發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障案例分析及對(duì)比探討

沈曉暉，魏彥勛

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障案例分析及對(duì)比探討

沈曉暉，魏彥勛

(中核核電運(yùn)行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

作為發(fā)電機(jī)常見(jiàn)故障之一的轉(zhuǎn)子接地故障嚴(yán)重影響機(jī)組和系統(tǒng)的安全。勵(lì)磁系統(tǒng)中的接地探測(cè)器可自動(dòng)對(duì)勵(lì)磁機(jī)和主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組接地與否進(jìn)行定期檢查，并根據(jù)接地探測(cè)結(jié)果作出相應(yīng)的報(bào)警動(dòng)作。針對(duì)A核電廠2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)故障導(dǎo)致停機(jī)停堆事件，對(duì)B核電廠1，2號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作行為進(jìn)行分析，并與A核電廠的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)進(jìn)行對(duì)比研究。結(jié)果表明，B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)具有較合理的配置，能夠有效避免類似事件的發(fā)生。

發(fā)電機(jī)；勵(lì)磁系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子接地；接地探測(cè)器

0 引言

在現(xiàn)代電力工業(yè)中，同步發(fā)電機(jī)是一種最常用的交流發(fā)電機(jī)，廣泛用于核電廠、水電廠和火電廠等各類發(fā)電企業(yè)，其性能的好壞對(duì)電廠的安全穩(wěn)定生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，在高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力和電應(yīng)力的作用下，轉(zhuǎn)子繞組很容易因絕緣水平降低而發(fā)生接地故障，其中最常見(jiàn)的是轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地時(shí)，由于沒(méi)有形成閉合回路，機(jī)組可以繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間，對(duì)發(fā)電機(jī)不會(huì)造成直接的危害。但發(fā)生一點(diǎn)接地后，很容易引發(fā)轉(zhuǎn)子的第2點(diǎn)接地故障；當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障時(shí)，由于轉(zhuǎn)子繞組的一部分被短路，在故障點(diǎn)會(huì)流過(guò)相當(dāng)大的短路電流，燒損轉(zhuǎn)子本體，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起發(fā)電機(jī)劇烈振動(dòng)以及軸系和汽機(jī)的磁化，威脅發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。因此，為了確保發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行，有必要對(duì)大中型同步發(fā)電機(jī)裝設(shè)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置。

以下對(duì)A核電廠一起因轉(zhuǎn)子接地故障導(dǎo)致停機(jī)停堆的事件進(jìn)行分析，并與B核電廠1，2號(hào)機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作行為進(jìn)行對(duì)比，從而驗(yàn)證B廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的可靠性和應(yīng)用前景。

1 A核電廠2號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)子接地故障

1.1 事件經(jīng)過(guò)

2015-10-21T12:02，A核電廠2號(hào)機(jī)組因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地檢測(cè)系統(tǒng)故障，導(dǎo)致主控出現(xiàn)2GPA631KA發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地告警(一段，定值4 kΩ，告警)。檢修人員通過(guò)觀察孔發(fā)現(xiàn)碳刷臟污，確認(rèn)故障后迅速編制了檢修方案，在方案生效后檢修人員趕赴現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展相關(guān)工作。

15:25，工作組開(kāi)展工作，按檢修方案退出了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)出口壓板，隨后對(duì)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)送至控制器的跳閘信號(hào)接線進(jìn)行臨時(shí)解除。

15:45，通道1和通道2跳閘信號(hào)成功解除。但在解除通道3的跳閘信號(hào)時(shí)，2號(hào)機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)二段故障動(dòng)作，觸發(fā)勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘指令出口，導(dǎo)致汽輪發(fā)電機(jī)組跳閘。

16:05，因瞬態(tài)時(shí)3臺(tái)蒸汽發(fā)生器水位持續(xù)上漲，導(dǎo)致1號(hào)蒸汽發(fā)生器達(dá)到高高水位，且P7(功率大于10 %)信號(hào)存在，觸發(fā)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作，反應(yīng)堆自動(dòng)停堆。事件過(guò)程中，機(jī)組3道安全屏障保持完整，無(wú)放射性物質(zhì)對(duì)外釋放。

1.2 原因分析

A核電站2號(hào)機(jī)組所采用的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置采用疊加交流電壓式原理設(shè)計(jì)，其失效設(shè)備為AREVA制造的MX3IPG2A型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地檢測(cè)電刷，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地停機(jī)出口邏輯如圖1所示。通過(guò)對(duì)負(fù)極電刷注入40 V工頻交流電壓，測(cè)量回路電流，來(lái)計(jì)算接地電阻。當(dāng)215XZ繼電器測(cè)量電阻低于4 kΩ時(shí)，發(fā)轉(zhuǎn)子絕緣一段故障報(bào)警；低于2 kΩ時(shí)，經(jīng)發(fā)變組非電量保護(hù)柜發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地(二段)保護(hù)、勵(lì)磁系統(tǒng)故障觸發(fā)停機(jī)。

圖1 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地停機(jī)出口邏輯示意

從保護(hù)原理上分析，隨著碳刷接觸電阻的變化，實(shí)際測(cè)量電阻會(huì)有先減小再增大的過(guò)程，如圖2所示，這是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置觸發(fā)二段故障信號(hào)的原因。

從保護(hù)邏輯上分析，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作后會(huì)經(jīng)過(guò)2個(gè)獨(dú)立的壓板分別向系統(tǒng)發(fā)出動(dòng)作指令：一個(gè)是轉(zhuǎn)子接地保護(hù)直接跳閘指令；另一個(gè)是勵(lì)磁系統(tǒng)故障跳閘指令。無(wú)法有效屏蔽保護(hù)裝置的跳閘命令也是事件的間接原因之一。

1.3 故障處理

機(jī)組停機(jī)后，對(duì)2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地檢測(cè)電刷進(jìn)行檢查和試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)接地檢測(cè)電刷臟污、卡澀。由于電刷存在卡澀，電刷和滑環(huán)之間的接觸電阻影響了接地電阻測(cè)量計(jì)算的準(zhǔn)確性，致使保護(hù)裝置計(jì)算得到的接地電阻小于2 kΩ，導(dǎo)致2號(hào)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)二段誤動(dòng)，勵(lì)磁系統(tǒng)故障保護(hù)動(dòng)作，觸發(fā)停機(jī)指令。

再次，要將道德上有力量的人選用在中層管理崗位上。從一定程度上說(shuō)，道德的力量往往有著不可低估的作用，尤其是對(duì)知識(shí)分子“集結(jié)”的大學(xué)來(lái)說(shuō)。胡錦濤同志在紀(jì)念中國(guó)共產(chǎn)黨建黨90周年大會(huì)上的講話指出：“要堅(jiān)持把干部的德放在首要位置，選拔任用那些政治堅(jiān)定、有真才實(shí)學(xué)、實(shí)績(jī)突出、群眾公認(rèn)的干部，形成以德修身、以德服眾、以德領(lǐng)才、以德潤(rùn)才、德才兼?zhèn)涞挠萌藢?dǎo)向。”[7]

圖2 接觸電阻與接地電阻關(guān)系曲線

2 B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動(dòng)作行為分析

B核電廠1，2號(hào)機(jī)組勵(lì)磁方式采用三機(jī)同軸無(wú)刷勵(lì)磁，配備日本三菱公司生產(chǎn)的MEC5000系列AVR(automatic voltage regulator，自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器)。由于發(fā)電機(jī)勵(lì)磁為無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)，發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁機(jī)組裝有用來(lái)探測(cè)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路絕緣的碳刷和線圈。

接地探測(cè)回路由將交流轉(zhuǎn)換成直流100 V的整流回路、整定探測(cè)電阻的校正電阻和檢測(cè)電流是否超出設(shè)定值的繼電器組成。

碳刷的安裝位置主要有2種：一種是安裝在大軸和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組之間；另一種是安裝在大軸和勵(lì)磁機(jī)中性點(diǎn)之間。

2.1 轉(zhuǎn)子接地探測(cè)回路運(yùn)行原理

(1) 大軸和發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組(直流側(cè))的連接方式。圖3為一個(gè)典型勵(lì)磁接地探測(cè)回路，點(diǎn)A，B，C為3個(gè)可能的接地點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生磁場(chǎng)接地時(shí)，電流的流動(dòng)情況如圖4所示。電流大小取決于電源電壓和接地電阻，當(dāng)接地電阻小于定值(一般為20 kΩ)時(shí)，繼電器動(dòng)作，檢測(cè)到磁場(chǎng)接地(繼電器動(dòng)作設(shè)定值一般為5 mA)。

(2) 大軸和勵(lì)磁機(jī)中性點(diǎn)(交流側(cè))的連接方式。交流勵(lì)磁機(jī)中性點(diǎn)連接方式如圖5所示，點(diǎn)A，B，C，D為4個(gè)可能的接地點(diǎn)。當(dāng)發(fā)生磁場(chǎng)接地時(shí)，電流的流動(dòng)情況如圖6所示。

圖3 直流側(cè)（發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組）連接方式

圖4 相對(duì)于圖3的勵(lì)磁回路接地時(shí)的電流流動(dòng)情況

圖5 交流側(cè)(勵(lì)磁機(jī)中性點(diǎn))連接方式

在這種工況下，當(dāng)交流勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行過(guò)程中只有單一方向電流流過(guò)時(shí)，無(wú)法檢測(cè)到勵(lì)磁回路接地故障，因此，引入了轉(zhuǎn)換器9GD，以避免死區(qū)。

① 當(dāng)交流勵(lì)磁機(jī)電壓為0(即勵(lì)磁機(jī)非運(yùn)行狀態(tài))時(shí)，前述連接方式(1)中的描述同樣適用，無(wú)論A，B，C，D中的任一點(diǎn)發(fā)生接地故障，電流只取決于電源電壓和接地電阻。

② 當(dāng)交流勵(lì)磁機(jī)在運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對(duì)于點(diǎn)A，與上述不運(yùn)行情況相同；對(duì)于點(diǎn)B和C，勵(lì)磁機(jī)交流電壓疊加，但繼電器為直流驅(qū)動(dòng)型，因此交流電壓可忽略不計(jì)；對(duì)于點(diǎn)D，勵(lì)磁機(jī)輸出電壓疊加，由于接地故障單憑勵(lì)磁機(jī)輸出電壓無(wú)法探測(cè)到，故使用9GD改變極性，這樣在保證能夠準(zhǔn)確檢測(cè)的同時(shí)，還提高了探測(cè)的靈敏度。

采用這種連接方式的接地保護(hù)一般選用疊加直流電壓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)方式，其優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的工況不受發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的影響，從而在發(fā)電機(jī)停運(yùn)時(shí)也能正確地檢測(cè)轉(zhuǎn)子繞組及勵(lì)磁回路的對(duì)地絕緣。

圖6 相對(duì)于圖5的勵(lì)磁回路接地時(shí)的電流流動(dòng)情況

2.2 保護(hù)動(dòng)作分析

B核電廠采用的就是這種連接方式，選用疊加直流電壓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。由輔助滑環(huán)和安裝在勵(lì)磁機(jī)上的電磁線圈驅(qū)動(dòng)的刷子，提供一個(gè)有直流電源的外部電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)接地探測(cè)。正常工況下，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組或勵(lì)磁回路不接地，外加直流電壓不會(huì)產(chǎn)生電流；當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組或勵(lì)磁回路中發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，則外加直流電壓通過(guò)部分轉(zhuǎn)子繞組、接地電阻、發(fā)電機(jī)大軸構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。此電流與絕緣電阻成反比，所以根據(jù)電流的大小便可計(jì)算出接地電阻值。

B核電廠發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路接地探測(cè)部分有2個(gè)輔助滑環(huán)：一個(gè)接在勵(lì)磁機(jī)軸上;另一個(gè)接在勵(lì)磁機(jī)交流側(cè)中性點(diǎn)上。其探測(cè)回路由2個(gè)回路構(gòu)成：一是由100 V直流供電的，探測(cè)流過(guò)滑環(huán)電流的探測(cè)回路；二是自動(dòng)驅(qū)動(dòng)碳刷并改變其極性的自動(dòng)探測(cè)回路。

其中，自動(dòng)探測(cè)回路由3個(gè)計(jì)時(shí)器(64T，64T1，64T2)組成，其工作原理如圖7所示。64T每24 h做1個(gè)循環(huán)，每6 h開(kāi)啟1次，每次開(kāi)啟時(shí)間15 min。在每一個(gè)循環(huán)中，64T首先被激勵(lì)，滑環(huán)開(kāi)始工作，2個(gè)滑環(huán)之間感應(yīng)出電壓，測(cè)量開(kāi)始；同時(shí)探測(cè)回路接通，繼電器64E1根據(jù)探測(cè)到的電流自動(dòng)動(dòng)作。15 s后64T2被激勵(lì)(持續(xù)激勵(lì)15 s)，通過(guò)轉(zhuǎn)換器9GD改變滑環(huán)的極性；再過(guò)15 s后64T1被激勵(lì)，自動(dòng)測(cè)量結(jié)束。

圖7 計(jì)時(shí)器工作原理

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路接地監(jiān)測(cè)裝置有2個(gè)選擇開(kāi)關(guān)，分別為43-64-1和43-64-2。

① 43-64-1正常運(yùn)行時(shí)打到“AUTO”位置，探測(cè)回路由自動(dòng)測(cè)量回路控制，有規(guī)律地運(yùn)行。打到“measurement(+)”或“measurement(-)”位置時(shí)，手動(dòng)啟動(dòng)探測(cè)回路。

② 43-64-2正常運(yùn)行時(shí)在“NORMAL”位置。要校正繼電器整定值時(shí)，打到“TEST”位置，調(diào)節(jié)校正電阻即可。當(dāng)接地電阻小于定值時(shí)(一般為20 kΩ)，繼電器便動(dòng)作。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作僅發(fā)信號(hào)，而不動(dòng)作跳閘，但運(yùn)行人員應(yīng)根據(jù)規(guī)程進(jìn)行停機(jī)，以便維修人員進(jìn)行檢查和處理。

3 A，B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)對(duì)比探討

根據(jù)A核電廠2號(hào)機(jī)組因轉(zhuǎn)子接地故障導(dǎo)致的停機(jī)停堆事件，B廠進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)反饋，從各個(gè)層面對(duì)2個(gè)電廠的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)進(jìn)行了對(duì)比探討，具體內(nèi)容如表1所示。通過(guò)對(duì)比可以確認(rèn)，B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置較A核電廠更為合理，能夠有效避免類似事件的發(fā)生。

表1 A，B廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)A核電廠2號(hào)機(jī)組因轉(zhuǎn)子接地故障導(dǎo)致停堆停機(jī)事件進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。理論分析和對(duì)比探討結(jié)果表明，B核電廠采用的注入直流電源式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的探測(cè)方法不受發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的影響，可以在機(jī)組停運(yùn)、啟停機(jī)和正常運(yùn)行過(guò)程中對(duì)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地進(jìn)行可靠保護(hù)，且具有較高的精度和靈敏度，能夠很好地避免類似A核電廠故障事件的發(fā)生，具有良好的應(yīng)用前景。

1 王 佼．無(wú)刷勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2012.

2 朱 方，趙紅光，劉增煌，等．大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)對(duì)電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的影響[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27(1)：1-7.

3 馬艷濤，羅 軍．發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的分析與建議[J].電力安全技術(shù)，2015，17(6)：40-43.

2016-12-28；

2017-04-22。

沈曉暉(1989—)，女，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作，email：yuko1228@163.com。

魏彥勛(1986—)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。