發(fā)電機(jī)注入式轉(zhuǎn)子一點接地故障分析

呂國濤*，楊浩，尹永利，黃聞韜

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發(fā)電機(jī)注入式轉(zhuǎn)子一點接地故障分析

呂國濤*，楊浩，尹永利，黃聞韜

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，615000）

轉(zhuǎn)子接地保護(hù)是水輪機(jī)組繼電保護(hù)的重要組成部分，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的正常運行對機(jī)組穩(wěn)定運行起著非常重要的作用。本文分析了雙端注入式原理測量轉(zhuǎn)子絕緣電阻時，影響轉(zhuǎn)子絕緣降低的可能性原因，對轉(zhuǎn)子絕緣降低故障查找具有一定的參考指導(dǎo)意義。

轉(zhuǎn)子絕緣降低；注入式；一點接地；雙端注入

引言

對于水輪發(fā)電機(jī)組而言，當(dāng)勵磁繞組及其相連的直流回路發(fā)生一點接地故障時，由于沒有形成短路回路，接地點并沒有故障電流，所以并不會產(chǎn)生嚴(yán)重的后果。但是如果繼發(fā)第二點接地故障時，部分轉(zhuǎn)子繞組被短接，接地點流過的故障電流將燒傷轉(zhuǎn)子本體。部分勵磁繞組被短接以后氣隙磁場發(fā)生的畸變會造成轉(zhuǎn)子振動的加劇；此外兩點接地后還可能發(fā)生軸系磁化。這些都將嚴(yán)重威脅水輪發(fā)電機(jī)組的安全。

目前水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理主要以國內(nèi)的方波注入和國外的交流注入為主，國內(nèi)大型機(jī)組轉(zhuǎn)子接地保護(hù)以南瑞推出的985RE轉(zhuǎn)子接地保護(hù)為代表。本文主要分析轉(zhuǎn)子一次側(cè)回路不同位置故障時對注入式985RE裝置測量的影響。[1]

某600MW水力發(fā)電機(jī)機(jī)組轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)采用雙重化配置：一套南瑞RCS-985RE注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)、一套RCS-985RS乒乓式轉(zhuǎn)子保護(hù),同時配置一套WL2C-S 轉(zhuǎn)子絕緣監(jiān)測定位裝置。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣在線監(jiān)測和接地定位裝置通過切換把手進(jìn)行方式切換，正常運行時，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)投注入式，采用雙端注入方式。該水輪發(fā)電機(jī)組采用自并勵數(shù)字式靜止可控硅系統(tǒng)進(jìn)行勵磁，因此實際測量中RCS-985RE裝置所測絕緣電阻回路包括整個轉(zhuǎn)子、勵磁系統(tǒng)交直流側(cè)回路。影響轉(zhuǎn)子絕緣電阻的因素可能有：勵磁系統(tǒng)交流側(cè)絕緣降低、轉(zhuǎn)子一次回路絕緣下降、大軸接地碳刷接觸不良、測量回路元件故障等因素。

1 雙端注入轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)

1.1 雙端注入原理

985RE保護(hù)選擇從轉(zhuǎn)子正負(fù)兩極與大軸之間注入，其等效回路如圖1。

注：Rg為轉(zhuǎn)子絕緣電阻、Us為方波注入源、Rm為裝置測量電阻、Ry為耦合電阻

根據(jù)圖1，通過回路電流法計算，得到接地電阻計算公式為：

接地位置計算公式為：

裝置采用近似計算，假設(shè)方波電源正、負(fù)兩種狀態(tài)下轉(zhuǎn)子電壓不變，不考慮接觸電阻時的接地電阻。其中Rm為裝置測量電阻，經(jīng)咨詢廠家為700Ω，i’和i為裝置顯示泄露電流，Ry為47kΩ，2Us為注入方波正負(fù)差，正為46V,負(fù)為0V。

1.2 雙端注入原理的特點

從式1推論計算可知：轉(zhuǎn)子絕緣電阻測量計算結(jié)果不受轉(zhuǎn)子電壓的影響，即在發(fā)電機(jī)沒有啟勵時仍然可以監(jiān)視轉(zhuǎn)子回路的絕緣水平。根據(jù)式2可知：在測量接地位置時，當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電壓不為零時，可以準(zhǔn)確測量出接地位置，保護(hù)范圍為整個轉(zhuǎn)子回路與整流橋交流側(cè)。當(dāng)轉(zhuǎn)子勵磁電壓為零時，無法進(jìn)行接地位置的準(zhǔn)確測量。

2 勵磁系統(tǒng)交流側(cè)絕緣降低

由于注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在機(jī)組未加勵磁時也能對絕緣電阻值進(jìn)行測量，此時測量結(jié)果為直流側(cè)回路絕緣電阻，因此若僅勵磁系統(tǒng)交流側(cè)發(fā)生接地，則在機(jī)組未加勵磁電壓時裝置測量結(jié)果應(yīng)為絕緣電阻值合格。在機(jī)組啟勵之后，裝置測量對象包含勵磁系統(tǒng)交流側(cè)，此時若僅勵磁系統(tǒng)交流側(cè)發(fā)生接地，則測得絕緣電阻會降低。由于交流側(cè)接地對接地位置α的測量不會產(chǎn)生影響，因此此時的實測接地位置應(yīng)為50%附近跳變。

若僅勵磁系統(tǒng)交流側(cè)接地，則通過對比機(jī)組啟勵前后裝置測得的接地電阻值即可準(zhǔn)確進(jìn)行判斷，并且確認(rèn)勵磁系統(tǒng)交流側(cè)是否有接地現(xiàn)象。

3 轉(zhuǎn)子一次側(cè)回路絕緣下降影響因素

由于轉(zhuǎn)子磁極線圈絕緣破損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線棒與轉(zhuǎn)子支架間絕緣降低，裝置實際測量轉(zhuǎn)子絕緣電阻值降低，導(dǎo)致機(jī)組轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)動作。分析轉(zhuǎn)子一次側(cè)回路，可能引起一次側(cè)絕緣降低的情況有一下幾種：

3.1 滑環(huán)室碳粉堆積

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子為轉(zhuǎn)動部件，該部件與勵磁系統(tǒng)直流側(cè)連接采用碳刷進(jìn)行連接，碳刷一側(cè)連接勵磁電纜，一側(cè)接觸轉(zhuǎn)子滑環(huán)，將勵磁電壓加壓至轉(zhuǎn)子兩端。碳刷在實際機(jī)組運行過程中會磨損，產(chǎn)生大量的碳粉，通過在滑環(huán)室安裝碳粉收集裝置收集碳刷粉塵。機(jī)組實際運行中發(fā)現(xiàn)長時間運行后，在轉(zhuǎn)子中心體內(nèi)和滑環(huán)支撐柱上均存在大量的碳粉堆積，對這兩個部位的碳粉進(jìn)行清掃后，勵磁引線對地絕緣上升顯著。由此判斷，碳粉收集裝置收集效率偏低引起碳粉在中心體和滑環(huán)支撐上堆積，也會導(dǎo)致勵磁引線絕緣偏低。

3.2 空冷器刺水至轉(zhuǎn)子線圈

水輪發(fā)電機(jī)組采用雙路密閉自循環(huán)端部回風(fēng)的空氣冷卻方式，設(shè)置空氣冷卻器，均勻地布置在定子外緣，由機(jī)變技術(shù)供水進(jìn)行冷卻。由于空冷器存在漏水的風(fēng)險，因此若空冷器刺水，噴至發(fā)電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子上也可能引起轉(zhuǎn)子線圈絕緣降低。

3.3 轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在金屬異物

由于轉(zhuǎn)子為高速轉(zhuǎn)動部件，因此實際運行中需將轉(zhuǎn)子內(nèi)部相關(guān)部件上的銘牌進(jìn)行拆除。若轉(zhuǎn)子內(nèi)部遺留金屬部件或金屬銘牌，隨轉(zhuǎn)子運行過程中掉落導(dǎo)致轉(zhuǎn)子內(nèi)部短路，同樣會導(dǎo)致轉(zhuǎn)子絕緣下降，機(jī)組跳閘停機(jī)。

4 大軸接地碳刷接觸不良[2]

大軸接地碳刷接觸不良時，裝置實際測量回路發(fā)生改變，即大軸與碳刷之間存在變化電阻Rz，該電阻的存在會導(dǎo)致絕緣電阻Rg測量結(jié)果發(fā)生變化。因此研究大軸接地碳刷接觸不良時測量結(jié)果與實際值之間的關(guān)系具有現(xiàn)實意義。

圖2 大軸接地碳刷接觸不良時測量電路原理圖

方式一：假設(shè)第一個狀態(tài)下大軸的接觸電阻為Rz，第二個狀態(tài)時接觸電阻為0.則可以得到如下方程組：

由此得到接地電阻為：

由以上公式可知，ΔRg的正負(fù)與接地電阻、接觸電阻、轉(zhuǎn)子電壓、接地位置均有關(guān)。ΔRg正負(fù)的主要影響因素是接地位置α。

方式二：假設(shè)第一個狀態(tài)下大軸的接觸電阻為0，第二個狀態(tài)時接觸電阻為Rz。同理分析可得：

同樣，ΔRg的正負(fù)與接地電阻、接觸電阻、轉(zhuǎn)子電壓、接地位置均有關(guān)。ΔRg正負(fù)的主要影響因素是接地位置α。

大軸接地碳刷接觸不時，以上兩種方式下，無論哪種方式，通過ΔRg對α進(jìn)行求導(dǎo)，均可知ΔRg為關(guān)于α的減函數(shù)。因此故障位置α越靠近負(fù)端，Rg計算值越小，保護(hù)越容易動作。由于ΔRg表達(dá)式中有數(shù)值不確定因素，因此對于方式一有：

同理以上求解過程，對方式二時ΔRg與α關(guān)系進(jìn)行求解，同樣可得：第一個狀態(tài)大軸碳刷接觸電阻為0，第二個狀態(tài)為Rz 時的結(jié)論。在Rg 變化隨α變化趨勢上，二者相同。由于以上分析均為估算，因此，實際Rg 變化隨α變化趨勢上，α范圍可能會更廣。

實際上大軸接地碳刷接觸不良的情況時有發(fā)生，大軸碳刷振動、碳刷污染或大軸至轉(zhuǎn)子接地保護(hù)柜信號回路斷線均會導(dǎo)致絕緣電阻測量結(jié)果出現(xiàn)偏差，因此針對這種情況應(yīng)重視大軸碳刷的運行狀態(tài)，提前消除隱患。

5 結(jié)束語

本文對可能引起水輪機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣電阻降低的情況進(jìn)行了分析，通過以上分析可知，引起轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)動作的原因有：勵磁系統(tǒng)交流側(cè)絕緣降低、滑環(huán)室碳粉堆積、空冷器刺水、轉(zhuǎn)子內(nèi)部存在金屬異物、大軸接地碳刷接觸不良等主要原因。通過不同部位故障時的故障現(xiàn)象，可以推知相應(yīng)的故障部位，對實際故障查找具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 裴麗秋. 一起南瑞RCS-985RE注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)報警分析[J]. 中國高新技術(shù)企業(yè), 2017, (11):21-22.

[2] 鮮霄. 985RE轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在大型機(jī)組中的應(yīng)用[J]. 浙江電力, 2014, (3): 54-57.

[3] 羅紅俊, 吳禮貴. 注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在三峽電廠的應(yīng)用與改進(jìn)[J]. 水電站機(jī)電技術(shù), 2016, 39(3): 68-71.

[4] 王翠翠, 易亞文, 朱遲銳. 大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)應(yīng)用研究[J]. 水電站機(jī)電技術(shù), 2012, 35(5): 87-89.

[5] 許麗娜, 張波濤. 注入式轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)原理[J]. 云南電力技術(shù), 2010, 38(3):67-69.

Analysis of One Point Grounding Fault of Generator Injected Rotor

LV Guotao*, YANG Hao, YIN Yongli, HUANG Wentao

(the Yalong River Hydropower Development Co., Ltd. Sichuan Chengdu, 615000, China)

rotor ground protection is an important part of relay protection of hydraulic turbine unit. The normal operation of the rotor grounding protection device plays a very important role in the stable operation of the unit. This paper analyzes the reason of the influence of the rotor insulation resistance when measuring the rotor insulation resistance, and it has certain reference significance for the rotor insulation reduction and fault finding.

rotor insulation reduction, injection type, one point grounding, double ended injection

呂國濤, 楊浩, 尹永利, 等. 發(fā)電機(jī)注入式轉(zhuǎn)子一點接地故障分析[J]. 數(shù)碼設(shè)計, 2017, 6(5): 90-91.

LV Guotao, YANG Hao, YIN Yongli, et al. Analysis of One Point Grounding Fault of Generator Injected Rotor[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 90-91.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.037

TM621.3

B

1672-9129(2017)05-0090-02

2017-01-20；

2017-03-01。

呂國濤(1993-)，男，四川成都，助理工程師，水電站運行維護(hù)。E-mail: guotao_chillax@126.com