淺談提高微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護功能的有效對策

黃河西寧熱電有限責任公司 王 銳

在微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組運轉(zhuǎn)的過程中，一點接地故障的發(fā)生概率較高，由于出現(xiàn)這類故障問題后不會形成相應的回路，因此電流無法通過接地點，也就無法影響到發(fā)電機的正常運行。但若這種故障問題未能得到及時有效的處理，造成了兩點接地故障，就會形成相應的回路，給電流的通過提供了條件后極易導致轉(zhuǎn)子繞組燒毀，干擾到電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行[1]。由此可知，深層次分析微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護技術(shù)，對于我國電網(wǎng)的可持續(xù)穩(wěn)定運行而言具有深遠的意義。

2022年10月13日，某廠600MW 發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護裝置發(fā)出報警信號，為確保電力系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠運行，該廠立即安排相關(guān)人員對發(fā)電機保護柜展開檢查，經(jīng)過全面系統(tǒng)的檢查后，發(fā)現(xiàn)接地點的位置在發(fā)電機組A 柜，其發(fā)出報警信號并顯示出兩個重要的告警信息，一個是轉(zhuǎn)子接地高定值7503ms，另一個是直流磁電壓318.483U、接地電阻19.861kΩ、接地點位置為49.286，表明轉(zhuǎn)子接地電阻＞規(guī)定值。現(xiàn)場工程人員及時采取了復位措施進行處理后報警隨之消失，對接地保護裝置進行檢測后，發(fā)現(xiàn)Rg=24.476kΩ。告警前，微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的具體情況與告警的情況，如表1所示。

表1 告警前與告警后微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組運行參數(shù)

通過對告警前發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組運行狀態(tài)的分析發(fā)現(xiàn)。保護動作B 屏的轉(zhuǎn)子接地保護未見異常，處于正常狀態(tài)并且機組負荷未見明顯變動。

1 微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組異常問題分析

原因分析。針對微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的異常問題，該廠工作人員立即采取緊急預案，暫停發(fā)電機組的運行，并且對相關(guān)負荷進行調(diào)整，同時對發(fā)電機組的各個重要構(gòu)件進行了全方位的檢查，其中包括滑環(huán)、勵磁系統(tǒng)、碳刷、直流回流母排以及大軸接地碳刷等，對這些構(gòu)件進行外觀檢查后，發(fā)現(xiàn)均屬于正常狀態(tài)，未見異常情況，對軸電壓進行檢測后確定為5.3V，這一數(shù)值在合理范圍內(nèi)。

為準確排查出發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的異常原因，對保護A 屏展開了檢測，主要的工作對象就是A 屏的采樣。在實際檢測過程中，作業(yè)流程為：保護A屏退出轉(zhuǎn)子接地保護——啟動B 屏轉(zhuǎn)子接地保護動作——檢測B 屏接地電阻。對事故現(xiàn)場B 屏接地電阻進行科學的檢測后，可以獲得數(shù)值24.574kΩ，將A 屏與B 屏的接地電阻進行綜合對比分析可知，A屏不存在保護誤動的問題，因此可以確定本次事故的主要誘因為發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的絕緣值過低[2]。

為進一步驗證事故分析結(jié)果的準確性，該廠工作人員通過計算機設(shè)備獲得勵磁系統(tǒng)的運行圖紙后，對圖紙進行了觀察分析，圖紙中明確表明，在轉(zhuǎn)子電壓回路中存在濾波回路，并且這種回路以疊加的狀態(tài)與轉(zhuǎn)子接地保護回路連接到了一起，導致發(fā)電機轉(zhuǎn)子的接地電阻值小于規(guī)范值，即Rg＜25kΩ，這種運行模式與轉(zhuǎn)子接地保護裝置的運行原理之間不符，導致A 屏告警。

該廠工作人員對發(fā)電機轉(zhuǎn)子保護巡檢臺賬進行查閱后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子的接地電阻值始終在25kΩ 內(nèi)活動，具體的活動范圍為22.7～24.9kΩ。因此能夠判斷出本次事故的根本原因如下：微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的接地電阻值與保護定值之間較為接近，在保護裝置運行的過程中，需要對轉(zhuǎn)子接地電阻進行采樣，一旦出現(xiàn)采樣偏差超過保護定值，就會觸發(fā)保護誤動作，因此要解決轉(zhuǎn)子絕緣偏低問題，避免因保護裝置的采樣誤差，造成保護動作的告警[3]。

2 解決措施

2.1 方案制定

2022年11月5日，該廠例行對微機型發(fā)電機組進行檢查維修，為解決絕緣偏低造成的保護誤動問題，展開了機組的停運檢修，為達成一次檢修到位的作業(yè)目標，該廠制定了詳細的處理方案。

首先，該廠與勵磁裝置的生產(chǎn)商展開了積極的溝通和交流，在對勵磁系統(tǒng)的設(shè)計圖紙、原理等進行確認后，明確了在勵磁系統(tǒng)中設(shè)置濾波回路的主要目的，即實現(xiàn)對發(fā)電機軸電壓的有效控制，針對這一問題，無法采取有效的措施對濾波回路加以優(yōu)化，因此該廠決定取消濾波回路后，試運行勵磁裝置，在試運行的過程中，勵磁裝置仍然處于正常運行狀態(tài)，因此濾波回路的取消，對勵磁裝置無不良影響。

其次，對微機型發(fā)電機的運行原理進行分析后發(fā)現(xiàn)，能夠限制軸電壓的措施較多，主要涉及到以下幾個方面：一是利用接地碳刷實現(xiàn)對大地的直接接地。操作方法為，將接地碳刷設(shè)置到發(fā)電機組汽輪機側(cè)的大軸位置，在發(fā)電機運行過程中，若蒸汽與汽輪機葉面出現(xiàn)碰撞，就會產(chǎn)生相應的靜電荷，并轉(zhuǎn)變成軸電流，這時接地碳刷就會發(fā)揮作用將軸電流與大地直接接地；二是加裝絕緣。這種軸電壓限制技術(shù)指的是，將新的絕緣安裝到發(fā)電機勵磁裝置的側(cè)軸瓦上，同時設(shè)置接地碳刷，在接地碳刷的作用下，汽輪機側(cè)大軸順利接地后，若絕緣油膜出現(xiàn)破損等不良現(xiàn)象，磁通誘發(fā)的軸電壓會形成相應的閉合回路，但將絕緣層加裝到勵磁裝置的側(cè)軸瓦與大地之間后，閉合回路就無法順利形成，實現(xiàn)對勵磁裝置軸頸與軸瓦的有效保護[4]。

最后，與發(fā)電機生產(chǎn)商溝通協(xié)商后確定，將濾波回路取消后在技術(shù)層面不會對發(fā)電機的正常運行造成不良影響。因此本次事故的最終解決方案為：將勵磁裝置中的濾波回路取消，確定對裝置本身以及發(fā)電機無任何影響后，設(shè)置接地碳刷并加裝絕緣層。為確保發(fā)電機能夠長期處于穩(wěn)定運行的狀態(tài)，取消濾波回路后，對發(fā)電機運行的各項參數(shù)值進行實時監(jiān)測，掌握軸電壓值的具體情況，確保軸電壓值與歷史記錄不存在明顯偏差。

2.2 方案效果

為驗證本方案的實施效果，展開系統(tǒng)的檢測工作，主要是從以下幾方面入手。

對發(fā)電機A 屏轉(zhuǎn)子接地保護與B 屏轉(zhuǎn)子接地保護進行檢驗，確定采樣、出口等均不存在任何異常后，可以確定本次事故的誘因與保護裝置本身無關(guān)；對發(fā)電機勵磁裝置側(cè)軸瓦對地絕緣進行檢測，在絕緣1000V 電阻表的作用下，可以確定側(cè)軸瓦對地絕緣的電阻值為1200MΩ，符合發(fā)電機的規(guī)范運轉(zhuǎn)要求；對發(fā)電機汽輪機側(cè)大軸接地碳刷進行檢測，確定電阻值為0MΩ，符合發(fā)電機規(guī)范運轉(zhuǎn)要求；對發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組回路絕緣進行檢測，主要的檢測方法為：將碳刷拆除后，檢測出的絕緣電阻值為1300MΩ。對勵磁裝置直流側(cè)刀閘進行檢測后，確定直流母排絕緣為0MΩ。上述數(shù)值為濾波回路未取消情況下的絕緣電阻值，將濾波回路取消后，對勵磁裝置的直流母排絕緣檢測后，明確電阻數(shù)值為900MΩ。

通過對方案實施效果的分析可知，該廠發(fā)電機組轉(zhuǎn)子告警的實質(zhì)原因為濾波回路，因此將濾波回路取消，利用其他的方式限制軸電壓后，能夠有效解決發(fā)電機轉(zhuǎn)子保護誤動問題[5]。

3 微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組接地保護技術(shù)應用策略

在微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組運行期間，接地保護技術(shù)的應用具有針對性，在判斷一點接地過程中，方式方法較多，其中一種是對轉(zhuǎn)子一點接地的報警系統(tǒng)進行檢查，采取復歸的方式，若能夠順利復歸，證明一點接地故障屬于瞬時接地故障。若未能順利復歸，需要對轉(zhuǎn)子一點接地的報警系統(tǒng)展開進一步的分析和排查，確定是否存在一極接地的情況，最終確認是勵磁回路的故障問題還是測量保護回路的故障問題，在此基礎(chǔ)上，采取有針對性的解決措施。

3.1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護

微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護技術(shù)的運行模式主要有兩種，一種是乒乓式保護模式，這種工作模式較為成熟，并且在該廠得到了有效應用。乒乓式接地保護技術(shù)指的是，以2個接地回路方程為導向，由于這兩個方程之間存在顯著的不同，因此計算出第一個方程后，能夠掌握發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地的電阻值，獲得第二個方程的數(shù)值后，能夠掌握發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地的具體位置。在乒乓式接地保護裝置運行期間，轉(zhuǎn)子一點接地保護采樣接線主要涉及到電子開關(guān)、接地點以及降壓電阻等內(nèi)容，其中S1與S2即電子開關(guān)，主要由微機控制；a、Rg、E分別代表的是接地點的具體位置、接地電阻以及轉(zhuǎn)子電壓；2個降壓電阻、1個測量電阻分別用R與R1表示，如圖1所示。

圖1 乒乓接地保護技術(shù)原理

明確轉(zhuǎn)子一點接地保護切換的具體原理后，利用2個不同的接地回路方程，準確計算出接地點的位置，并進行追蹤和記錄后，能夠預判出轉(zhuǎn)子兩點是否存在想要接地動作，進而為轉(zhuǎn)子兩點接地故障的處理做好充足的準備。這種一點接地保護技術(shù)可能會出現(xiàn)保護誤動作的問題，因此該廠結(jié)合微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子的實際情況，設(shè)置了啟動乒乓式接地保護技術(shù)的判斷依據(jù)，即當接地電阻＞40V 時，則啟動轉(zhuǎn)子一點乒乓式接地保護；在接地電阻≤整定值的情況下，則延遲發(fā)送轉(zhuǎn)子一點接地保護啟動的信號。另一種為注入式保護，由于這種接地保護技術(shù)仍處于發(fā)展階段，因此在該廠的應用范圍較小，不作詳細介紹。

3.2 發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩點接地保護

轉(zhuǎn)子兩點接地保護技術(shù)是以一點接地保護技術(shù)為基礎(chǔ)，即當微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路的接地裝置再次啟動保護動作后，就發(fā)射相應的信號，該廠的工作人員將采用人工的作業(yè)模式，啟動兩點接地保護裝置，在這種作業(yè)條件下，保護裝置的Rg與E均會發(fā)生不同程度的變化，一旦這種變化值＞該廠的規(guī)定值，發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩點接地保護裝置，就會直接作用于停機。

為有效提高微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護功能，還要加強對電力檢測裝置的應用，在操作各種裝置的過程中，需要將重點放在兩方面，一方面是針對＜1MW 的發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地故障，應配置檢測裝置。另一方面是針對＞1MW 的的發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地故障，應配置相應的動作延遲裝置，同時還要減負荷平穩(wěn)停機或者動作于程序跳閘。

具體而言，造成微機型發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組故障的原因較多，不同的誘因影響程度以及解決措施也應有所不同，因此,在電廠運行過程中，需要結(jié)合實際情況，制定有針對性的故障解決方案，將保護誤動作問題的發(fā)生概率控制在最小范圍內(nèi)，為電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供堅實的保障[6]。

綜上所述，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組是發(fā)電廠重要的一次設(shè)備，做好發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的保護與調(diào)節(jié)，對于發(fā)電廠的可靠運行而言具有重要的作用。在發(fā)電機轉(zhuǎn)子保護裝置運行的過程中，極易出現(xiàn)接地保護誤動作，這就需要發(fā)電廠對接地保護誤動作的原因進行深入分析和研究，掌握造成接地保護誤動作的誘因后，采取科學合理的解決措施，通過對某廠微機型發(fā)電機繞組接地保護誤動作原因的分析后，發(fā)現(xiàn)濾波回路是誘發(fā)保護誤動作的主要原因，相關(guān)解決措施能夠為從業(yè)人員提供參考和借鑒。