直流起勵(lì)過(guò)程中絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響及對(duì)策

李華忠，陳 俊，張琦雪，嚴(yán) 偉

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障為發(fā)電機(jī)常見(jiàn)的故障形式之一[1]，GB ／T14285 — 2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》要求大型汽輪機(jī)組和水輪機(jī)組均應(yīng)裝設(shè)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)按照原理可分為注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)和非注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)2類，目前普遍采用的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理有切換采樣式（乒乓式）原理[2-4]、注入直流電壓原理[5-6]、注入方波電源原理[7-10]和注入交流電壓原理[5，10]。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的誤動(dòng)，文獻(xiàn)[11-12]指出，勵(lì)磁繞組軸電壓吸收回路電容充放電過(guò)程、接地碳刷與大軸滑環(huán)間電阻接觸不良等原因都可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)誤動(dòng)作。

本文將通過(guò)2起發(fā)電機(jī)起勵(lì)過(guò)程中轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的相關(guān)案例，分析機(jī)組在直流起勵(lì)過(guò)程中直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響，確認(rèn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)報(bào)警或動(dòng)作原因，與此同時(shí)提出相應(yīng)的解決方案。

1 現(xiàn)場(chǎng)案例情況簡(jiǎn)介

1.1 起勵(lì)過(guò)程中注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警案例

國(guó)內(nèi)DB燃?xì)怆姀S1臺(tái)409.7 MW機(jī)組（下文簡(jiǎn)稱DB燃機(jī)）自投運(yùn)以來(lái)，在直流起勵(lì)過(guò)程中轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置頻繁報(bào)警，工作人員進(jìn)行故障排查，并核實(shí)裝置報(bào)警信息和中央信號(hào)后，確定為轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)報(bào)警。查看裝置定值參數(shù)可知：轉(zhuǎn)子接地保護(hù)采用注入方波電源原理，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警電阻定值為50 kΩ，一點(diǎn)接地報(bào)警延時(shí)定值為10s。分析錄波數(shù)據(jù)如圖1所示。由圖1可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子接地電阻計(jì)算值為42.67kΩ，低于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警電阻定值，滿足轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)報(bào)警條件，報(bào)警行為正確。

圖1 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警波形Fig.1 Waveforms of rotor grounding protection alarm

1.2 起勵(lì)過(guò)程中乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)跳閘案例

2012年12月7日，國(guó)內(nèi)ZH燃?xì)怆姀S1臺(tái)152 MW機(jī)組（下文簡(jiǎn)稱ZH燃機(jī)）在直流起勵(lì)過(guò)程中，乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作跳閘，發(fā)電機(jī)機(jī)組全停。該機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警電阻定值為5kΩ，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地跳閘電阻定值為2kΩ，一點(diǎn)接地報(bào)警延時(shí)定值為2s，一點(diǎn)接地跳閘延時(shí)定值為5s。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工作人員反饋，轉(zhuǎn)子接地電阻計(jì)算值低于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地跳閘電阻定值2kΩ，且故障時(shí)間超過(guò)5s，已滿足轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作跳閘條件。

下文將對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電氣回路進(jìn)行理論計(jì)算以及故障分析。

2 起勵(lì)過(guò)程中勵(lì)磁繞組電氣回路情況

經(jīng)核實(shí)DB燃機(jī)和ZH燃機(jī)除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)回路有區(qū)別外，勵(lì)磁繞組相關(guān)電氣回路相似，見(jiàn)圖2。圖中，Rn為起勵(lì)回路串聯(lián)的起勵(lì)電阻；Lr為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組；VD為整流二極管；CH為勵(lì)磁調(diào)節(jié)器或手動(dòng)控制的接觸器的觸點(diǎn)；KM為滅磁開(kāi)關(guān)；直流監(jiān)視絕緣回路由過(guò)流元件構(gòu)成絕緣檢測(cè)，Rs為平衡電阻，Rm為大功率接地電阻。兩燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組勵(lì)磁方式均采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式。機(jī)組在加勵(lì)磁升壓過(guò)程中，因機(jī)端殘壓較低，約為額定值的1%～2%[13]，晶閘管整流橋不能正常工作，無(wú)法送出勵(lì)磁電流供發(fā)電機(jī)建立電壓，所以需提供初始勵(lì)磁[14]。圖2中，直流母線正、負(fù)端各自經(jīng)初始勵(lì)磁回路接觸器觸點(diǎn)CH接至勵(lì)磁繞組回路，CH接通后使發(fā)電機(jī)建立一定的電壓，此時(shí)機(jī)端電壓上升；當(dāng)機(jī)端電壓升至30%的額定電壓時(shí)自動(dòng)投入勵(lì)磁調(diào)節(jié)器，采用自并勵(lì)勵(lì)磁方式，并退出初始起勵(lì)回路，此后機(jī)端電壓自動(dòng)上升至額定值。此外，為了防止直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障，直流母線正負(fù)端均配置直流絕緣監(jiān)視系統(tǒng)[15]，用來(lái)監(jiān)測(cè)直流母線絕緣情況。

圖2 勵(lì)磁繞組相關(guān)電氣回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrical circuits related to excitation windings

當(dāng)起勵(lì)接觸器的觸點(diǎn)CH閉合時(shí)，直流絕緣監(jiān)視回路和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)回路同時(shí)接在轉(zhuǎn)子繞組的正、負(fù)兩端。此時(shí)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和直流絕緣監(jiān)視回路各有1個(gè)接地點(diǎn)，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和直流絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備相互檢測(cè)對(duì)方的對(duì)地絕緣。

3 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作分析

根據(jù)起勵(lì)過(guò)程中的直流絕緣監(jiān)測(cè)回路和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)回路，分析和推導(dǎo)DB燃機(jī)注入方波電源轉(zhuǎn)子接地保護(hù)、ZH燃機(jī)乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在直流起勵(lì)過(guò)程中的轉(zhuǎn)子接地電阻計(jì)算情況。

3.1 注入式轉(zhuǎn)子接地報(bào)警分析

由于轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和直流絕緣監(jiān)測(cè)設(shè)備相互測(cè)量對(duì)方的對(duì)地絕緣，結(jié)合圖2和注入方波電源轉(zhuǎn)子接地保護(hù)回路，可得到起勵(lì)過(guò)程中二者的電路接線示意圖如圖3所示。圖中，Us為注入方波電源；Rc為耦合電阻；Rt為測(cè)量電阻；其他符號(hào)含義與圖2相同。考慮起勵(lì)電阻Rn阻值很?。ìF(xiàn)場(chǎng)阻值為十幾歐姆），忽略其對(duì)電氣回路的影響。

圖3 直流起勵(lì)絕緣監(jiān)視回路和注入方波電源轉(zhuǎn)子接地保護(hù)回路連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of DC excitation insulation monitoring circuit connecting with rotor grounding protection circuit

由圖3畫(huà)出相應(yīng)等效電路圖，如圖4所示，圖中，Ur為轉(zhuǎn)子電壓。

圖4 注入方波電源轉(zhuǎn)子接地保護(hù)回路等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit of voltage-injection-type rotor grounding protection circuit

根據(jù)注入方波電源轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理，方波電源有2種狀態(tài)：

a.方波電源為正值時(shí)，對(duì)應(yīng)電氣量為 i1、i2、i3、i4、i、ir和 Us；

b.方波電源為負(fù)值時(shí)，同理也可標(biāo)注對(duì)應(yīng)的電氣量為 i′1、i′2、i′3、i′4、i′、i′r和 -Us。

以下均采用采樣值的穩(wěn)態(tài)量進(jìn)行計(jì)算。

當(dāng)方波電源為正值時(shí)，列網(wǎng)孔KVL方程和節(jié)點(diǎn)KCL方程，可推得泄漏電流為：

當(dāng)方波電源為負(fù)值時(shí)，同理也可推得泄漏電流如式（2）所示。

轉(zhuǎn)子接地過(guò)渡電阻公式[11]為：

將式（1）、（2）代入式（3）可計(jì)算出接地電阻值如式（4）所示。

3.2 乒乓式轉(zhuǎn)子接地動(dòng)作分析

與圖4相類似，畫(huà)出乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和絕緣監(jiān)視回路等效電路圖，如圖5所示。圖中，Ur為轉(zhuǎn)子電壓（初勵(lì)時(shí)的直流電壓）；R為轉(zhuǎn)子回路切換電阻；S1和S2為電子開(kāi)關(guān)；其他符號(hào)的含義與圖2中相同。

圖5 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和絕緣監(jiān)視回路等效連接電路圖Fig.5 Equivalent circuit of ping-pong-type rotor grounding protection connecting with DC insulation monitoring system

乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理的電子開(kāi)關(guān)有以下2種狀態(tài)：

① S1合，S2開(kāi)，對(duì)應(yīng)該狀態(tài)的電氣量為 i1、i2、i3、i4、ir和 Ur；

②S1開(kāi)，S2合，同理也可標(biāo)注對(duì)應(yīng)的電氣量為i′1、i′2、i′3、i′4、i′r和 U′r。

根據(jù)電子開(kāi)關(guān)不同狀態(tài)，列出網(wǎng)孔KVL方程和節(jié)點(diǎn)KCL方程，求得狀態(tài)①下的電流i2和狀態(tài)②下的電流 i′2：

假設(shè)電子開(kāi)關(guān)切換的2種狀態(tài)下轉(zhuǎn)子電壓不變，可求得電流：

轉(zhuǎn)子接地過(guò)渡電阻公式[11]如下：

將式（5）—（7）代入式（8），求得轉(zhuǎn)子接地電阻如式（9）所示。

3.3 案例分析結(jié)論

根據(jù)上文的分析可見(jiàn)，機(jī)組在直流起勵(lì)過(guò)程中，注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)計(jì)算的接地電阻阻值與直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平衡電阻和大功率接地電阻大小相關(guān)。由式（4）、（9）所示的接地電阻計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)平衡電阻Rs和大功率接地電阻Rm不足夠大，同時(shí)轉(zhuǎn)子接地電阻值整定得偏靈敏時(shí)，就可能使得實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)子接地阻值小于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警定值或者動(dòng)作定值，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警或跳閘。

4 本故障案例的解決方案

為了防止以上情況的發(fā)生，可以采取以下幾種解決方案。

a.將起勵(lì)接觸器的輔助接點(diǎn)接入轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置。當(dāng)起勵(lì)接觸器觸點(diǎn)閉合時(shí)，由軟件自動(dòng)退出轉(zhuǎn)子接地保護(hù)功能，此時(shí)直流起勵(lì)絕緣監(jiān)視回路也可兼顧檢測(cè)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地絕緣情況；當(dāng)起勵(lì)過(guò)程結(jié)束、接觸器的觸點(diǎn)分開(kāi)后，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)功能又自動(dòng)投入。

b.由于起勵(lì)回路只要10s左右的工作時(shí)間，也可考慮適當(dāng)加長(zhǎng)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的延時(shí)定值，將轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的延時(shí)整定為大于10s，躲過(guò)起勵(lì)過(guò)程。文獻(xiàn)[16]建議轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)延時(shí)取5～10s，由于轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障對(duì)發(fā)電機(jī)并沒(méi)有直接的嚴(yán)重影響，適當(dāng)延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)是可以接受的。

c.將起勵(lì)接觸器的輔助接點(diǎn)串入轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的大軸輸入回路。采用常閉接點(diǎn)，當(dāng)起勵(lì)接觸器的觸點(diǎn)閉合時(shí)，其常閉輔助接點(diǎn)打開(kāi)，使得轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的大軸輸入回路處于打開(kāi)狀態(tài)，即相當(dāng)于取消了轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的接地點(diǎn)，退出了轉(zhuǎn)子接地保護(hù)功能；當(dāng)起勵(lì)過(guò)程結(jié)束后，起勵(lì)接觸器的觸點(diǎn)打開(kāi)，其常閉輔助接點(diǎn)閉合，自動(dòng)將轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的接地點(diǎn)投入，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)恢復(fù)正常工作。

d.采用交流起勵(lì)方式。由于交流起勵(lì)一般配置單相隔離變壓器，在隔離變壓器二次側(cè)無(wú)接地點(diǎn)，不會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警或動(dòng)作。

對(duì)于方案a，由于起勵(lì)接觸器輔助接點(diǎn)的重要性，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置應(yīng)做好對(duì)該接點(diǎn)的自檢，一旦判出異常應(yīng)及時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)；對(duì)于方案b則需要適當(dāng)加長(zhǎng)延時(shí)，這對(duì)于轉(zhuǎn)子接地而言是可以接受的；對(duì)于方案c，由于難以監(jiān)測(cè)接觸器輔助接點(diǎn)是否正常，可靠性要比方案a、b差；對(duì)于方案d，可在設(shè)計(jì)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)時(shí)考慮。

5 結(jié)論

本文對(duì)直流起勵(lì)過(guò)程中絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)影響的2起實(shí)際案例進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)對(duì)策，結(jié)論如下。

a.在機(jī)組初始起勵(lì)過(guò)程中，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)計(jì)算的轉(zhuǎn)子接地電阻阻值與直流絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的平衡電阻和大功率接地電阻均相關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)電阻值整定偏靈敏，同時(shí)直流絕緣監(jiān)測(cè)回路的接地電阻值不足夠大時(shí)，就可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報(bào)警或跳閘，應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行妥善處理。

b.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中建議在軟件上利用起勵(lì)接觸器輔助接點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起勵(lì)過(guò)程中轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的自動(dòng)退出。該方案已在現(xiàn)場(chǎng)得到應(yīng)用，有效解決了起勵(lì)過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的影響問(wèn)題。

本文僅以基于注入方波電源原理和乒乓式原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)為例進(jìn)行分析，對(duì)其他原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)分析方法類似。