关于大容量水轮发电机管理方案

关于大容量水轮发电机的管理方案探析

【摘要】：近年来,大容量水轮发电机投入使用在逐年增加，全球运行量已有80台以上, 随着直径的加大和铁芯的增长,大容量水轮发电机出现了一些较严重的问题。因此对这类大容量水轮发电机的监测维护应给以足够的重视。本文结合近年的工作经验简要介绍天生桥电站所用大容量水轮发电机的维护方案进行研究, 并探讨在线监测局部放电分析仪的装设必要性。为高速大容量水轮发电机的设计和维护提供参考

【关键词】：天生桥 大容量 水轮发电机管理监测 接地 天生桥二级水电站位于广西省与贵州省的界河南盘江上。电站水库由一个混凝土重力溢流坝形成,水坝最大高度为58m, 坝顶高程海拔658m。天生桥二级水电站共装水轮发电机组6台, 发电机单机容量为245mva, 与额定输出功率为225mw的混流式水轮机连接。每2台发电机连接到一台500mva的专用三相变压器上。电站运行采取现场人工操作和远距离控制两种方式, 电站的自动控制通过计算机系统和常规控制设备进行。

1.大容量水轮发电机定、转子气隙监视仪的安装探析 大容量水轮发电机的各个部件尺寸大, 它们之间的相互关系也不是恒定不变的, 尤其是这些电机处于多种力, 如离心力、热力、振动、磁力、电场力等的作用下, 对电机产生既有长期的也有短期的影响, 也即是说动态测得的气隙值和静态测得的气隙值会有较大的差别。动态气隙监视装置有助于运行人员了解和维护电机在各

种运行工况下的气隙变化情况, 更有效的安排发电机的检修计划, 防患于未然, 不使发电机在出现严重事故后才进行大修。根据国外文献报导, 定、转子相碰或气隙不平衡的情况是不少的, 例如：加拿大安大略水电局属下的水电站共有五台机组发生过定、转子相碰事故, 其中四台损坏不严重, 但第五台严重损坏, 更换了全部定子铁芯和机座。其修复费用约为全新发电机价格的50%, 此外损失了该机组66mw的两年发电收入。对于天生桥发电机是否要装设气隙监视装置, 我们持肯定的态度。设备在发电机静止状态下也能测量气隙, 故也可用于发电机找中心。定、转子气隙监视仪的安装可以为发电机的管理和维护提供很大的帮助。 2. 发电机定子线圈局部放电分析仪的安装

现代竖轴水轮发电机定子线圈产生局部放电的可能性及其后果怎样？根据ieee工作组14年前在调查北美456台竖轴水轮发电机后得出的结论包括：

（1）线圈振动和槽内放电以及槽内填充物引起的问题占总故障数的58%。这类问题的初始阶段可能是槽楔松动或安装不当或运行中绝缘及填充物出现的蠕变。这就导致振动, 其过程可历经机械磨损、失去电接触、槽内放电, 而最终是出现电和化学腐蚀。如果问题未能及时发现就会出现一相接地甚至相间短路。出现此类问题是与定子热固线圈的硬度有关。与以前用的含沥青的线圈绝缘不同, 热固绝缘在运行温度下不会依槽边不规则外形而紧贴槽表面。相反, 槽内线圈与槽边的各高点相接触。由此可知对热固绕组, 安装槽楔

和侧面填充物以防止运行中的线圈振动是极其重要的。（2）定子铁芯迭片松动或呈波浪形的占总故障数的14%。这通常与松动的槽内填充物有关。

（3）端部线圈的固定部件松动占总故障数的10%。这也与槽内线圈的振动有关。

（4）线圈温度比铁芯温度升得快, 膨胀得也更快, 造成线圈和槽间有轴向位移。线圈经常热胀冷缩而松动, 线棒内铜导体又比绝缘材料膨胀快, 这都会引起槽内局部放电。据统计数据, 凡是定子铁芯高度在70in及以上的便会产生此种问题。

（5）抽水蓄能和带类峰负荷的300-700mva的水轮发电机的铁芯长度为140in或更长, 这些电机经历的热循环周期更会导致绝缘分层和出现孔隙。需要指出的是pda系统主要用作维修诊断用的工具, 仪器上没有标示物理单位, 且它的测试结果不是绝对值。测试结果的判别是根据理论原则, 累积的经验, 与早先测试中获得的数据或相似机组上测得的数据的对比等等来定性的。一旦认定出现了高局部放电量时, 可由肉眼观察或别的试验来肯定pda的测试结果。使用的经验表明它的测试结果是可信的。 3.大容量发电机中性点接地方式研究

发电机中性点接地方式的选择主要是考虑发电机本身的安全,实际现场应从以下几个方面进行考虑接地方式的选择以及发电机定子接地保护配置。(1)应保证发电机定子铁芯在发生单相接地时,流过的接地电流限制在一定范围。即应满足《继电保护和安全自动

装置技术规程》的要求,发电机才是安全的。如300～600 mw机组接地电流允许值为1 a,当流过定子接地电流小于1a时,不会损坏定子铁芯,不需要立即停机。(2)发电机发生单相接地后,发电机定子接地保护应能迅速准确地判断和反应,及时发出告警信号,以便运行人员及时正确处理。主要考虑不论发电机采用何种接地方式,为保护发电机安全,所配置的保护必须可靠及时发出告警信号和跳闸信号。采用配电变经电阻接地方式的发电机在定子单相接地故障时,接地电流至少比原有电容电流大2倍,这对发电机来说极为不利。对于2种接地方式下发电机发生单相接地,暂态过电压的区别如何?对此,相关资料提供了如下研究结果: (1) 配电变接地方式接地电阻为rn ,只要rn≤13ωcσ,则发电机单相接地暂态过电压不会超过2.6倍额定相电压。(2) 相关的试验数据表明,当采用消弧线圈接地时,暂态过电压将达到3. 8倍额定相电压,此时试验频率为50 hz (额定频率为60hz),即发电机系统的频率已经偏离了额定频率。但是,新英格兰电力系统发电机长期采用谐振方式接地,其技术人员经过相同的暂态过电压试验模型进行试验,得到的试验数据表明,在同样采用消弧线圈接地,在消弧线圈接地回路中串联小电阻时,暂态过电压只会达到2.8倍额定相电压。

综上所述,大容量型发电机组中性点应广泛采用消弧线圈接地方式。消弧线圈接地方式不仅能削减接地故障电流,同时也能有效地抑制暂态过电压,避免故障的扩大化。在新英格兰电力系统及我国水电系统几十年的机组运行中,采用消弧线圈接地方式的机组,

从未因为暂态过电压问题造成发电机定子绕组的损坏。这些成功的运行经验值得我们重视和借鉴。 4.大容量水轮发电机保护配置方案

发电机定子绕组内部可能发生的故障形式有：同相同分支短路、同相不同分支短路、异相短路和定子分支开断故障。所有这些发电机故。障的主保护有：完全纵差、不完全纵差、零序电流型横差、裂相横差、故障分量负序方向、纵向基波零序过电压等保护。它们不仅能够保护发电机内部相间故障，也可以保护匝。 4.1完全纵差保护

作为发电机主保护的纵差保护有成熟的运行经验，能完全反应相间故障，是发电机相间短路的主保护。但对定子绕组匝间短路或分支开焊等故障则无能为力。发电机多采用比率制动的纵差保护。即保护的动作电流随外部短路电流按比率增大，既做到外部短路不误动，又能使内部短路保持有较高的灵敏度。当发电机正常运行或区外发生短路时，差动电流接近为零，差动保护不会误动作。当发电机内部发生短路故障时，差动电流明显增大，相位接近相同，减少制动量，从而可灵敏动作。 4.2不完全纵差保护

由于完全纵差保护不能反应匝间短路和分支开焊，于是将中性点侧的互感器改接在每相的部分并联分支绕组中。利用每相的部分分支电流与相电流在故障条件下的不平衡电流，构成不完全纵差保护，能反应匝间短路和分支开焊故障。由于各相各分支绕组互感的

影响，不完全纵差保护仍然能反应相间短路(灵敏度比传统纵差保护低)。对于相间故障，不完全纵差保护存在死区。只有在全部分支数接入时(即完全纵差保护)才能灵敏反应各种故障。分支数接入越多，对相间保护越有利。但不管分支数接入多少，包含故障分支的保护都能灵敏动作，但不包含故障分支的所有不完全差动保护都有死区。

4.3零序横差保护

零序横差保护适用于多分支的定子绕组，且有两个以上中性点引出的发电机。它装设简单、功能齐全。对发电机定子绕组匝间短路，分支线棒开焊，及绕组相间短路等均有较高的灵敏度。 4.4裂相横差保护

完全纵差保护不能反应匝间故障，而单元件横差保护又不能应用于只引出一个中性点的发电机组，且不能反应机端两相短路故障。裂相横差保护是把发电机中性点侧的每相并联分支分成两组，它在发电机内部故障时，反应这两组分支电流的不平衡。裂相横差保护可以反应同相匝间短路、异相短路，也可以反应大负荷时的分支绕组开焊故障。因此它算是一种能保护定子绕组内部所有故障的主保护。研究表明零序横差保护和裂相横差保护，对匝间保护的灵敏度要高于不完全纵差保护。它是匝间短路的主保护。 5.结论

综所上述，大容量水轮发电机由于其机体的特殊性，在运行或试验过程中更容易发生十分严重的设备故障, 如果处理不当, 极

易扩大故障, 增加修复难度, 延长修复工期。本文结合近年的工作经验对天生桥水电站大容量水轮发电机的保护进行了分析,研究了大容量水轮发电机监测、接地方式以及保护配置,为提高发电机组的稳定性提供理论参考。 参考文献：

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