一起注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)誤動作的原因分析及處理

任池銀，楊長存

（淮浙電力有限責(zé)任公司鳳臺發(fā)電分公司，安徽 淮南 232131）

0 引 言

660 MW 燃煤機(jī)組轉(zhuǎn)子額定負(fù)載電壓在430 V 左右，因?yàn)檗D(zhuǎn)子繞組對大軸絕緣，所以轉(zhuǎn)子繞組2 端對大軸的電壓對稱。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地時，雖然不會造成轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路故障，但是一點(diǎn)接地會造成轉(zhuǎn)子繞組對大軸電位的升高，容易再發(fā)生另一點(diǎn)接地故障。

汽輪發(fā)電機(jī)在運(yùn)行中發(fā)生轉(zhuǎn)子繞組對大軸接地是比較常見的故障，當(dāng)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地故障后，如果不能及時處理，會引起另一點(diǎn)接地故障，造成部分或全部轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生短路。一方面，短路處將產(chǎn)生較大的短路電流流過轉(zhuǎn)子大軸，造成轉(zhuǎn)子大軸燒損，嚴(yán)重時會使轉(zhuǎn)子大軸因過熱而發(fā)生變形事故。另一方面，由于發(fā)電機(jī)氣隙磁場的對稱性被破壞，將使發(fā)電機(jī)出現(xiàn)較明顯的振動。

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，1 MW 及以上機(jī)組應(yīng)裝設(shè)專用的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置延時動作于信號，宜減負(fù)荷平穩(wěn)停機(jī)，有條件時可動作于程序跳閘。目前，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)大多采用注入式，因此需要外加輔助電源，一般是將20 Hz 的方波電源注入轉(zhuǎn)子繞組，然后采集相關(guān)的電氣量構(gòu)成判據(jù)。受運(yùn)行環(huán)境的影響，轉(zhuǎn)子大軸表面容易產(chǎn)生氧化膜和油污，如果不及時清理，會影響轉(zhuǎn)子大軸與接地碳刷或接地銅辮的導(dǎo)通性。一旦發(fā)生接觸不良的情況，就會在大軸接地碳刷或接地銅辮處發(fā)生間歇性“打火”現(xiàn)象。在此期間，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)會因回路增加接觸電阻而影響其絕緣電阻的測量值，造成轉(zhuǎn)子接地保護(hù)誤動作。文章介紹一起660 MW 燃煤機(jī)組因大軸接地碳刷接觸不良導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)誤動作事件，并分析問題原因和處理過程。

1 事件概況

某電廠1 號機(jī)組轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置發(fā)出間歇性接地報警信號，最長報警持續(xù)時間為2 s，維護(hù)人員就地檢查后發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置實(shí)時采樣一直在變化，轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣電阻值的變化范圍為8～300 kΩ，計算出的轉(zhuǎn)子繞組接地位置一直在變化。當(dāng)達(dá)到轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)定值10 kΩ 時，接地保護(hù)裝置發(fā)出告警信號。查看機(jī)組故障錄波器歷史曲線，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地告警時刻的機(jī)組電壓、電流等相關(guān)電氣參數(shù)均無異常。停用第一套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置，切換至第二套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，現(xiàn)象與第一套完全一致，排除保護(hù)裝置故障情況。在轉(zhuǎn)子接地保護(hù)屏處，使用萬用表檢查轉(zhuǎn)子繞組對地直流電壓均勻，確認(rèn)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置告警為虛報。維護(hù)人員對勵磁小室、直流封母、碳刷小室等相關(guān)地方進(jìn)行檢查，在汽機(jī)側(cè)大軸接地碳刷處發(fā)現(xiàn)有打火現(xiàn)象。相關(guān)維護(hù)人員對接地碳刷進(jìn)行更換與打磨，處理過程中轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻與接地位置一直在變化，完成處理后采樣恢復(fù)正常。

2 檢查分析與處理

2.1 裝置原理介紹

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理如圖1 所示。轉(zhuǎn)子接地保護(hù)從原理上可分為注入式和非注入式2 類，鳳臺電廠1 號機(jī)組使用南瑞RCS985 雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，需要外加輔助電源，在機(jī)組運(yùn)行中能夠?qū)崟r監(jiān)測發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻和接地位置[1]。1 臺機(jī)組一般會配置2 套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置，如果配置的是2 套同原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，則不能將2 臺接地保護(hù)裝置同時投入運(yùn)行，否則會發(fā)生相互干擾，造成測量結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，機(jī)組正常運(yùn)行時只能投入其中的一套，另一套作為備用。

圖1 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

圖1 中：Rm為轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置內(nèi)部測量用電阻；Ry為轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置雙邊注入的大功率電阻，阻值為47 kΩ；Us為轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的注入電源，大小為48 V，其切換周期一般為1 s；Rg為轉(zhuǎn)子繞組對大軸的絕緣電阻。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可推出轉(zhuǎn)子繞組對地絕緣電阻值計算公式為

式中：Im1和Im2為保護(hù)裝置測得的正半波回路電流和負(fù)半波回路電流；?Us為注入方波電源的正負(fù)半波電勢差。

接地位置的計算公式為

當(dāng)測得絕緣電阻的阻值小于裝置設(shè)定值后，裝置發(fā)出轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報警信號，并自動投入轉(zhuǎn)子2 點(diǎn)接地保護(hù)。此時，運(yùn)行人員應(yīng)及時投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)的功能壓板，使轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置具備2 點(diǎn)接地跳閘功能。對于南瑞PCS985 型號的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，具有自動投入2 點(diǎn)接地保護(hù)功能，無須進(jìn)行投壓板的手動操作。如果轉(zhuǎn)子繞組再次發(fā)生不同地點(diǎn)的一點(diǎn)接地故障，會引起轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置測得的接地位置發(fā)生變化，位移變化量大于3%時，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置判斷轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生2 點(diǎn)接地故障，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置將發(fā)出機(jī)組跳閘指令。從式（1）和式（2）中也可以看出，當(dāng)機(jī)組停運(yùn)后，機(jī)組勵磁電壓消失，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置仍然可以測量到轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻值，但是無法測量到轉(zhuǎn)子繞組的接地偏移角ɑ。

2.2 原因分析

受發(fā)電機(jī)磁通不對稱、勵磁系統(tǒng)中高次諧波以及汽輪機(jī)高速蒸汽產(chǎn)生靜電等因素的影響，機(jī)組運(yùn)行過程中將在轉(zhuǎn)子大軸上感應(yīng)出電壓（即轉(zhuǎn)子軸電壓）。當(dāng)產(chǎn)生的軸電壓較大時，會擊穿轉(zhuǎn)子大軸與軸承座間的油膜，從而出現(xiàn)燒灼軸頸和軸瓦的情況。為了防止此種現(xiàn)象出現(xiàn)，需在發(fā)電機(jī)勵端軸瓦座加絕緣，在汽端大軸用接地碳刷接地。同時，安裝軸電壓吸收回路，吸收整流橋輸出的諧波電壓，確保軸電壓處于較低水平。實(shí)際測量到的轉(zhuǎn)子軸電壓在4 ～6 V，一般不超過20 V。轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的測量回路需要引入大軸，通過接地碳刷或接地銅辮鏈接至轉(zhuǎn)子大軸。需注意，此處接地的好壞會直接影響到轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的測量電阻。大軸接地碳刷有接觸電阻時的運(yùn)行原理如圖2 所示，其中Rx為大軸接地電阻。

圖2 大軸接地碳刷有接觸電阻時的運(yùn)行原理

接地電阻的理論計算公式為

式中：?Rg為誤差項(xiàng)。

?Rg的計算公式為

對比式（1）和式（3），式（3）中增加了誤差項(xiàng)?Rg，?Rg的大小與轉(zhuǎn)子接地位置、轉(zhuǎn)子電壓以及大軸接地電阻等參數(shù)相關(guān)。接地碳刷與轉(zhuǎn)子大軸接觸不良會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)測得的絕緣電阻值偏離實(shí)際，不能正確反映轉(zhuǎn)子繞組的絕緣電阻。當(dāng)測得的絕緣電阻值小于設(shè)定值時，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置誤動作。

2.3 處理措施

當(dāng)發(fā)生發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動作后，首先應(yīng)判斷轉(zhuǎn)子繞組接地的真實(shí)性，判斷方法是在轉(zhuǎn)子接地保護(hù)屏處，使用萬用表測量轉(zhuǎn)子繞組正、負(fù)極對地電壓。如測得的兩邊電壓不對稱，判斷是轉(zhuǎn)子繞組真實(shí)接地。此時，需要及時投入轉(zhuǎn)子2 點(diǎn)接地保護(hù)功能，并安排機(jī)組停機(jī)檢查。如測得的正、電壓2 邊對稱，判斷為保護(hù)裝置誤發(fā)報警信號。此時，應(yīng)對保護(hù)裝置以及測量回路進(jìn)行檢查。對保護(hù)裝置的排查，可以將正在運(yùn)行的接地保護(hù)裝置退出，投入備用的接地保護(hù)裝置，如果保護(hù)裝置仍然在報警，則說明是測量回路的問題，需要對相關(guān)回路進(jìn)行逐步的排查，重點(diǎn)是檢查接地碳刷是否有打火的情況。

日常維護(hù)中，維護(hù)人員應(yīng)加強(qiáng)接地碳刷運(yùn)行狀態(tài)的檢查，定期對大軸上的油污進(jìn)行清理，同時提高接地碳刷的質(zhì)量，確保大軸接地良好。對于全部采用接地銅辮接地方式的轉(zhuǎn)子大軸，有條件可以更換為一組接地銅辮、一組接地碳刷的方式，必要時可以在適當(dāng)位置再增設(shè)一對碳刷，綜合提高大軸接地的可靠性[2-5]。

3 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報警其他可能的原因及防范措施

（1）勵磁可控硅整流橋交流進(jìn)線側(cè)發(fā)生接地故障，接地點(diǎn)傳遞到直流側(cè)，使轉(zhuǎn)子直流電壓中混有交流電壓，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報警。此種情況發(fā)生過，檢查發(fā)現(xiàn)是勵磁系統(tǒng)交流進(jìn)線柜交流進(jìn)線軟連接處，由于房間內(nèi)負(fù)壓較大，軟連接觸碰到外側(cè)的絕緣伸縮節(jié)，引起轉(zhuǎn)子接地報警。對于此類故障，可以利用機(jī)組檢修的機(jī)會對此處進(jìn)行詳細(xì)檢查，如果發(fā)現(xiàn)絕緣伸縮節(jié)有明顯老化現(xiàn)象，應(yīng)及時進(jìn)行更換。

（2）直流封閉母線內(nèi)部潮濕、進(jìn)水等。如果封閉母線的軟連接處發(fā)生破損，則會因直流封閉母線內(nèi)外溫差大而產(chǎn)生冷凝水，從而流入到封閉母線內(nèi)，引起轉(zhuǎn)子絕緣電阻值下降。對于此類故障，機(jī)組檢修時對直流封閉母線進(jìn)行檢查，尤其是封閉母線的軟連接處。

（3）大軸接地碳刷處的接地點(diǎn)存在電壓，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)測量不準(zhǔn)確，引起轉(zhuǎn)子接地保護(hù)誤報警。對于此類故障，需要對該處的接地線進(jìn)行接地導(dǎo)通性檢查，確保轉(zhuǎn)子大軸與地網(wǎng)的可靠連接。

（4）發(fā)電機(jī)勵端碳刷異常，如彈簧卡扣脫落也可能會引起接地等。對于此類故障，需要定期對碳刷進(jìn)行外觀檢查，必要時進(jìn)行更換。

（5）轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置注入電壓的切換周期未躲過轉(zhuǎn)子繞組對地等值電容的充放電時間。此時，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置測量到的轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻值及接地偏移角均會發(fā)生周期性擺動，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)測得絕緣電阻值偏離實(shí)際，嚴(yán)重時可能會造成轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置誤發(fā)報警信號。對于此種原因造成的異常，需要調(diào)整轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置注入電源的切換周期，確保測量到得數(shù)據(jù)穩(wěn)定且準(zhǔn)確。

（6）2 套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置同時投入運(yùn)行，會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)測量到的轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻值和接地偏移角顯示不準(zhǔn)確。因?yàn)? 套保護(hù)裝置的原理相同，如果并列運(yùn)行，2 套保護(hù)裝置會同時向轉(zhuǎn)子繞組回路注入方波電源，引起2 套轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置測量到的數(shù)據(jù)均不正確，所以正常運(yùn)行時應(yīng)確保只投入其中的一套。

4 結(jié) 論

為確保轉(zhuǎn)子接地保護(hù)能夠正確計算出發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組對地的絕緣電阻，需要確保轉(zhuǎn)子接地碳刷與大軸接觸良好。維護(hù)人員應(yīng)注意加強(qiáng)接地碳刷日常維護(hù)與保養(yǎng)，定期清理轉(zhuǎn)子大軸上的氧化膜、污垢，檢查碳刷與大軸的壓力，定期更換碳刷并提高打磨質(zhì)量。此外，維護(hù)人員需要掌握轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的原理及故障查找思路，縮短消缺時間。在發(fā)生轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報警時，先確認(rèn)是否為裝置誤報，通過測量轉(zhuǎn)子繞組對地電壓的方法進(jìn)行簡單判斷。如果發(fā)現(xiàn)一級對地電壓高、另一級對地電壓低，則說明確實(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)子接地故障；如果2 級對地電壓均勻，則為保護(hù)裝置誤報警。一旦確認(rèn)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地故障，應(yīng)按照相關(guān)操作規(guī)程及時投入轉(zhuǎn)子2 點(diǎn)接地保護(hù)，并安排停機(jī)檢查。