水轮机组的运行(水轮机基础知识讲解)

水轮机

一．结构

混流式水轮机

型号：HL100—LJ—210

HL：代表混流式水轮机

100：转轮型号（也称比转速）

LJ：立式金属蜗壳

210：转轮直径（210厘米）

组成

引水部件、导水部件、工作部件、泄水部件

1、引水部件

组成：引水室（蜗壳）、座环

作用：以较小的水力损失把水流均匀地、对称地引入导水部件，并在进入导叶前形成一定的环量。

2、导水部件

组成：导叶及其操作机构、顶盖、底环

作用：调节进入转轮的流量和形成转轮所需的环量

3、工作部件

组成：转轮

作用：直接将水流能量转化为旋转的机械能

4、泄水部件

组成：泄水锥、尾水管

作用：引导水流进入下游，尾水管同时还在转轮后形成真空，利用转轮出口到下游尾水之间的位能，恢复转轮出口处的部分动能损失，以提高效率。

混流式水轮机主要结构

由转轮、主轴、导轴承、主轴密封、座环、蜗壳、顶盖、底环、泄流环（基础环）、止漏环、抗磨板、导叶及其操作机构、机坑里衬、机坑内环形吊车、尾水管等组成。

将水轮机分成三大部分：转动部分、固定部分、埋入部分

1、转动部分

转动部分是机组的核心组成部分，是水能转换成机械能/电能的关键。

转动部分及其相关部件主要包括：转轮、主轴、主轴密封等。

2、转轮

转轮是实现水能转换的主要部件，它将大部分水能转换成转轮的旋转机械能，并通过水轮机主轴传递给发电机。

水轮机的转轮是将水能转换成机械能。

3、主轴

主轴是承受水轮机转动部分的重量及轴向水推力所产生的拉力，同时传递转轮产生的扭矩。

5、主轴密封

主轴密封是水轮机关键部件之一，水轮机在运行过程中，其主轴密封的安全可靠运行，直接关系到水轮机是否安全运行

分类：平板密封（映站）、端面密封、螺旋（水泵）密封、滑动架密封等。

作用是：有效地阻挡尾水管中的水从主轴与顶盖之间的间隙上溢，防止水轮机导轴承及顶盖被淹，维持轴承和机组的正常运行。

6、检修密封

检修密封是当机组检修、检查或由于主轴密封损坏时投入的一种密封，又称空气围带；

检修密封：当投入时压缩空气进入空气围带，使空气围带的凸出部位抱紧水导旋转油盆与之配合的加工面或大轴法兰，切断尾水以防水淹水车室。

7、固定部分

顶盖、底环、座环、支持环等

8、埋入部分

蜗壳、座环等

发电机

发电机原理： 它主要是将机械能转化为电能（而水轮机是将水能转化为机械能）。水轮发电机之所以能够发出电来，是因为它遵循了电磁感应定律，当转子在旋转时，定子绕组切割转子磁场的磁力线产生感生电势。我们知道，发电机出口发出的电是正弦交流电，这是由于在制造过程中转子磁极采用适当的极弧形状，使转子和定子之间空气间隙中的磁感应强度大致按正弦规律分布，所以感应电动势也随时间按正弦规律变化。

一、水轮发电机的组成及各部件的作用：

主要有定子、转子、推力轴承、上下部导轴承、上部下部机架、通风冷却装置、制动装置、及励磁装置等组成。

定子：是产生电能的主要部件，它是由线圈、铁芯和本体等组成。

转子：是产生磁场的旋转部件，由支架、轮环、磁极和励磁线圈等组成。

推力轴承：它是承受机组转动部分总重和水轮机轴向水力推力的部件。

冷却系统：在大中型水轮发电机组中，一般均采用空气冷却，发电机内部的热风通过均布于定子机壳外的空气冷却器冷却后，再重新送入发电机。

1、发电机的定子由机座、铁芯、线圈等部件组成。机座是用来固定铁芯的，对于悬式发电机，机座用来承受转动部分的全部重量；铁芯是发电机磁路的一部分；线圈则形成发电机的电路。

•机座主要作用是：作为定子铁芯叠片的支撑结构；承受定子的扭矩,并将其传至底脚；构成冷却气体的通道；构成轴承,机架和冷却器的支撑结构；

•定子铁芯：是定子的主要磁路，同时也是定子绕组的安装和固定部件。定子铁芯由扇形冲片、通风槽片、齿压板、拉紧螺栓、托块、

发电机转子由主轴、轮臂、磁轭、端压板、风扇、磁极、制动闸板等组成 。

•主轴是用来传递转矩，并承受转动部分的轴向力，通常用高强度钢整体锻成，或由铸造的法兰与锻造的轴筒拼焊而成。

•磁轭的主要作用是产生转动惯量和挂装磁极，同时也是磁路的一部分，直径小于4m的磁轭可用铸钢或整圆的厚钢板组成，大于4m时则由3～5mm的钢板冲片叠成一整圆，用键固定在轮臂外端。

•磁极是产生磁场的主要部件，由磁极铁芯、励磁线圈和阻尼绕组三部分组成，并用“T”形结构固定在磁轭上。

•转子支架是安装磁轭、磁极及主轴的中间部件。在运行中要承受扭矩、重力、离心力等的综合作用

•二、保护

•纵差保护

•纵差保护是针对发电机定子绕组和引出线上相间短路而装设的，发电机运行中定子绕组有可能发生相间短路，短路电流流过故障点可能产生高温电弧烧毁发电机，甚至引起火灾

•定子匝间短路保护

•发电机定子线圈内部匝间短路故障发生的概率虽然很小，但其一旦发生将产生很大的环流，引起故障处温度升高，绝缘老化甚至击穿发展为单相接地或相间短路，引起事故扩大，为此发电机应装设匝间短路保护。

•定子单相接地保护

•发电机定子绕组单相接地时流过定子铁心的电流为发电机电压系统电容电流之和，当此电容电流较大时，会使铁心局部融化，为此发电机应装设或单相接地保护绝缘监视装置。

• 转子一点接地保护

•发电机转子绕组一点接地由于没有构成电流回路，对发电机没有直接危害，但是如果再发生一点接地构成两点接地，就会使转子绕组短路，不仅会烧毁转子绕组，而且会破坏发电机磁路对称性，引起发电机的强烈振动，为此发电机应装设转子一点接地保护。一般小容量机组，可采用定期绝缘检测装置。

•. 转子失磁保护

•发电机转子绕组断线、励磁回路故障或FMK开关误动等原因造成转子失磁。

•. 后备保护

•外部短路、非同期合闸以及系统振荡等原因引起的过电流，一般装设低压过电流保护，作为外部短路故障和内部故障的后备保护。

•③. 过负荷保护

•负荷长期超过额定值运行或负序电流长期长期超过允许值造成对称或不对称过负荷。

•④. 过电压保护

•发电机突然甩负荷，因其调速系统性能和惯性来不及关闭导叶，转速上升从而引起过电压。

•发电机主要保护配置

•发电机纵联差动保护

•纵联差动保护是发电机内部相间短路的主保护。因此，它应能快速而灵敏地切除内部所发生的故障。同时,在正常运行及外部故障时，又应保护动作的选择性和工作的可靠性。满足这些要求是确定纵联差动保护整定值的原则

•原理图

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•逻辑图

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•发电机匝间短路保护－横差保护

•对于定子绕组为双星形接线且中性点侧有6个引出端子的发电机，匝间短路保护一般均采用单元件横差保护。

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单元件横差保护原理接线如图4 。在两个中性点连线上装设电流互感器LH,其二次侧通过高次谐波滤过器XLG引入电流继电器。发电机正常运行及外部故障时，中性点连线中存在由于电势不对称产生的基波零序电流和发电机电势中三次谐波产生的不平衡电流。为消除不平衡电流中的高次谐波的影响，降低保护动作电流提高保护灵敏度,设置高次谐波滤过器XLG。横差保护的动作电流一般按照躲过此不平衡电流整定，所以正常运行以及发电机外部短路时，保护不会动作。

发电机的定子单相接地保护

发电机定子绕组因绝缘破坏而引起的单相接地故障比较普遍。当接地电流比较大，能在故障点引起电弧时，将使绕组的绝缘和定子铁心烧坏，并且也容易发展成相间短路，造成更大的危害。我国规定，当接地电容电流等于或大于5A时，应装设动作于跳闸的接地保护，当接地电流小于5A时，一般装设作用于信号的接地保护。

当不同分支间发生短路时，如图5（b）所示，则构成上下两个闭合回路，在上下两个闭合环路分别产生电流，中性点连线上的LH有电流ID流过，保护装置动作。

当一个分支短路匝数a较少或不同分支间短路匝数相差不大时，故障环流值可能达不到继电器的动作值，保护装置不动作，此即横差保护存在的死区。

当励磁回路两点接地时，由于转子磁场对称性遭到破坏，是定子同相不同槽的两个并联支路线圈中电势不相等，将引起横差保护误动，但励磁回路两点接地时，其它电气量会发生较大变化，相应保护动作调闸。为避免转子回路发生瞬时两点接地引起横差保护误动，一般横差保护动作带0.5～1S的延时。横差保护的动作电流按照躲过外部短路时流过的最大不平衡电流整定

基波零序电压和三次谐波电压构成100％定子接地保护

利用零序电流和零序电压构成的发电机定子接地保护，对定子绕组都不能达到 100％的保护范围。对于大容量的机组而言，由于振动产生的机械损伤或其他原因，都可能使中性点附近的绕组发生接地故障，如果不能及时发现，则可能进一步发展成匝间或相间短路，或者再有一接地点形成两点地短路。都会造成发电机的严重损坏。因此，对大型发电机组，特别是水冷机组，应装设能反应 100％定子绕组的接地保护。

100％ 定子绕组的接地保护由基波零序电压和三次谐波电压共同完成。由基波零序电压接保护发电机85％～95％的定子绕组单相接地；三次谐波电压保护发电机中性点附近定子绕组的单相接地。零序电压判据和三次谐波判据各有独立的出口回路，以满足不同配置的要求。

转子一点接地保护

实现发电机转子接地故障保护的方法有多种这里简要介绍常用微型计算机转子接地故障保护方法。

如图10所示，采用乒乓式开关切换原理，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位

图中，S1、S2为由微机控制的电子开关，Rg为接地电阻，α为接地点位置，E为转子电压。4个降压电阻R，一个测量电阻R1。当S1闭合，S2断开时（状态1），在R1上测得的电压为U1；S1断开，S2接通时（状态2）在R1上测得电压为U2。ΔU=U1-U2。为防止保护误动及计算溢出，特设启动判据。E＞50V（即E＞50V起动此保护判断程序）。当Rg小于或等于接地电阻整定值时，经延时发出转子一点接地信号或作用于跳闸。该保护还可实时显示转子接地电阻值和接地位置。

5. 发电机失磁保护

发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。引起失磁的原因有转子绕组故障，励磁机故障，自动灭磁开并误跳闸，半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障，以及误操作等

三、主变

1.变压器铁心：铁心是变压器磁路的主体，变压器铁心分为铁心柱和铁轭，铁心柱上套装绕组，铁轭的作用是使磁路闭合。为减少铁心内的磁滞损耗和涡流损耗，提高铁心导磁能力，铁心采用氧化处理的硅钢片叠装而成

2.变压器绕组（线圈） ： 绕组是变压器的电路部分，用绝缘铜线或铝线绕制而成 。绕组的作用是电流的载体，产生磁通和感应电动势。

3.电力变压器的附件有油箱、油枕、分接开关、安全气道、绝缘套管等。电力变压器的附件作用是保证变压器的安全和可靠运行。

（1）电力变压器油箱：　　即油浸式变压器的外壳，用于散热，保护器身（变压器的器身放在油箱内），箱中有用来绝缘的变压器油。

　　（2）电力变压器储油柜（油枕）：装在油箱上，使油箱内部与外界隔绝。

　　（3）电力变压器安全气道（防爆管）：装在油箱顶盖上，保护设备，防止出现故障时损坏油箱。当变压器发生故障而产生大量气体时，油箱内的压强增大，气体和油将冲破防爆膜向外喷出，避免油箱爆裂。

　　（4）电力变压器气体继电器（瓦斯继电器）：装在变压器的油箱和储油柜间的管道中，主要保护装置。内部有一个带有水银开关的浮筒和一块能带动水银开关的挡板。当变压器发生故障，产生的气体聚集在气体继电器上部，油面下降，浮筒下沉，接通水银开关而发出信号；当变压器发生严重故障，油流冲破挡板，挡板偏转时带动一套机构使另一水银开关接通，发出信号并跳闸。

保护

（一）瓦斯保护

作用：防御变压器油箱内各种短路故障和油面降低

重瓦斯 轻瓦斯

二）纵差动保护和电流速断保护

作用：防御变压器绕组和引出线的各种短路故障、绕组匝间短路故障

（三）过电流保护

l 复合电压起动的过电流保护

l 负序过电流

（四）零序电流保护

作用：防御大接地电流系统中变压器外部接地短路

（五）过负荷保护

作用：防御变压器对称过负荷

（六）过励磁保护

作用：防御变压器过励磁

三、变压器纵差动保护

(一)构成变压器纵差动保护的基本原理

1.正常运行时：正常运行时各侧电流的参考方向如图所示。合理选择互感器变比和接线方式，变压器两侧对应相别电流之和I1+I2=0，即当两侧互感器流过负荷电流时，其二次电流幅值相等，相位差为180度，功率方向一侧为正，另一侧为负。此时差动保护不动作。

2 外部短路或过负荷时：变压器两侧对应相别电流之和I1+I2=0，即当两侧互感器流过负荷电流时，其二次电流幅值相等，相位差为180度，功率方向一侧为正，另一侧为负。此时差动保护不动作。

3内部短路时：由于变压器两侧同时向短路故障点提供故障电流，电流幅值较大，两侧电流相位差为0，I1＋I2＝Id（故障电流），使差动继电器动作。

（二）变压器差动保护的特点

l 变压器差动保护的主要特点是需要避开差动回路中的不平衡电流和变压器空载投入时的励磁涌流。对上述不平衡电流和变压器空载投入时的励磁涌流产生的原因分析如下：

1、励磁涌流产生的原因

当变压器空载投入时，可能出现数值很大的励磁电流，在空载合闸，电压瞬时值u＝0时，励磁涌流最大。由于变压器铁芯中的磁通不能突变，铁芯中的磁通滞后于电压90度，将出现一个非周期分量的磁通，其幅值为Φm，经过半个周期后，铁芯中的磁通达到2Φm。如果铁芯中有剩余磁通Φs，则总磁通为2Φm＋Φs，变压器的铁芯饱和，励磁电流Iμ成倍增加，此电流称为变压器的励磁涌流，其数值最大可达额定电流的6～8倍。

Ø 变压器保护原理

一、励磁涌流闭锁原理

励磁涌流判别通过控制字可以选择二次谐波制动原理或波形判别原理。

1、谐波制动原理

装置采用三相差动电流中二次谐波与基波的比值作为励磁涌流闭锁判据，

动作方程为：I2＞K2XD×I1

其中：I2 为每相电流中的二次谐波；I1为对应相的差流基波；K2XD为二次谐波制动系数整定值，推荐整定0.15。

2、波形判别原理

装置利用三相差动电流中的波形作为励磁涌流判据，内部故障时，各侧电流经互感器变换后，差流基本上是工频正弦波；而有励磁涌流时，有大量的谐波分量存在，波形是间断不对称的。

二、TA饱和时的闭锁原理

为防止在区外故障时TA饱和时可能引起的比率差动保护误动作，装置采用各相差电流的综合谐波作为TA饱和的判据。

三、比率差动原理

比率差动动作特性曲线如下：

其中：Id为差动电流；Ir为制动电流；Icdqd为差动电流启动值；

Ie为额定电流；Kb11为起始比率差动斜率；

Kb12为最大比率斜率。

一般的差动继电器均选用比率差动，主要是解决区外故障时，故障电流引起的不平衡电流对差动继电器的影响。当区外故障电流增大时，不平衡电流会增大，制动电流也会增大，比率差动特性可让定值也随制动电流也增大曲线抬高，此特性能躲过不平衡电流，不引起保护误动。

四、TA断线报警闭锁功能

对于正常运行中TA断线，差动保护设有TA断线判别功能，只有在差动保护控制字及压板投入时，差动保护TA断线报警闭锁功能才能投入。

内部故障时，至少满足以下条件中的一个：

1、保护启动后任一侧一相电流比启动前增加；

2、保护启动后最大相电流大于1.2Ie；

3、任一侧负序电压大于2V。

而TA断线时，以上条件均不符合。因此，差动保护启动后40ms内，以上条件均不满足，判为TA断线，发报警信息，并闭锁差动保护。在发出TA断线信号后，消除TA断线情况，才能消除报警信息，解除闭锁。

四、差动保护在过激磁状态下的闭锁判据

由于变压器过激磁时，变压器励磁电流将急剧增加，可能引起差动保护误动作。因此在装置中采取差电流的五次谐波与基波的比值作为过激磁闭锁判据来闭锁差动保护，判据如下：I5 ＞K5xb×I1

其中：I1为差动电流中的基波； I5为五次谐波；K5xb为五次谐波制动系数，装置固定取0.25

。

。

四、变压器的过电流保护

为反应变压器外部故障而引起的变压器绕组过电流，以及在变压器内部故障时，作为差动保护和瓦斯保护的后备，变压器应装设过电流保护。根据变压器容量和系统短路电流水平的不同，实现保护的方式有过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护等。

（1）变压器的过电流保护

2）低电压起动的过电流保护

低电压元件的整定值按电动机起动时低电压元件不动作，电流元件的整定值可以不再考虑可能出现的最大负荷电流，而是动作电流按大于变压器的额定电流整定

3）变压器的零序保护

电力系统中，接地故障常常是故障的主要形式，因此，大接地电流系统中的变压器，一般要求在变压器上装设接地（零序）保护，以作为变压器本身主保护的后备保护和相邻元件接地短路的后备保护。

系统接地短路时，零序电流的大小和分布与系统中变压器中性点接地的数目和位置有很大关系。考虑变压器中性点接地的位置和数目时，一般应使零序电流的分布尽可能保持不变，保证零序保护有足够的灵敏度和不使变压器承受危险过电压。

4）、变压器的瓦斯保护

气体继电器是一种反应气体的继电器，安装在油箱与油枕之间连接管的中部。为了使油箱内的气体能顺利通过气体继电器而流向油枕，在安装变压器时，要求其顶盖与水平面间有1％～1.5％的坡度，使安装继电器的连接管有2％～4％的坡度，均朝油枕的方向向上倾斜。目前国内采用的有浮筒挡板式和开口杯挡板式两种结构的气体继电器。

当变压器内部发生轻微故障时，所产生的少量气体逐渐聚集在继电器的上部，使继电器内的油面缓慢下降，油面降到低于开口杯时，开口杯自重加上杯内油重抵消浮力后的力矩将大于重锤自重抵消浮力后的力矩，使开口杯的位置随着油面下降，磁铁逐渐靠近干簧接点，接近到一定程度时接点闭合，发出轻瓦斯动作的信号。

当变压器内部发生严重故障时，所产生的大量气体形成从变压器中向油枕的强烈气流，带油的气体直接冲击着挡板，克服了弹簧 的拉力使挡板偏转，磁铁迅速靠近干簧接点，接点闭合（即重瓦斯保护动作）起动保护出口继电器，使变压器各侧断断路器跳闸