發電機轉子兩點接地保護動作原因排查與分析

發電機轉子兩點接地保護動作原因排查與分析

單淵博

(陽煤集團發供電分公司生產技術部，山西 陽泉 045000)

摘要：通過對某電廠3#機組接地故障進行排查、原因分析，闡述了轉子勵磁回路交流部分接地反映為轉子接地保護的關系，總結了轉子接地故障查找的步驟及范圍，為縮短轉子接地故障查找時間提供了寶貴的經驗。

關鍵詞：轉子；勵磁系統；接地保護；交流回路；直流回路

收稿日期:2015-04-12

作者簡介：單淵博(1970—)，男，河北井陘人，機電工程師，主要從事發電廠電氣運行及電網安全供電技術管理工作。

0引言

轉子作為發電機重要部件，如果發生兩點接地故障且不能及時得到處理，不僅會造成重大設備事故，而且會影響電力系統的安全運行，造成較大經濟損失。

某電廠3#發電機組自投產后運行一直正常，從未出現轉子一點接地異?，F象。2013年12月21日，3#機組在運行過程中發生轉子一點接地報警，時間不到2 s，再一次發生轉子兩點接地跳閘。檢修人員對勵磁一、二次系統進行了排查、分析，最后查找出故障位置，消除了機組隱患。

1轉子接地原因分析

轉子繞組接地的原因是多種多樣的，從轉子接地故障統計資料分析，主要原因有以下幾方面：(1) 轉子本體及附件絕緣損壞：轉子槽口絕緣損壞、轉子槽絕緣和端部絕緣損壞、轉子引線絕緣損壞等引起接地。(2) 勵磁滑環引起的絕緣降低：碳粉貼粘在集電環兩極，導致集電環碳化，絕緣下降；碳粉將滑環通風孔局部堵塞，使滑環絕緣局部過熱老化引起絕緣降低。(3) 勵磁一、二次回路絕緣不良：功率柜、滅磁柜內一次/二次回路及引出線接地、臟污、過熱引發的勵磁回路絕緣不良。(4) 保護裝置誤動或損壞。

2接地故障點的查找

2.1保護裝置動作可靠性校驗

該發電機組配置許繼電氣WFB-810系列微機型發電機成套保護裝置，轉子接地保護為轉子一點接地加兩點接地保護，其定值如表1所示。

表1　轉子接地保護定值表

經試驗人員校驗，保護裝置動作正確，不存在裝置損壞的情況。

2.2勵磁滑環的檢查及清掃

用500 V搖表搖測發電機勵磁滑環絕緣合格，未發現異常；對碳刷、碳握刷架及通風孔進行檢查，有大量碳粉聚積，對滑環進行了徹底清掃。

2.3勵磁一、二次回路的檢查

用500 V搖表搖測滅磁柜內二次回路、功率柜直流側引出線絕緣合格，未發現異常。隨后將勵磁滑環所有碳刷取出，拉開兩臺功率柜直流側刀閘，從端子上拆除進保護裝置的轉子電流接線，所有安全措施做好后，合上滅磁開關，給勵磁回路通直流電，主控直流系統絕緣監察裝置未報接地異常，說明整個勵磁回路絕緣正常。

以上檢查完畢后，啟動機組(啟勵，未進行并網操作)，轉子接地仍存在，停運機組，繼續查找故障點。

2.4對轉子本體進行交流阻抗測試

如果轉子繞組出現匝間短路，則轉子繞組有效匝數就會減少，其交流阻抗就會減小。因此，通過測量轉子繞組交流阻抗，與歷次試驗數據相比，就可以有效地判斷轉子繞組是否有匝間短路。

在排除了轉子外回路(主要指勵磁回路)接地的情況后，在汽輪機不同轉速下給轉子繞組加100 V的電壓，測試轉子在不同轉速下的交流阻抗。測試情況如表2所示(CT變比：50/5；測試溫度：風溫23 ℃)。

表2　轉子在不同轉速下的交流阻抗

機組交接測試報告中，轉子在不同轉速下的交流阻抗測試數據如表3所示(CT變比：50/5；測試溫度：25 ℃)。

表3　機組交接測試報告中的轉子阻抗

《電力設備預防性試驗規程》對轉子交流阻抗試驗規定如下：在相同試驗條件下，與歷年數據比較，不應有顯著變化。

通過比較兩組試驗數據，轉子在不同轉速情況下，試驗數據變化不大，可以排除轉子繞組接地的可能。

根據上述檢查結果，經過認真分析，確認轉子接地的故障點仍在勵磁回路上。通過對勵磁回路檢查情況進行梳理，沒有檢查的部位只有功率柜整流模塊及交流回路，如整流模塊存在故障，運行過程中應報“整流故障”，可排除整流模塊的問題，由此決定對功率柜交流回路進行檢查。

2.5功率柜交流側回路的檢查

機組零起升壓至發電機額定電壓90%，用萬用表測量功率柜交流側電源電壓(兩臺功率柜并聯運行)，結果如表4所示。

表4　功率柜交流側電壓

從測試的電壓數據分析，功率柜交流側線電壓平衡，說明勵磁變正常；三相對地電壓不平衡，可確定功率柜交流側A相電纜及其附屬回路絕緣不良，導致A相接地。

機組停運后，拉開兩臺功率柜交流刀閘，用500 V搖表分別搖測兩臺功率柜交流刀閘上口絕緣合格，說明交流回路絕緣正常；用500 V搖表搖測功率柜交流刀閘下口絕緣，A相電纜對地為0。

組織相關技術人員進行分析，可以確定A相電纜絕緣降低是引起轉子接地的原因。更換完電纜后，機組啟動成功。

3接地原因確定及總結

勵磁交流回路絕緣降低引起轉子接地，分析其原因首先要了解3#機組勵磁方式和轉子接地保護工作原理。

3#機組采用的是自并勵靜止可控硅勵磁方式，其轉子電流由可控硅全橋整流橋提供，其整流橋電源由在發電機端的勵磁變壓器供給，勵磁調節器控制可控硅導通角的開度，起到自動調節發電機機端電壓的作用。

當全控橋式整流電路工作在整流狀態時，將交流電轉變成直流電，其原理圖如圖1所示。

圖1　全控橋式整流原理圖

從硬件上來看，整流回路交流側與直流側無直接聯系，交流側回路絕緣不良，對直流側無任何影響，但實質上整流回路交、直流側是通過電相聯系的，只要兩個橋臂可控硅順序被觸發導通，交流側與直流側就建立起回路關系，交流側有問題勢必會影響直流側。此外，勵磁變低壓側為典型的不接地系統，發生在低壓側的單相接地故障不會改變線電壓之間的大小和相位，也就不會改變勵磁電壓的大小。因此，發生在勵磁變低壓側的單相接地故障不會導致發電機失磁保護動作。

保護裝置轉子接地保護采用乒乓式開關切換原理，通過求解兩個不同的接地回路方程，實時計算轉子接地電阻阻值Rg和接地位置α。實質是在發電機運行時輪流測量轉子繞組正極、負極的對地電流，并根據測得的結果計算出轉子繞組或勵磁回路的對地電阻，從而判斷出接地故障的位置及接地電阻的量值。原理如圖2所示。

圖2　轉子接地保護原理圖α S1、S2—由微機控制的電子開關　R g—接地電阻　α—接地點位置 E—轉子電壓　4個R—降壓電阻　R 1—測量電阻

當S1閉合、S2打開時，R1兩端的電壓為U1；當S1打開、S2閉合時，R1兩端的電壓為U2；ΔU=U2-U1，通過求解兩個不同的接地回路方程，可以實時計算接地電阻和接地位置：

Rg=ER1/(3ΔU-R1-2/3R)

α=1/3+U1/3ΔU

當Rg小于或等于接地電阻整定值時，經延時發轉子一點接地信號。在轉子發生一點接地故障后，保護裝置繼續測量接地電阻和接地位置，此后若再發生轉子另一點接地故障，則已測得的α值變化，當其變化值Δα超過整定值時，保護裝置就確認為已發生轉子兩點接地故障，發電機被立即跳閘。保護判據為：

|Δα|>αset

式中，αset為轉子兩點接地位置變化整定值。

機組在正常運行的情況下，其導通角60°<β≤90°，轉子電壓輸出波形如圖3所示。

圖3　60°<β≤90°時的轉子電壓輸出波形

圖3(a)為相電壓波形，圖3(b)為60°<β≤90°時的轉子輸出電壓波形。從輸出電壓波形不難看出，每隔60°依次向共陰極組或共陽極組的可控硅元件施加觸發脈沖，則每隔60°就有一個橋臂的元件觸發換流，每周期內每橋臂元件導電120°，轉子得到的線電壓依次為：uab-uac-ubc-uba-uca-ucb。

當交流側A相電源接地時，在一個周期內橋臂+A可控硅導通，報轉子正極接地；橋臂-A可控硅導通，報轉子負極接地。勵磁繞組在一個周期內將交替出現“正極接地”、“正?！薄ⅰ柏摌O接地”、“正常”的循環狀態。如果不考慮轉子接地繼電器的響應時間，則接地繼電器就會不斷“動作”、“復歸”、“再動作”、“再復歸”，而動作持續時間約6.667 ms，復歸持續時間約3.333 ms。因此在實際裝置中，當轉子接地保護的返回時間大于3.333 ms時，保護裝置報轉子一點接地。

但由于乒乓式兩點接地保護固有缺陷，

在開關頻繁切換過程中過渡電阻的變化會使接地點位置的計算產生誤差，造成一定的接地點位置變化，從而對兩點接地的判斷產生影響，導致兩點接地保護誤動。

此次發電機轉子接地檢查，由于查找人員現場經驗不足，技術力量有限，在查找過程中多了一些周折，但最終還是將問題解決。分析總結此次接地查找過程中的得與失，得出如下轉子接地檢查步驟：(1) 檢查功率柜交流側回路及相關的連接線路；(2) 檢查功率柜直流側回路及相關的連接線路；(3) 勵磁滑環檢查；(4) 保護裝置檢查；(5) 通過試驗對轉子進行檢查。

這就為今后機組發生類似事故時更迅速、更有效地解決問題提供了參考意見。

4結語

本單位通過對這次發電機轉子接地故障的排除，積累了寶貴的現場經驗，提高了解決現場問題的能力，掌握了解決現場問題的有效方法和途經，避免了盲目作業和更多的經濟損失，同時為兄弟單位發生同類型故障的查找提供了可借鑒的經驗。

[參考文獻]

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[2]DL/T596—2005電力設備預防性試驗規程[S].

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