發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的分析與建議

馬艷濤，羅 軍

（廣東省粵電集團(tuán)有限公司沙角A電廠，廣東 東莞 523936)

1 概述

某發(fā)電廠1～3號(hào)發(fā)電機(jī)均為200 MW汽輪發(fā)電機(jī)，轉(zhuǎn)子繞組的冷卻方式為氫冷。3臺(tái)機(jī)組投運(yùn)均已將近20年，其中1，2號(hào)發(fā)變組保護(hù)為南京南瑞繼保電氣有限公司生產(chǎn)的RCS—985A型保護(hù)裝置，3號(hào)發(fā)變組保護(hù)為南京電力自動(dòng)化設(shè)備總廠生產(chǎn)的WFBZ-01型保護(hù)裝置。該電廠3臺(tái)機(jī)組的勵(lì)磁屏均設(shè)在發(fā)電機(jī)平臺(tái)上，由于未設(shè)置專門的小間，受濕度及灰塵污染情況比較嚴(yán)重。

3臺(tái)機(jī)組運(yùn)行時(shí)，均不定時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)子回路對(duì)地絕緣嚴(yán)重下降、轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作的情況。檢查結(jié)果表明：引起絕緣下降的點(diǎn)并不在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部，而是在勵(lì)磁外回路上。這是由硅屏內(nèi)元件受污、受潮引起的。當(dāng)此種情況發(fā)生時(shí)，轉(zhuǎn)子回路的絕緣電阻不穩(wěn)定，通常一段時(shí)間后，絕緣可自動(dòng)恢復(fù)。在此情況下，如果自動(dòng)投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)，鑒于目前轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)不是十分可靠，會(huì)增加誤跳閘的機(jī)會(huì)；如果轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部，當(dāng)短時(shí)間內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)相繼接地時(shí)，會(huì)因未及時(shí)投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)而產(chǎn)生嚴(yán)重后果。

2 轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地的危害分析

轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障屬于極其嚴(yán)重的故障，將對(duì)發(fā)電機(jī)造成災(zāi)難性的損害，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

(1)當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)流過相當(dāng)大的故障電流，從而燒傷轉(zhuǎn)子本體；

(2)由于部分繞組被短接、勵(lì)磁繞組中電流增加，可能因過熱而燒傷；

(3)由于部分繞組被短接，氣隙磁通會(huì)失去平衡，從而引起振動(dòng)；

(4)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地還可能使軸系和汽機(jī)磁化。

如果轉(zhuǎn)子繞組通過較大的過渡電阻兩點(diǎn)接地，則可排除上述第2點(diǎn)危害，而第1，4點(diǎn)危害所造成的影響也會(huì)較小。但是，當(dāng)整個(gè)轉(zhuǎn)子回路上某點(diǎn)(即便該點(diǎn)不在勵(lì)磁繞組上)絕緣電阻降得很低時(shí)，實(shí)際相當(dāng)于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地，如果不及時(shí)投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)，其風(fēng)險(xiǎn)較大；這時(shí)若轉(zhuǎn)子繞組上再發(fā)生一點(diǎn)接地，其危害將會(huì)非常大。

因此，當(dāng)確認(rèn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地后，機(jī)組停機(jī)前應(yīng)該投入兩點(diǎn)接地保護(hù)。為避免勵(lì)磁回路上的元件受污、受潮引起不穩(wěn)定接地，造成兩點(diǎn)接地保護(hù)誤跳閘，可以在轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作報(bào)警后，通過人工確認(rèn)為穩(wěn)定性一點(diǎn)接地后，再投入兩點(diǎn)接地壓板。

在轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的定值方面，由上述分析可知，如果轉(zhuǎn)子繞組通過較大的過渡電阻兩點(diǎn)接地，其危害程度相對(duì)較小。因此，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的定值不必過大，建議取值5 kΩ。

3 WFBZ-01型保護(hù)裝置轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

3.1 廠家說明書原理說明及保護(hù)邏輯

轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)采用疊加直流式一點(diǎn)接地保護(hù)原理，疊加源電壓為50 V，內(nèi)阻大于50 kΩ。一點(diǎn)接地保護(hù)的輸入端與轉(zhuǎn)子負(fù)極及大軸連接，其注入直流電源來自裝置內(nèi)部。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的工作原理為：一個(gè)簡(jiǎn)單的串聯(lián)回路(即保護(hù)裝置內(nèi)部輸出的50 V直流、內(nèi)阻和轉(zhuǎn)子對(duì)大軸之間的絕緣電阻串聯(lián)的回路)，絕緣良好時(shí)整個(gè)回路電流最小，其對(duì)應(yīng)絕緣電阻為119 kΩ；轉(zhuǎn)子接地時(shí)，測(cè)量回路電流增大，其對(duì)應(yīng)絕緣電阻較小甚至為0。當(dāng)裝置計(jì)算的絕緣電阻小于整定值時(shí)，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)出口動(dòng)作于發(fā)信或跳閘。

轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)采用發(fā)電機(jī)二次諧波電壓原理。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生兩點(diǎn)接地或匝間短路時(shí)，氣隙磁通分布均勻性將被破壞，在定子繞組中將產(chǎn)生二次諧波電壓。轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)即反映定子電壓中的二次諧波分量。保護(hù)受一點(diǎn)接地保護(hù)閉鎖，在轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作后，自動(dòng)投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)。當(dāng)二次諧波電壓大于整定值，且負(fù)序分量大于正序分量2倍時(shí)，轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)出口動(dòng)作于發(fā)信或跳閘。

轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)邏輯如圖1所示，其中U2ω2、U2ω1分別為二次諧波電壓的負(fù)序、正序分量，U2ωop為二次諧波電壓整定值。

圖1 WFBZ-01型保護(hù)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)邏輯

3.2 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

正常運(yùn)行中，兩極汽輪發(fā)電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)完全對(duì)稱于南北磁極，即氣隙磁密的空間分布完全對(duì)稱于橫軸。將磁密曲線作傅立葉級(jí)數(shù)的諧波分析，發(fā)現(xiàn)只有奇次諧波分量，沒有偶次諧波分量，故定子電壓中也只有奇次諧波分量，沒有偶次諧波分量。

轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地或匝間短路時(shí)，氣隙磁密分布的對(duì)稱性遭到破壞，磁密曲線含有二次及其他偶次諧波分量，則定子電壓必定含有二次諧波分量。

因此，理論上利用二次諧波電壓，可確切區(qū)分勵(lì)磁回路兩點(diǎn)接地故障與正常工作狀態(tài)，但該原理的應(yīng)用需注意以下幾個(gè)問題。

(1)在系統(tǒng)短路的暫態(tài)過程中，一定有非周期分量電流，相應(yīng)的三相定子繞組將有二次諧波暫態(tài)電壓。因此，兩點(diǎn)接地保護(hù)的延時(shí)，必須躲過系統(tǒng)故障時(shí)的暫態(tài)過程。

(2)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障時(shí)，定子繞組的二次諧波電壓可能非常小(約千分之幾額定電壓)，要在三相額定基波電壓中濾取如此小的二次諧波分量，技術(shù)要求較高；若提高二次諧波電壓整定值，將導(dǎo)致保護(hù)靈敏度下降。

(3)發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)，發(fā)電機(jī)的二次諧波定子電壓將使相鄰的非故障發(fā)電機(jī)也出現(xiàn)一定數(shù)量的二次諧波定子電壓。所以，兩點(diǎn)接地保護(hù)的定值不能太小，而必須滿足其選擇性要求，但其靈敏度也必然會(huì)下降。

(4)無法區(qū)分勵(lì)磁回路的匝間短路與轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障。輕微的匝間短路不會(huì)直接引起嚴(yán)重的后果，也無需立即消除缺陷，所以并不要求裝設(shè)轉(zhuǎn)子繞組匝間短路保護(hù)。但嚴(yán)重的轉(zhuǎn)子繞組匝間短路，必然造成勵(lì)磁電流增大，機(jī)組振動(dòng)加劇，局部過熱，從而損壞主絕緣和銅線。由此可見，當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障時(shí)，為保險(xiǎn)起見，保護(hù)無法區(qū)分匝間短路和兩點(diǎn)接地故障而停機(jī)是可接受的。

3.3 廠家意見

(1)WFBZ-01型微機(jī)發(fā)變組保護(hù)裝置在全國使用至今已10多年，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)是可靠的。

(2)一點(diǎn)接地保護(hù)的動(dòng)作值不必取得過大，5 kΩ～8 kΩ比較合理。

(3)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)的動(dòng)作值可取實(shí)測(cè)二次諧波電壓的10倍，一般不超過2 V。

4 RCS-985型保護(hù)裝置轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

4.1 廠家說明書原理說明及保護(hù)邏輯

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用切換采樣原理(乒乓式)。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)大軸絕緣電阻的下降，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作后，經(jīng)延時(shí)自動(dòng)投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)；當(dāng)接地位置α改變達(dá)一定值時(shí)，判為轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地，動(dòng)作于跳閘。其接地保護(hù)邏輯如圖2所示。

4.2 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用切換采樣原理(乒乓式)。該原理通過2個(gè)電子開關(guān)切換采樣回路，得到2組方程，聯(lián)立求解得接地過渡電阻Rf及接地位置α。當(dāng)Rf小于整定值時(shí)，報(bào)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號(hào)，并經(jīng)延時(shí)自動(dòng)投入兩點(diǎn)接地保護(hù)。兩點(diǎn)接地保護(hù)同樣采用上述切換采樣原理，檢測(cè)接地位置的變化。若再發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障，則已測(cè)得的α值將會(huì)發(fā)生變化，當(dāng)其變化值超過整定值時(shí)，保護(hù)裝置就確認(rèn)為發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障。

在電子開關(guān)切換過程中，如果接地過渡電阻發(fā)生變化，此保護(hù)裝置計(jì)算接地點(diǎn)α將產(chǎn)生錯(cuò)誤。因此，需經(jīng)連續(xù)2～3次計(jì)算，當(dāng)確認(rèn)α和Rf不變時(shí)，才能確認(rèn)一點(diǎn)接地故障的存在。

4.3 廠家意見

(1)通過檢測(cè)接地點(diǎn)及接地電阻的變化，判斷兩點(diǎn)接地。

(2)在電子開關(guān)切換過程中，如果接地過渡電阻發(fā)生較大變化，保護(hù)確實(shí)可能產(chǎn)生誤判。因此，RCS-985裝置在判定一點(diǎn)接地后，如持續(xù)10 s接地電阻變化不大，才會(huì)自動(dòng)投入兩點(diǎn)接地保護(hù)。

(3)目前為止，沒有公認(rèn)、完美的轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)方案。因此，建議轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)的壓板平時(shí)應(yīng)退出；在轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警后，不應(yīng)自動(dòng)投入兩點(diǎn)接地保護(hù)，應(yīng)觀察一點(diǎn)接地電阻值的變化情況，如變化幅度不大，再投入兩點(diǎn)接地保護(hù)壓板，即手動(dòng)投入兩點(diǎn)接地保護(hù)。

5 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的使用建議

從上述分析可見，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作后是否應(yīng)立即投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)，需綜合考慮現(xiàn)有的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)、故障的形式和特點(diǎn)。針對(duì)該電廠的實(shí)際情況，現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的使用提出以下幾點(diǎn)建議。

(1)為避免發(fā)電機(jī)的重大損害，明確轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作于跳機(jī)。

(2)為減小兩點(diǎn)接地保護(hù)誤動(dòng)作的可能性，決定采用手動(dòng)投入兩點(diǎn)接地保護(hù)，并將1，2號(hào)機(jī)組RCS-985保護(hù)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的普通段動(dòng)作值取5 kΩ。為及時(shí)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣下降，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地靈敏段動(dòng)作值取20 kΩ。對(duì)于3號(hào)機(jī)組的WFBZ-01保護(hù)，因整定值不分段，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地動(dòng)作值取20 kΩ。

(3)為加快轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的判斷和處理速度，在運(yùn)行中出現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警時(shí)，運(yùn)行人員應(yīng)檢查記錄發(fā)變組保護(hù)柜轉(zhuǎn)子接地電阻通道顯示值。若發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地持續(xù)報(bào)警，應(yīng)切換發(fā)電機(jī)勵(lì)磁硅整流柜，觀察記錄發(fā)變組保護(hù)柜轉(zhuǎn)子接地電阻通道的顯示值變化情況，并通知電氣檢修人員迅速解決故障。

(4)如果發(fā)變組保護(hù)柜轉(zhuǎn)子接地電阻通道顯示值持續(xù)低于5 kΩ，且切換發(fā)電機(jī)勵(lì)磁硅整流柜也不能排除故障時(shí)，運(yùn)行人員應(yīng)立即投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)壓板，以防出現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地，損壞發(fā)電機(jī)組。

(5)制定有針對(duì)性的反事故措施和操作處理指引，使運(yùn)行值班人員能迅速、正確地對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警進(jìn)行處理。

(6)為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁就地柜搭建專用的封閉小間，以消除潮濕及灰塵的影響，改善發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境，降低發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障的發(fā)生率。

6 結(jié)束語

在對(duì)3臺(tái)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁就地柜搭建專用的封閉小間并裝設(shè)空調(diào)、通風(fēng)口裝濾網(wǎng)后，消除了潮濕及灰塵的影響，改善了勵(lì)磁外回路的運(yùn)行環(huán)境，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)再也未動(dòng)作。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作于信號(hào)，是基于勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地故障對(duì)發(fā)電機(jī)無直接危害而提出來的，并不是為了發(fā)電機(jī)長期帶一點(diǎn)接地故障運(yùn)行。當(dāng)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，應(yīng)立即投入轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)(如果有)并查明故障點(diǎn)與其性質(zhì)；如系穩(wěn)定性的金屬接地，應(yīng)盡快安排停機(jī)處理。

圖2 RCS-985型保護(hù)裝置轉(zhuǎn)子接地保護(hù)邏輯

1 王維儉．《電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用》(第2版)[M].北京：中國電力出版社，2002.