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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。
1.2 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 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
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,在發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
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.
[3] 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.
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。
1.2 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 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
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,在發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
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.
[3] 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.