發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護的分析與建議

馬艷濤，羅 軍

（廣東省粵電集團有限公司沙角A電廠，廣東 東莞 523936)

1 概述

某發(fā)電廠1～3號發(fā)電機均為200 MW汽輪發(fā)電機，轉(zhuǎn)子繞組的冷卻方式為氫冷。3臺機組投運均已將近20年，其中1，2號發(fā)變組保護為南京南瑞繼保電氣有限公司生產(chǎn)的RCS—985A型保護裝置，3號發(fā)變組保護為南京電力自動化設(shè)備總廠生產(chǎn)的WFBZ-01型保護裝置。該電廠3臺機組的勵磁屏均設(shè)在發(fā)電機平臺上，由于未設(shè)置專門的小間，受濕度及灰塵污染情況比較嚴(yán)重。

3臺機組運行時，均不定時發(fā)生轉(zhuǎn)子回路對地絕緣嚴(yán)重下降、轉(zhuǎn)子一點接地保護動作的情況。檢查結(jié)果表明：引起絕緣下降的點并不在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部，而是在勵磁外回路上。這是由硅屏內(nèi)元件受污、受潮引起的。當(dāng)此種情況發(fā)生時，轉(zhuǎn)子回路的絕緣電阻不穩(wěn)定，通常一段時間后，絕緣可自動恢復(fù)。在此情況下，如果自動投入轉(zhuǎn)子兩點接地保護，鑒于目前轉(zhuǎn)子兩點接地保護不是十分可靠，會增加誤跳閘的機會；如果轉(zhuǎn)子一點接地故障發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部，當(dāng)短時間內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點相繼接地時，會因未及時投入轉(zhuǎn)子兩點接地保護而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

2 轉(zhuǎn)子兩點接地的危害分析

轉(zhuǎn)子兩點接地故障屬于極其嚴(yán)重的故障，將對發(fā)電機造成災(zāi)難性的損害，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地故障時，故障點會流過相當(dāng)大的故障電流，從而燒傷轉(zhuǎn)子本體；

(2)由于部分繞組被短接、勵磁繞組中電流增加，可能因過熱而燒傷；

(3)由于部分繞組被短接，氣隙磁通會失去平衡，從而引起振動；

(4)轉(zhuǎn)子兩點接地還可能使軸系和汽機磁化。

如果轉(zhuǎn)子繞組通過較大的過渡電阻兩點接地，則可排除上述第2點危害，而第1，4點危害所造成的影響也會較小。但是，當(dāng)整個轉(zhuǎn)子回路上某點(即便該點不在勵磁繞組上)絕緣電阻降得很低時，實際相當(dāng)于轉(zhuǎn)子一點接地，如果不及時投入轉(zhuǎn)子兩點接地保護，其風(fēng)險較大；這時若轉(zhuǎn)子繞組上再發(fā)生一點接地，其危害將會非常大。

因此，當(dāng)確認(rèn)轉(zhuǎn)子一點接地后，機組停機前應(yīng)該投入兩點接地保護。為避免勵磁回路上的元件受污、受潮引起不穩(wěn)定接地，造成兩點接地保護誤跳閘，可以在轉(zhuǎn)子一點接地保護動作報警后，通過人工確認(rèn)為穩(wěn)定性一點接地后，再投入兩點接地壓板。

在轉(zhuǎn)子一點接地保護的定值方面，由上述分析可知，如果轉(zhuǎn)子繞組通過較大的過渡電阻兩點接地，其危害程度相對較小。因此，轉(zhuǎn)子一點接地保護的定值不必過大，建議取值5 kΩ。

3 WFBZ-01型保護裝置轉(zhuǎn)子接地保護原理

3.1 廠家說明書原理說明及保護邏輯

轉(zhuǎn)子一點接地保護采用疊加直流式一點接地保護原理，疊加源電壓為50 V，內(nèi)阻大于50 kΩ。一點接地保護的輸入端與轉(zhuǎn)子負(fù)極及大軸連接，其注入直流電源來自裝置內(nèi)部。轉(zhuǎn)子一點接地保護的工作原理為：一個簡單的串聯(lián)回路(即保護裝置內(nèi)部輸出的50 V直流、內(nèi)阻和轉(zhuǎn)子對大軸之間的絕緣電阻串聯(lián)的回路)，絕緣良好時整個回路電流最小，其對應(yīng)絕緣電阻為119 kΩ；轉(zhuǎn)子接地時，測量回路電流增大，其對應(yīng)絕緣電阻較小甚至為0。當(dāng)裝置計算的絕緣電阻小于整定值時，轉(zhuǎn)子一點接地保護出口動作于發(fā)信或跳閘。

轉(zhuǎn)子兩點接地保護采用發(fā)電機二次諧波電壓原理。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生兩點接地或匝間短路時，氣隙磁通分布均勻性將被破壞，在定子繞組中將產(chǎn)生二次諧波電壓。轉(zhuǎn)子兩點接地保護即反映定子電壓中的二次諧波分量。保護受一點接地保護閉鎖，在轉(zhuǎn)子一點接地保護動作后，自動投入轉(zhuǎn)子兩點接地保護。當(dāng)二次諧波電壓大于整定值，且負(fù)序分量大于正序分量2倍時，轉(zhuǎn)子兩點接地保護出口動作于發(fā)信或跳閘。

轉(zhuǎn)子兩點接地保護邏輯如圖1所示，其中U2ω2、U2ω1分別為二次諧波電壓的負(fù)序、正序分量，U2ωop為二次諧波電壓整定值。

圖1 WFBZ-01型保護轉(zhuǎn)子兩點接地保護邏輯

3.2 轉(zhuǎn)子接地保護原理

正常運行中，兩極汽輪發(fā)電機的氣隙磁場完全對稱于南北磁極，即氣隙磁密的空間分布完全對稱于橫軸。將磁密曲線作傅立葉級數(shù)的諧波分析，發(fā)現(xiàn)只有奇次諧波分量，沒有偶次諧波分量，故定子電壓中也只有奇次諧波分量，沒有偶次諧波分量。

轉(zhuǎn)子繞組兩點接地或匝間短路時，氣隙磁密分布的對稱性遭到破壞，磁密曲線含有二次及其他偶次諧波分量，則定子電壓必定含有二次諧波分量。

因此，理論上利用二次諧波電壓，可確切區(qū)分勵磁回路兩點接地故障與正常工作狀態(tài)，但該原理的應(yīng)用需注意以下幾個問題。

(1)在系統(tǒng)短路的暫態(tài)過程中，一定有非周期分量電流，相應(yīng)的三相定子繞組將有二次諧波暫態(tài)電壓。因此，兩點接地保護的延時，必須躲過系統(tǒng)故障時的暫態(tài)過程。

(2)轉(zhuǎn)子兩點接地故障時，定子繞組的二次諧波電壓可能非常小(約千分之幾額定電壓)，要在三相額定基波電壓中濾取如此小的二次諧波分量，技術(shù)要求較高；若提高二次諧波電壓整定值，將導(dǎo)致保護靈敏度下降。

(3)發(fā)生兩點接地故障時，發(fā)電機的二次諧波定子電壓將使相鄰的非故障發(fā)電機也出現(xiàn)一定數(shù)量的二次諧波定子電壓。所以，兩點接地保護的定值不能太小，而必須滿足其選擇性要求，但其靈敏度也必然會下降。

(4)無法區(qū)分勵磁回路的匝間短路與轉(zhuǎn)子兩點接地故障。輕微的匝間短路不會直接引起嚴(yán)重的后果，也無需立即消除缺陷，所以并不要求裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路保護。但嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，必然造成勵磁電流增大，機組振動加劇，局部過熱，從而損壞主絕緣和銅線。由此可見，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子一點接地故障時，為保險起見，保護無法區(qū)分匝間短路和兩點接地故障而停機是可接受的。

3.3 廠家意見

(1)WFBZ-01型微機發(fā)變組保護裝置在全國使用至今已10多年，轉(zhuǎn)子接地保護是可靠的。

(2)一點接地保護的動作值不必取得過大，5 kΩ～8 kΩ比較合理。

(3)轉(zhuǎn)子兩點接地保護的動作值可取實測二次諧波電壓的10倍，一般不超過2 V。

4 RCS-985型保護裝置轉(zhuǎn)子接地保護原理

4.1 廠家說明書原理說明及保護邏輯

轉(zhuǎn)子接地保護采用切換采樣原理(乒乓式)。轉(zhuǎn)子一點接地保護反應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子對大軸絕緣電阻的下降，轉(zhuǎn)子一點接地保護動作后，經(jīng)延時自動投入轉(zhuǎn)子兩點接地保護；當(dāng)接地位置α改變達一定值時，判為轉(zhuǎn)子兩點接地，動作于跳閘。其接地保護邏輯如圖2所示。

4.2 轉(zhuǎn)子接地保護原理

轉(zhuǎn)子接地保護采用切換采樣原理(乒乓式)。該原理通過2個電子開關(guān)切換采樣回路，得到2組方程，聯(lián)立求解得接地過渡電阻Rf及接地位置α。當(dāng)Rf小于整定值時，報轉(zhuǎn)子一點接地信號，并經(jīng)延時自動投入兩點接地保護。兩點接地保護同樣采用上述切換采樣原理，檢測接地位置的變化。若再發(fā)生轉(zhuǎn)子一點接地故障，則已測得的α值將會發(fā)生變化，當(dāng)其變化值超過整定值時，保護裝置就確認(rèn)為發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地故障。

在電子開關(guān)切換過程中，如果接地過渡電阻發(fā)生變化，此保護裝置計算接地點α將產(chǎn)生錯誤。因此，需經(jīng)連續(xù)2～3次計算，當(dāng)確認(rèn)α和Rf不變時，才能確認(rèn)一點接地故障的存在。

4.3 廠家意見

(1)通過檢測接地點及接地電阻的變化，判斷兩點接地。

(2)在電子開關(guān)切換過程中，如果接地過渡電阻發(fā)生較大變化，保護確實可能產(chǎn)生誤判。因此，RCS-985裝置在判定一點接地后，如持續(xù)10 s接地電阻變化不大，才會自動投入兩點接地保護。

(3)目前為止，沒有公認(rèn)、完美的轉(zhuǎn)子兩點接地保護方案。因此，建議轉(zhuǎn)子兩點接地保護的壓板平時應(yīng)退出；在轉(zhuǎn)子一點接地報警后，不應(yīng)自動投入兩點接地保護，應(yīng)觀察一點接地電阻值的變化情況，如變化幅度不大，再投入兩點接地保護壓板，即手動投入兩點接地保護。

5 轉(zhuǎn)子接地保護的使用建議

從上述分析可見，發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護動作后是否應(yīng)立即投入轉(zhuǎn)子兩點接地保護，需綜合考慮現(xiàn)有的運行經(jīng)驗、故障的形式和特點。針對該電廠的實際情況，現(xiàn)對轉(zhuǎn)子接地保護的使用提出以下幾點建議。

(1)為避免發(fā)電機的重大損害，明確轉(zhuǎn)子兩點接地保護動作于跳機。

(2)為減小兩點接地保護誤動作的可能性，決定采用手動投入兩點接地保護，并將1，2號機組RCS-985保護轉(zhuǎn)子一點接地的普通段動作值取5 kΩ。為及時發(fā)現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣下降，轉(zhuǎn)子一點接地靈敏段動作值取20 kΩ。對于3號機組的WFBZ-01保護，因整定值不分段，轉(zhuǎn)子一點接地動作值取20 kΩ。

(3)為加快轉(zhuǎn)子一點接地的判斷和處理速度，在運行中出現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地報警時，運行人員應(yīng)檢查記錄發(fā)變組保護柜轉(zhuǎn)子接地電阻通道顯示值。若發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地持續(xù)報警，應(yīng)切換發(fā)電機勵磁硅整流柜，觀察記錄發(fā)變組保護柜轉(zhuǎn)子接地電阻通道的顯示值變化情況，并通知電氣檢修人員迅速解決故障。

(4)如果發(fā)變組保護柜轉(zhuǎn)子接地電阻通道顯示值持續(xù)低于5 kΩ，且切換發(fā)電機勵磁硅整流柜也不能排除故障時，運行人員應(yīng)立即投入轉(zhuǎn)子兩點接地保護壓板，以防出現(xiàn)發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩點接地，損壞發(fā)電機組。

(5)制定有針對性的反事故措施和操作處理指引，使運行值班人員能迅速、正確地對發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地報警進行處理。

(6)為發(fā)電機勵磁就地柜搭建專用的封閉小間，以消除潮濕及灰塵的影響，改善發(fā)電機勵磁系統(tǒng)運行環(huán)境，降低發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障的發(fā)生率。

6 結(jié)束語

在對3臺發(fā)電機勵磁就地柜搭建專用的封閉小間并裝設(shè)空調(diào)、通風(fēng)口裝濾網(wǎng)后，消除了潮濕及灰塵的影響，改善了勵磁外回路的運行環(huán)境，轉(zhuǎn)子一點接地保護再也未動作。發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護動作于信號，是基于勵磁回路一點接地故障對發(fā)電機無直接危害而提出來的，并不是為了發(fā)電機長期帶一點接地故障運行。當(dāng)發(fā)電機的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點接地故障時，應(yīng)立即投入轉(zhuǎn)子兩點接地保護(如果有)并查明故障點與其性質(zhì)；如系穩(wěn)定性的金屬接地，應(yīng)盡快安排停機處理。

圖2 RCS-985型保護裝置轉(zhuǎn)子接地保護邏輯

1 王維儉．《電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用》(第2版)[M].北京：中國電力出版社，2002.