ABB發電機轉子接地保護裝置國產化改造的研究與應用

劉建平

（大唐烏沙山發電有限責任公司，浙江 寧波 315722）

近幾年，發電廠應用的ABB勵磁系統UNS3020a-Z型轉子接地保護裝置運行狀況不良，已發生多起誤動作事件。為防止此類故障導致發電機組非停事件的發生，大多將該保護裝置改投信號，但是該裝置未提供轉子兩點接地保護功能，在發電機轉子發生一點接地后，若再發生第二點接地故障，將會嚴重燒壞發電機轉子，后果不堪設想。

目前國內已研制出技術領先、運行穩定、成熟可靠的單體式國產微機型發電機轉子接地保護裝置，因此將ABB勵磁系統轉子接地保護更換為國產微機型保護已成為可能。

1 ABB轉子接地保護存在的問題

烏沙山發電廠一期工程機組的發電機轉子接地保護，采用瑞士ABB公司生產的勵磁系統自帶UNS 3020a-Z型轉子接地保護裝置，安裝在勵磁系統直流出線柜內，保護裝置應用電橋平衡原理見圖1，依據發電機轉子對地電阻的變化動作于發信或跳閘，不能區分轉子一點接地和兩點接地。保護設有一段高定值2 kΩ，延時5 s發信；一段低定值0.5 kΩ，延時2 s發信或跳閘。

圖1 ABB UNS3020型轉子接地保護原理圖

轉子接地保護裝置S1與S2之間的電容為轉子繞組對地電容（即電橋電容C04，C05，C10，C11），機組正常運行時其值較為穩定，CX為保護裝置內部可調電容，電阻2K1與2K2大小相等，接地保護調試完成后F75內部電橋達到平衡，T1兩端電壓很微弱（一般調整到50 mV以內）。一旦轉子繞組接地或發電機大軸接地點接觸不良，S1和S2之間電容將發生改變，F75內部電橋平衡被破壞，T1感應出電壓，保護裝置根據電壓大小比較判斷轉子接地電阻狀況。一般發生轉子接地故障時，T1兩端電壓為2 V以上，保護裝置發出跳閘信號。當發電機大軸接地點（接地炭刷）與地接觸不良時，T1兩端電壓一般在0.7～2 V之間，保護裝置會發出接地報警。

由于轉子接地保護采用惠氏通電橋原理，容易受汽機側大軸接地狀況變化，引起對地電容值擺動影響而出現誤動作。裝置為集成電路型無自檢功能，無法有效在線監視發電機轉子絕緣狀況及轉子正負極對地電壓大小，不能區分發電機轉子一點接地和兩點接地故障。保護裝置還存在安全可靠性差、人機界面不友好（未配置液晶顯示屏、通信接口）、定值無法修改等缺陷，不利于運行和維護人員對發電機轉子的監測和分析。為了確保機組的安全可靠運行，應予更換。

2 保護選型

經過深入調研，充分證明目前國產微機型發電機轉子接地保護原理上已經成熟，制造工藝也達到了較高的水平。國產轉子接地保護裝置人機界面友好，可在線監視轉子正負母線對地電壓及轉子對地絕緣，并能有效區分一點接地和兩點接地情況，保護出口方式可選擇，便于檢測和分析，軟硬件質量好，能保證長期良好的售后服務，選用國產產品更可靠便捷。

應用的轉子接地保護原理主要有切換采樣式、注入直流電壓式和注入低頻方波電壓式。切換采樣式需利用勵磁電壓，不能滿足無勵磁狀態下的測量要求；注入直流電壓式由于轉子電壓的作用，在轉子繞組不同位置發生接地故障時，靈敏度差異很大；注入低頻方波電壓式采用新型保護原理，可滿足無勵磁狀態下的測量要求，不受轉子繞組對地電容的影響，靈敏度高且一致，能在100%范圍內測量轉子接地故障，同時也能反映轉子繞組絕緣狀況，起到監視絕緣老化的作用。

綜合比較后認為，注入低頻方波電壓式原理具有突出的優勢。注入方式又可分為雙端注入式和單端注入式，單端注入式只能檢測轉子一點接地，雙端注入式能夠實現完整的轉子一點接地保護、兩點接地保護和一點接地故障位置定位等功能。4號機組具有安裝雙端注入原理的條件，故最終選定具有雙端注入原理的轉子接地保護裝置。

3 改造方案論證

國產轉子接地保護根據現場要求能夠提供多種實現方案，可集成在發變組保護裝置內，也可采用小型單裝置就地安裝在勵磁系統AVR柜內。

方案一：在發變組保護柜內裝設轉子接地保護裝置。優點：環境溫度穩定，干擾源少。缺點：需通過電纜將轉子電壓引入機組保護屏，且鋪設距離較長，大大增加了勵磁回路復雜性和接地故障概率，具有安全隱患。另外，勵磁系統額定電壓較高，引入保護柜也會對保護裝置的安全運行帶來不利影響。

方案二：轉子接地保護裝置就地安裝在勵磁AVR控制柜內。優點：無需把發電機轉子回路引到勵磁系統外部，安全性高，接線簡單，節約電纜投資。缺點：AVR控制柜內運行環境較差。

綜合以上分析決定采用第2個方案，選用南瑞繼保公司RCS-985RE型發電機注入式轉子接地保護裝置，如圖2所示。發電機正常運行時轉子繞組回路對地（大軸）絕緣，發生轉子繞組接地故障后，對地絕緣被破壞。通過在發電機轉子繞組兩端注入方波信號，可區分正常運行和接地故障。正常運行時發電機由注入方波電源引起的對地泄漏電流幾乎為零；轉子繞組接地故障時，此電流明顯地發生改變，通過檢測該電流的變化，可實時計算轉子一點接地故障過渡電阻及一點接地故障位置，并可由接地位置的變化量實現轉子兩點接地保護功能。

圖2 雙端注入式轉子接地保護原理

保護裝置采用全封閉鋁合金機箱，軟硬件冗余配置，可區分轉子一點接地和兩點接地故障，出口方式可選擇性強，改造設計時考慮了跳閘出口冗余配置，在跳閘中間繼電器損壞情況下，還可通過AVR內部發出跳閘指令，可靠停機。裝置采用液晶屏顯示，可在線實時監測發電機轉子正負母線對地電壓和轉子絕緣電阻，及時反映轉子繞組絕緣狀況，有助于運行維護人員實時監測、診斷、分析和跟蹤發電機轉子健康狀況。保護具有抗干擾能力強，動作快速、靈敏，可靠，人機界面友好，自動錄波等優勢。

4 保護更換的實施

在改造中本著最小的變動、最安全可靠的原則，盡可能保留原有回路。具體方案如下：

（1）按照不留寄生回路的原則，從回路兩側拆除原ABB UNS 3020a-Z型轉子接地保護裝置的所有輸入、輸出回路。

（2）保留原轉子接地保護惠氏通電橋回路中用于防止轉子回路過電壓的阻容回路。

（3）在勵磁AVR柜門操作面板旁開孔安裝新的轉子接地保護裝置RCS985RE。

（4）在勵磁AVR柜內左側空缺位置安裝3個空開及2個分壓電阻。

（5）在勵磁AVR柜門轉子接地保護裝置下方安裝1個轉子接地保護動作信號復歸按鈕；轉子一點接地、兩點接地、保護功能壓板；轉子接地保護連跳AVR壓板；保護連跳發變組及滅磁開關壓板。

（6）保護裝置輸出至ECS的裝置異常報警信號；轉子一點接地動作信號和轉子兩點接地動作信號；輸出至故障錄波器的信號；輸出至AVR連鎖信號。

（7）原大軸接地電纜接入保護裝置RGND端子，轉子電壓經空開接至保護裝置Ur+、Ur-端子，引接GPS信號至RCS985RE保護裝置207與208端子。

（8）用通信方式將重要的模擬量，如轉子正負母線對地電壓及轉子對地電阻等參數實時遠程顯示。

5 結語

更換的轉子接地保護裝置運行情況良好，實時監視發電機轉子正負母線對地電壓和轉子繞組對地絕緣電阻，給運行和維護人員對發電機轉子絕緣的監視、跟蹤和分析提供了依據，滿足機組運行要求。另外，大唐彭水發電廠采用的RCS985RE型轉子接地保護裝置曾準確檢測到了轉子兩點接地，避免了設備事故，間接證明了所選保護裝置的可靠性。

[1]陳俊，王光，嚴偉，等.關于發電機轉子接地保護幾個問題的探討[J].電力系統自動化，2008，32（1）:90-92.

[2]南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985RE注入式發電機轉子接地保護裝置技術和使用說明書[G].2008.