600 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置改造分析

何春

（國家電投貴州金元集團(tuán)鴨溪發(fā)電有限公司，貴州 遵義 563108）

600 MW機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置改造分析

何春

（國家電投貴州金元集團(tuán)鴨溪發(fā)電有限公司，貴州 遵義 563108）

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障是發(fā)電機(jī)常見的故障形式之一，若發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地時(shí)會(huì)嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全。通過分析某發(fā)電廠原保護(hù)裝置在運(yùn)行時(shí)的缺陷，論證了改造的可行性，介紹新保護(hù)裝置的性能和改造的實(shí)施過程，改造后的機(jī)組運(yùn)行情況達(dá)到預(yù)期效果。

發(fā)電機(jī)；繼電保護(hù)；轉(zhuǎn)子接地；換型改造

0 引言

大型火力發(fā)電機(jī)組的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障（即發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路接地故障）是發(fā)電機(jī)的常見故障形式之一。勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地對(duì)發(fā)電機(jī)還不會(huì)造成較大危害，但相繼發(fā)生第二點(diǎn)接地，即轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地時(shí)，則會(huì)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流增大，無功出力降低，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全。故障點(diǎn)流過相當(dāng)大的故障電流將燒傷轉(zhuǎn)子本體，或使磁勵(lì)繞組電流增加過熱而燒傷磁勵(lì)繞組；同時(shí)，由于部分繞組被短接，使氣隙磁通失去平衡，從而引起振動(dòng)，甚至還可能造成軸系和汽機(jī)磁化。因此，發(fā)生兩點(diǎn)接地故障的后果是非常嚴(yán)重的，必須配置可靠的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置。

1 改造背景與技術(shù)需求

某發(fā)電廠發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置為ABB UNITROL5000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自帶的UNS3020var. 1型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，采用的是惠斯通電橋原理檢測轉(zhuǎn)子接地。保護(hù)裝置的轉(zhuǎn)子電壓和大軸地接入裝置回路如圖 1所示，圖中-F75模塊即為UNS3020var.1型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置。轉(zhuǎn)子電壓直接由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器直流母線引至高壓熔絲上口，熔絲下口經(jīng)調(diào)節(jié)電阻電容送入裝置，大軸接地端由電纜直接引入裝置。

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置回路

該裝置除轉(zhuǎn)子回路發(fā)生接地故障外，發(fā)電機(jī)大軸接地不好或碳刷與大軸接觸不好等運(yùn)行工況也會(huì)造成電橋平衡被破壞，使U+增大，從而引起轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置發(fā)報(bào)警信號(hào)或跳閘命令。例如：當(dāng)機(jī)組偶爾發(fā)生振動(dòng)突變或者固定碳刷的彈簧壓力不夠時(shí)，碳刷與大軸接觸不好，將引起分布電容變化，破壞電橋平衡，使轉(zhuǎn)子接地保護(hù)誤動(dòng)作。近2年在其它電廠已發(fā)生多起誤報(bào)警、誤動(dòng)事件，該廠3號(hào)機(jī)組也發(fā)生了轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置誤發(fā)接地報(bào)警事件。同時(shí)，該型號(hào)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置校驗(yàn)時(shí)外部需要電容、電阻配合，校驗(yàn)復(fù)雜，對(duì)校驗(yàn)儀器要求很高，維護(hù)難度大，備品備件采購周期長及費(fèi)用較高。綜合考慮后，認(rèn)為有必要對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置進(jìn)行換型改造，提高設(shè)備配置與運(yùn)行水平。

2 改造的可行性分析

經(jīng)調(diào)研，當(dāng)前國內(nèi)生產(chǎn)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的廠家均有不錯(cuò)業(yè)績，雖保護(hù)原理不同，但對(duì)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)運(yùn)行存在的一些問題都有所考慮，與ABB勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)置轉(zhuǎn)子接地保護(hù)相比，受發(fā)電機(jī)大軸接地狀況等運(yùn)行工況影響較小，可靠性較高。此外，當(dāng)前國產(chǎn)微機(jī)型發(fā)電機(jī)接地保護(hù)裝置人機(jī)界面比較友好，便于進(jìn)行事故分析，能夠滿足大型發(fā)電機(jī)組保護(hù)配置要求。

圖1中圈出位置，原勵(lì)磁調(diào)節(jié)器中轉(zhuǎn)子接地保護(hù)已將轉(zhuǎn)子電壓正、負(fù)極經(jīng)空開-F04引出，大軸接地端電纜也經(jīng)端子接入，原端子處可接入新保護(hù)裝置電纜。ABB轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置跳閘電纜可以拆除，新裝置可安裝在電氣電子間或勵(lì)磁小室，跳閘回路直接接入原發(fā)變組保護(hù)，利用發(fā)變組保護(hù)跳閘回路完成跳閘。經(jīng)過電廠現(xiàn)場設(shè)備安裝位置、空間及柜內(nèi)布線等情況分析，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)換型改造是可行的。

3 新裝置選型與功能特點(diǎn)

經(jīng)技術(shù)論證和招投標(biāo)評(píng)估，選定RCS-985RE型注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置和RCS-985RS型發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置。其中RCS-985RS為汽輪發(fā)電機(jī)的機(jī)組保護(hù)裝置，除轉(zhuǎn)子接地保護(hù)外仍有差動(dòng)保護(hù)、定子過負(fù)荷、定子負(fù)序過負(fù)荷保護(hù)等功能。

RCS-985RS型發(fā)電機(jī)保護(hù)裝置采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片作為保護(hù)裝置的硬件平臺(tái)，包含2個(gè)獨(dú)立的CPU系統(tǒng)（啟動(dòng)CPU和保護(hù)CPU），啟動(dòng)CPU作用于啟動(dòng)繼電器，保護(hù)CPU作用于跳閘矩陣。轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用切換采樣（乒乓式）原理，直流輸入采用高性能的隔離放大器，通過切換2個(gè)不同的電子開關(guān)，求解4個(gè)不同的接地回路方程，實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子繞組電壓、轉(zhuǎn)子接地電阻和接地位置，并顯示在管理機(jī)屏幕上。

RCS-985RE型注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置同樣采用高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片作為保護(hù)裝置的硬件平臺(tái)，包含2個(gè)獨(dú)立的CPU系統(tǒng)（啟動(dòng)CPU和保護(hù)CPU），啟動(dòng)CPU作用于啟動(dòng)繼電器，保護(hù)CPU作用于跳閘矩陣。采用具有專利技術(shù)的自適應(yīng)有源切換技術(shù)，在未加勵(lì)磁電壓的情況下也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣。保護(hù)裝置根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組引出方式，在轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)兩端或其中一端與大軸間注入電壓，注入電壓的頻率可根據(jù)轉(zhuǎn)子對(duì)地電容的大小進(jìn)行調(diào)整。裝置采集方波電壓以及方波電源2種狀態(tài)下的不同泄漏電流，求解轉(zhuǎn)子接地電阻。對(duì)于雙端注入方式，具備追蹤接地故障位置功能，可測量轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地位置，為故障排查提供參考。雙端注入式保護(hù)裝置信號(hào)接入線路見圖2。

圖2 雙端注入式保護(hù)裝置信號(hào)接入

4 改造方案及實(shí)施

通過對(duì)新舊設(shè)備圖紙的比對(duì)，編制了此次設(shè)備換型改造施工方案及試驗(yàn)方案。繪制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)改造回路圖，如圖3所示。

改造后轉(zhuǎn)子接地保護(hù)獨(dú)立組屏，安裝在機(jī)組勵(lì)磁小室內(nèi)，保護(hù)屏內(nèi)安裝切換采樣（乒乓式）及注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置各1套，如圖4所示。

正常時(shí)2套裝置互為備用，1套運(yùn)行則另1套投冷備用，通過圖4中的轉(zhuǎn)換開關(guān)，以控制大軸接地端是否接入裝置來完成裝置的投退，使冷備用裝置實(shí)現(xiàn)完全隔離。

改造過程中，拆除勵(lì)磁系統(tǒng)ES柜內(nèi)引至原ABB轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地裝置的電纜，保留接至電壓變送器的電纜，將新電纜并接于原端子，并采用鎧裝屏蔽電纜經(jīng)專用電壓試驗(yàn)部件接入保護(hù)裝置，其耐壓等級(jí)大于7倍轉(zhuǎn)子額定電壓，保證了強(qiáng)勵(lì)等情況下回路及端子絕緣完好，接觸可靠。

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)出口跳閘回路接入發(fā)變組非電量第二套保護(hù)裝置，實(shí)現(xiàn)跳發(fā)電機(jī)出口開關(guān)、汽輪機(jī)、勵(lì)磁開關(guān)及廠用電的切換。

保護(hù)裝置報(bào)警回路接入DCS系統(tǒng)，同時(shí)裝置預(yù)留與廠用電監(jiān)控系統(tǒng)通信接口。

原 UNITROL5000型勵(lì)磁調(diào)節(jié)器自帶的UNS3020var.1型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)功能取消，并拆除轉(zhuǎn)子電壓、大軸接地端相關(guān)報(bào)警及出口跳閘回路。

圖3 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)改造回路

圖4 注入式和乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置

5 改造前后的可靠性對(duì)比

（1）改造前的ABB轉(zhuǎn)子接地保護(hù)與勵(lì)磁系統(tǒng)為一體化設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的跳閘是經(jīng)過端子排直接出口，在轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置與回路上工作時(shí)無法將保護(hù)退出。改造后轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置采用單獨(dú)組屏，保護(hù)跳閘經(jīng)壓板投退出口，有效避免了未隔離出口引起保護(hù)誤動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。

（2）改造前的ABB轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用慧斯通電橋原理的單一裝置，改造后采用注入式和乒乓式2種不同原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置，2套裝置互為備用，可以實(shí)現(xiàn)1套保護(hù)裝置報(bào)警時(shí)投入另1套保護(hù)裝置；如2套均報(bào)警，則投入跳閘，雙冗余設(shè)計(jì)也一定程度上避免了保護(hù)誤動(dòng)的可能性。

（3）改造后的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置采用自適應(yīng)有源切換技術(shù)，在未加勵(lì)磁電壓的情況下也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣，可提前避免未監(jiān)視到轉(zhuǎn)子接地而進(jìn)行并網(wǎng)操作的可能性。

6 結(jié)語

此次改造后的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置經(jīng)過各工況下的試驗(yàn)與運(yùn)行，轉(zhuǎn)子電壓、注入電源電壓、泄漏電流、接地電阻等各項(xiàng)參數(shù)均穩(wěn)定正常，其指標(biāo)也符合最新網(wǎng)調(diào)的反措要求。同時(shí)，該裝置實(shí)時(shí)響應(yīng)速度高、抗干擾能力強(qiáng)、易維護(hù)等特點(diǎn)，方便了運(yùn)行管理與監(jiān)控，提高了發(fā)電廠繼電保護(hù)裝置的安全性能，有效保證了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，也為類似發(fā)電廠改造提供了借鑒參考。

（本文編輯：徐 晗）

Analysis on Transformation of Generator Rotor Grounding Protection Device of 600 MW Unit

HE Chun

（State Power Investment Corporation Guizhou Jinyuan Group Yaxi Generation Co.，Ltd.，Zunyi Guizhou 563108，China）

Generator rotor grounding fault is one of the common faults of the generator.If the two points grounding of rotor occurs，generator safety will be seriously threatened.Based on the analysis of the operation defects of the former protection device in a power plant，feasibility of the transformation is demonstrated.The performance of the new protection device and the implementation of the transformation are discussed.After the transformation，the unit operation is as satisfactory as expected.

generator；relay protection；rotor grounding；type transformation

TM621.3

B

1007-1881（2016）10-0049-03

2016-08-25

何 春（1982），男，工程師，從事發(fā)電廠技術(shù)管理工作。