淺談#4發電機接地碳刷引起的轉子接地電阻值擺動

中節能（曲周）環保能源有限公司 徐海龍

1 引言

土耳其澤塔斯三期2×660MW火電廠發電機轉子接地裝置是由ABB 公司生產，裝置型號為REG670系列，轉子注入單元是由ABB 公司生產的REX060系列。 #4機組在168h過后的冬季運行時發電機保護A 屏 “轉子接地報警”比較頻繁，夜間尤為嚴重，夏季陰雨天氣引發間歇性報警，經過對A 屏保護裝置在線監測觀察，阻值波動較大，偶爾低于報警定值后發出信號，對于土耳其當地的氣候和結合勵磁端#9軸瓦及#7軸瓦滲油情況經過分析，針對滲油進行定時清理，轉子接地電阻值維持在比較小的波動范圍內，但在2018年7月9日#4機組出現轉子接地保護動作，造成#4機組非計劃性停機，針對這一事件進行了深入分析，本文對此跳機原因進行了分析，提出了相應的對策和注意事項[1]。

2 事故發生前后經過

#4機組在冬季運行時發電機保護A 屏 “轉子接地報警”比較頻繁，特別是夜間，夏季間在陰雨天氣發間歇性報警。經過對A 屏保護裝置在線監測觀察，阻值波動較大，偶爾低于報警定值后發出信號，報警值低于7000Ω 延時10s 報警，動作值低于2000Ω 延時1s 跳閘（反時限）。就地檢查發現#4機組#9瓦有滲油現象，底部勵磁直流母線周圍有油污，土耳其澤塔斯項目夜間比較潮濕考慮可能是油污引起安全距離不夠，因運行中無法全面處理，所以對運行人員要求每隔幾天用吸油紙清理#9瓦底部維持運行，等待停機拆體清理。

2018年5月至6月#4機組大修期間，對勵磁回路及轉子拆體檢查未發現異常，轉子繞組、#9瓦底座、交、直流母線測量絕緣電阻都高于500Ω。#4機組大修完畢，啟動運行3d 后，#4發電機組轉子接地報警再次發出，保護屏廠家給出建議將定值改為報警值：低于5000Ω 延時15s 報警，動作值：低于2000Ω 延時1s 跳閘。

2018年7月9日凌晨0時53分，#4發電機轉子接地保護跳閘，測量轉子繞組正、負極與地之間絕緣為1.16MΩ（測量絕緣時帶勵磁屏內附屬元器件）。

3 事故原因分析

根據保護屏廠家提供的保護原理，#4機組正常運行中，轉子接地保護裝置REX060兩路注入電壓64RV1+與64RV1-之間交流電壓為29V，64RV2+與64RV2-之間交流電壓為17.2V，發電機勵磁繞組注入電壓EX+，EX-之間交流電壓為350V；注入頻率為113Hz；轉子接地保護定值（報警值：低于5000Ω，報警延時：15s；跳閘值（反時限）：低于2000Ω，跳閘延時：1s（反時限））。

針對此次跳機事件對#4機組進行全面檢查。

一是將EX+與EX-兩端分別懸空，使用電搖表（擋位500V）測量絕緣良好。二是測量轉子大軸接地碳刷至勵磁屏端子排引線絕緣良好（兩端懸空）。三是轉子繞組正、負極與地之間絕緣為1.57MΩ（測量絕緣時帶勵磁屏內附屬元器件）。四是將發電機大軸接地碳刷及發電機#9瓦勵磁滑環碳刷已拆下清理。五是轉子匝間在線監測裝置（FZGL-20）報轉子匝間故障報警。

現場檢查發現#4機組#7軸瓦大軸接地碳刷處接地碳刷有跳動，隨后拔下對接地碳刷觀察碳刷表面磨損嚴重，并且碳刷的彈簧松動，對接地碳刷進行處理后，待啟機進行觀察，發現接地碳刷對接地阻值的波動與轉子繞組接地阻值的波動呈規律性變化，此時觀察發現接地碳刷處有油污，待清理干凈后，阻值穩定在-1000。因此可以判定引起發電機接地電阻在2000Ω 至最大值-1000無規律擺動的原因是接地碳刷與大軸之間接觸不良，并且大軸存在油污所致[2]。

4 轉子接地保護

4.1 轉子接地的危害

發電機正常運行時，發電機轉子電壓（直流電壓）有幾百伏左右，勵磁回路正、負極對地電壓約為勵磁電壓的一半，電廠機組正常運行時轉子對地電壓兩側測量值應該是相等的，轉子繞組及勵磁回路系統對地是絕緣的。因此，當轉子繞組或勵磁回路發生一點接地時，不會構成對發電機的危害。但轉子發生一點接地后更容易發生兩點接地。因為發電機轉子一點接地后勵磁回路對地電壓將有所升高。如當勵磁回路的一端發生金屬性接地故障時，另一端對地電壓將升高為全部勵磁電壓值，即比正常電壓值高出一倍。在這種情況下運行，當切斷勵磁回路中的開關或一次回路的主斷路器時，將在勵磁回路中產生暫態過電壓，在此電壓作用下，可能將勵磁回路中其他絕緣薄弱的地方擊穿，從而導致第二點接地。 當發電機轉子繞組出現不同位置的兩點接地或匝間短路時，會產生很大的短路電流，可能會燒傷轉子本體；另外，由于部分轉子被短路，使氣隙磁場不均勻或發生畸變，從而使發電機轉動時所受的電磁轉矩不均勻并造成發電機振動，損壞發電機。發生兩點接地導致機組甩負荷停機，影響電網的穩定和電能的質量，造成經濟損失。

4.2 轉子接地保護幾種形式

4.2.1 乒乓式轉子接地保護

乒乓式原理轉子一點接地保護裝置內部的雙向切換電子開關，在時序電路控制下周期性地導通、截止，即轉子的正、負極性人為地周期性接地來監測轉子的對地絕緣狀況，保護的動作判據是通過乒乓式工作原理來實現的[3]。

4.2.2 注入式轉子接地保護

傳統的定子接地保護，由機端側和中性點側三次諧波電壓和基波零序電壓構成的100%定子接地保護，二者組合實現包括整個定子繞組的接地保護功能。 傳統的注入式定子/轉子接地保護的注入頻率為 10～25Hz，這種方式在發電機異步運 行的情況下，會誤動作，因此，現在的注入式保護多采用較高的注入頻率頻率范圍 50～250Hz。

土耳其澤塔斯三期電廠發電機轉子接地裝置是由ABB 公司生產，裝置型號為REG670系列，轉子注入單元是由ABB 公司生產的REX060系列。傳統的注入式定子/轉子接地保護的注入頻率為10～25Hz，這種方式在發電機異步運行的情況下，會誤動作，因此，現在的注入式保護多采用較高的注入頻率，頻率范圍 50～250Hz，土耳其澤塔斯發電機轉子接地保護采用轉子繞組雙端注入式原理，注入電源從轉子繞組的正、負兩端與大軸之間注入，注入電源的切換周期可根據轉子繞組對地電容的大小進行調整，保護能實時反應發電機轉子對大軸的絕緣電阻值。發電機在不同的運行工況下，其接地阻抗不同，據此，邏輯配置要盡可能考慮發電機的不同運行工況，并在相應的工況下，測定相關參數。對于定子注入式接地保護，裝置最 多可考慮 5 種工況。附件中的邏輯配置對于定子考慮了 3 種工況，即發電機停機、發電機運行 GCB 分位、發電機運行GCB 合位。對于發電機變壓器單元接線的情況，可只考 慮兩種工況即發電機停機、發電機運行。對于轉子注入式接地保護，裝置最多可考慮 2 種，即發電機停機、發電機運行。

4.2.3 轉子接地保護定值

定值中部分的定值需要現場試驗測得，部分的定值可根據經驗設置。該定值有 1/2s 兩種選擇，建議設置 1s。定子和轉子的注入單元反饋給 REG670皆為電壓信號，相應模擬量通道的 PT 變比設置為0.1kV/100V。

4.3 邏輯配置

發電機在不同的運行工況下，其接地阻抗不同，據此，邏輯配置要盡可能考慮發電機的不同運行工況，并在相應的工況下，測定相關參數。對于定子注入式接地保護，裝置最多可考慮 5 種工況。附件中的邏輯配置對于定子考慮了 3 種工況，即發電機停機、發電機運行 GCB 分位、發電機運行 GCB 合位。對于發電機變壓器單元接線的情況，可只考慮兩種工況即發電機停機、發電機運行。對于轉子注入式接地保護，裝置最多可考慮 2種，即發電機停機、發電機運行。

磁場電路絕緣的故障將導致從磁場繞組到地的導通。一點接地故障對磁場繞組只會造成很小的故障電流。因此，接地故障不會對發電機造成任何損害，也不會以任何方式影響發電機組的運行。然而，一點接地故障的存在增加了電場電路中其他點的電應力。這意味著在磁場繞組的另一個點發生第二次接地故障的風險增加了。第二次接地故障將導致短路，造成嚴重后果。轉子接地故障保護的基礎是將交流電壓注入隔離的勵磁電路中。在非故障條件下，將不會有與注入電壓相關聯的電流。如果發生轉子接地故障，則通過轉子接地故障保護來檢測，并且發出狀態告警或動作預解列、滅磁。保護功能使用向發電機場電路注入交流電壓。COMBIFLEX 電壓注入單元RXTTE4，第1MRK 002 108-AB 部分包含一臺電壓互感器，其一次繞組連接到120或230V、50或60Hz 電源電壓。從該內部電壓互感器的二次繞組，大約40V 的交流通過串聯電容器和電阻器注入轉子電路中。注入的電壓和電流被饋送到一個電壓輸入端和一個電壓輸入端。REG670 IED的當前輸入。此功能必須使用REG670的額定電流輸入。注入引起的電流通過注入單元RXTTE 4輸入Reg670 IED 的電流，如圖1所示。在通用多用途函數（GAPC）中使用兩級定向電流測量，檢測勵磁直流側的接地故障電流。當所測注入電流的電阻分量超過預先設定的操作電平時，保護工作。

圖1 土耳其澤塔斯發電機轉子接地原理圖

第一階段提供報警信號，第二階段提供發電機在短時間延遲后發生的充分發展的轉子接地故障。轉子接地故障保護的靈敏度取決于轉子繞組對地的電容和測量多用途函數（GAPC）的整定拾取電流水平。靈敏度通用多用途功能（GAPC）的欠電壓級用于監測注入電壓，并在沒有注入電壓時發出警報，且應設置為注入電壓額定值的80%，時間延遲約為10s。通用多用途函數（GAPC）的附加實例可用于提供第三無方向過流級，用于在靜態勵磁系統情況下檢測整流器交流側的接地故障。當注入轉子電路的注入電流的幅度超過125mA 且延遲為5s時，應被設置為工作。由于RXTTE 4中的CT 值為10∶1，由REG 670測量的電流對于此故障至少為1.25A[4]。

5 結語

本文通過分析澤塔斯三期電廠#4機組發生的由于發電機接地碳刷與發電機大軸滑環之間接觸不良導致的保護裝置內轉子接地電阻在2000Ω 至最大值-1000變化事件，探討了利用高頻注入式原理構成的轉子接地保護，說明了發電機接地碳刷與發電機汽側大軸滑環之間接觸電阻是保護測量、計算發電機轉子接地電阻值的重要部分，因此在日常維護工作中應加強轉子大軸接地碳刷的維護。