關于一例600 MW發電機轉子一點接地故障的查找及處理

逯 靜 ，蒲鵬飛(.西南電力設計院，四川 成都 600；.神華集團公司，北京 000)

關于一例600 MW發電機轉子一點接地故障的查找及處理

逯 靜1，蒲鵬飛2
(1.西南電力設計院，四川 成都 610021；2.神華集團公司，北京 100011)

介紹了UNS3020a型發電機轉子接地保護裝置的原理以及存在問題。通過一例600 MW發電機轉子一點接地保護裝置故障的分析查找，最終發現誤動原因并采取措施消除故障，總結了此類故障暴露的問題和防范措施，供同類發電機保護裝置運行和設計參考。

轉子一點接地；原理；存在問題；防范措施

0 引 言

轉子接地保護是勵磁繞組的主要保護。勵磁回路最常見的故障是發電機轉子發生一點接地，由于還未形成電流回路，對發電機運行不會產生直接的危害[1]。但此時接地極對地電壓降低，未接地極對地電壓升高，極易在轉子絕緣薄弱部位誘發第二個接地故障點。若發生兩點接地故障時，嚴重時將造成轉子鐵心或護環嚴重燒壞，同時一部分轉子繞組被短接而破壞了轉子磁場的對稱性，使得轉子鐵心被磁化和機組發生劇烈的振動[2，3]。因此，當發電機轉子繞組一點接地故障時，應迅速采取有效措施消除故障，避免兩點接地故障的發生。

某電廠1號發電機組為上海電機廠生產的QFSN-600-2型空冷發電機組配置UNITROL5000勵磁調節器，自帶UNS3020a型發電機轉子接地保護裝置。

1 轉子接地保護裝置

1.1 轉子接地故障繼電器原理

UNITROL5000勵磁系統自帶UNS3020a型轉子接地保護裝置，采用惠斯通(Wheatstone)電橋原理來測量轉子繞組與大軸之間的接地電容，以監視轉子繞組對地絕緣水平，轉子接地保護原理見圖1。

裝置測量電橋的平衡條件為

Cx=11Ck1+Ck2+1CR

式中,Ck1、Ck2為隔離電容；CR為轉子繞組與大軸接地之間的分布電容；Cx為測量電橋的補償電容。正常情況下Ck1和Ck2遠大于CR，測量橋的輔助電源既可由獨立的交流電源供電，也可由發電機出口電壓互感器供電。當發電機轉子繞組發生接地故障時，電容CR則被部分或完全旁路掉了，電橋平衡被打破，跨越電橋的電壓值U上升，CR越小，則U越大，根據U值的大小決定發出報警(Stage 1 alarm)或跳閘(Stage 2 trip)信號。

1.2 UNS3020a 保護裝置存在的問題

從保護裝置的回路進行分析，UNS3020a存在的主要問題如下。

(1)由于轉子接地保護采用惠斯通電橋原理，容易受到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。

圖1 轉子接地故障繼電器原理圖

(2)基建調試期間，保護裝置的補償電容Cx及電橋平衡未能調到最優狀態，機組投產以后，正常運行時，U+始終有電壓存在，極易引起誤動[4]。

(3)發電機勵磁繞組高速運轉時，由于發電機內部積累大量雜質飛揚，當密度達到一定程度時候，對大軸形成導電層，進而發生轉子接地。

(4)由于碳刷硬度不夠或者固定碳刷的彈簧壓力不夠等從而導致碳刷與大軸接觸不良造成電橋輸出較大導致機組跳閘[5]。

(5)設計回路不完善、缺少“勵磁系統直流母線正對地、負對地”錄波數據，不利于轉子一點接地保護動作分析。

2 事故情況

2.1 事故前工況

某年9月5日，1號機組帶負荷520 MW正在升負荷，輔機A、B引風機、A、B送風機、A、B一次風機運行，A、B、C、D、F制粉系統運行，A、B電動給水泵運行、A凝結水泵運行；其他各機組運行正常。500 kV升壓站運行方式為雙母線運行，其中一、二、三、四串合環運行，兩回出線正常運行。1號高壓廠用變壓器帶10 kV 工作1A、1B段廠用電運行，1號高壓公用變壓器帶10 kV 公用01A段廠用電運行。

2.2 事故經過

9月5日6時23分52秒，DCS發出1號發電機轉子接地故障報警、AVR勵磁裝置總告警；33分50秒，5011、5012開關跳閘、滅磁開關跳閘；33分51秒，汽輪機跳閘，主汽門關閉，檢查汽機各潤滑油泵聯啟正常；鍋爐MFT。1號機組故障錄波器啟動，機組電壓、電流、勵磁電壓及電流無突變；勵磁系統就地檢查，轉子接地裝置Ⅰ段、Ⅱ段動作信號燈均亮。

3 事故的檢查過程

3.1 發電機轉子絕緣檢測

機組啟動前，測量發電機轉子絕緣電阻為2 GΩ，合格。做發電機不同轉速下轉子交流阻抗(盤車：5.14 Ω、600 r/min：4.752 Ω、2 100 r/min：4.373 Ω、3 000 r/min：4.413 Ω)，與歷次試驗值相比合格。做不同轉速下轉子絕緣(盤車：2.1 GΩ、600 r/min：7.5 GΩ、2 100 r/min：10.2 GΩ、3 000 r/min：8.31 GΩ)，合格。同時用轉子故障診斷儀(RSO)進行盤車、3 000 r/min狀態下接地情況檢查，無接地現象。

3.2 勵磁回路絕緣檢測

檢查勵磁直流母線絕緣(正母21.5 GΩ，負母26 GΩ，正負間40 GΩ)，合格。檢查勵磁交流母線絕緣(6.25 GΩ)，合格。檢查發電機接地碳刷電纜絕緣(大于1 GΩ)，合格。打開勵磁交直流共箱母線箱蓋(內部干凈)，對母線絕緣子進行檢查、清理。打開勵磁正負極間排風扇外殼，對內部進行檢查(內部干凈)、清理。

3.3 碳刷與大軸接觸情況檢查

發電機大軸接地碳刷在運行中會因為磨損、積灰等原因造成接觸不良。當接地碳刷和轉子大軸接觸不可靠時，轉子對地電容會有個頻繁充放電過程，此時的轉子繞組對地電容電流是個暫態電流。對地電容的變化能造成轉子接地裝置誤發接地報警信號，甚至在極端條件下可能誤發跳閘信號。

就地檢查發電機大軸接地碳刷與轉子滑環的接觸情況，接觸良好，并未發現有松動或者污垢沉積的地方；碳刷辮與連接電纜接觸完整，連接牢固。可以排除“由于碳刷與大軸接觸不良而造成接地保護輸出”原因。

3.4 轉子接地保護裝置檢查

檢查轉子接地保護回路分流器、分壓器絕緣，(大于1 GΩ)，合格。對轉子接地保護裝置進行動作值試驗，Ⅰ段動作值3 200 Ω，0.503 V；Ⅱ段動作值560 Ω，1.9 V；對轉子接地保護裝置外觀等檢查未發現其他問題。

若保護裝置補償電容及電橋平衡沒有調整到最優狀態，則發電機在正常運行期間，裝置輸出電壓始終存在一定的電壓，待機組啟動后做不同轉速下的相關試驗，發現在汽輪機3 000 r/min時，測試轉子保護裝置不平衡輸出電壓104 mV(絕緣老化、元器件老化等)，大于廠家標準值(不大于100 mV)。

4 原因分析

4.1 直接原因

1號發電機轉子一點接地保護裝置電橋輸出不平衡電壓高于標準值(不高于100 mV)，在機組升負荷期間轉子對地電容發生改變，保護裝置判斷錯誤，裝置誤動，機組跳閘。

4.2 間接原因

運行和維護人員對轉子一點接地保護裝置內部結構、工作原理不熟悉，對轉子二次回路檢查測試數據分析不夠。

檢修規程、檢修文件包等技術標準不全面，未對轉子一點接地保護裝置不平衡輸出電壓值有明確規定及說明，導致轉子接地保護裝置不平衡電壓超差未及時發現。

工程移交資料、廠家交底不全面，維護人員對主要設備參數未能認真收集，關鍵數據存在盲區，對廠家要求的“轉子一點接地保護裝置電橋輸出不平衡電壓不能高于100 mV”掌握不夠。

對多個電廠勵磁系統故障原因未引起足夠重視，未認真剖析同類設備存在的隱患，未制定有效的防范措施。

電氣二次專業對轉子接地保護裝置受外界其他因素影響風險評估不充分，對裝置受轉子對地電容變化、對運行年限較長的保護裝置，存在的風險等風險評估辨識不足。

5 故障的處理

5.1 現場處理

對轉子接地裝置及轉子保護回路中C10、C11電容進行更換，對更換后保護裝置進行靜態、動態調試(更換轉子保護外回路C10、C11電容，原電容標稱值2 μF，測試值2.02 μF，滿足±10%要求，但是考慮其運行年限較長，將C10、C11進行更換，測試值均為2.02 μF)。

更換裝置后汽輪機3 000 r/min：轉子保護裝置不平衡電壓11.9 mV，Ⅰ段動作值2 150 Ω，0.410 3 V、5 s信號；Ⅱ段動作值491 Ω，1.1 V、2 s跳閘。

更換裝置后啟勵升壓空載測試：轉子保護裝置不平衡電壓30.7 mV，Ⅰ段動作值2 100 Ω，0.417 V、5 s；Ⅱ段動作值462 Ω，1.11 V、2 s；轉子一點接地保護裝置測試合格。

5.2 下一階段工作

由于UNS3020a 保護裝置存在的自身缺陷無法從根本解決，目前許多發電廠改用具有較高安全可靠性的南瑞繼保RCS-985RE型保護裝置，該裝置采用直流雙端注入式轉子接地保護原理。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時。對地絕緣破壞。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。通過檢測由注入方波電源引起的對地泄露電流變化，可實時計算轉子一點接地故障過渡電阻及故障位置，并由接地位置變化量實現轉子兩點接地保護功能[6-7]。

下一階段，應該利用機組大修機會進行技術更新或改造，本著變動最小、安全可靠，盡可能保留原回路的改動原則，拆除勵磁系統滅磁柜內UNS3020a轉子接地保護裝置及電容C10、C11，不留寄生回路。在滅磁柜內加裝裝置功能壓板和保護出口壓板，RCS-985RE安裝在滅磁柜內，增加報警信號和跳閘回路。

6 防范措施

運維人員應強化對“轉子一點接地保護”工作原理、裝置內部結構、關鍵測試數據標準和同類電廠轉子一點接地保護動作原因及控制措施的學習。將轉子接地保護裝置輸出特性的標準列入檢修規程及檢修文件包。將轉子一點接地保護裝置列入公司隱患進行管理，并落實相應的控制措施。下一階段，應該利用機組大修機會進行技術更新或改造，將原來配置UNS3020a型發電機接地保護裝置改用南瑞繼電保護RCS-985RE型保護裝置。

7 結 語

轉子一點接地保護受轉子繞組對地電容的影響大，當轉子繞組對地電容較大時，保護靈敏度較低[8-10]，由此引起保護信號誤發和機組非停事件不時出現，直接影響到機組和電網安全穩定運行，在出現一點接地故障后，應根據具體情況分析接地類型、接地原因，根據具體情況確定查找方法并制定針對性的防范措施。

[1] 李鋒，劉海霞.轉子一點接地故障原因分析及處理措施[J]. 華電技術，2013，35(8):41-45.

[2] 陳國棟.一起發電機轉子一點接地故障的查找及處理[J]. 電力安全技術，2012，14(6):52-54.

[3] 羅真，李書興.發電機勵磁回路兩點接地保護的研究[J]. 繼電器，2007，5(3):81-84.

[4] 竺士章. 發電機勵磁系統試驗[M]. 北京：中國電力出版社，2005.

[5] 馬鐵軍，馬騁，胡賢優，等. UNS3020型發電機轉子接地保護誤動作原因分析[J]. 華電技術，2008，30(6):49-51.

[6] 劉建平.ABB發電機轉子接地保護裝置國產化改造的研究與應用[J]. 浙江電力，2012(1):49-51.

[7] 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.

[8] 王維儉. 電氣主設備繼電保護原理與應用[M]. 北京：中國電力出版社，2002:267-277.

[9] 畢大強，徐振宇. 發電機勵磁回路接地保護新原理的研究[J]. 繼電器，2000，28(7):37-40,54.

[10] 劉小波，劉萬斌，包明磊，等. 轉子一點接地保護雙重化配置研究[J]. 電力自動化設備，2013，33(10):162-167.

The principle and existing problems for rotor grounding protection device of UNS3020a type generator are introduced. The one-point grounding protection fault of 600 MW generator rotor is checked and analyzed, and the causes of the fault are found and the measures are taken to remove the fault. The problems of such kind of faults and the precautionary measures are summarized, which can provide a reference for the operation of its protection device of similar generator and its design.

one point grounding of rotor; principle; existing problem; precautionary measures

TM864

B

1003-6954(2015)02-0078-04

2014-12-22)

逯 靜(1983)，工程師，從事發輸電二次設計工作；

蒲鵬飛(1978)，高級工程師，從事電力技術及管理工作。