一起主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障的處理與原因分析

王春民

(廣州珠江電廠，廣州　51000)

一起主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障的處理與原因分析

王春民

(廣州珠江電廠，廣州51000)

摘要：介紹了外加電源注入式轉(zhuǎn)子接地裝置RCS-985RE的保護(hù)原理以及轉(zhuǎn)子接地產(chǎn)生的相關(guān)危害，結(jié)合一套三機(jī)他勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)的主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障實(shí)例，提出了故障處理相應(yīng)步驟，并分析了故障發(fā)生的原因。同時(shí)指出，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置在特定運(yùn)行方式下不能檢測有關(guān)系統(tǒng)故障，并給出了合理的輔助測量判斷手段。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地；主勵(lì)磁機(jī)；可控硅；RCS-985RE

圖1　三機(jī)他勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)圖

1系統(tǒng)概況

廣東某電廠4×300 MW機(jī)組汽輪機(jī)為哈爾濱汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的單機(jī)容量300 MW的水氫氫冷卻發(fā)電機(jī)機(jī)組。勵(lì)磁系統(tǒng)為三機(jī)靜止硅整流他勵(lì)勵(lì)磁系統(tǒng)[1-3]，主勵(lì)包括南京某公司生產(chǎn)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器SAVR2000和2個(gè)并列運(yùn)行的上下可控硅整流橋FLZ500[4]。備勵(lì)包括感應(yīng)調(diào)壓器、隔離變壓器和二極管整流裝置。主勵(lì)或備勵(lì)輸出接主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組，主勵(lì)磁機(jī)輸出經(jīng)3個(gè)并列運(yùn)行的大功率二極管整流橋FLG2200FLG后接入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組。勵(lì)磁系統(tǒng)如圖1所示，主勵(lì)磁機(jī)配置南京某公司生產(chǎn)的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置RCS-985RE。

2轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

現(xiàn)在轉(zhuǎn)子接地保護(hù)一般采用乒乓式切換采樣或者外加電源注入方式實(shí)現(xiàn)，而轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置RCS-985RE采用的是外加電源注入方式。主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)兩端與大軸之間注入一個(gè)由RCS-985RE保護(hù)裝置自產(chǎn)的48 V電壓，通過裝置內(nèi)部電子開關(guān)定時(shí)切換，使外加電源模塊輸出偏移方波電壓，實(shí)時(shí)求解轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地電阻，保護(hù)反映發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對大軸絕緣電阻的下降。雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的工作電路如圖2所示[5]。

圖2　雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

圖2中：Rx為測量回路電阻；Ry為注入大功率電阻；Us為注入電源模塊；Rg為轉(zhuǎn)子繞組對大軸的絕緣電阻，主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組正負(fù)極對大軸電壓分別為U2和U1。其原理是：通過周期切換改變注入電源Us的幅值Us1和Us2，分別測得通過Rx的泄漏電流ix1和ix2，計(jì)算出轉(zhuǎn)子繞組對大軸的絕緣電阻Rg。

狀態(tài)1：當(dāng)注入電源Us為低電平Us1時(shí)，根據(jù)戴維南定理有

圖3　主勵(lì)磁機(jī)三相全控整流電路原理

(1)

狀態(tài)2:當(dāng)注入電源Us為高電平Us2時(shí)，同理有

(2)

另外，在一定有功、無功情況下，主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子電壓Ur可以測量出來

(3)

聯(lián)立式(1)～(3)求解可得Rg，U1，U2。該廠主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置RCS-985RE設(shè)置有一點(diǎn)接地靈敏段和普通段發(fā)信，定值均是15 kΩ，延時(shí)1 s；1點(diǎn)接地和2點(diǎn)接地跳閘出口壓板均未投。

3轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的危害

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電壓(直流電壓)有幾百伏，勵(lì)磁回路對地電壓約為勵(lì)磁電壓的一半，轉(zhuǎn)子繞組及勵(lì)磁系統(tǒng)對地是絕緣的。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組或勵(lì)磁回路發(fā)生1點(diǎn)接地時(shí)，不會(huì)構(gòu)成對發(fā)電機(jī)的危害。但轉(zhuǎn)子發(fā)生1點(diǎn)接地后更容易發(fā)生2點(diǎn)接地，因?yàn)榘l(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地后勵(lì)磁回路對地電壓將有所升高。例如，當(dāng)勵(lì)磁回路的一端發(fā)生金屬性接地故障時(shí)，另一端對地電壓將升高為全部勵(lì)磁電壓值，即比正常電壓值高出1倍。在這種情況下運(yùn)行，當(dāng)切斷勵(lì)磁回路中的開關(guān)或一次回路的主斷路器時(shí)，將在勵(lì)磁回路中產(chǎn)生暫態(tài)過電壓，此電壓可能將勵(lì)磁回路中其他絕緣薄弱的地方擊穿，從而導(dǎo)致第2點(diǎn)接地。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)不同位置的兩點(diǎn)接地或匝間短路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的短路電流，可能會(huì)燒傷轉(zhuǎn)子本體；另外，由于部分轉(zhuǎn)子被短路，使氣隙磁場不均勻或發(fā)生畸變，從而使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)所受的電磁轉(zhuǎn)矩不均勻并造成發(fā)電機(jī)振動(dòng)，不得不減少負(fù)荷甚至損壞發(fā)電機(jī)。當(dāng)發(fā)生更嚴(yán)重的2點(diǎn)接地時(shí)，會(huì)因發(fā)電機(jī)欠勵(lì)、失磁保護(hù)動(dòng)作而引起機(jī)組解列。因此，發(fā)電機(jī)和主勵(lì)磁必須配備靈敏性、可靠性更高的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，當(dāng)發(fā)生接地時(shí)必須立即處理以消除和隔離故障，有時(shí)為了防止故障惡化不得不停機(jī)。

4轉(zhuǎn)子接地故障分析及處理

4.1故障出現(xiàn)時(shí)的運(yùn)行方式及現(xiàn)象

2009-05-23 T 17:34，該廠#2機(jī)組有功負(fù)荷210 MW，無功負(fù)荷32 MV·A，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓/電流175 V/1 486 A，主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓/電流21 V/126 A，其他參數(shù)正常。主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置RCS-985RE發(fā)出轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警，運(yùn)行人員查看RCS-985RE保護(hù)裝置面板，顯示主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接地點(diǎn)在0%與100%兩點(diǎn)切換，且接地電阻為0 kΩ，轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地偏移量為87%。運(yùn)行人員立即參看主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓、電流，均穩(wěn)定無波動(dòng)，同時(shí)用萬用表測得主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組正負(fù)極對地電壓±11 V左右，主勵(lì)磁機(jī)振動(dòng)、軸承溫度都正常。

4.2故障的處理

出現(xiàn)故障后，運(yùn)行和檢修人員根據(jù)圖1進(jìn)行了如下處理。

(1)檢修人員立即對發(fā)電機(jī)汽側(cè)大軸接地碳刷、滑環(huán)和主勵(lì)磁機(jī)碳刷、滑環(huán)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)各碳刷接觸良好，滑環(huán)表面清潔、無劃痕和碳粉積存現(xiàn)象，同時(shí)人工吹掃相應(yīng)部位，故障還是未消失。

(2)運(yùn)行人員分別退出上下可控硅整流橋FLZ500，并拉開相應(yīng)整流橋的交直流側(cè)刀閘DK1(DK2)和DK3(DK4),故障現(xiàn)象依然沒有消除。

(3)運(yùn)行人員進(jìn)行主勵(lì)轉(zhuǎn)備勵(lì)后，退出上下可控硅整流橋，RCS-985RE保護(hù)轉(zhuǎn)子故障現(xiàn)象消失。

(4)檢修人員通過測量副勵(lì)磁機(jī)定子繞組三相對地電壓，發(fā)現(xiàn)A相電壓為0 V，B相、C相電壓升高到186 V，確定副勵(lì)磁機(jī)定子繞組A相金屬性接地，經(jīng)過仔細(xì)查找發(fā)現(xiàn)副勵(lì)磁機(jī)定子電壓引入到主勵(lì)交流側(cè)開關(guān)41E靜觸頭的A相電纜絕緣皮破損，與勵(lì)磁柜外殼接觸(如圖3所示接地點(diǎn))，電纜經(jīng)過包扎后，將備勵(lì)轉(zhuǎn)為主勵(lì)供，主勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行正常，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置RCS-985RE再未發(fā)生轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警現(xiàn)象。

4.3原因分析

(1)副勵(lì)磁機(jī)定子繞組A相接地引起主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置RCS-985RE發(fā)出轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警的原因，結(jié)合圖3進(jìn)行如下分析。

三相全控整流橋的可控硅控制角60°<α<90°時(shí)的交流側(cè)相電壓波形和整流直流輸出波形如圖4所示。

圖4　控制角60°<α<90°時(shí)的波形

根據(jù)帶阻感性負(fù)載的三相全控整流橋原理，同時(shí)結(jié)合圖4可得[6]

(4)

式中：Ud為主勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電壓即主勵(lì)電壓；Uf為可控硅管壓降，一般為0.8～1.0 V，U為副勵(lì)磁機(jī)定子線電壓(186 V)，α為可控硅控制角?？梢姡寒?dāng)α<90°，三相可控橋工作在整流狀態(tài)，將交流轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷?；?dāng)α>90°，三相可控橋工作在逆變狀態(tài)。

由表1可以看出，在時(shí)段3和時(shí)段4時(shí)，VT12(VT22)導(dǎo)通，將主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組負(fù)極通過可控硅VT12(VT22)接地；同理，在時(shí)段1和時(shí)段6時(shí)，VT15(VT25)導(dǎo)通，將主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組正極通過可控硅VT15(VT25)接地；同時(shí)，當(dāng)相應(yīng)可控硅導(dǎo)通時(shí)，可控硅自身電阻很小，所以主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置RCS-985RE會(huì)出現(xiàn)接地位置在0%和100%兩點(diǎn)切換，且接地電阻為0 kΩ。同時(shí)也說明，退出單個(gè)可控硅整流橋，故障點(diǎn)還是未有效隔離，保護(hù)裝置依然報(bào)警。

表1　可控硅導(dǎo)通時(shí)序

(2)主勵(lì)切換至備勵(lì)后，主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置RCS-985RE轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地報(bào)警消失的原因。由于正常運(yùn)行時(shí)副勵(lì)磁機(jī)定子繞組至主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組中間沒有一點(diǎn)接地，雖然副勵(lì)磁機(jī)定子線電壓186 V與平時(shí)接觸到的6 KV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)一樣。雖然副勵(lì)磁機(jī)定子繞組單相接地時(shí)，如圖1中定子電壓經(jīng)過感應(yīng)調(diào)壓變壓器變、隔離變壓器變輸出到備勵(lì)二極管整流橋的三相電壓還是對稱的，也就是說感應(yīng)調(diào)壓變壓器、隔離變壓器調(diào)壓變、隔離變能夠完全隔離一次側(cè)的單相接地故障，二次側(cè)三相電壓仍然是對稱的，所以主勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置RCS-985RE檢測不出接地。因此，在機(jī)組運(yùn)行過程中，當(dāng)主勵(lì)因故障退出運(yùn)行、主勵(lì)磁機(jī)由備勵(lì)提供勵(lì)磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置不能監(jiān)測隔離變一次側(cè)(包含)前所有系統(tǒng)的單相接地，需要運(yùn)行人員定期用萬用表去檢測相關(guān)系統(tǒng)三相對地電壓是否平衡。

5結(jié)束語

轉(zhuǎn)子接地故障在大型發(fā)電廠時(shí)有發(fā)生，為了維護(hù)發(fā)電機(jī)以及主勵(lì)磁的安全、可靠運(yùn)行，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，需要盡快消除故障和隔離故障，以及確定具體的故障點(diǎn)。廣大電氣運(yùn)行人員和繼保人員首先必須熟悉轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置原理，掌握轉(zhuǎn)子接地故障時(shí)參數(shù)特征變化，借助一些儀表輔助測量相關(guān)系統(tǒng)的參數(shù)變化，同時(shí)根據(jù)現(xiàn)場保護(hù)故障信號(hào)及保護(hù)動(dòng)作情況確定故障的范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[2]陸繼明,毛承雄,范澍，等.同步發(fā)電機(jī)微機(jī)勵(lì)磁控制[M].北京:中國電力出版社,2005.

[3]周求寬, 廖勇, 姚駿.雙PWM變換器勵(lì)磁的交流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2007, 31(6): 77-81.

[4]陳居現(xiàn),楊國理.SAVR-2000靜態(tài)勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的V/F限制改進(jìn)與研究[J].南陽理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(10):16-18.

[5]南京南瑞電氣控制公司.RCS-985RE注入式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置技術(shù)和使用說明書[Z].南京：南京南瑞電氣控制公司，2008.

[6]趙可斌，陳國雄.電力電子變流技術(shù)[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，1993.

(本文責(zé)編：白銀雷)

收稿日期:2016-01-15；修回日期:2016-03-28

中圖分類號(hào)：TM 862

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1951(2016)04-0022-03

作者簡介：

王春民(1981—)，男，湖北黃岡人，助理工程師，從事發(fā)電廠集控運(yùn)行方面的工作(E-mail:zdxiaoxunjian2011@163.com)。