关键词：水轮发电机组；保护配置；保护特点
一、 引言
伴随科学技术的不断发展，为水轮发电机组容量的增大创造了良好的条件。水轮发电机组作为水电站最重要的设备，与水电站的经济效益和社会效益密切相关。为了确保水轮发电机组安全稳定地运行，就必须对其配置进行可靠的保护。由于不同容量的水轮发电机组，其保护配置与特点不尽相同，但是无论怎么配置，都必须确保所配置保护动作可靠、经济合理，最大程度降低水轮发电机组因故障造成的损害，提升机组运行的高效性、安全性，促进水电站实现最大化经济效益。
二、 水轮发电机组的配置与特点
（1）水轮机调速器中装设事故配压阀
当水轮发电机组运行正常时，事故配压阀往往作为压力油的通道，用于接通调速器主配压阀和接力器。如果水轮发电机组运行遇到故障，事故配压阀动作，将主配压阀与接力器进行切断，直接将压力油从油压装置接入接力器，并将接力器快速关闭，实现水轮发电机组紧急停机。这样的目标是避免飞速旋转的时间过长，可以对水轮发电机组起到保护作用。
（2） 真空破坏阀
水轮发电机组遇到故障而紧急停机时，在导叶迅速关闭的情况下，由于惯性作用水流将继续向下游流去，这就使得转轮室内产生真空。在转轮室尾水压差的作用下，尾水将反向流至转轮室对叶片和支持盖进行冲击，并产生较大的冲击力，出现抬机现象，可能造成机组的破坏性事故。为有效避免上述事故的发生，需要使用真空破坏阀用于补气，以便对水轮发电机组进行高效保护。
（3） 剪断销保护装置
水轮发电机组导水机构的传动机构中，往往需要将导叶臂和连接板相连，这时就需要通过剪断销的连接作用。剪断销保护装置由剪断销和信号器组成，导叶在正常运行过程中，剪断销带动导叶转动。一旦导叶中有异物卡住，导叶轴和导叶臂就会停止转动，但是连接板在叉头仍然带动其转动，并对剪断销进行剪切。若想剪断销被迅速剪断，需要进剪切力加至正常情况的1.5倍，使导叶脱离控制环，另外导叶仍可正常转动，有效防止了事故扩大。剪断剪断销后，剪断销信号器动合触点闭合，发出信号提醒相关操作人员。
三、发电机的保护配置
（一）发电机保护的基本要求
为最大程度消除发电机内部故障，在保护动作于发电机断路器跳闸时，必须断开自动灭磁开关和发电机励磁回路，使得转子回路电流不会在定子绕组中继续感应电势，避免发电机遭受进一步的破坏。对发电机断路器跳闸保护，往往需要满足以下要求：
（1） 选择性
保护动作时，需要将发生故障的发电机从电力系统中切除，尽量缩小停电范围，从而使得无故障部分能够安全、稳定地运行。
（2） 灵敏性
发电机保护范围内出现故障时，保护往往能做出正确的反应，其感觉特别敏锐。
（3） 可靠性
在发电机保护范围内发生保护动作故障时，保护不能拒绝动作。但是在其他保护不应该动作的情况下，保护不能误动作。
（4） 速动性
发电机运行过程中出现故障，为确保损失降到最低，需要快速的切除故障，提高电力系统运行的稳定性，以减小发电机的损坏程度。
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（5） 经济性
无论哪种保护配置，都必须符合经济合理的要求，根据发电机在电力系统中的地位来考虑保护配置的投资。
（二） 发电机保护的配置与特点
由于发电机受到诸多因素的影响，可能在其运行过程中出现诸多故障或者不正常的运行状态。为确保发电机在水轮发电机组运行的稳定性与高效性，就必须对其配置进行保护：
（1） 当发电机出现定子绕组单相接地故障时，需要对其进行深入的分析，如果发电机电压网络接地电容电流≥5A时，需要装设动作于跳闸的零序电流保护；反之接地电容电流＜5A时，需要装设作用于信号的接地保护。由于发电机外壳都是接地的，定子绕组绝缘破坏引起的单相接地故障出现的频率较高，基于此发电机容量在100MW以上的，往往应该转设保护区为100%的定子接地保护。
（2） 当发电机定子绕组匝路短路，绕组每相中出现并联支路时，应该装设横联差动保护。其保护配置主要原理是将两个并联支路电流之差作用于发电机绕组匝间短路保护，在一定程度上可以对定子绕组上出现的分支开焊故障进行确定。
（3） 如果容量为1MW及其以上的发电机定子绕组和引出线出现短路，需要装设纵联差动保护。其保护配置作为发电机内部短路的主要保护，能及时、灵敏地切除内部所发生的故障，确保动作的选择性与工作的安全性。
（4） 如果发电机运行中，由于不对称或者外部不对称短路造成负序过电流，往往需要对容量在50MW及其以上的发电机装设负序电流保护。该保护配置是利用定子绕组电流不平衡引起的转子过热，有效地避免振动加剧。这种保护配置是发电机主要保护方式之一。
（5） 在发电机不允许失磁运行时，一旦出现励磁消失故障，应该同时断开自动灭磁开关和发电机断路器开关，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，为及时发现故障、解决故障创造了有利的条件。比如保护配置发出信号后，由运行人员及时进行处理、自动减负荷，提升电力系统与发电机的安全性、稳定性。
（6） 发电机在电力系统中运行时，由于受到外界因素的干扰，可能会因为外部短路引起过电流，为系统带来不利影响。当发电机容量在1MW以下时，只需要装设过电流保护即可；如果发电机容量大于50MW时，需要装设复合电压启动过电流保护。
四、 水轮发电机组基本保护任务
为确保水轮发电机组运行的安全与稳定，最大程度降低水轮发电机组和电力系统发生故障的损失，水轮发电机组配置保护需要完成以下基本任务：
（1） 在水轮发电机组发生故障时，能及时、准确、自动、可靠的找出原因，并切出故障，避免机组长时间受到破坏，确保其他无故障部分迅速恢复正常运作。
（2） 水轮发电机组配置保护对机组出现的故障和不正常运行状态需要实现真实、准确和及时，同时也根据运行维护的情况而动作于发信号、跳闸、减负荷以及停机等。
五、 结束语
水轮发电机组作为水电站主要设备之一，其能否安全、稳定、高效地运行，与水电站和电力系统的安全运行密切相关，同时也影响着水电站与电力企业实际的经济效益和社会效益。因此必须对水轮发电机组保护做好维护分析，明确机组保护的配置与特点，实现最终配置保护的可靠性、安全性与经济性，将水轮发电机组遭受的损害降至最小，从而确保机组、水电站和电力系统的稳定运行，促进电力企业健康、可持续发展。
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[3]袁艺. 大型水轮发电机保护整定计算及保护优化的研究[D].华中科技大学,2013.
论文作者:程显涛 韩青峰
论文发表刊物:《中国电气工程学报》2018年第10期
论文发表时间:2019/1/2
标签：水轮论文; 机组论文; 发电机论文; 故障论文; 绕组论文; 定子论文; 水电站论文; 《中国电气工程学报》2018年第10期论文;