保護(hù)動作，導(dǎo)致擴大事故影響的范圍。

2 發(fā)電機保護(hù)裝設(shè)。根據(jù)發(fā)電機組的類型、容量的大小及重要性，對其可能發(fā)生的故障及異常運行方式，應(yīng)裝設(shè)下列相應(yīng)的保護(hù)裝置

1、反應(yīng)發(fā)電機定子繞組及其引出線相間短路的縱聯(lián)差動保護(hù)。1兆瓦以上的發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)縱聯(lián)差動保護(hù)，作為發(fā)電機的主保護(hù)，以反應(yīng)發(fā)電機定子繞組及其引出線間的短路。并應(yīng)采取措施減輕不平衡電流對縱聯(lián)差動保護(hù)的影響，以降低其動作電流的整定值。如差動保護(hù)的動作電流整定值大于額定電流時，應(yīng)裝設(shè)電流回路斷線監(jiān)視裝置，斷線后動作于信號；如差動保護(hù)的動作電流整定值小于額定電流時，宜裝設(shè)電流回路斷線閉鎖裝置，斷線后將差動保護(hù)解除，并發(fā)出信號。

對發(fā)電機—變壓器組：當(dāng)發(fā)電機與變壓器之間有斷路器時，發(fā)電機裝設(shè)單獨的差動保護(hù)。二者之間沒有斷路器時，100兆歐及以上的發(fā)電機，除整組共用差動保護(hù)外，發(fā)電機還應(yīng)裝設(shè)單獨的差動保護(hù)。對于200兆歐及以上的汽輪發(fā)電機，為提高保護(hù)的快速性，宜采用雙重快速保護(hù)（機端裝設(shè)復(fù)合電流速斷保護(hù)，或在變壓器上增設(shè)單獨的差動保護(hù)）。

對1兆歐及以下單獨運行的發(fā)電機，如中性點有引出線，在中性點側(cè)裝設(shè)過電流保護(hù)；如中性點無引出線，在發(fā)電機端裝設(shè)低電壓保護(hù)，當(dāng)發(fā)電機與系統(tǒng)并列運行時，應(yīng)在發(fā)電機端裝設(shè)電流速斷保護(hù)，如果靈敏度不夠，可裝設(shè)差動保護(hù)。

2、反應(yīng)發(fā)電機定子繞組單相接地故障的零序電流和零序電壓保護(hù)

與母線直接聯(lián)接的發(fā)電機（不考慮補償作用），當(dāng)單相接地故障電流大于允許值時，裝設(shè)作用于跳閘的零序電流保護(hù)。在未裝設(shè)單相接地保護(hù)，或接地保護(hù)的靈敏度不符合要求時，可利用接于母線上的絕緣監(jiān)視裝置動作于信號。

為了在發(fā)電機與系統(tǒng)并列前檢查發(fā)電機定子繞組有無接地故障，應(yīng)在極端裝設(shè)測量零序電壓的電壓表。

對于發(fā)電機—變壓器組，100兆瓦以下的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)不小于90%的定子接地保護(hù)，對100兆歐及以上的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)保護(hù)區(qū)為100%的定子接地保護(hù)。

3、反應(yīng)發(fā)電機定子繞組匝間短路的保護(hù)

定子繞組為星形聯(lián)接，每組有并聯(lián)分支，且中性點有引出端子的發(fā)電機，宜采用單繼電器式橫聯(lián)差動保護(hù)。對于大型機組，由于結(jié)構(gòu)限制而中性點側(cè)各相只能引出一個出線端子時，也應(yīng)裝設(shè)專用的匝間短路保護(hù)，并作為定子繞組的開焊保護(hù)。

4、發(fā)電機過電流保護(hù)

反應(yīng)發(fā)電機外部相間短路故障和作為發(fā)電機主保護(hù)后備的過電流保護(hù)。目前宜裝設(shè)如下兩種保護(hù)裝置：

（1）復(fù)合電壓起動的過電流保護(hù)；

（2）負(fù)序電流保護(hù)和單元件低電壓起動過電流保護(hù)。1兆瓦及以下與系統(tǒng)并列運行的發(fā)電機，應(yīng)裝設(shè)過電流保護(hù)；

自并勵發(fā)電機，宜采用低電壓保持的過電流保護(hù)，也可采用低阻抗保護(hù)。

5、反應(yīng)發(fā)電機定子繞組過電壓的保護(hù)

對于水輪發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)過電壓保護(hù)；對于200兆瓦及以上的汽輪發(fā)電機，宜裝設(shè)過電壓保護(hù)。

6、斷線保護(hù)

220兆瓦及以上的發(fā)電機，其機端和中性點側(cè)的電流互感器，宜裝設(shè)斷線保護(hù)。為了快速消除發(fā)電機內(nèi)部的故障，在保護(hù)裝置動作于發(fā)電機跳閘的同時，還必須動作于滅磁開關(guān)，斷開發(fā)電機的勵磁回路。

根據(jù)發(fā)電機故障和異常運行方式的性質(zhì)，各項保護(hù)裝置動作可達(dá)到的目的有：

（1）停機。斷開發(fā)電機斷路器，關(guān)閉汽輪發(fā)電機的主汽門，或關(guān)閉水輪發(fā)電機的導(dǎo)水翼。（2）解列。斷開發(fā)電機斷路器，原動機甩負(fù)荷。（3）解列滅磁。斷開發(fā)電機斷路器、滅磁、原動機甩負(fù)荷。（4）減出力。減少原動機的輸出功率。（5）母線解列。對雙母線系統(tǒng)，斷開母線聯(lián)絡(luò)斷路器，縮小故障影響范圍。（6）發(fā)信號。發(fā)出聲光信號或光信號。