UNS3020 型轉(zhuǎn)子接地保護裝置原理及維護措施

朱 鵬，張冰冰

（1.江蘇國信靖江發(fā)電有限公司，江蘇靖江 214500；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇宜興 214205）

0 引言

UNITROL 6000 勵磁系統(tǒng)利用可控硅整流橋電路，控制歷次電流，從而實現(xiàn)了對同步發(fā)電機機端電壓和無功功率的控制和調(diào)節(jié)。UNTITROL 6000 勵磁系統(tǒng)可大致分為以下幾個單元：勵磁變壓器單元，兩個相互獨立的勵磁調(diào)節(jié)器單元，可控硅整流橋單元，起勵單元和滅磁單元。另外，系統(tǒng)還配備了UNS3020帶有專門的轉(zhuǎn)子接地保護檢測裝置。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子式直流系統(tǒng)，通過滑環(huán)與外部直流電源連接，轉(zhuǎn)子繞組有絕緣保護，與轉(zhuǎn)子間沒有電的聯(lián)系。在發(fā)電機故障中，轉(zhuǎn)子接地故障最為常見。轉(zhuǎn)子接地可以分為一點接地和兩點接地：當(dāng)轉(zhuǎn)子一點接地時，不滿足形成閉合通路的條件，所以勵磁繞組參數(shù)并不會發(fā)生相應(yīng)的變化，危害較??；當(dāng)轉(zhuǎn)子兩點接地時，這時形成了閉合的回路，此時，故障點電流急劇增大，進而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子本體溫度較高甚至燃燒轉(zhuǎn)子本體，而由于勵磁繞組被短接使得氣隙磁通失去平衡引起振動，這些將會造成不可挽回的后果，嚴(yán)重威脅發(fā)電機的安全。所以針對發(fā)電機最常見的故障——轉(zhuǎn)子接地故障而言，裝配相關(guān)的保護裝置對于電機的安全穩(wěn)定運行極為重要。

1 UNS3020 型轉(zhuǎn)子接地保護裝置的工作原理

UNS3020 型轉(zhuǎn)子接地保護裝置具有兩級保護：一級時針對輕微的轉(zhuǎn)子一點接地情況，發(fā)出警示信號；另一級時針對轉(zhuǎn)子一點接地情況較為嚴(yán)重時發(fā)出跳閘指令。該裝置還具有自檢功能，用來檢測其所有的電子線路工作是否正常[2]。

UNS3020 型轉(zhuǎn)子接地保護裝置采用惠斯通電橋原理（圖1），利用變壓器T2 可以有效的將220 V/50 Hz 的交流電變?yōu)?0 V 的交流電，為橋電路提供了電源。分布電容CR 和C10、C11 以及軸電壓抑制器電容C04、C05（R04、R05 阻值很小可以忽略不計）構(gòu)成其中一條橋臂，與電容CX、電阻R1、電阻R2 一起構(gòu)成橋電路。橋不平衡電壓UAB經(jīng)隔離、濾波等轉(zhuǎn)換成與UAB成正比的電壓U+。

正常運行時橋臂平衡，UAB和U+均小于150 mV。而在發(fā)生轉(zhuǎn)子接地時，平衡被迅速打破，輸出電勢上升，產(chǎn)生不平衡電壓UAB，經(jīng)轉(zhuǎn)換后的U+大于報警設(shè)定值（Stage 1 Alarm）或跳閘設(shè)定值（Stage 2 Trip）。

圖1 接地檢測裝置原理

1.1 測量橋電路

保護輸入電路的端子X1：2 通過匹配電容C10 與C11 與勵磁線圈相連，端子X1：1 與碳刷聯(lián)在接地轉(zhuǎn)子的大軸上。輸入電路兩個部分構(gòu)成，一個部分是有兩個大電阻，另一個部分是相關(guān)電容和調(diào)整電容，UNS3020 保護裝置的R/C 測量橋電路主要是由3 個電容構(gòu)成，分別為自然電容CR、匹配電容C10 和C11。測量橋輔助電源的供電可以來由獨立的交流電源提供也可以來源于發(fā)電機出口PT 提供，基接線如圖2 所示。

1.2 動作跳閘

有接地故障發(fā)生時，由于故障漏電阻的分流作用，導(dǎo)致電橋平衡狀態(tài)被打破。整定值可通過設(shè)置漏電阻Rf的阻值和tA的值來設(shè)定，而動作值可以通過調(diào)節(jié)Rf1、Rf2、tA1、tA2這些參數(shù)的數(shù)值來設(shè)定。

1.3 裝置電源

保護的電源是根據(jù)額定輸入電壓設(shè)計的。直流及交流都連在雙端子X3：3/X3：4 和X3：1/X3：2 上。

圖2 接地檢測裝置接線

1.4 測量橋電源

測量橋裝設(shè)一個110 V±30%或220 V±30%交流電源，如用110 V 電源則可由發(fā)電機出口PT 供電，加在端子X2：14 及X2：15 上，這種供電方式只有當(dāng)發(fā)電機投入運行時保護才運作。它的優(yōu)點在于發(fā)電機投入勵磁時保護不必外加信號將裝置閉鎖。

2 UNS3020 轉(zhuǎn)子接地保護裝置安裝要求

首先，測量線路應(yīng)選用截面積不小于2.5 mm2的電纜。其次，用于連接匹配電容與保護裝置和勵磁繞組的電纜線路的絕緣標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)不低于3 kV?？梢灾苯訉⑥D(zhuǎn)子大軸接地碳刷與接地保護端子X1：1 相連，但必須保證碳刷與轉(zhuǎn)子繞組及大軸良好接觸。選用測量精度較高的電容測量儀器測量轉(zhuǎn)子繞組與大軸接地之間的自然電容，保證其測量精度可靠。選用與實際測量值最接近并且性能優(yōu)越的電容元件作為電路的匹配電容。無論時處于靜態(tài)還是動態(tài)，都需要將其電橋調(diào)試至平衡。針對碳刷以及固定碳刷的彈簧壓力大小，必須調(diào)整到一個合適的高度，讓其與轉(zhuǎn)子大軸有良好的接觸。必須保證測量橋供電電源電壓的可靠穩(wěn)定供電。因此對于UNS3020 的轉(zhuǎn)子接地保護裝置的安裝過程中，要注重以上所提，才有可能使測量橋的平衡達到最優(yōu)，也才能確保裝置安全可靠運行。

3 UNS3020 轉(zhuǎn)子接地保護裝置誤動原因

3.1 軸電壓對轉(zhuǎn)子接地保護的影響

軸電壓是旋轉(zhuǎn)機械的嚴(yán)重負(fù)擔(dān)，會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)機械遭到破壞，針對大型汽輪發(fā)電機，靜止勵磁系統(tǒng)的加入，相當(dāng)于在汽輪發(fā)電機中加入一個高頻諧波電壓源，給旋轉(zhuǎn)機械造成了嚴(yán)重的損壞，同時，由于發(fā)電機轉(zhuǎn)軸表面的旋轉(zhuǎn)速度較快，同過汽輪機端接地降低軸電壓這種傳統(tǒng)的方式已經(jīng)不能有效消除軸電壓。為了有效消除使用了精致勵磁系統(tǒng)汽輪機的軸電壓，可以搭建軸電壓吸收回路，就是在轉(zhuǎn)子繞組與大軸之間接入一個RC 回路，其中R 的電阻值很小，且根據(jù)軸電壓吸收回路中的電容匹配大小，此吸收電容對轉(zhuǎn)子接地檢測裝置性能的影響程度不同，電容值越大，轉(zhuǎn)子接地檢測裝置越易受影響誤動作[3]。

3.2 從保護裝置的回路分析誤動作的原因

首先，電容配置器以及電橋平衡，是否與該保護裝置達到最優(yōu)協(xié)調(diào)。通常情況下很難達到最有協(xié)調(diào)，所以即使在相關(guān)發(fā)電機組正常工作時，在U+端的電壓不可能為0，這樣導(dǎo)致誤動的可能性就增加了[2]。

機組是否能在平穩(wěn)的環(huán)境中運行，或者在運行過程中是否能平穩(wěn)也至關(guān)重要，機組外部物理環(huán)境的振動和機組自身的振動嚴(yán)重時可能會導(dǎo)致接地碳刷與大軸接觸不良，這會導(dǎo)致U+電壓提高，從而誤動作。

接地碳刷和大軸滑環(huán)作為轉(zhuǎn)子接地保護測量回路中至關(guān)重要的一部分，兩者的接觸是否良好，直接會影響到轉(zhuǎn)子接地保護回路的性能，接觸不良時就會造成誤動作。

為使轉(zhuǎn)子接地保護可靠動作，應(yīng)確保接地碳刷與轉(zhuǎn)子大軸之間接觸良好，清擦轉(zhuǎn)子大軸油污可以有效保證其接觸良好。

也可以采用增加電刷與大軸之間的壓力的方法，保證其良好的接觸。對接地碳刷與轉(zhuǎn)子大軸之間作用力的監(jiān)控和接觸電阻的監(jiān)視，也可有效保證其良好的接觸，減少誤動作。

4 轉(zhuǎn)子一點接地的現(xiàn)象及處理

4.1 現(xiàn)象

當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地時，由于不能構(gòu)成回路，所以無故障電流的產(chǎn)生，故障點也就沒有故障電流流過，因此勵磁系統(tǒng)能夠保持正常運行，不影響其他發(fā)電機組的運行，也不會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響。

針對無明顯故障現(xiàn)場產(chǎn)生的發(fā)電機一點接地故障。判斷故障的方法如下：通過檢查“轉(zhuǎn)子一點接地”報警裝置是否能夠成功復(fù)歸。如果能有效的復(fù)歸，可以判斷此時的故障為瞬時接地故障；如果不能成功復(fù)歸，那就要做進一步的排查：首先檢查轉(zhuǎn)子一點接地保護是否正常，如果正常，通過切換開關(guān)，利用轉(zhuǎn)子電壓表測量正極和負(fù)極的對地電壓，從而判定是否某一極發(fā)生了接地。如果測量值中一個顯示為零，而另一個顯示為全電壓，即可證明該極的確發(fā)生了一點接地。

4.2 處理建議

首先應(yīng)該排除是否由于人工作引起，如果的確是由于工作人員導(dǎo)致，應(yīng)及時矯正。其次，檢查勵磁回路，是否存在裂縫或者有較多污漬，因為污漬也可能導(dǎo)致接地。接下來檢查相關(guān)的回路，是否存在回路損壞。然后逐一排查，接地是在勵磁回路產(chǎn)生還是在測量保護回路產(chǎn)生的。找出原因，精準(zhǔn)排除故障。

如果能準(zhǔn)確判定為一點接地且為金屬性接地，故障點的具體位置難以查明定位，可以通過人工兩點接地的手段使其跳匝，然后停機處理。