勵磁系統發電機轉子接地保護繼電器的改善和調定

【摘要】本文結合電廠兩臺2X350MW發電機采用的機端自并勵靜態勵磁系統的實際運行情況，介紹了發電機轉子接地保護的構成原理及特點。并對#2發電機轉子接地保護經常誤發1級信號現象，進行了分析，提出了解決辦法和防范措施。

【關鍵詞】發電機轉子接地保護；1級報警；原因分析；解決辦法

南陽鴨河口電廠一期兩臺機組容量為2X350MW，勵磁系統采用的是機端自并勵靜態勵磁系統，瑞士ABB公司生產的UNITROL P微機型雙通道勵磁調節器，發電機二次CT、PT單組輸入，整個勵磁系統由勵磁變壓器、控制柜+1ER、功率整流柜+2EG、起勵和滅磁柜+3EE組成。發電機轉子接地繼電器保護安裝在勵磁系統起勵滅磁柜（+3EE），型號為UNS 3020a，它的主要工作原理是靠電橋平衡原理來實現的，主要用于探測額定在1000V以下的同步發電機勵磁電路中的接地故障。發電機正常運行時，轉子接地保護投入運行，電橋電源由發電機PT二次側A、C相交流電壓供電，幅值100V左右，正常運行時電橋兩端不完全平衡電壓不能完全為零，存在不平衡電壓50MV左右，電橋電源分配在四個橋臂的電壓相等，電橋兩端不平衡電壓較低輸出，繼電器不動作；當發電機轉子繞組出現非金屬電阻接地故障時，電橋平衡被破壞，電橋兩端輸出不平衡電壓，動作于電子線路繼電器，至不平衡電壓1低值經延時啟動1級繼電器報警；至不平衡電壓2高值經延時啟動2級繼電器跳閘。

它的主要動作判據為：當勵磁母線接地電阻≤5KΩ延時5S，勵磁系統1級報警，電橋不平衡電壓U+對GND≥0.336V；當勵磁母線接地電阻≤1KΩ延時2S勵磁系統2級跳閘，電橋不平衡電壓U+對GND≥1V。

UNS 3020a轉子接地保護裝置廣泛用于ABB UNITROL系列勵磁調節器中，該保護裝置作為勵磁回路接地檢測，較之發電機保護配置的轉子一點接地、兩點接地更為可靠，大多數用戶選用勵磁系統配置的轉子接地保護裝置作為發電機勵磁回路接地檢測，分別動作于跳閘和信號，該裝置具有自檢功能，并能實現就地、遠方重啟和閉鎖。轉子接地保護裝置的阻容回路一方面是作為保護裝置本身所需惠斯通平衡橋回路的一部分；另一方面，阻容回路也是一套發電機軸電壓吸收器，用于保護自并勵火電機組的大軸。

UNS 3020a轉子接地保護根據發電機勵磁電路對地的接觸電阻值的大小來決定該保護是否動作，發電機勵磁回路不允許直接接地，它比轉子勵磁回路兩點接地保護更可靠，當勵磁回路對地泄漏電阻值在5kΩ保護1級報警，當對地泄漏電阻值在1kΩ保護2級跳閘；它不象以往的轉子兩點接地保護根據發電機轉子繞阻已接地情況來判別是否動作，發電機轉子繞阻1點接地報警可以短暫運行，2點接地直接跳閘。

UNS 3020a轉子接地保護裝置原理圖如圖1所示：

圖1中惠斯通電橋補償電容CX：

圖1中R為高值電阻器約為2.2KΩ，兩只電阻器R代表電橋的兩個臂；CX為整定電容器，作為電橋的一個臂，它根據U+對GND之間的電壓交流量來整定校準電容并用電烙鐵焊死，它的整定理論電容值由以上公式計算，也可以在實際中不斷變換電容值焊接測定不平衡電壓值來估算；最后一個測量橋臂由發電機轉子繞組和軸接地之間的固有電容CR，與耦合電容器CK1、CK2串聯一起構成R/C測量電橋的一個臂，如圖X1：1與X1：2之間，X1：1端子直接接至發電機汽機側大軸接地碳刷，X1：2經耦合電容器CK1、CK2接至勵磁母線。Rf1、Rf2用于設定1、2級保護動作電壓，TA1、TA2用于設定保護1、2級延時時限。我廠發電機大軸接地設計有兩個方面考慮，一方面在發電機汽機側大軸，經接地碳刷四只接地以消除軸電壓軸；另一方面在發電機勵磁端大軸，裝有兩只接地碳刷經軸濾波器接地，濾波器（R/C元件）用來防止電壓尖峰損壞發電機軸承，只要碳刷接觸良好，軸電壓就能被限制在3V以下。

我廠的轉子接地繼電器保護報警頻繁，與轉子大軸接地碳刷有一定的關系，轉子接地碳刷有兩個，固定在大軸的兩側并同時接地。它們的作用是一方面當發電機大軸有軸電壓存在時可以直接消耗掉軸電壓，另一方面與發電機轉軸接在一起并接地，可以測量發電機轉子繞組和軸接地之間的固有電容CR，同時與耦合電容CK1、CK2串聯一起構成R/C測量電橋的一個臂。因此要經常檢查接地碳刷的工作狀態、工作環境是否良好，以防止大軸接地不良。

我廠轉子接地保護經常誤發一級報警，保護信號能復歸掉，我認為有以下原因和解卻辦法：

①電橋橋臂整定電容Cx未整定好。測量電橋不平衡電壓U+對GND輸出的交流值，觀察其是否達到0.336V，如果達到此值則停機檢查轉子繞組、轉子電壓母線、碳刷、碳刷架各自對地的絕緣看是否是由于碳粉堆積造成轉子繞組一極虛擬接地；如果一切正常，可重新整定電容Cx，整定時最好在發電機帶負荷時約180MW，整定時須退掉該保護2級跳閘出口，根據轉子繞組對地電容CR的實際值，使電橋不平衡電壓U+對GND的AC量在10～50mv之間為最佳，不得超過50mv。

②動作值1級報警值偏低定值為0.336V，實際測量為0.324V，調節Rf1值，提高1級報警的門檻電壓，調節時置1級報警延時TA1于“0”位。

③發電機帶負荷時，通過在轉子繞組的正極（或負極）與地之間連接一只可調電阻器，用于測定1級、2級電橋動作時的泄漏電阻值。一端接入勵磁母線，另一端接地，模擬轉子接地，校驗報警信號及延時是否正確，取下電阻后查看信號復歸是否完好，不滿足要求時調整Rf1、TA1、Rf2、TA2。測試時發電機轉子需接入回路，發電機已在額定轉速下運行并部分帶負荷。

④重點檢查發電機轉子接地繼電器橋臂耦合電容CK1、CK2，檢查其是否損壞，外表有無異常，電容耐壓等級是否達到。

⑤發電機轉子接地保護電纜屏蔽不良，致使外部回路干擾影響發電機接地保護裝置誤動作，建議將轉子接地保護所用電纜全部更換為屏蔽電纜，并將屏蔽層可靠接地。

⑥發電機密封瓦密封不嚴，長期運行中密封油在發電機大軸處積累，長期以來容易形成油污，導致發電機大軸與接地碳刷之間電阻增大或不導通，此時發電機大軸產生軸電壓，此時轉子接地保護測量電阻中無電流流過，但如果接地碳刷與大軸瞬時導通，此時接地保護將動作信號。建議對發電機大軸接地碳刷更換，并清理發電機大軸處的臟污，保證接地碳刷可靠導通。

⑦用壓縮空氣對發電機勵磁碳刷小室進行吹掃，以防止碳粉通過碳刷架構成非金屬性接地。并測量發電機大軸電壓是否超過3V以上。檢查發電機大軸汽機側和勵磁側接地碳刷是否有火花產生，如果存在，調整接地碳刷彈簧與發電機大軸夾持程度或更換接地碳刷。

通過以上的測量和整定，較好的解決了我廠#2發電機轉子接地保護經常誤發1級報警問題，快速消除我廠機組勵磁系統存在的運行隱患。后來發現發電機停機檢修后，檢查勵磁母線正極絕緣偏低只有0.5MΩ，經過仔細檢查發現碳刷架一側有一處絕緣損壞，經過處理絕緣恢復正常，從而徹底解決了我廠轉子接地保護經常誤發一級報警。

參考文獻

[1]《UNITROL-P勵磁系統調節器維修手冊》.

[2]《發電廠勵磁調節器》.

作者簡介：牛俊甫（1974—），男，河南許昌人，大學本科，電力工程工程師，研究方向：繼電保護、勵磁系統方面的檢修。