UNS3020 型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置原理及維護(hù)措施

朱 鵬，張冰冰

（1.江蘇國(guó)信靖江發(fā)電有限公司，江蘇靖江 214500；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇宜興 214205）

0 引言

UNITROL 6000 勵(lì)磁系統(tǒng)利用可控硅整流橋電路，控制歷次電流，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓和無(wú)功功率的控制和調(diào)節(jié)。UNTITROL 6000 勵(lì)磁系統(tǒng)可大致分為以下幾個(gè)單元：勵(lì)磁變壓器單元，兩個(gè)相互獨(dú)立的勵(lì)磁調(diào)節(jié)器單元，可控硅整流橋單元，起勵(lì)單元和滅磁單元。另外，系統(tǒng)還配備了UNS3020帶有專門的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)檢測(cè)裝置。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子式直流系統(tǒng)，通過(guò)滑環(huán)與外部直流電源連接，轉(zhuǎn)子繞組有絕緣保護(hù)，與轉(zhuǎn)子間沒(méi)有電的聯(lián)系。在發(fā)電機(jī)故障中，轉(zhuǎn)子接地故障最為常見(jiàn)。轉(zhuǎn)子接地可以分為一點(diǎn)接地和兩點(diǎn)接地：當(dāng)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地時(shí)，不滿足形成閉合通路的條件，所以勵(lì)磁繞組參數(shù)并不會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，危害較小；當(dāng)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地時(shí)，這時(shí)形成了閉合的回路，此時(shí)，故障點(diǎn)電流急劇增大，進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子本體溫度較高甚至燃燒轉(zhuǎn)子本體，而由于勵(lì)磁繞組被短接使得氣隙磁通失去平衡引起振動(dòng)，這些將會(huì)造成不可挽回的后果，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全。所以針對(duì)發(fā)電機(jī)最常見(jiàn)的故障——轉(zhuǎn)子接地故障而言，裝配相關(guān)的保護(hù)裝置對(duì)于電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行極為重要。

1 UNS3020 型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的工作原理

UNS3020 型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置具有兩級(jí)保護(hù)：一級(jí)時(shí)針對(duì)輕微的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地情況，發(fā)出警示信號(hào)；另一級(jí)時(shí)針對(duì)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地情況較為嚴(yán)重時(shí)發(fā)出跳閘指令。該裝置還具有自檢功能，用來(lái)檢測(cè)其所有的電子線路工作是否正常[2]。

UNS3020 型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置采用惠斯通電橋原理（圖1），利用變壓器T2 可以有效的將220 V/50 Hz 的交流電變?yōu)?0 V 的交流電，為橋電路提供了電源。分布電容CR 和C10、C11 以及軸電壓抑制器電容C04、C05（R04、R05 阻值很小可以忽略不計(jì)）構(gòu)成其中一條橋臂，與電容CX、電阻R1、電阻R2 一起構(gòu)成橋電路。橋不平衡電壓UAB經(jīng)隔離、濾波等轉(zhuǎn)換成與UAB成正比的電壓U+。

正常運(yùn)行時(shí)橋臂平衡，UAB和U+均小于150 mV。而在發(fā)生轉(zhuǎn)子接地時(shí)，平衡被迅速打破，輸出電勢(shì)上升，產(chǎn)生不平衡電壓UAB，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的U+大于報(bào)警設(shè)定值（Stage 1 Alarm）或跳閘設(shè)定值（Stage 2 Trip）。

圖1 接地檢測(cè)裝置原理

1.1 測(cè)量橋電路

保護(hù)輸入電路的端子X(jué)1：2 通過(guò)匹配電容C10 與C11 與勵(lì)磁線圈相連，端子X(jué)1：1 與碳刷聯(lián)在接地轉(zhuǎn)子的大軸上。輸入電路兩個(gè)部分構(gòu)成，一個(gè)部分是有兩個(gè)大電阻，另一個(gè)部分是相關(guān)電容和調(diào)整電容，UNS3020 保護(hù)裝置的R/C 測(cè)量橋電路主要是由3 個(gè)電容構(gòu)成，分別為自然電容CR、匹配電容C10 和C11。測(cè)量橋輔助電源的供電可以來(lái)由獨(dú)立的交流電源提供也可以來(lái)源于發(fā)電機(jī)出口PT 提供，基接線如圖2 所示。

1.2 動(dòng)作跳閘

有接地故障發(fā)生時(shí)，由于故障漏電阻的分流作用，導(dǎo)致電橋平衡狀態(tài)被打破。整定值可通過(guò)設(shè)置漏電阻Rf的阻值和tA的值來(lái)設(shè)定，而動(dòng)作值可以通過(guò)調(diào)節(jié)Rf1、Rf2、tA1、tA2這些參數(shù)的數(shù)值來(lái)設(shè)定。

1.3 裝置電源

保護(hù)的電源是根據(jù)額定輸入電壓設(shè)計(jì)的。直流及交流都連在雙端子X(jué)3：3/X3：4 和X3：1/X3：2 上。

圖2 接地檢測(cè)裝置接線

1.4 測(cè)量橋電源

測(cè)量橋裝設(shè)一個(gè)110 V±30%或220 V±30%交流電源，如用110 V 電源則可由發(fā)電機(jī)出口PT 供電，加在端子X(jué)2：14 及X2：15 上，這種供電方式只有當(dāng)發(fā)電機(jī)投入運(yùn)行時(shí)保護(hù)才運(yùn)作。它的優(yōu)點(diǎn)在于發(fā)電機(jī)投入勵(lì)磁時(shí)保護(hù)不必外加信號(hào)將裝置閉鎖。

2 UNS3020 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置安裝要求

首先，測(cè)量線路應(yīng)選用截面積不小于2.5 mm2的電纜。其次，用于連接匹配電容與保護(hù)裝置和勵(lì)磁繞組的電纜線路的絕緣標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于3 kV。可以直接將轉(zhuǎn)子大軸接地碳刷與接地保護(hù)端子X(jué)1：1 相連，但必須保證碳刷與轉(zhuǎn)子繞組及大軸良好接觸。選用測(cè)量精度較高的電容測(cè)量?jī)x器測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組與大軸接地之間的自然電容，保證其測(cè)量精度可靠。選用與實(shí)際測(cè)量值最接近并且性能優(yōu)越的電容元件作為電路的匹配電容。無(wú)論時(shí)處于靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)，都需要將其電橋調(diào)試至平衡。針對(duì)碳刷以及固定碳刷的彈簧壓力大小，必須調(diào)整到一個(gè)合適的高度，讓其與轉(zhuǎn)子大軸有良好的接觸。必須保證測(cè)量橋供電電源電壓的可靠穩(wěn)定供電。因此對(duì)于UNS3020 的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的安裝過(guò)程中，要注重以上所提，才有可能使測(cè)量橋的平衡達(dá)到最優(yōu)，也才能確保裝置安全可靠運(yùn)行。

3 UNS3020 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置誤動(dòng)原因

3.1 軸電壓對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響

軸電壓是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)，會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機(jī)械遭到破壞，針對(duì)大型汽輪發(fā)電機(jī)，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)的加入，相當(dāng)于在汽輪發(fā)電機(jī)中加入一個(gè)高頻諧波電壓源，給旋轉(zhuǎn)機(jī)械造成了嚴(yán)重的損壞，同時(shí)，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸表面的旋轉(zhuǎn)速度較快，同過(guò)汽輪機(jī)端接地降低軸電壓這種傳統(tǒng)的方式已經(jīng)不能有效消除軸電壓。為了有效消除使用了精致勵(lì)磁系統(tǒng)汽輪機(jī)的軸電壓，可以搭建軸電壓吸收回路，就是在轉(zhuǎn)子繞組與大軸之間接入一個(gè)RC 回路，其中R 的電阻值很小，且根據(jù)軸電壓吸收回路中的電容匹配大小，此吸收電容對(duì)轉(zhuǎn)子接地檢測(cè)裝置性能的影響程度不同，電容值越大，轉(zhuǎn)子接地檢測(cè)裝置越易受影響誤動(dòng)作[3]。

3.2 從保護(hù)裝置的回路分析誤動(dòng)作的原因

首先，電容配置器以及電橋平衡，是否與該保護(hù)裝置達(dá)到最優(yōu)協(xié)調(diào)。通常情況下很難達(dá)到最有協(xié)調(diào)，所以即使在相關(guān)發(fā)電機(jī)組正常工作時(shí)，在U+端的電壓不可能為0，這樣導(dǎo)致誤動(dòng)的可能性就增加了[2]。

機(jī)組是否能在平穩(wěn)的環(huán)境中運(yùn)行，或者在運(yùn)行過(guò)程中是否能平穩(wěn)也至關(guān)重要，機(jī)組外部物理環(huán)境的振動(dòng)和機(jī)組自身的振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致接地碳刷與大軸接觸不良，這會(huì)導(dǎo)致U+電壓提高，從而誤動(dòng)作。

接地碳刷和大軸滑環(huán)作為轉(zhuǎn)子接地保護(hù)測(cè)量回路中至關(guān)重要的一部分，兩者的接觸是否良好，直接會(huì)影響到轉(zhuǎn)子接地保護(hù)回路的性能，接觸不良時(shí)就會(huì)造成誤動(dòng)作。

為使轉(zhuǎn)子接地保護(hù)可靠動(dòng)作，應(yīng)確保接地碳刷與轉(zhuǎn)子大軸之間接觸良好，清擦轉(zhuǎn)子大軸油污可以有效保證其接觸良好。

也可以采用增加電刷與大軸之間的壓力的方法，保證其良好的接觸。對(duì)接地碳刷與轉(zhuǎn)子大軸之間作用力的監(jiān)控和接觸電阻的監(jiān)視，也可有效保證其良好的接觸，減少誤動(dòng)作。

4 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的現(xiàn)象及處理

4.1 現(xiàn)象

當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地時(shí)，由于不能構(gòu)成回路，所以無(wú)故障電流的產(chǎn)生，故障點(diǎn)也就沒(méi)有故障電流流過(guò)，因此勵(lì)磁系統(tǒng)能夠保持正常運(yùn)行，不影響其他發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，也不會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

針對(duì)無(wú)明顯故障現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的發(fā)電機(jī)一點(diǎn)接地故障。判斷故障的方法如下：通過(guò)檢查“轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地”報(bào)警裝置是否能夠成功復(fù)歸。如果能有效的復(fù)歸，可以判斷此時(shí)的故障為瞬時(shí)接地故障；如果不能成功復(fù)歸，那就要做進(jìn)一步的排查：首先檢查轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)是否正常，如果正常，通過(guò)切換開(kāi)關(guān)，利用轉(zhuǎn)子電壓表測(cè)量正極和負(fù)極的對(duì)地電壓，從而判定是否某一極發(fā)生了接地。如果測(cè)量值中一個(gè)顯示為零，而另一個(gè)顯示為全電壓，即可證明該極的確發(fā)生了一點(diǎn)接地。

4.2 處理建議

首先應(yīng)該排除是否由于人工作引起，如果的確是由于工作人員導(dǎo)致，應(yīng)及時(shí)矯正。其次，檢查勵(lì)磁回路，是否存在裂縫或者有較多污漬，因?yàn)槲蹪n也可能導(dǎo)致接地。接下來(lái)檢查相關(guān)的回路，是否存在回路損壞。然后逐一排查，接地是在勵(lì)磁回路產(chǎn)生還是在測(cè)量保護(hù)回路產(chǎn)生的。找出原因，精準(zhǔn)排除故障。

如果能準(zhǔn)確判定為一點(diǎn)接地且為金屬性接地，故障點(diǎn)的具體位置難以查明定位，可以通過(guò)人工兩點(diǎn)接地的手段使其跳匝，然后停機(jī)處理。