庄新福
（新疆伊犁州水利电力勘测设计研究院新疆伊宁835000）
【摘要】小型水轮发电机是水电站的主设备之一，它能否安全、可靠地运行，将直接影响水电站乃至电力系统的安全运行，本文着重阐述了小型水轮发电机的特点及保护方式。
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关键词 小型水轮发电机；特点；保护特点；故障；保护方式
小型水轮发电机是水电站的主设备之一，它能否安全、可靠地运行，将直接影响水电站乃至电力系统的安全运行，影响水电站和电力系统能否不间断地对电力用户供电小型水轮发电机的单机容量一般不超过6MW，目前已逐步扩大到8~12MW。
1. 小型水轮发电机的特点
（1)容量小。农村水电站用的小型水轮发电机的单机容量由农村水力资源而定，差异较大，容量范围常在几十至6000kW之间，一类为400V出线电压的低压水轮发电机，另一类为3~10kV出线电压的高压水轮发电机。低压水轮发电机保护在《低压水轮发电机运行与维修》一书中予以介绍，本书只讨论高压小型水轮发电机保护。
(2)电能质量差。小型水轮发电机的自动化程度通常较低，自动调压、调速装置较简单，性能也较差，因而电能质量（电压和频率）难以保证。
(3)短路电流衰减快。由于目前小型水轮发电机广泛采用结构简单、造价低廉，运行维护方便的自并励或直流侧并联的自复励静止励磁方式（静止二极管或静止晶闸管供给励磁），如图1（a）所示。因此，在发电机机端或近处短路时，励磁电源电压将降低或消失，使稳态短路电流的数值小于额定电流值，影响后备保护的可靠动作。一般对于动作时限超过0.5s的保护，应采取“瞬时测定电流”的补救措施，如图1 (b)所示。当发电机机端或近处短路时，后备保护欠电压过电流保护的电流测量元件KC启动后，若因短路电流的降低而造成继电器KC返回，则由并联于该继电器动合触电KC的时间继电器KT的瞬时动合触点KT1替代之，以保证后背保沪的动作状态。可见，时间继电器的瞬时动合触点KT1具有“瞬时测定电流”的作用。
（4）要防止突然甩负荷引起的过电压。小型水轮发电机突然甩负荷时，由于水轮机进水阀不能立即关闭，而使水轮机转速升高产生危险的过电压，破坏定子绕组绝缘和烧毁单独运行系统中的用电设备，故应有相应的保护措施。图2为小型水轮发电机的过电压保护示意图，该保护测量元件过电压继电器KV> 的动作电压一般为1.5~1.7Un。
(5)不能无励磁运行小型水轮发电机因某种原因失去励磁后，将转入异步运行，在转子绕组中产生的差拍电流（或称差频电流）或电压可能毁坏转子绕组或击穿励磁装置中的晶闸管。故小型水轮发电机一般不允许无励磁运行。为此，应有失磁保护装置。图3（a）为发电机的励磁回路，图3(b)为反应灭磁开关误分的最简单的失磁保护。当灭磁开关Qfd因某种原因误分断时，其辅助动断触头Qfd`3和Qfd`4返回闭合，起动时间继电器KT，延时1~2s后分断发电机的断路器QF，延时目的是防止电力系统振荡和发电机自同期时误动作。
2. 小型水轮发电机的保护特点
小型发电机的保护和大、中型发电机一样．也具有以下两个基本特点：
（1）保护性能完善。同变压器相比，发电机更昂贵。发电机发生故障后，修理费用大，检修时间长，对用户的影响大。若发电机内部故障而引起铁芯局部熔接，将使发电机的修复时间加长甚至无法修复而报废。因此，对发电机的继电保护装置，在动作的快速性、反应故障的灵敏性以及保护装置本身的可靠性诸方面，都提出了更高的要求。故发电机必须装设性能完善、能反映各种异常与故障状态的继电保护装置。
（2）保护作用于“三分”发电机与变压器不同，它是一种有源旋转电气设备。当在它的内部及引出线上发生故障时，仅分断断路器QF还不足以使其内部的短路电流得到消除。这时只切断了系统（或并列运行的其他发电机）供给点的短路电流，而不能切除发电机本身供给短路点的短路电流。所以在分断断路器QF的同时，还应分断励磁发回路中的自动灭磁开关QFD【见图3（a）】，并视其情况自动（或人工）停机，简称“三分”（即发电机出口断路器分闸、自动灭磁开关。及水轮发电机停机）。只有这样，．发电机定子绕组才不再产生感应电动势和提供短路电流。中、小型水轮发电机，一般采用将发电机励磁绕组LGE断开，并接入灭磁电阻Rfd，的方法来进行灭磁，如图3（a）所示。
发电机励磁回路的灭磁电阻RFD， 一般采用转子绕组热态电阻的4~5倍。
3. 发电机的故障和不正常运行状态
3.1发电机定子绕组因绝缘损坏引起的相间短路。发生这种故障时，短路电流很大，往往由于短路点产生的电弧会烧坏绝缘和铁心，并将引起系统频率和电压的波动。
3.2发电机定子绕组的匝间短路。发生这种故障时，也会导致绝缘和铁心的破坏。
3.3发电机定子绕组单相接地。一般电容电流小于5A，可继续运行，但因接地处的电弧等原因，易使故障扩大成为相间短路，故需及时检查及处理。若电容电流大于5A，电弧不容易熄灭，就会烧坏绝缘，甚至危及定子铁心，造成严重后果。
3.4发电机转子一点接地时，虽可继续运行，但容易扩大为两点接地故障，造成严重后果，故应及时处理。当转子发生两点接地时，由于转子励磁绕组的部分线圈被两个接地点短接掉，因此，气隙磁势的对称性遭到破坏，将引起转子的强烈振动，水轮发电机的转子是凸极式结构，振动所产生的后果尤为严重。
3.5发电机的失磁故障。
3.5.1同步发电机在运行过程中，可能突然全部或部分地失去励磁，引起失磁故障的原因有：励磁回路开路（如：灭磁开关或整流装置的自动开关误跳开、断线等）、短路或励磁机的电枢和励磁绕组故障所引起的励磁电源消失等等。
3.5.2发电机失磁后将引起不利的影响，主要是：
（1）失磁的发电机将从并列运行的系统中吸取大量的无功功率。若失磁前向系统送出无功功率为Q1，失磁后向系统吸取无功功率为Q2，则系统中会出现无功功率缺额Q= Q1＋Q2，将导致母线电压下降，系统电压严重波动，甚至整个系统因电压崩溃而瓦解，造成大面积停电。
（2）在重负荷下失磁后，发电机的转矩、有功功率要发生剧烈的周期性摆动，将产生危及发电机安全的机械力矩，发电机组受机械力矩的冲击而发生震动。这种情况对水轮发电机组的影响尤为明显；
（3）发电机进入异步运行状态后，将在转子和阻尼系统的励磁绕组中产生差频电流，引起附加温升及局部高温，危及转子安全。所以水轮发电机不宜作异步运行。
3.6过电压。水轮发电机组的惯性较大。犹豫突然甩负荷（如发电机总开关跳闸）后，调速器动作迟缓，导叶来不及关闭，而使发电机转速急剧升高，将引起危险的过电压。特别是当调速器失灵或强行减灭磁装置拒动作时，则过电压更加严重（可达2UGn以上）。
3.7发电机的不正常运行状况主要是过负荷。由于外部短路和过负荷引起的过电流将使发电机绕组过热，长时间过负荷将加速绝缘的老化。
4. 小型水轮发电机的保护方式及保护装设原则
小型发电机与大、中型发电机的主体结构大致相似，保护方式也基本想通。小型水轮机电机保护装置的复杂程度，则因其容量、重要程度不同而异。
根据部颁《继电保护和安全自动装置技术规程》的有关规定，结合小型水轮发电机的特点，反应其定子、转子部分可能出现的各种故障或异常状态的保护方式有下述8种。
4.1定子部分的保护。
4.1.1主保护
小型水轮发电机的主保护用以反应定子绕组及其引出线的相间短路故障，作用于“三分”，通常有以下3种：
(1)过电流保护。它适用于l00kW及以下单独运行的小型低压发电机。若发电机中性点侧有分相引出线时，则装设在中性点侧，如图4所示；若中性点侧无引出线，则在发电机引出线的端部上装设，但只能反应引出线的短路，而不能反应发电机内部相间短路故障。这种保护方式在高压水轮发电机中不采用。
（2）电流速断保护。在800kW以下并列运行的小型水轮发电机机端上装设。若灵敏度不能满足要求时，则应装设发电机纵差保护。
（3）纵差保护。800kW及以上容量的小型水轮发电机，或者800kW以下的重要发电机均应装设纵差保护，800kW以下的一般发电机，当电流速断保护的灵敏度不能满足要求时，也应装设纵差保护。作为小型水轮发电机的主保护，以防御发电机内部定子绕组及其引出线相间短路。其动作范围应包括发电机及其与发电机出口断路器之间的连接线（即构成纵差保护的两组电流互感器之间）。一组电流互感器应装在发电机中性点侧分相引出线上，另一组电流互感器则装在发电机引出线与断路器之间。
4.1.2后备保护。
小型水轮发电机的后备保护以过电流保护为主，作为发电机内、外部相间短路的后备，
其装置作用于延时分断断路器和灭磁开关（即“二分”）。此保护通常有以下3种：
（1） 一般过电流保护，适用于8OOkW以下的小型水轮发电机。
（2） 欠电压起动的过电流保护，适用于800~3000KW、3~10KV出线电压的小型水轮发电机。但当稳态短路电流小于额定电流且衰减速度快时，宜采取“瞬时测定电流”的措施。
（3） 负荷电压起动的过电流保护，适用于3000KW以上、3~10KV出线的小型水轮发电机。在800KW以上的小型水轮发电机当采用欠电压过电流保护的电压元件灵敏度不能满足要求时也应采用复合电压过电流保护。
4.1.3单相接地保护。
单相接地保护反应发电机定子绕组的单相接地故障。对于3一lOkV、接地电容电流大于或等于5A和400V的小型发电机，应装设作用于“二分”的零序电流保护；对于3一lOkV接地电容电流小于5A的小型发电机，应装设作用于信号的零序电压保护。
以上三种保护是反应发电机故障状态的。而以下3种保护则是反应发电机异常运行状态的。
4.1.4过负荷保护。
过负荷保护反应发电机定子绕组过负荷引起的对称过电流。为了防止发电机长期过负荷引起定子绕组的过热，通常在定子一相上装设过负荷保护装置，延时作用于信号。运行人员得到过负荷信号后，应及时调整发电机负荷。
4.1.5解列保护。
解列保护用于防止本厂于系统出现分同期合闸时发电机定子绕组中引起的过电流，作用于“二分”。
4.1.6小型水轮发电机的过电压保护。
在小型水轮发电机上装设过电压保护，用以反应发电机突然甩负荷时，定子绕组中引起的对称过电压，通常用一只过电压继电器装设在线电压上，延时作用于“二分”。
对于发电机定子绕组匝间短路，至今还没有比较完善的简便保护方式，所以，小型水轮发电机一般均不装设防御钉子绕组匝间短路的比较复杂的横联差动保护，而是利用定子三相电流表来监视运行情况。
4.2转子部分的保护。
4.2.1转子一点接地保护。
转子一点接地保护装设在1000kW以上的小型水轮发电机上，用以反应发电机转子绕组的一点接地故障。此故障并不形成故障电流，但它有发展成为两点接地的危险，故应作用于信号，以便运行人员予以酌情处理（人工停机或不停机）。对于1OOOkW及其以下的小型水轮发电机宜采用转子一点接地定期检测装置（即转子励磁回路绝缘监视装置），而不专门装设转子一点接地保护。
4.2.2小型水轮发电机的失磁保护。
4.2.2.1失磁保护用以反映发电机转子绕组励磁电流消失或异常下降的故障，只用作分断发电祖出口断路器（即“一分”）。小型水轮发电机通常采用以下2种简单的失磁保护：
(1）反应励磁开关Qfd误分的失磁保护，适用于带直流励磁机的小型水轮发电机。
(2)反应励磁欠电流的失磁保护，适用于带半导体励磁装置的小型水轮发电机。
4.2.2.2小型水轮发电机的转子绕组的过负荷，可利用转子电流表进行监视。应当指出，发电机的故障状态与异常状态的概念，不同于输电线路，因此保护装置“分闸”与“发信号”的情况也不尽相同，即故障直接发生在发电机内部者，称为故障状态；故障发生在发电机外部而由发电机保护反应者，称为异常状态。
上述8种保护装置电有些保护在前面各章中已有较详细的分析，本章只介绍与线路保
护、电力变压器保护的区别之处，并较详细介绍发电机所特有的几种保护。例如，过负荷保护，与变压器保护中介绍的基本相同，只是动作电流按躲过发电机的额定电流整定，过负简
保护与发电机的过电流保护合用一组电流互感器。过电流保护的动作电流按躲过发电机最大
负菏电流（对一般过电流保护）整定或按躲过发电机额定电流（对欠压过流和复台过流）整
定。电流继电器接于发电机中中性点侧分相引出线上装设的一组电流互感器的二次侧。过电流保护的动作时限与升压变压器的过电流保护动作时限相配合。
［文章编号］1006-7619（2014）12-12-930