1、1水轮发电机组保护的配置及特点分析摘 要: 大型水轮发电机具有单机价值高、非正常停机损失大、定转子额定电压高、发电机定子绕组中性点引出方式多样、定子绕组对地等效电容大、定子绕组三次谐波电压 匝电势分布复杂等特点，对其继电保护也提出了更高的要求。本文就水轮机方面的机械保护和发电机方面的电气保护入手,谈论了水轮发电机组保护的配置与特点,但无论怎样配置,都必须最终确保所配保护经济合理、动作可靠且故障时水轮发电机组遭受损害最小。 关键词:水轮发电机组;保护;配置特点 中图分类号：TM3 文献标识码：A 文章编号： 引言：随着水轮发电机组容量的日益增大和科学技术的迅猛发展,同时水轮发电机组又是水电厂中最
2、重要最贵重的设备,并且在整个电力系统中也起着十分重要的作用,因此,为了确保水轮发电机组安全、稳定、高效运行,必须对其配置合理完善及动作可靠的保护。 1 水轮机保护的配置与特点 1.1 在水轮机前面装设蝴蝶阀、球阀或快速闸门 当机组转速达额定转速的 140%时,立刻关闭蝴蝶阀、球阀或快速闸门,截断水流,使机组迅速停机,以缩短水轮机在过速或飞逸转速下运行的时间,起到对水轮机的保护作用。 21.2 水轮机调速器中装设事故配压阀 机组正常运行时,事故配压阀仅作为压力油的通道,使调速器主配压阀与接力器的管道接通;当机组甩负荷又遇调速系统故障时,事故配压阀动作,切断主配压阀与接力器的联系,而直接把压力油从
3、油压装置接入接力器,使接力器迅速关闭,实现机组紧急停机,防止机组在过速或飞逸转速下运行时间过长,起到对水轮机的保护作用。 1.3 剪断销保护装置 由剪断销及其信号器组成。水轮机导水机构的传动机构中,连接板和导叶臂之间是通过剪断销连接在一起的。正常情况下,导叶在动作过程中,剪断销有足够强度带动导叶转动,但当某导叶间有异物卡住时,导叶轴和导叶臂都不能动了,而连接板在叉头带动下转动,因而对剪断销产生剪切,当该剪切应力增加到正常操作应力的 1. 5 倍时,剪断销首先被剪断,该导叶脱离控制环,而其他导叶仍可正常转动,避免事故扩大。同时剪断销剪断后,使剪断销信号器的动合触点闭合,发出信号告诉运行人员。 1
4、.4 真空破坏阀 机组甩负荷或因其他故障紧急停机时,由于导叶迅速关闭,水流由于惯性作用继续向下游流去,在转轮室内产生很大真空。转轮室内尾水在压差的作用下,尾水水流又反流向转轮室冲击转轮叶片及支持盖。由于水击的作用,产生很大的冲击力,出现抬机现象,严重的会使机组出现破坏性事故。真空破坏阀,就是用来补气,以防止出现上述事故的辅助设施,以起到对水轮机的保护作用。 1.5 其他保护 3水轮机还设置有轴承温度升高、冷却水中断、事故低油压、顶盖水位升高、压油装置故障(包括油温、油位、油压、油质异常)、主轴密封水压异常等保护。 2 保护发电机的配置 2.1 发电机的故障类型和不正常运行状态 发电机故障类型主
5、要有:定子绕组相间短路;定子绕组一相的匝间短路;定子绕组单相接地;转子绕组一点接地或两点接地;转子励磁回路励磁电流消失。发电机不正常运行状态主要有:由于外部短路引起的定子绕组过电流;由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷;由外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过负荷;由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压;由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷等。 2.2 发电机保护的配置与特点针对上述故障类型和不正常运行状态,发电机应配置如下保护: 1)对 1MW 以上发电机的定子绕组及其引出线 的相间短路,应装设纵联差动保护。纵联差动保护是发电机内部相间短路的主保护,它能快速
6、而灵敏地切除内部所发生的故障;同时,在正常运行及外部故障时,又能保证动作的选择性和工作的可靠性。 2)对发电机定子绕组单相接地故障,当发电机电压网络的接地电容电流大于或等于 5A 时,应装设动作于跳闸的零序电流保护;当接地电容电流小于 5A 时,则装设作用于信号的接地保护。因为根据安全要求,发电机的外壳都是接地的,所以定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障就比较4普遍,为此,对容量在 100MW 及以上的发电机,应装设保护区为 100%的定子接地保护。 3)对于发电机定子绕组的匝间短路,当绕组接成星形且每相中又引出并联支路时,应装设横联差动保护。横联差动保护是利用两个并联支路电流之差的原理实现
7、对发电机绕组匝间短路的保护,并且它还能反应定子绕组上可能出现的分支开焊故障。 4)对于有对称负荷引起的发电机定子绕组过电流,应装设接于一相的过电流保护。 5)对于发电机绕组过电压,应装设带延时的过电压保护。 6)对于发电机励磁回路一般要装设一点接地保护,但小容量机组可采用定期检测装置。 7)对于发电机外部短路引起的过电流,若是 50MW 及以上的发电机,应装设复合电压启动的过电流保护;若是 1MW 以下的小发电机,则可只装设过电流保护。 8)对于由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流,一般在50MW 及以上的发电机应装设负序电流保护。负序电流保护是对由于定子绕组电流不平衡而引起转子过热
8、和防止振动加剧的一种保护,因此应作为发电机的主保护方式之一。 9)对于发电机励磁消失的故障,在发电机不允许失磁运行时,应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器,并且还应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护,以便及时发现失磁故障,并采取必要的措施,例如发出信号由运行人员及时处理、自动减负荷或动作于跳5闸等,以确保电力系统和发电机的安全。 10)对于转子回路的过负荷,必要时还应装设转子过负荷保护。 11)对于当电力系统振荡影响机组安全运行时,在 300MW 及以上的发电机组上还应增设失步保护。 2.3 发电机保护的基本要求 为了快速消除发电机内部的故障,在保护动作于发电机断路器跳
9、闸的同时,还必须动作于断开自动灭磁开关,断开发电机励磁回路,以使转子回路电流不会在定子绕组中再感应电势,继续供给短路电流,防止发电机被继续遭受进一步的破坏。因此,对动作于发电机断路器跳闸的保护,应满足如下基本要求: 2. 3. 1 可靠性 当发电机保护范围内发生应该保护动作的故障时,保护不应该拒绝动作,而在任何其他该保护不应该动作的情况下,则不应该误动作。 2. 3. 2 经济性 根据发电机在电力系统中的作用和地位权衡考虑保护的投资配置。 2. 3. 3 选择性 保护动作时,仅将发生故障的发电机从电力系统中切除,使停电范围尽量缩小,以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。 2. 3. 4 速
10、动性 发电机发生故障时,力求保护快速地切除故障,以提高电力系统并列运行的稳定性以及减少发电机的损坏程度。 2. 3. 5 灵敏性 6当发电机保护范围内发生故障或不正常运行状态时,保护都能敏锐感觉,正确反应。 3 水轮发电机组保护的基本任务 为了确保发生故障时水轮发电机组和电力系统遭受破坏最小,水轮发电机组配置的保护必须完成如下基本任务。1)真实而准确地反应水轮发电机组的不正常运行状态,并根据运行维护情况而动作于发信号、减负荷、跳闸或停机。2)自动、准确、迅速、可靠地切除水轮发电机组的故障,使其免于继续遭到破坏,保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。3) 大型水轮发电机转子接地保护宜采取单装置就地
11、安装在励磁 系统屏柜内，失磁保护所需的转子电压宜经变送器传变后再接入发电机保护装置。4) 发电机发生定子接地故障时，注入式定子接地保护动作停机后不能快速返回， 在动作于启动失灵时可靠性有所下降。5) 水轮发电机复压记忆过流保护不宜整定为动 作于跳母联断路器。 结语： 水轮发电机组是水电厂中最重要的动力设备,也是最贵重的电气元件,为了确保水轮发电机组安全、稳定、高效运行和保证电力系统的正常工作及电能质量,根据水轮发电机组的不同容量和在电力系统中所起的不同作用,就需对水轮发电机组配置相应不同的保护。 参考文献: 1 刘大恺.水轮机M.北京:中国水利水电出版社,1996. 2 蒋静华.水轮发电机组运行与维护M.北京:水利电力出版社, 1992. 73 马长贵.高压电网继电保护原理M.北京:水利电力出版社, 1987. 4 贺家李.电力系统继电保护原理M.北京:中国电力出版社, 1994.
