水轮发电机运行及事故处理

第四章 水轮发电机运行及事故处理

第一节 发电机运行方式

水轮发电机的工作原理：

水轮发电机是将水轮机的机械能转变成电能的机械。当发电机转子由水轮机拖动旋转时，转子磁场切割三相定子绕组，根据电磁感应原理在定子绕组中感应电势。当发电机出口断路器合上与负荷连通时，发电机就发出电能。

一、发电机的额定运行方式

发电机的额定运行方式是指发电机按制造厂铭牌额定参数的运行方式。发电机在额定运行方式下，损耗小、效率高，能够长期连续运行。因此在一般情况下，发电机应尽量保持额定或接近额定状态下运行。

不同水电站的发电机额定运行方式是不同的，主要取决于发电机的技术规范、定子线圈和转子线圈的绝缘等级、发电机冷却方式。

二、发电机的允许运行方式

当电网负荷变化时，发电机的运行参数可能会偏离额定值，但在允许范围内。这种运行方式称为允许运行方式，又可称为异于标准状态时的运行方式。

水轮发电机组主要由水轮机、水轮发电机、调速器以及辅助设备等组成。

水轮发电机按其主轴布置得方式不同分为立式和卧式两种。

水轮发电机的转子都是凸极式。

1、发电机的允许温度和温升

温度过高或高温持续时间过长都会使绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至引起发电机事故。一般来说，发电机温度若超过允许温度6℃长期运行，其使用寿命缩短一半。所以发电机运行时，必须严格监视各部分温度，使其在允许范围内。另外，当周围环境温度较低时，温差增大时，为使发电机内各部位实际温度不超过允许值，还应监视其允许温升。

发电机的定子绕组、定子铁心、转子绕组的允许温度和允许温升取决于发电机定子和转子采用的绝缘材料等级和测温方式。一般发电机的定子采用A级绝缘，温度不超过105℃，转子采用B级绝缘，温度不超过130℃。因此，发电机运行时的允许温度和温升，应根据制造厂规定的允许值确定。

2、发电机功率因数的允许变化范围

发电机运行时若定子电流滞后定子电压一个角度，同时向系统输出有功和无功，此工况为发电机迟相运行，对应的功率因数为迟相功率因数。

当发电机运行时若定子电流超前定子电压一个角度，发电机从系统吸取无功建立磁场，并向系统输出有功，此工况为发电机进相运行，对应的功率因数为进相功率因数。

为了保持发电机的稳定运行，发电机的功率因数之一般为迟相0.8～0.9，一般不超过0.95。

若有励磁调节器自动运行，必要时，可在功率因数为1的条件下运行，并允许短时间功率因数在进相0.95～1.0的范围内运行，但此种工况

，发电机静态稳定性差，容易引起振荡与失步，因此应迅速联系调度设法调整。

3、发电机电压的允许变化范围

并网运行的发电机的电压是由电网的电压决定。发电机电压变动范围在额定值的±5％内时，允许发电机长期按额定出力运行。发电机电压最大变化范围不得超过额定值的±10％。

（1）电压高于额定值对发电机运行的主要影响如下：

1）励磁电流可能很大，转子绕组温度升高，又要受到转 子发热的限制。

2）磁通饱和使铁损增加，铁芯发热。

3）磁通过度饱和，出现过多的漏磁使定子结构部件出现 局部高温。

4）危及定子绕组绝缘，所以要受到定子绕组发热的限制；

因此，当发电机电压升高到105%以上时，应减少其出力。

（2）电压低于额定值对发电机运行的主要影响如下：

1）可能降低发电机运行稳定性（并列运行稳定性和 电压调节稳定性）。

2）使定子电流增大，定子绕组温度升高。

3）影响厂用电动机和系统安全。

因此，当发电机电压降低到95%以下时，若此时运行电压尚能满足用户对电压要求，应监视定子电流大小，以转子电流不超过额定值为限。

4、发电机频率允许的变化范围

发电机的频率应保持在额定值50HZ运行。由于系统负荷的变化，发电机的频率可能偏离额定值，正常变化范围应在±0.2HZ，但最大偏差不应超过50±0.5HZ。

（1）频率降低对发电机的影响如下：

1）可能影响发电机通风冷却效果。

2）频率降低，若保持出力不变，定子、转子绕组温度升高。

3）为保持端电压不变，使发电机结构部件出现局部高温。

（2）频率升高对发电机的影响如下：

频率过高，发电机转速增加，转子离心力增大，会使转子部件损坏，影响机组安全运行。

5、定子不平衡电流允许范围

由于三相负载不平衡引起的三相电流不平衡。原因主要有：1）单相负荷的存在。2）设备故障，如发生不对称短路、设备一次回路断线等。

不平衡电流对发电机运行的影响如下：

（1）转子表面温度升高或局部损坏。原因：三相负序电流产生负序旋转磁场，在激磁绕组、转子绕组、阻尼绕组等部件感应出电流，这些电流在相应部分引起损耗、发热。

（2）引起发电机振动。原因：三相负序电流产生的负序旋转磁场与转子磁场相互作用，产生交变力矩，作用于转子轴和定子机座，从而产生振动、噪音。

原则：

机组运行时，定子三相电流任两相之差不得超过额定电流的20%，同时任何一相的电流不得超过额定电流。通过装设的负序电流表，运行人员可监视三相电流不对称的情况。水轮发电机组允许担负的负序电流，不大

于额定电流的12%。

注意：

阻尼绕组的作用是减少负序阻抗的，可以降低转子过热和机组振动的程度。

6、发电机允许的事故过负荷

一般来说，发电机正常运行时不允许过负荷。但在系统发生事故情况下，为维持系统静态稳定，允许发电机短时间内过负荷运行。发电机过负荷运行时间取决于其所用的绝缘材料，因此，发电机过负荷运行时间及过负荷值应遵守制造厂规定。一般来说，发电机过负荷值越大，允许过负荷运行时间就越短。

在发电机过负荷运行时，应注意监视发电机线圈、轴承、热风温度不得过高。

第二节 水轮发电机组试运行

水轮发电机组在新安装完毕或大修完成后正式投入运行前应进行机组试运行。

水轮发电机组试运行工作的主要目的：

对机组的安装和检修质量及其性能进行一次全面的动态检查和鉴定。同时也对引水设施、辅助设备、电气设备等进行检查。

水轮发电机组试运行工作的重点：

检查水轮机组及各轴承、发电机各部分温升以及机组的振动和摆渡情况是否在允许范围内，检查各仪表指示是否正确，调速器、励磁系统的工作状态以及自动装置的性能。

一、试运行前的检查和设备试验

1、水工部分的检查

2、机械部分的检查

3、调速器和辅助系统的检查

4、发电机的检查

5、励磁系统的检查

6、配电设备、升压设备的检查

7、机组起动前顶转子

二、机组试运行的一般程序

1、引水设备充水的试验与检查

2、机组空转运行检查

3、机组空载运行检查

4、机组带负荷运行检查

5、机组甩负荷试验

甩负荷试验的目的是系统地检验机组在事故状态下的性能以及各种自动装置动作的灵敏性。

甩负荷试验分为额定负荷的25％、50％、75％、100％四挡进行。

第三节 水轮机发电机组的正常运行

开机步骤：

1、接到开机命令后，进行开机前的检查和准备。（检查开机条件）

2、当满足开机条件时，开辅机（润滑、冷却、技术供水）

3、启动调速器（打开导水叶至“空载”开度，转速升至额定值）

4、投励磁装置（ 80%额定转速）

5、投准同期装置（ 90%额定电压）

6、合发电机出口断路器（并列条件满足后，准同期装置发出合闸命令 ）

7、开开度限制至全开

8、进行导水叶开度和转速调整，将机组带上所需负荷。

9、检查机组各部分的运行情况，并做好记录。

三、发电机组的正常停机操作

正常停机操作步骤：

1、接到停机命令后，进行卸负荷。即关小导水叶开度至“空载”位置（减有功负荷至零）；减小励磁电流（减无功负荷至零）。

2、当有无功负荷卸完后，跳开发电机主断路器。

3、降低发电机电压

至零，跳开灭磁开关。

4、关开度限制，关闭导水叶至“全关”位置。

5、待转速降至额定转速的35％时，投入机组机械制动（刹车）。

6、停辅机：关闭冷却水；关密封水；开围带；投导叶锁定，关闭发电机通风机。

四、发电机的事故停机

1、需事故停机的故障类型：

（1）发电机电气事故发电机保护动作。

（2）机组事故

（3）轴承温度过高达到75℃。

（4）调速器油压事故性降低。

机组发生上述故障时，相应的保护动作，自动跳开发电机主断路器、灭磁开关，机组作事故停机，并发出事故信号。

2、需紧急事故停机的故障类型：

（1）机组过速达到140％额定转速。

（2）在事故停机过程中剪断销剪断。

紧急事故停机除自动跳开发电机主断路器、灭磁开关，机组作事故停机并同时发出紧急事故信号外，还要关闭机组主阀。

3、当发生下列情况时，运行人员应立即关闭导叶、降低励磁、将发电机与系统解列并进行手动紧急停机。

（1）机组发生强烈的振动和严重的异响。

（2）发电机引出线电缆爆炸或接头发热冒烟。

（3）水轮机严重漏水，压力水管破裂，危及机组安全。

（4）发电机定子、转子冒烟着火。

（5）发生人身事故或自然灾火。

事故停机或紧急事故停机后，运行人员不应立即将保护复归而应及时报告上级领导或调度等待处理，并做好记录。事故停机后应进行全面检查分析，找出原因，进行处理

五、发电机功率调整

1、同步发电机与无穷大电网并联时有功功率调整

发电机力矩平衡方程式：T1=T0+T

T1为水轮机输入转矩(动)；T0为发电机空载转矩（阻）；T为发电机电磁转矩（阻）

发电机功率平衡方程式：P1=PM+p0

P1为输入功率；PM电磁功率；p0空载损耗

水轮发电机功角特性方程式：

功率角θ双重意义：

一个意义：电势和端电压之间的夹角；

另一个意义：产生电势的转子磁通和产生端电压的合成气隙磁通之间的夹角。

有功功率调整过程：

若增加导叶开度，即增加水轮机的输入功率P1，即增加了输入力矩T1，此时T1>T0+T，于是转子要加速，而合成气隙磁通受电网电压和频率不变的限制，其大小和转速不变，于是合成气隙磁通领先转子磁通，即功率角θ增大，导致PM增大，P2增大，电磁转矩T增大，直到T1=T0+T时，转子速度不再升高，达到新的平衡，在功角特性曲线新的运行点稳定运行。反之，减小导叶开度，调节过程类似。

要调节并列运行发电机输出的有功功率，靠调节水轮机输入的机械功率来改变功率角，使输出功率改变。

但并不是无限制增大水轮机输入的机械功率，发电机输出功率都会相应增大，因为发电机

有极限功率的问题。

同步发电机电动势平衡方程式：（1）空载时无功调整

图a反映发电机空载运行时情况，P=0，Q=0。此状态为正常励磁状态。

图b反映增加励磁电流时，Eo增加，为实现电动势平衡，感应出电流，此电流为感性无功电流，即向系统输出感性无功功率。此状态为过励状态。

图c反映减小励磁电流时，Eo减小，为实现电动势平衡，感应出电流，此电流为容性无功电流，即向系统输出容性无功功率。此状态为欠励状态

（2）带有功时无功调整过程

当改变励磁电流时，由于此时有功功率不变，则A点变化轨迹是在一条竖直线上。

初始状态：根据电动势平衡方程式画出矢量三角形为ABO。AC正比于有功，BC正比于有功。

当增加励磁电流时，由于此时有功功率不变，A点变化到A’点（增加励磁，电势Eo增大），得到新的矢量三角形A’BO，从相量图可以看出，AC=A’C’，说明有功不变，而BC’>BC，说明无功功率增加。反之，减小励磁电流，分析方法类似。

运行当中的检查维护

一、机组运行工况应监视的内容

1、参数的监视

2、绝缘状况的监视

3、机组温度的监视

二、机组运行中的维护内容：

1、维护机组的清洁。

2、保持各油槽的油位。

3、保证各连接部分牢固，各转动部分灵活。

4、保持机组自动化元件完好。

5、防止电器元件受潮。

一、发电机的异常运行及处理

1、发电机过负荷

运行中的发电机，当定子电流超过额定值1.1倍时，发电机的过负荷保护将动作发出报警信号。

如果系统未发生故障，则应该首先减小励磁电流减小发电机发出的无功功率；

如果系统电压较低又要保证发电机功率因数的要求，当减小励磁电流仍然不能使用定子电流降回来额定值时，则只有减小发电机有功负荷；

如果系统发生故障时，允许发电机在短时间内过负荷运行，其允许值按制造厂家的规定运行。

第五节 水轮发电机组的常见故障

现象：

（1）发电机定子电流超过额定值；

（2）当定子电流超过额定值1.1倍时，发电机的过负荷保护将动作发出报警信号，警铃响，机旁发“发电机过负荷”信号，计算机有报警信号；

（3）发电机有功、无功负荷及转子电流超过额定值。

处理措施：

（1）注意监视电压、频率及电流大小，是否超过允许值；

（2）如电压或频率升高，应立即降低无功或有功负荷使定子电流降至额定值，如调整无效时应迅速查明原因，采取有效措施消除过负荷；

（3）如电压、频率正常或降低时应首先用减小励磁电流的方法，消除过负荷，但不得使母线电压降至事故极限值以下，同时将情况报告值长；

（4）当母线电压已降到

事故极限值，而发电机仍过负荷时，应根据过负荷多少，采取限负荷运行并联系调度起动备用机组等方法处理。

注意：通过相量图可分析出：

图（a）减少励磁电流，会降低定子电流I，功率因素cosψ增大；

图（b）减少有功，会降低定子电流I，功率因素cosψ减小。

2、发电机转子一点接地

发电机转子接地有一点接地和两点接地，转子接地还可分为瞬时接地、永久接地、断续接地等。

发电机转子一点接地时，因一点接地不形成回路，故障点无电流通过，励磁系统仍能短时工作，但转子一点接地将改变转子正极对于地电压和负极对于地电压，可能引发转子两点接地故障；继而引起转子磁拉力不平衡，造成机组振动和引起转子发热。

现象：

（1）警铃响，机旁发“转子一点接地”信号；计算机有报警信号。

（2）表记指示无异常。

处理：

（1）检查转子一点接地信号能否复归，若能复归，则为瞬时接地，若不能复归，并且转子一点接地保护正常，为永久接地；

（2）利用转子电压表，测量转子正对地、负对地电压值；（如发现某极对地电压降至零，另一极对地电压升至全电压，说明确实发生一点接地。）

（3）检查励磁回路，判明接地性质和部位；

（4）如系非金属性接地，应立即报告调度设法处理，同时作好停机准备；

（5）如系金属性接地，应立即报告调度，启动备用机组，解列停机。

注意：通常来说，检查处理时间大致为2小时，否则应停机处理。

3、转子回路两点接地

发电机转子两点接地时，由于形成回路，故障点有电流通过。

现象：

（1）警铃响，机旁发“转子接地”信号，计算机有报警信号；

（2）转子电流异常增大，转子电压降低；

（3）无功功率表指示降低，功率因数可能进相，有功负荷可能降低；

（4）由于磁场不平衡，机组有剧烈振动声。

（5）严重时，失磁保护有可能动作

处理：

由于转子两点接地时，由于转子电流增大，可能使励磁回路设备损坏；若接地发生在转子绕组内部，则转子绕组过热；机组剧烈振动损坏设备，因此立即紧急停机，并报告调度。

4、发电机温度过高

发电机在运行中，如果定子、转子或者铁心温度超过规定值，应该及时检查处理。引起发电机温度过高的原因一般有以下几种：

（1）发电机过负荷运行时间超出了允许值。

（2）发电机通风系统不良没，散热差。

（3）定子贴心的绝缘部分损坏或短路，铁心涡流是发热增大。

现象：

（1）警铃响，机旁发“发电机温度升高”信号，计算机有报警信号；

（2）发电机定子线圈、转子线圈、定子铁芯或冷、热风温度超过规定值。

处理：

（1）检查风洞有无异味及其它异常现象，判断是否个别过热和温度表计不良，如表计不良联系检修处理；

（2）检查定子三相电流是否平衡，如有明显不平衡现象，应立即设法消除或降低定子电流；

（3）检查冷却水压是否降低或进行冷却水正、反冲切换操作；

（4）如温度仍然过高，联系调度，降低该机组负荷，直至温度降至规定值为止。

5、发电机转子回路断线

现象：

（1）警铃响，发“失磁保护动作”信号，计算机有报警信号；

（2）发电机转子电流表指针向零方向摆动，励磁电压升高；

（3）定子电流急剧降低，有功、无功降至零；

（4）如磁极断线，则风洞内冒烟，有焦臭味，并有很响的哧哧声。

处理：

（1）立即停机，检查FMK动作情况，并报告调度；

（2）如有着火现象，应立即进行灭火。

6、发电机定子接地

发电机定子接地是指发电机定子绕组回路或与定子绕组回路直接相连的一次系统发生的单相接地短路。定子接地分为瞬时接地、永久接地、断续接地等。

现象：

（1）警铃响，机旁发“定子接地”信号，计算机有报警信号；

（2）定子三相电压不平衡，定子接地电压表出现零序电压指示。

处理：

（1）检测、A、B、C三相对地电压；（真接地时，定子电压表指示接地相对地电压降低或等于零，非接地相对地电压升高，大于相电压小于线电压，且线电压仍平衡。假接地时，相对地电压不会升高，线电压不平衡。这是判断真、假接地关键）

（2）经检查如系内部接地，报告调度，起动备用机组或转移负荷，尽快解列停机；

（3）经检查如系外部接地，应查明原因，报告调度，按调度的要求处理；

（4）在选择接地期间，应监视发电机接地电压，发现消弧线圈故障应立即停机。

二、发电机的故障及处理

1、发电机的非同期并列

当不满足同期并列条件将发电机并入系统，即发生发电机非同期并列故障。此时合闸冲击电流很大，可能损坏发电机组，造成重大事故；特别是大容量机组与系统非同期并列还将对系统造成较大冲击，引起该机组与系统间的功率振荡危及系统的稳定运行。应尽力避免发生非同期并列。

现象：发电机准同期并列不良或误并列，并发生强烈振动或较大冲击。

处理：

（1）如果能拉入同步，则可不解列，但应对发电机组本体进行一次外部检查，并加强对机组的运行情况的监视，待有机会停机再作详细检查；

（2）如果发电机强烈摆动，无法拉入同步，则应立即手动解列停机，检查定子线圈端部情况，测量定子线圈绝缘电阻，并对主变进行外部检查，确认冲击电流对发变组未造成

不良影响，同时查明造成非同期并列的原因，并加以消除后，方可开机升压并网。

2、非同期振荡处理：

1、静态稳定

所谓静态稳定是指并列运行发电机在受到来自系统或水轮机方面的干扰后，能恢复到原来运行状态。

A点为原来稳定运行点，当干扰出现（如水轮机输入功率微小变化），工作点由A点变化到C点运行，如果干扰消失，工作点又由C点回到A点稳定运行。

2、动态稳定

当系统发生突然剧烈扰动（负载突然变化、输出线路或变压器切除等）时，机组能否维持稳定运行的能力，称为动态稳定。

例如：双回路输电线路突然切除一回输电线路，在不考虑发电机电磁暂态过程时，总电抗X’大于双回路电抗X，即极限功率值减小。

如图所示，在切除一回线路后，工作点由A点变化到B点，然后在B点C点D点之间来回移动，最终在C点建立新的稳定运行状态。这种围绕新的平衡点，角度时大时小，转子转速围绕同步转速时高时低的情况，称为振荡。

从图可以看出，当工作点越过E点后，功率无法平衡，发电机会造成失步。

3、振荡或失步现象及处理

注意：可从失步机组表记摆动较大、失步机组有功功率表指针摆动方向与其它机组摆动方向相反、从发生振动前的操作原因或故障地点三个方面来判断失步机组。

现象：

（1）发电机、线路电流表周期性剧烈摆动（各并列电势间出现电势差且电势间夹角时大时小，导致环流也时大时小，因而电流表指针摆动），有功表、无功表周期性剧烈摆动，其它表计也周期性剧烈摆动，频率表指示偏高或偏低（振荡或失步时，发电机输出功率不断变化，作用在转子上的力矩也相应变化，因而转速随之变化）；

（2）发电机发出轰鸣声，其节奏与表计摆动合拍。

处理：如判断为非同期振荡时，则应：

（1）检查自动励磁装置投入正常；

（2）如频率表及转速表指示升高，应用开度限制限制机组有功出力（减少转子上的加速力矩，使机组容易拉入同步）并在不致使低周减载装置动作的情况下，尽量降低频率。同时增加无功出力，将电压提高到最大允许值（可提高发电机电势，增大发电机功率极限，使作用在转子上的阻力增加，使发电机容易在平衡点附近被拉入同步）；

（3）如频率表及转速表指示降低，就增加有功、无功出力至最大值；

（4）如因发电机失磁造成发电机本身强烈振荡失去同期时，应不待调度命令，立即将该机组与系统解列；

注意：系统振荡时，禁止将“DT”切手动。