發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)在三峽電站的運(yùn)用與效果評(píng)估

劉先科，李小文，曾　鵬，吳寶增

（三峽電廠，湖北 宜昌 443133）

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)在三峽電站的運(yùn)用與效果評(píng)估

劉先科，李小文，曾鵬，吳寶增

（三峽電廠，湖北 宜昌 443133）

摘要：轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)能發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路內(nèi)部的缺陷和故障，對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。本文主要論述了三峽電站轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的配置及基本原理，對(duì)保護(hù)裝置的運(yùn)行效果進(jìn)行了評(píng)估，并介紹了三峽電站轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地；三峽電站

0　引言

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路故障一般有3個(gè)類型，即轉(zhuǎn)子匝間故障、轉(zhuǎn)子回路一點(diǎn)接地故障、轉(zhuǎn)子回路兩點(diǎn)接地故障。輕微的匝間短路不會(huì)影響機(jī)組正常運(yùn)行，但如果故障繼續(xù)發(fā)展，將會(huì)使轉(zhuǎn)子電流增加，繞組溫度升高，甚至導(dǎo)致接地故障發(fā)生。出現(xiàn)轉(zhuǎn)子回路一點(diǎn)接地故障時(shí)，不會(huì)形成閉合通路，不會(huì)造成直接危害，但再發(fā)生轉(zhuǎn)子回路二點(diǎn)接地故障時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)很大的故障電流，燒傷轉(zhuǎn)子本體、勵(lì)磁氣隙失衡、轉(zhuǎn)子磁化、損傷軸系等嚴(yán)重后果。因此，配備合適有效的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)對(duì)發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有重要的意義。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)一般有注入式和乒乓式兩種原理。注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)通過(guò)在轉(zhuǎn)子繞組兩端或一端注入方波信號(hào)電源，用以區(qū)分正常運(yùn)行和接地故障。乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)輪流測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組正極、負(fù)極的對(duì)地電流，并根據(jù)測(cè)得的結(jié)果計(jì)算出轉(zhuǎn)子繞組或勵(lì)磁回路的對(duì)地電阻，從而判斷出接地故障的位置及接地電阻的量值。

1　三峽電站現(xiàn)行轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)配置及基本原理

三峽電站擁有32臺(tái)額定容量777.8 MVA的水輪發(fā)電機(jī)組，均配置了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，一般以注入式保護(hù)為主用，乒乓式保護(hù)做備用。三峽電站轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)經(jīng)歷了多次換型改造和升級(jí)，現(xiàn)行配置如表1。

表1　三峽電站現(xiàn)行轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)配置

1.1三峽左岸電站ALSTOM機(jī)組SIEMENS低頻

方波電壓注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)三峽左岸電站ALSTOM機(jī)組采用SIEMENS公司低頻方波電壓注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，原理如圖1所示。

保護(hù)注入電壓由7XT71串聯(lián)裝置提供，經(jīng)過(guò)電阻單元7XR6004與勵(lì)磁回路經(jīng)高電阻對(duì)稱耦合，同時(shí)通過(guò)低阻值的測(cè)量電阻m連接到大軸接地電刷（地電位），注入電壓和充電電流通過(guò)變送器MU1和MU2分別變換為控制電壓control和測(cè)量電壓meas送入保護(hù)裝置，轉(zhuǎn)子接地電流由測(cè)量電壓反映，由此計(jì)算出接地電阻，實(shí)際接地電阻由電壓meas決定，該值與成比例，測(cè)量電壓的直流分量由濾波器平均值決定，測(cè)量值為穩(wěn)態(tài)值。

圖1　SIEMENS電壓注入轉(zhuǎn)子繞組的連接示意圖

1.2三峽右岸電站能事達(dá)公司變極性疊加直流原理的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)

能事達(dá)公司生產(chǎn)的變極性疊加直流原理轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置LDP2094為三峽右岸電站的主用轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。其原理如圖2所示。

圖2　能事達(dá)LDP2094 變極性疊加直流轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)原理圖

1.3三峽右岸電站許繼集團(tuán)公司乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)

許繼公司W(wǎng)FB-801/S發(fā)電機(jī)組保護(hù)裝置內(nèi)置一套乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，用于右岸電站。保護(hù)接線圖如圖3所示。

圖3　許繼WFB-801/S乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)接線示意圖

保護(hù)采用乒乓式開(kāi)關(guān)切換原理，通過(guò)求解兩個(gè)不同的接地回路方程，實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子接地電阻值和位置。保護(hù)原理示意圖見(jiàn)圖4所示，勵(lì)磁電壓經(jīng)過(guò)降壓回路后分為兩路，一路接勵(lì)磁電壓測(cè)量，另一路接保護(hù)乒乓切換回路，虛線框內(nèi)為勵(lì)磁降壓回路，其中2為由微機(jī)控制的電子開(kāi)關(guān)為接地電阻，α為接地點(diǎn)位置為轉(zhuǎn)子電壓。

圖4　許繼WFB-801/S乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)原理示意圖

圖5　南瑞RCS-985乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)接線原理圖

1.4三峽南瑞RCS-985轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)

南瑞RCS-985轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)配置于三峽左岸電站VGS機(jī)組以及地下電站27FB、29FB機(jī)組，內(nèi)置注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)RCS-985RE-2TP和乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)RCS-985RS-2TP，其中，乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)接線原理圖如圖5，注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)接線原理圖如圖6。

切換圖5中S1、S2電子開(kāi)關(guān)，得到相應(yīng)的回路方程，通過(guò)求解方程，可以得到轉(zhuǎn)子接地電阻g，接地位置α。

圖6　南瑞RCS-985注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)接線原理圖

1.5三峽地下電站許繼轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)

許繼公司W(wǎng)FB-823A微機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)配置于三峽地下電站28F、30F、31F、32F機(jī)組，內(nèi)置外加低頻方波電源和乒乓切換式保護(hù)各一套，可互為冷備用。

注入電源從轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)兩端與大軸之間注入一個(gè)方波電源，實(shí)時(shí)檢測(cè)轉(zhuǎn)子回路對(duì)地絕緣狀況。許繼外加低頻方波電源內(nèi)置于裝置插件中，其輸出頻率可方便調(diào)整，適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電容的不同，使接地電阻和接地位置的測(cè)量不受轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電容的影響。雙端注入保護(hù)接線示意圖見(jiàn)圖7。

許繼乒乓式原理轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理圖見(jiàn)圖8，接線示意圖見(jiàn)圖9。其中：S1、S2為由微機(jī)控制的電子開(kāi)關(guān)，g為接地電阻，α為接地點(diǎn)位置（轉(zhuǎn)子電壓負(fù)端為0，轉(zhuǎn)子電壓正端為100%），為轉(zhuǎn)子電壓，1為測(cè)量電阻。當(dāng)g小于接地電阻高定值時(shí)，經(jīng)延時(shí)發(fā)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號(hào)，當(dāng)g小于接地電阻低定值時(shí)，經(jīng)延時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

圖7　許繼WFB-823A雙端注入保護(hù)接線示意圖

圖8　許繼WFB-823A乒乓式保護(hù)切換采樣原理示意圖

圖9　許繼WFB-823A乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)接線示意圖

2　三峽電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)

2.1三峽電站采用的各型轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)性能評(píng)估

左岸電站ALSTOM機(jī)組最初采用ABB公司平衡電橋型轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，該型保護(hù)存在保護(hù)附件YWX111-11發(fā)熱、保護(hù)抗干擾能力不足、保護(hù)靈敏度不夠、保護(hù)動(dòng)作邏輯整定不合理等問(wèn)題，僅短期運(yùn)用后即換型為SIEMENS電壓注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，并沿用至今。

左岸VGS機(jī)組原配SIEMENS電壓注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，近期已隨發(fā)變組主保護(hù)改造一并換型為南瑞RCS985型保護(hù)。

能事達(dá)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)是右岸電站主用轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，也曾在三峽地下電站27FB/29FB投產(chǎn)初期短期運(yùn)用，該型保護(hù)裝置本身故障率較高，加上型號(hào)老化、備件缺乏，27FB/29FB已換型為南瑞RCS985型保護(hù)，右岸電站也將逐步改造為許繼WFB-823A型保護(hù)。

許繼公司W(wǎng)FB-801/S乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)是右岸電站備用轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，該型保護(hù)運(yùn)行多年來(lái)故障率低，性能穩(wěn)定，但型號(hào)老化、維護(hù)不易。

南瑞RCS-985型和許繼WFB-823A型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)均內(nèi)置注入式和乒乓式保護(hù)各一套，在三峽電站運(yùn)用時(shí)間較短，但裝置性能優(yōu)越，有較好的運(yùn)用前景。

表2　三峽各型轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置性能對(duì)比

表2為三峽電站多年來(lái)各型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置性能的相關(guān)統(tǒng)計(jì)（不計(jì)ABB裝置）。

從表2可知，能事達(dá)公司產(chǎn)保護(hù)裝置故障率最高，而且曾出現(xiàn)誤動(dòng)拒動(dòng)，SIEMENS電壓注入式保護(hù)故障數(shù)僅次于能事達(dá)產(chǎn)裝置，南瑞與許繼公司產(chǎn)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置性能穩(wěn)定，其新型號(hào)產(chǎn)品是三峽電站未來(lái)的配置方向。

2.2運(yùn)用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備缺陷

三峽電站發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑尺寸超過(guò)18m，由轉(zhuǎn)子支架、磁軛和磁極等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，組成元件多，在風(fēng)洞內(nèi)封閉運(yùn)行，轉(zhuǎn)子內(nèi)部的故障和缺陷很難通過(guò)一般途徑發(fā)現(xiàn)。三峽歷年來(lái)發(fā)現(xiàn)的轉(zhuǎn)子回路的故障或缺陷大多借助于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。表3是三峽電站多年來(lái)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作原因的統(tǒng)計(jì)。（注：不含ABB裝置誤動(dòng)、不計(jì)試驗(yàn)、同問(wèn)題處理期間多次動(dòng)作計(jì)1次）

表3　轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接動(dòng)作原因統(tǒng)計(jì)

由表3可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子內(nèi)部短路或者接地故障導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作的可能性最高，出現(xiàn)轉(zhuǎn)子接地后很有必要進(jìn)入發(fā)電機(jī)內(nèi)部檢查，通過(guò)這種檢查，三峽電站多次發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路的缺陷，并得以整改，以下為幾個(gè)典型事例。

（1）發(fā)現(xiàn)某機(jī)組轉(zhuǎn)子磁極緊固件缺陷

三峽電站某機(jī)組運(yùn)行中發(fā)電機(jī)橫差保護(hù)動(dòng)作跳閘，故障發(fā)生后測(cè)量定子絕緣合格、轉(zhuǎn)子絕緣為零，事故時(shí)有轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作信號(hào)，遂深入檢查發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，發(fā)現(xiàn)磁極固定塊與磁軛之間有數(shù)處電弧放電跡象，將放電磁極固定塊拆除后發(fā)現(xiàn)，固定拉桿絕緣墊塊處存在較多的鐵屑和粉塵，且拉桿尾端與磁該型發(fā)電機(jī)相鄰磁極由極間支撐分開(kāi)，支撐件通過(guò)鴿尾形固定塊和兩根金屬螺桿固定磁極軟連接接頭，鴿尾形固定塊與阻尼環(huán)軟連接間安裝拉桿，分析發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)存在固有缺陷，即拉桿在固定塊的絕緣墊塊處屬凹陷死角，易積累鐵屑粉塵等雜質(zhì)，造成絕緣降低，且拉桿尾端與磁軛距離較近，安裝后無(wú)法觀測(cè)間距。由此，三峽電站放大了這些部件的安裝間距、清掃了凹陷死角，避免了類似故障再次發(fā)生。

（2）發(fā)現(xiàn)某機(jī)型轉(zhuǎn)子阻尼繞組軟連接結(jié)構(gòu)缺陷

三峽電站某機(jī)型機(jī)組多次出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地動(dòng)作，檢查時(shí)均發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極間有不明來(lái)源金屬絲，后拆開(kāi)機(jī)組上下?lián)躏L(fēng)板檢查，發(fā)現(xiàn)磁極阻尼繞組軟連接存在大范圍斷股及撕裂現(xiàn)象，而部分未損傷軟連接片也有很嚴(yán)重的變形現(xiàn)象。

該型機(jī)組磁極阻尼環(huán)間有軟連接結(jié)構(gòu)，軟連接由鍍銀銅絲軟辮子多層疊加而成，端部通過(guò)銅板壓接。檢查發(fā)現(xiàn)銅辮子結(jié)構(gòu)松散，無(wú)安裝余量，連接銅板有向磁極中部拉伸現(xiàn)象。軟連接損傷和連接銅板的變形，說(shuō)明阻尼環(huán)軟連接處受到了強(qiáng)大的電動(dòng)力作用，該力首先將軟連接向磁極中心拉，軟連接無(wú)法變形后再作用于連接銅板，最后導(dǎo)致軟連接磨損甚至斷裂，產(chǎn)生大量銅絲及粉末，形成橋接，造成發(fā)電機(jī)短路、接地。有鑒于此，三峽電站對(duì)阻尼繞組軟連接進(jìn)行了改造，取消銅辮子式連接，更換成銅片式軟連接并保留足夠安裝余量。

（3）改進(jìn)某機(jī)型發(fā)電機(jī)推導(dǎo)軸承油霧吸收技術(shù)

三峽電站某機(jī)型機(jī)組轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作頻率比其他機(jī)型高，打開(kāi)發(fā)電機(jī)蓋板檢查發(fā)電機(jī)內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)該型機(jī)組轉(zhuǎn)子內(nèi)部積累油污較多，油污沾染大量灰塵、金屬屑等，導(dǎo)致接地頻發(fā)，而油污來(lái)源于機(jī)組的推導(dǎo)油槽產(chǎn)生的油霧。分析該機(jī)型推導(dǎo)油霧吸收結(jié)構(gòu)有固有缺陷，導(dǎo)致油霧過(guò)多、吸收效率低下，污染發(fā)電機(jī)。為徹底解決該問(wèn)題，三峽電站拆除原有的推導(dǎo)油霧吸收裝置，包括油霧吸收裝置本體及管路、回油箱及其相關(guān)管路等，更換了一整套復(fù)合油檔及油霧凈化機(jī)，改善發(fā)電機(jī)的潔凈度。

3　結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)今電力行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)下，特大容量機(jī)組已在中國(guó)普遍投用，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)對(duì)機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的作用，三峽電站擁有32臺(tái)700MW巨型水輪發(fā)電機(jī)組，在轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的運(yùn)用方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)行業(yè)內(nèi)同仁有著較大的借鑒意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王維儉.電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)電力出版社，1996.

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[3]王光，陳俊，嚴(yán)偉，等.注入方波電壓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的研制及應(yīng)用[J].江蘇電機(jī)工程，2009，28(2):74-76.

[4]李賓，屠黎明，蘇毅，等.發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接地保護(hù)綜述[J].電力設(shè)備，2006，11(11):33-35.

[5]南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985系列大型水輪發(fā)電機(jī)變壓器成套保護(hù)裝置技術(shù)使用說(shuō)明書(shū)[Z].

[6]許繼WFB-823A微機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置技術(shù)及使用說(shuō)明書(shū)[Z].

中圖分類號(hào)：TM77

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2015）06-0028-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.008

收稿日期：2015-01-26

作者簡(jiǎn)介：劉先科（1983-），男，工程師，從事水電站運(yùn)行工作。