小議發電機的故障和裝設原則

吳松

現代電力系統中，大容量發電機組所占的比重不斷增加。由于采用了比較復雜的冷卻方式，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，使承受過負荷的能力顯著下降。因此，要不斷改進和完善繼電保護的功能，采取較為完善的保護配置方案，最大限度地保證電力系統安全運行，并將故障和不正常運行方式對電力系統的影響限制到最小范圍。

1 發電機的內部故障。主要是由定子繞組和轉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電機安全運行最嚴重的一種故障，短路點產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，給發電機的修復工作帶來巨大的困難。

2、定子繞組一相匝間短路

大型發電機組的定子繞組多為雙分支或多分支并聯，同槽同相的線棒占相當大比例。在運行中這種故障發生的機會較少，但由于電磁力引起的振動使絕緣磨損，發生一相匝間短路的可能性仍存在。一旦發生一相匝間短路，則由于故障點的電流較大，將導致絕緣進一步損壞，因而伴隨產生單相接地故障，并可能發展成相間短路故障，使發電機遭受嚴重損傷。

3、定子繞組的單相接地故障

接地點的故障電流是發電機及發電機電壓網絡連接元件的對地電容電流，當其大到一定程度并持續一定時間時，將損壞鐵芯和繞組絕緣，甚至進一步引起匝間短路或相間短路。故應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

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

發電機的異常工作狀態主要有以下幾種：

1、外部短路及系統振蕩引起過電流

發電機外部發生短路故障或振蕩時，將引起定子繞組過電流；不平衡負載或外部不對稱短路，將引起發電機的負序過電流。負序電流產生的旋轉磁場將在轉子上產生感應電流，增加了轉子的附加損耗，為此可能產生轉子過熱現象。

2、定子繞組過負荷

正常運行時，如果負載電流超過了發電機的額定電流，將造成定子繞組的對稱過負荷。

3、勵磁回路過負荷

勵磁回路發生故障，或強行勵磁時間過長，將引起勵磁回路的過負荷。

4、發電機失去勵磁電流

勵磁設備的故障，勵磁繞組斷線及自動滅磁開關誤動作或誤操作等原因，將造成失磁故障。這時，發電機將由系統中吸收大量無功功率，使系統電壓降低，并有可能破壞系統的穩定運行。

5、水輪發電機定子繞組過電壓

系統突然甩負荷；勵磁系統故障和自引起發電機定子繞組電壓異常升高。過電壓將威脅發電機及其他電氣設備絕緣的安全，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、發電機逆功率運行

汽輪機主汽門已關閉，而發電機出口斷路器尚未斷開時，發電機將從系統吸取功率變為電動機。發電機逆功率對發電機沒有什么危害，但對汽輪機，由于鼓風損失使其葉片過熱，過熱時間過長葉片可能損壞。

7、非全相運行

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

2 發電機保護裝設。根據發電機組的類型、容量的大小及重要性，對其可能發生的故障及異常運行方式，應裝設下列相應的保護裝置

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

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

對1兆歐及以下單獨運行的發電機，如中性點有引出線，在中性點側裝設過電流保護；如中性點無引出線，在發電機端裝設低電壓保護，當發電機與系統并列運行時，應在發電機端裝設電流速斷保護，如果靈敏度不夠，可裝設差動保護。

2、反應發電機定子繞組單相接地故障的零序電流和零序電壓保護

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

為了在發電機與系統并列前檢查發電機定子繞組有無接地故障，應在極端裝設測量零序電壓的電壓表。

對于發電機—變壓器組，100兆瓦以下的發電機，應裝設保護區不小于90%的定子接地保護，對100兆歐及以上的發電機，應裝設保護區為100%的定子接地保護。

3、反應發電機定子繞組匝間短路的保護

定子繞組為星形聯接，每組有并聯分支，且中性點有引出端子的發電機，宜采用單繼電器式橫聯差動保護。對于大型機組，由于結構限制而中性點側各相只能引出一個出線端子時，也應裝設專用的匝間短路保護，并作為定子繞組的開焊保護。

4、發電機過電流保護

反應發電機外部相間短路故障和作為發電機主保護后備的過電流保護。目前宜裝設如下兩種保護裝置：

（1）復合電壓起動的過電流保護；

（2）負序電流保護和單元件低電壓起動過電流保護。1兆瓦及以下與系統并列運行的發電機，應裝設過電流保護；

自并勵發電機，宜采用低電壓保持的過電流保護，也可采用低阻抗保護。

5、反應發電機定子繞組過電壓的保護

對于水輪發電機應裝設過電壓保護；對于200兆瓦及以上的汽輪發電機，宜裝設過電壓保護。

6、斷線保護

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

根據發電機故障和異常運行方式的性質，各項保護裝置動作可達到的目的有：

（1）停機。斷開發電機斷路器，關閉汽輪發電機的主汽門，或關閉水輪發電機的導水翼。（2）解列。斷開發電機斷路器，原動機甩負荷。（3）解列滅磁。斷開發電機斷路器、滅磁、原動機甩負荷。（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，斷開母線聯絡斷路器，縮小故障影響范圍。（6）發信號。發出聲光信號或光信號。