大容量并网发电机内部故障与保护分析*

□胡平

陕西工业职业技术学院陕西咸阳712000

大容量并网发电机内部故障与保护分析*

□胡平

陕西工业职业技术学院陕西咸阳712000

大容量发电机是电能生产的主要设备，确保其运行稳定性至关重要。对大容量并网发电机内部定子和转子绕组常见故障进行了分析，并提出相应的保护措施，可供相关工作参考。

发电机对于电力系统的稳定工作有着决定性的作用，加之发电机本身造价成本高，所以保障发电机安全运行尤为重要。在日常生产应用中，应针对发电机易发的故障和非正常运行状态设计对应的保护装置。发电机基于电磁感应原理工作，根据外界驱动机理不同可分为多种类型。涉及到磁场，就不可避免地会有绕组线圈故障问题，发电机内部的定子和转子绕组为事故多发处。此外，发电机的本体并未发生故障，但由于其它设备问题或操作不当等引起不正常运行，长此以往也会严重影响发电机自身的安全。

针对发电机可能发生的各种故障设置相应的保护措施，是非常有必要的。发电机的保护配置原则是：故障时，将损失减到最小；非正常运行方式时，在利用发电机充分出力的前提下确保其自身安全[1-3]。

1 定子绕组故障分析与保护

1.1 纵差保护

纵差保护的原理是比较线路始末两端的电流大小和相位，电流大小和相位能够反映发电机相间与线路中的短路故障。三相纵差保护装置由分相差动元件连接在定子绕组之间构成，当发电机正常运行或者发生的故障在保护区外时，差动元件检测到的差动电流为接近零的某一值，此时不会引起保护装置动作；当定子绕组发生短路故障时，始末两端的电流会产生较大的电流差，从而引起保护装置动作。

根据分相差动元件在绕组中始末两端所连接的位置不同，可以分为完全纵差保护和不完全纵差保护，如图1所示，图中Ja、Jb、Jc表示发电机三相对应的分相差动元件。

图1 发电机三相纵差保护

比较以上两种保护方式，完全纵差保护设备中，分相差动元件连接在绕组两侧，流经的电流是对应接入相的相电流，但不能完全反映出该相定子绕组之间的短路情况，分相差动元件两侧的电流互感器性能完全一样，受系统波动影响较小；不完全纵差保护设备中，分相差动元件中流入的是绕组中某一分支电流，能够准确反映出绕组的匝间短路，但是由于两侧的电流互感器性能不完全一样，因此比较容易受系统波动影响。

1.2 横差保护

对于同相相同支路的匝间短路或同相不同支路的匝间短路来说，纵差保护下流经发电机定子端和中性点的相电流I1、I2依然相等，不能起到保护作用。在这一情况下，发电机横差保护能很好地解决这个问题，其接入回路如图2所示，将横差元件分别接在发电机三相对应的定子绕组两个分支上的电流互感器两侧。

图2 单相横差保护接入回路

由图2可知两组电流互感器中的线圈与绕组线圈的极性相反，在发电机正常运行的情况下，一次电流相等，流经横差元件的电流为接近零的某一值。当定子绕组发生故障时，互感器中两侧电流i1、i2不相等，引起横差保护装置动作。

1.3 定子单相接地保护

发电机在长期运行下及发生故障状态时会导致绕组中绝缘材料老化或损坏，严重时将会发生单相接地故障，设备中带电导体与接地的铁心之间会产生电场，相当于一个电容器，发生单相接地时会产生电容电流。当机端发生这一情况时，对地的电压最大，产生的电流也就最大，在故障点有可能产生电弧导致绕组过压，对发电机定子系统造成破坏。

在图3中，单相定子绕组中某点发生接地故障，该点到中性点的距离为α，则机端对地电压为（1-α）UA，线路中便会同时存在正序、负序和零序电压，利用式（1）可计算零序电压的大小：

图3 单相定子绕组接地

若发生单相接地故障，那么正常的两相电压相等，线路中的零序电压和接地点的位置呈线性关系，如图4所示。

图4 零序电压大小与接地故障点位置关系

由图4可知，零序电压与接地故障点距中性点位置呈正比,机端发生接地故障时，零序电压最大；接地故障点越接近中性点，零序电压越小，保护越不灵敏。零序电压保护能够对α＞15%L（L为机端至中性点的距离）范围内的单相接地故障作出反应[4]。

接地时的最大电容电流为：

式中：Ue为机端电压；Xc为发电机对地容抗。

发电机的安全接地电容电流指长期流过接地点而不损坏定子铁心的最大电流。对于不同电压等级或不同容量的发电机而言，安全接地电容电流也不同，电压越高或容量越大，安全接地电容电流则越小。对容量为100 MW及以上的发电机，应装设100%无死区定子接地保护[5-7]。

各种类型发电机运行时，均会产生三次谐波电势，在额定工况下，发电机的三次谐波电压可能超过其额定电压的5%。发电机定子绕组对地有分布电容，因此在发电机定子绕组及对地分布电容构成的回路中将流过三次谐波电流，从而在机端及中性点对地之间产生三次谐波电压[8]。正常运行的状态下，发电机中性点侧的三次谐波电压UN3总是大于机端的三次谐波电压US3，当发生单相绕组接地故障时，三次谐波电压与接地故障点位置的关系如图5所示，图5中E3为电动势。

图5 三次谐波电压与接地故障点位置关系

由图5可以看出，当单相接地故障靠近中性点时，保护灵敏度较高，所以利用三次谐波电压构成的接地保护能够对α＜50%L范围内的单相接地故障作出反应。为了组成大容量发电机无死区的定子绕组单相接地保护，可以利用零序电压动作和三次谐波电压动作构成的接地保护组合。

2 转子绕组故障分析与保护

转子绕组故障类型如下。

（1）绕组一点接地或两点接地故障。发生一点接地时，系统中不能形成回路；而两点接地时的状况相当于短路状态，会存在非常大的短路电流，从而造成磁场畸变。

（2）励磁回路的电流急剧下降或为零。这将会引起发电机失磁，进一步会发生失步，从而引起系统电压下降，甚至可能会使系统崩溃。

2.1 转子失磁保护

发电机正常运行状况下，转子通电后励磁系统产生磁场。转子在外部做功的条件下以同步的速度旋转，相当于旋转磁场在切割定子绕组，定子绕组便会产生感应电流I，并向外部传输。发电机通过输电线路与电网负荷连接，如图6所示。图6中Ed为发电机产出的电动势，XdΣ为输电线路的等值阻抗，Uc为电网系统电压。

图6 发电机并网运行图

根据图6还可画出并网发电机电动势Ed与电网系统电压Uc的矢量关系，如图7所示。图7中φ为功率因数角，δ为功角，UT为发电机运行电压，jIXd为电枢反应电抗压降，jI（XT+XL）为直轴和交轴电抗压降。

图7 发电机电动势与电网负荷电压矢量关系图

由图7可以得出：

两边同乘以Uc：

式中：P为发电机输出功率。

由式（4）可绘制功角与功率之间的曲线图，如图8所示。

图8 功角与功率的特性曲线

当功角增大为90°时，发电机的输出功率达到峰值Pm，随后便随着功角的增大而减小。当发电机发生失磁后，发电机转子电流及气隙磁通衰减，磁场的大小发生改变，发电机的感应电动势大小也会随之改变。为保持输入与输出之间的功率平衡，需要增大功角，当功角增大到180°时，发电机便发生失步运行。

失磁情况下的保护具有以下要求：①能够快速、准确地检测出失磁；②能够对失磁危害进行判别；③能够自动处理，躲避异常运行能力强[9]。针对以上状况，要在转子传输路线中采用低阻抗元件及转子低电压元件构成的失磁保护，两元件之间为逻辑与的关系，同时动作便可感知发电机失磁。机端电压互感器发生断路时，失磁保护发生闭锁，其保护逻辑框图如图9所示。图9中t1为跳闸时间，t2为切换厂用电时间。

图9 发电机转子失磁保护逻辑图

2.2 转子接地保护

当发电机的转子绕组及励磁系统之间的绝缘材料发生损坏时，转子绕组容易发生接地短路故障。当转子绕组发生一点接地时，不会对发电机造成太大危害，但是当转子绕组出现两点接地或者匝间短路时，会形成闭合的回路，将产生很大的短路电流，影响发电机的安全运行[10]。

针对发电机的一点接地保护主要采用附加直流电源的方式，其工作原理是：在发电机转子绕组的某一点与发电机轴之间加一个直流电压Ud，通过计算输出的电流值大小来判断转子绕组对地绝缘性能是否正常，如图10所示。图10中Ip为故障电流，R为对地电阻。

图10 外加直流电源保护原理图

正常运行工况时，转子绕组或励磁回路不与地接通，外加直流电压没有形成通路，则不会有电流产生。当转子绕组某点处发生接地故障时，该部分的转子绕组和接地电阻与发电机轴一起构成回路，产生故障电流。接地电阻阻值越小，电流就越大，这一保护装置的优点在于不会受发电机运行工况的影响。

转子两点接地保护主要是对定子电压中的二次谐波序量进行测量并进行接地保护，其构成原理为：在发电机正常运行时，定子电压中只存在基波很小的奇次谐波，因为气隙磁通空间分布的对称性，将其按傅里叶级数方式展开，不存在偶次谐波，所以在定子绕组中不会有偶次谐波电势生成；当发电机的绝缘性能遭到破坏，转子绕组中某处发生了两点接地短路故障时，励磁系统会受到影响，气隙磁通的均匀性不再平衡，定子绕组中就会产生偶数次谐波电压。转子接地保护逻辑框图如图11所示，图11中t0为信号输出时间。

3 结束语

大容量发电机的内部故障保护是一个涉及多可能性、突发性的工程问题，对所设置保护装置的合理性、安全性及反应能力都提出了很高的要求，笔者所述故障保护基于科学理论，在实际工程中已有所应用。当然，未来还需要不断优化保护设计，提出更加高效、合理、可靠的发电机主保护配置方案。

[1]谢应璞.电机学[M].成都:四川大学出版社，1994.

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[8]屠黎明，胡敏强，肖仕武，等.发电机定子绕组内部故障分析方法[J].电力系统自动化，2001，25（17）:47-52.

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[10]王维俭，张学深，田开华，等.电气主设备纵差保护的进展[J].继电器，2000,28（5）：6-8.

（编辑：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.

发电机；定子；转子；故障

Generator；Stator；Rotor；Fault

TH123；TM307

A

1672-0555（2017）02-008-05

*全国新能源专业指导委员会项目（编号：XNY2016005）；中国职业技术教育协会科研规划项目（编号：201628Y02）

2017年1月

胡平（1973—），男，博士，高级工程师，主要从事电厂自动化控制系统优化研究工作。