茶布朗水电站发电机横差保护动作原因的分析及处理

茶布朗水电站发电机横差保护动作原因的分析及处理

何凯

中广核亚王木里县沙湾电力有限责任公司四川凉山615000

摘要：水轮发电机作为水电站的主要电气设备，价格昂贵、结构复杂，受损后修复困难，需要配备高性能的保护。横差保护作为发电机应对定子绕组匝间短路故障的主保护，广泛运用于大中型发电机。本文主要以茶布朗水电站的发电机单元件横差保护为例，重点阐述了单元件横差保护的基本原理、故障原因以及保护动作后的事故处理。

关键词：水轮发电机；单元件横差保护；故障原因；事故处理

1、水电站概况

茶布朗水电站位于四川省凉山彝族自治州木里藏族自治县境内，在雅砻江右岸最大支流木里河上，系木里河干流水电规划“一库六级”的第三级水电站。该电站采用引水式开发，2013年建成后装机容量240MW（4×60MW），2016年扩容至288MW（4×72MW），具有日调节能力。电站采用发变组单元接线（如图1），发电机额定电压为10.5KV，经出口隔离开关接至主变压器低压侧，主变压器高压侧额定电压为220KV。

图1

2、单元件横差保护

2.1、发电机定子绕组匝间短路的形式、特点及危害

发电机定子绕组匝间短路分为同一分支的匝间短路（如图2）和同相不同分支的匝间短路（如图2）。当发电机定子绕组发生匝间短路时，中性点连接线上将产生零序电流；在机端的电压互感器开口三角形绕组两端产生零序电压；在发电机中产生方向为由内部指向外部的负序功率。

发电机定子绕组轻微的匝间短路，并不会影响机组的正常运行，所以经常被忽略。由于短路线匝内产生环流，使线圈迅速发热，进一步损坏邻近导线的绝缘，使短路的匝数不断增多、故障扩大，容易发展成为相间短路，甚至有可能因短路电流过大而烧毁发电机组。定子三相绕组有一相发生匝间短路时，相当于该相绕组匝数减少，定子三相电流就不平衡，不平衡的三相电流会使发电机运行振动加剧、出现异常轰鸣声。

图2

2.2、单元件横差保护的基本原理

茶布朗水电站采用每相双分支绕组（双星型接线）、且有两个中性点引出线的水轮发电机组，在中性点连接线上接入电流互感器，构成单元件横差保护（如图2）。当发电机发生匝间短路故障时，故障相绕组的两个分支的电势不相等，因而在定子绕组中出现环流，该电流大于保护的动作电流，在中性点连接线上接入的电流互感器感应到故障电流的存在并将信号传送至保护装置，供保护装置分析、判断，保护装置开出动作信号将机组强制解列、事故停机（如图3）。为了解决发电机内部短路故障灵敏度与外部故障不平衡电流较大间的矛盾，可采用经机端最大相电流制动的高灵敏横差保护。相电流比率制动横差保护能保证外部故障时不误动,内部故障时灵敏动作。为避免保护装置受到具有零序性的3次谐波的干扰，装设了3次谐波过滤器，降低保护动作电流，提高了保护灵敏度。

图3

2.3、单元件横差保护的特点

单元件横差保护的优点：保护接线较简单，灵敏度较高。

单元件横差保护的缺点：①单相分支匝间短路的较小时，即短接的匝数较少时，存在动作死区。②同相两分支间匝间短路，当短路点位置差别较小时，也存在死区。

3、匝间短路的故障原因

虽然发电机定子绕组绝缘破坏时一般会先引起定子单相接地故障，进而使定子单相接地保护动作，但是在几种特殊情况下依然会发生匝间短路故障：①由于风洞内部，特别是在上机架动火施工焊渣等高温物质因防护不当进入气隙，损伤定子绕组绝缘引起匝间短路；②水冷却发电机冷却器管路老化、损坏漏水引起定子绕组受潮，绝缘破坏引起匝间短路；③由于定转子发生扫膛，定子绕组绝缘受到破坏引起匝间短路；④因小动物（如老鼠）进入定子，破坏定子绕组绝缘引起匝间短路；⑤非100%定子单相接

地保护，保护死区内发生单相接地且事故扩大引起匝间短路。

4、茶布朗水电站单元件横差保护动作后的事故处理

4.1、事故处理

电站事故处理应在遵循事故处理原则的基础上结合现场实际设备情况进行。事故处理的原则为：首先保证人身安全，其次保证设备安全，第三保电站厂用电，第四尽快使电站恢复最经济的运行方式。茶布朗水电站发电机单元件横插保护动作后果为跳主变高压侧断路器、跳发电机10.5KV母线厂用变高压侧断路器、跳发电机灭磁开关、水轮发电机组事故停机、启动发电机失灵保护、启动发电机故障录波装置进行录波。

当事故发生后机组停机跳闸时，运维人员须在确定不会有人身伤亡、设备损坏的情况下保证全厂厂用电正常，同时密切监视机组停机，观察是否有着火危险。如发电机制动系统未能正常投入，则手动加闸停机。当机组转为停机态后，运维人员应打印保护装置动作情况记录、故障录波记录并复归保护动作及事故停机信号，以备事故分析。

在事故处理过程中还需注意闸首天气、水库水位的变化情况，在水库水位升至高位警戒线时采取泄洪措施；注意向调度部门汇报事故情况及事故处理情况，尽快使水电站恢复最经济的运行方式以减小经济损失。

4.2、故障点的查找及修复

利用微机保护装置和故障录波装置的动作、录波记录，可以很容易找出故障相别。为防止事故为保护装置误动作引起，应使用2500V摇表对发电机定子测绝缘。在确定故障相别后可以使用手持式工业内窥镜从气隙中对定子绕组进行故障点排查。

修复发电机时应注意仔细检查故障点周边的定子绕组绝缘情况，更换所有绝缘受损的定子绕组线棒，同时检查定子铁芯、转子绕组是否受电弧损伤。

完成修复后应按照《电力设备预防性试验规程》对发电机定子做相关试验，合格后方可启动机组。

5、结束语

水轮发电机的横差保护是保证水电系统可靠运行的一个重要因素。对于横差保护问题的研究学习有利于水电站运维人员预防、处理发电机定子匝间短路事故。这要求我们要了解横差保护的原理并结合水电系统的实际情况进行分析处理，从而使水电系统能够安全稳定的保证持续供电，以实现其经济效益。

参考文献

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[4]诸嘉慧、袁新枚、邱阿瑞、王维俭、刘志强，大型水轮发电机转子偏心对单元件横差保护影响的分析[J]电力系统自动化2005-06-15