大容量并網發電機內部故障與保護分析*

□胡平

陜西工業職業技術學院陜西咸陽712000

大容量并網發電機內部故障與保護分析*

□胡平

陜西工業職業技術學院陜西咸陽712000

大容量發電機是電能生產的主要設備，確保其運行穩定性至關重要。對大容量并網發電機內部定子和轉子繞組常見故障進行了分析，并提出相應的保護措施，可供相關工作參考。

發電機對于電力系統的穩定工作有著決定性的作用，加之發電機本身造價成本高，所以保障發電機安全運行尤為重要。在日常生產應用中，應針對發電機易發的故障和非正常運行狀態設計對應的保護裝置。發電機基于電磁感應原理工作，根據外界驅動機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，發電機內部的定子和轉子繞組為事故多發處。此外，發電機的本體并未發生故障，但由于其它設備問題或操作不當等引起不正常運行，長此以往也會嚴重影響發電機自身的安全。

針對發電機可能發生的各種故障設置相應的保護措施，是非常有必要的。發電機的保護配置原則是：故障時，將損失減到最小；非正常運行方式時，在利用發電機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

1.1 縱差保護

縱差保護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電機相間與線路中的短路故障。三相縱差保護裝置由分相差動元件連接在定子繞組之間構成，當發電機正常運行或者發生的故障在保護區外時，差動元件檢測到的差動電流為接近零的某一值，此時不會引起保護裝置動作；當定子繞組發生短路故障時，始末兩端的電流會產生較大的電流差，從而引起保護裝置動作。

根據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和不完全縱差保護，如圖1所示，圖中Ja、Jb、Jc表示發電機三相對應的分相差動元件。

圖1 發電機三相縱差保護

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

1.2 橫差保護

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，縱差保護下流經發電機定子端和中性點的相電流I1、I2依然相等，不能起到保護作用。在這一情況下，發電機橫差保護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電機三相對應的定子繞組兩個分支上的電流互感器兩側。

圖2 單相橫差保護接入回路

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，在發電機正常運行的情況下，一次電流相等，流經橫差元件的電流為接近零的某一值。當定子繞組發生故障時，互感器中兩側電流i1、i2不相等，引起橫差保護裝置動作。

1.3 定子單相接地保護

發電機在長期運行下及發生故障狀態時會導致繞組中絕緣材料老化或損壞，嚴重時將會發生單相接地故障，設備中帶電導體與接地的鐵心之間會產生電場，相當于一個電容器，發生單相接地時會產生電容電流。當機端發生這一情況時，對地的電壓最大，產生的電流也就最大，在故障點有可能產生電弧導致繞組過壓，對發電機定子系統造成破壞。

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

圖3 單相定子繞組接地

若發生單相接地故障，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系，如圖4所示。

圖4 零序電壓大小與接地故障點位置關系

由圖4可知，零序電壓與接地故障點距中性點位置呈正比,機端發生接地故障時，零序電壓最大；接地故障點越接近中性點，零序電壓越小，保護越不靈敏。零序電壓保護能夠對α＞15%L（L為機端至中性點的距離）范圍內的單相接地故障作出反應[4]。

接地時的最大電容電流為：

式中：Ue為機端電壓；Xc為發電機對地容抗。

發電機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電機而言，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及以上的發電機，應裝設100%無死區定子接地保護[5-7]。

各種類型發電機運行時，均會產生三次諧波電勢，在額定工況下，發電機的三次諧波電壓可能超過其額定電壓的5%。發電機定子繞組對地有分布電容，因此在發電機定子繞組及對地分布電容構成的回路中將流過三次諧波電流，從而在機端及中性點對地之間產生三次諧波電壓[8]。正常運行的狀態下，發電機中性點側的三次諧波電壓UN3總是大于機端的三次諧波電壓US3，當發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系

由圖5可以看出，當單相接地故障靠近中性點時，保護靈敏度較高，所以利用三次諧波電壓構成的接地保護能夠對α＜50%L范圍內的單相接地故障作出反應。為了組成大容量發電機無死區的定子繞組單相接地保護，可以利用零序電壓動作和三次諧波電壓動作構成的接地保護組合。

2 轉子繞組故障分析與保護

轉子繞組故障類型如下。

（1）繞組一點接地或兩點接地故障。發生一點接地時，系統中不能形成回路；而兩點接地時的狀況相當于短路狀態，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。這將會引起發電機失磁，進一步會發生失步，從而引起系統電壓下降，甚至可能會使系統崩潰。

2.1 轉子失磁保護

發電機正常運行狀況下，轉子通電后勵磁系統產生磁場。轉子在外部做功的條件下以同步的速度旋轉，相當于旋轉磁場在切割定子繞組，定子繞組便會產生感應電流I，并向外部傳輸。發電機通過輸電線路與電網負荷連接，如圖6所示。圖6中Ed為發電機產出的電動勢，XdΣ為輸電線路的等值阻抗，Uc為電網系統電壓。

圖6 發電機并網運行圖

根據圖6還可畫出并網發電機電動勢Ed與電網系統電壓Uc的矢量關系，如圖7所示。圖7中φ為功率因數角，δ為功角，UT為發電機運行電壓，jIXd為電樞反應電抗壓降，jI（XT+XL）為直軸和交軸電抗壓降。

圖7 發電機電動勢與電網負荷電壓矢量關系圖

由圖7可以得出：

兩邊同乘以Uc：

式中：P為發電機輸出功率。

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

當功角增大為90°時，發電機的輸出功率達到峰值Pm，隨后便隨著功角的增大而減小。當發電機發生失磁后，發電機轉子電流及氣隙磁通衰減，磁場的大小發生改變，發電機的感應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，當功角增大到180°時，發電機便發生失步運行。

失磁情況下的保護具有以下要求：①能夠快速、準確地檢測出失磁；②能夠對失磁危害進行判別；③能夠自動處理，躲避異常運行能力強[9]。針對以上狀況，要在轉子傳輸路線中采用低阻抗元件及轉子低電壓元件構成的失磁保護，兩元件之間為邏輯與的關系，同時動作便可感知發電機失磁。機端電壓互感器發生斷路時，失磁保護發生閉鎖，其保護邏輯框圖如圖9所示。圖9中t1為跳閘時間，t2為切換廠用電時間。

圖9 發電機轉子失磁保護邏輯圖

2.2 轉子接地保護

當發電機的轉子繞組及勵磁系統之間的絕緣材料發生損壞時，轉子繞組容易發生接地短路故障。當轉子繞組發生一點接地時，不會對發電機造成太大危害，但是當轉子繞組出現兩點接地或者匝間短路時，會形成閉合的回路，將產生很大的短路電流，影響發電機的安全運行[10]。

針對發電機的一點接地保護主要采用附加直流電源的方式，其工作原理是：在發電機轉子繞組的某一點與發電機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 外加直流電源保護原理圖

正常運行工況時，轉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，則不會有電流產生。當轉子繞組某點處發生接地故障時，該部分的轉子繞組和接地電阻與發電機軸一起構成回路，產生故障電流。接地電阻阻值越小，電流就越大，這一保護裝置的優點在于不會受發電機運行工況的影響。

轉子兩點接地保護主要是對定子電壓中的二次諧波序量進行測量并進行接地保護，其構成原理為：在發電機正常運行時，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；當發電機的絕緣性能遭到破壞，轉子繞組中某處發生了兩點接地短路故障時，勵磁系統會受到影響，氣隙磁通的均勻性不再平衡，定子繞組中就會產生偶數次諧波電壓。轉子接地保護邏輯框圖如圖11所示，圖11中t0為信號輸出時間。

3 結束語

大容量發電機的內部故障保護是一個涉及多可能性、突發性的工程問題，對所設置保護裝置的合理性、安全性及反應能力都提出了很高的要求，筆者所述故障保護基于科學理論，在實際工程中已有所應用。當然，未來還需要不斷優化保護設計，提出更加高效、合理、可靠的發電機主保護配置方案。

[1]謝應璞.電機學[M].成都:四川大學出版社，1994.

[2]關建軍.大型汽輪發電機轉子繞組匝間短路故障的診斷研究[J].大電機技術，2003（2）：18-22.

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[5]張保會，尹項根.電力系統繼電保護[M].北京：中國電力出版社，2005.

[6]桂林，王祥珩，孫宇光，等.大型發電機主保護配置方案的優化設計[J].清華大學學報（自然科學版），2005，45（1）：141-144.

[7]史世文.大機組繼電保護[M].北京：水利電力出版社，1987.

[8]屠黎明，胡敏強，肖仕武，等.發電機定子繞組內部故障分析方法[J].電力系統自動化，2001，25（17）:47-52.

[9]徐興國.發電機定子繞組接地故障查找方法原因分析與處理措施[J].湖南水利水電，2016（2）：88-89，99.

[10]王維儉，張學深，田開華，等.電氣主設備縱差保護的進展[J].繼電器，2000,28（5）：6-8.

（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.

發電機；定子；轉子；故障

Generator；Stator；Rotor；Fault

TH123；TM307

A

1672-0555（2017）02-008-05

*全國新能源專業指導委員會項目（編號：XNY2016005）；中國職業技術教育協會科研規劃項目（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優化研究工作。