小议发电机的故障和装设原则

吴松

现代电力系统中，大容量发电机组所占的比重不断增加。由于采用了比较复杂的冷却方式，故障率提高；由于有效材料利用率提高使体积相对缩小，热容量相对降低，使承受过负荷的能力显著下降。因此，要不断改进和完善继电保护的功能，采取较为完善的保护配置方案，最大限度地保证电力系统安全运行，并将故障和不正常运行方式对电力系统的影响限制到最小范围。

1 发电机的内部故障。主要是由定子绕组和转子励磁绕组绝缘损坏所引起的，其具体故障形式有以下几种

1、定子绕组的相间短路

定子绕组的相间短路是危害发电机安全运行最严重的一种故障，短路点产生的电弧不但会损坏绝缘，而且可能烧坏定子铁芯和绕组，甚至引起火灾，给发电机的修复工作带来巨大的困难。

2、定子绕组一相匝间短路

大型发电机组的定子绕组多为双分支或多分支并联，同槽同相的线棒占相当大比例。在运行中这种故障发生的机会较少，但由于电磁力引起的振动使绝缘磨损，发生一相匝间短路的可能性仍存在。一旦发生一相匝间短路，则由于故障点的电流较大，将导致绝缘进一步损坏，因而伴随产生单相接地故障，并可能发展成相间短路故障，使发电机遭受严重损伤。

3、定子绕组的单相接地故障

接地点的故障电流是发电机及发电机电压网络连接元件的对地电容电流，当其大到一定程度并持续一定时间时，将损坏铁芯和绕组绝缘，甚至进一步引起匝间短路或相间短路。故应采取措施限制接地点的电流，并及时检测出定子绕组的接地故障。

4、励磁回路一点接地或两点接地故障

大型发电机组的励磁电压较高，水内冷励磁绕组对地绝缘水平较低，则当励磁绕组和外部回路一点接地时，由于一侧轴承对地绝缘，没有电流通过故障点，故可以继续运行。从安全方面考虑，带接地点运行的时间应尽量缩短，并尽快转移负荷，积极安排停机。如果再出现另一点接地时，将造成励磁回路短路，可能烧坏绕组和转子。两点接地时，由于转子的磁通对称性遭到破坏，发电机组将剧烈地振动，其故障性质是严重的，不宜继续运行，故要求励磁回路一点接地时发信号，两点接地时停机。

发电机的异常工作状态主要有以下几种：

1、外部短路及系统振荡引起过电流

发电机外部发生短路故障或振荡时，将引起定子绕组过电流；不平衡负载或外部不对称短路，将引起发电机的负序过电流。负序电流产生的旋转磁场将在转子上产生感应电流，增加了转子的附加损耗，为此可能产生转子过热现象。

2、定子绕组过负荷

正常运行时，如果负载电流超过了发电机的额定电流，将造成定子绕组的对称过负荷。

3、励磁回路过负荷

励磁回路发生故障，或强行励磁时间过长，将引起励磁回路的过负荷。

4、发电机失去励磁电流

励磁设备的故障，励磁绕组断线及自动灭磁开关误动作或误操作等原因，将造成失磁故障。这时，发电机将由系统中吸收大量无功功率，使系统电压降低，并有可能破坏系统的稳定运行。

5、水轮发电机定子绕组过电压

系统突然甩负荷；励磁系统故障和自引起发电机定子绕组电压异常升高。过电压将威胁发电机及其他电气设备绝缘的安全，使定子铁芯过饱和引起定子铁芯局部过热；使变压器过激磁引起铁芯过饱和而受到不良影响。

6、发电机逆功率运行

汽轮机主汽门已关闭，而发电机出口断路器尚未断开时，发电机将从系统吸取功率变为电动机。发电机逆功率对发电机没有什么危害，但对汽轮机，由于鼓风损失使其叶片过热，过热时间过长叶片可能损坏。

7、非全相运行

对于发电机—变压器组，其高压侧（如220千伏侧）断路器可能发生非全相合闸或非全相跳闸的情况。发电机非全相运行时将出现负序电流，直接危害发电机的安全运行，并可能引起相邻元件后备保护动作，导致扩大事故影响的范围。

2 发电机保护装设。根据发电机组的类型、容量的大小及重要性，对其可能发生的故障及异常运行方式，应装设下列相应的保护装置

1、反应发电机定子绕组及其引出线相间短路的纵联差动保护。1兆瓦以上的发电机应装设纵联差动保护，作为发电机的主保护，以反应发电机定子绕组及其引出线间的短路。并应采取措施减轻不平衡电流对纵联差动保护的影响，以降低其动作电流的整定值。如差动保护的动作电流整定值大于额定电流时，应装设电流回路断线监视装置，断线后动作于信号；如差动保护的动作电流整定值小于额定电流时，宜装设电流回路断线闭锁装置，断线后将差动保护解除，并发出信号。

对发电机—变压器组：当发电机与变压器之间有断路器时，发电机装设单独的差动保护。二者之间没有断路器时，100兆欧及以上的发电机，除整组共用差动保护外，发电机还应装设单独的差动保护。对于200兆欧及以上的汽轮发电机，为提高保护的快速性，宜采用双重快速保护（机端装设复合电流速断保护，或在变压器上增设单独的差动保护）。

对1兆欧及以下单独运行的发电机，如中性点有引出线，在中性点侧装设过电流保护；如中性点无引出线，在发电机端装设低电压保护，当发电机与系统并列运行时，应在发电机端装设电流速断保护，如果灵敏度不够，可装设差动保护。

2、反应发电机定子绕组单相接地故障的零序电流和零序电压保护

与母线直接联接的发电机（不考虑补偿作用），当单相接地故障电流大于允许值时，装设作用于跳闸的零序电流保护。在未装设单相接地保护，或接地保护的灵敏度不符合要求时，可利用接于母线上的绝缘监视装置动作于信号。

为了在发电机与系统并列前检查发电机定子绕组有无接地故障，应在极端装设测量零序电压的电压表。

对于发电机—变压器组，100兆瓦以下的发电机，应装设保护区不小于90%的定子接地保护，对100兆欧及以上的发电机，应装设保护区为100%的定子接地保护。

3、反应发电机定子绕组匝间短路的保护

定子绕组为星形联接，每组有并联分支，且中性点有引出端子的发电机，宜采用单继电器式横联差动保护。对于大型机组，由于结构限制而中性点侧各相只能引出一个出线端子時，也应装设专用的匝间短路保护，并作为定子绕组的开焊保护。

4、发电机过电流保护

反应发电机外部相间短路故障和作为发电机主保护后备的过电流保护。目前宜装设如下两种保护装置：

（1）复合电压起动的过电流保护；

（2）负序电流保护和单元件低电压起动过电流保护。1兆瓦及以下与系统并列运行的发电机，应装设过电流保护；

自并励发电机，宜采用低电压保持的过电流保护，也可采用低阻抗保护。

5、反应发电机定子绕组过电压的保护

对于水轮发电机应装设过电压保护；对于200兆瓦及以上的汽轮发电机，宜装设过电压保护。

6、断线保护

220兆瓦及以上的发电机，其机端和中性点侧的电流互感器，宜装设断线保护。为了快速消除发电机内部的故障，在保护装置动作于发电机跳闸的同时，还必须动作于灭磁开关，断开发电机的励磁回路。

根据发电机故障和异常运行方式的性质，各项保护装置动作可达到的目的有：

（1）停机。断开发电机断路器，关闭汽轮发电机的主汽门，或关闭水轮发电机的导水翼。（2）解列。断开发电机断路器，原动机甩负荷。（3）解列灭磁。断开发电机断路器、灭磁、原动机甩负荷。（4）减出力。减少原动机的输出功率。（5）母线解列。对双母线系统，断开母线联络断路器，缩小故障影响范围。（6）发信号。发出声光信号或光信号。