985RE轉(zhuǎn)子接地保護在大型機組中的應用

鮮霄

（神華國華浙江浙能發(fā)電有限公司，浙江寧波315612）

985RE轉(zhuǎn)子接地保護在大型機組中的應用

鮮霄

（神華國華浙江浙能發(fā)電有限公司，浙江寧波315612）

985RE數(shù)字式發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護在大型發(fā)電機組中應用廣泛，簡要介紹了985RE保護裝置的軟硬件構成與特點，著重對其一點接地電阻、位置，兩點接地電阻、位置的檢測原理進行了分析，提出了在保護整定中應當注意的問題，并針對實際應用中出現(xiàn)的問題，提出了相應的建議。以期對保護的應用提供有益參考，促進發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護運行水平的不斷提高。

發(fā)電機；轉(zhuǎn)子接地；保護；985RE；經(jīng)驗；分析

0 引言

轉(zhuǎn)子接地是發(fā)電機較常見的故障之一。當勵磁回路發(fā)生一點接地故障時，對發(fā)電機還不會造成較大危害，但如果再發(fā)生第2點接地故障，則會使發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流增大，無功出力降低，甚至產(chǎn)生劇烈振動，嚴重威脅發(fā)電機的安全。如果汽輪發(fā)電機勵磁回路發(fā)生兩點接地，則有可能使軸系和汽機磁化。因此裝設完備的發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護對完善大型發(fā)電機組的保護體系和保障安全運行都有著十分重要的意義。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地時沒有故障電流，甚至故障電壓也不大，加上轉(zhuǎn)子回路的高過電壓水平一直限制著轉(zhuǎn)子接地保護的發(fā)展和優(yōu)化，成為了發(fā)電機保護的重點和難點。目前發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護原理主要以國內(nèi)的方波注入式和國外的交流注入式為主。南瑞公司推出的985RE轉(zhuǎn)子接地保護作為方波注入式的代表在國內(nèi)大型機組有著廣泛的應用。保護采用了高性能數(shù)字信號處理器DSP芯片為基礎的雙CPU（中央處理器）硬件系統(tǒng)，有獨立的啟動CPU作為啟動元件，該啟動元件在電子電路上（包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）與保護CPU完全獨立。985RE采用具有自適應有源切換技術，在未加勵磁電壓的情況下也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣。深入探討分析985RE保護的相關功能，及時研究總結在運行中出現(xiàn)的問題，對提高轉(zhuǎn)子接地保護的運行水平，保證發(fā)電機主設備的安全有著重要意義。

1 轉(zhuǎn)子一點接地保護分析

1.1 單端注入信號

985RE保護可選擇從轉(zhuǎn)子正負兩極與大軸之間注入，從轉(zhuǎn)子一極（通常為負極）與大軸之間注入2種方式。當采用單端注入時，其等效回路見圖1。

同時考慮注入電源的2種狀態(tài)，可得轉(zhuǎn)子回路與大軸間的電阻為：

圖1 單端注入電路

式中：Us為注入電源方波的幅值；Rx為采用電阻；Ry為注入電阻。

1.2 雙端注入信號

當采用雙端注入時，其等效回路見圖2。

圖2 雙端注入電路

同樣可得轉(zhuǎn)子回路Rg為：

測量不受轉(zhuǎn)子電壓的影響，即在發(fā)電機沒有起勵時仍可以監(jiān)視轉(zhuǎn)子回路的絕緣水平。在測量接地位置時，設轉(zhuǎn)子電壓為E（考慮方波注入電源影響轉(zhuǎn)子電壓的變化，新的轉(zhuǎn)子電壓設為E′），電流方向如圖2所示。此時第1個狀態(tài)可得以下方程：

第2個狀態(tài)可得以下方程：

聯(lián)解式（3）與（4）可得接地位置α為：

式中：U與U′為2個狀態(tài)下測量電阻上的電壓。

由式（5）可知轉(zhuǎn)子電壓不為零時，保護才能計算出實際接地位置。保護的范圍為整個轉(zhuǎn)子回路與整流橋交流側（包括整個勵磁變低壓側繞組）。

當在交流側位置接地時，相當于在直流部分疊加了1個50 Hz的交流電壓分量，該分量會產(chǎn)生泄漏電流。但這個泄漏電流為交流分量，不影響測量，在計算接地電阻時也會被消除，接地電阻的計算公式仍然適用。當交流側發(fā)生接地時，因為不會對直流分量產(chǎn)生影響，所以U=-U′，可知α為50%。實際上轉(zhuǎn)子繞組的電氣中心位置不會發(fā)生接地，因此50%接地位置可直接判斷為在整流橋交流側發(fā)生了接地故障。

某600 MW機組在進行勵磁整流橋輕負載試驗時，轉(zhuǎn)子一點接地頻繁動作，檢測接地位置50%，經(jīng)檢查為整流橋交流電源接入的是380 V低壓廠變，該中性點直接接地，因此保護才會動作。

1.3 大軸接地碳刷接觸不良對保護的影響

實際上以上分析未考慮到大軸接地碳刷接觸不良的情況。當大軸接地碳刷電阻變化時，可用圖3分析。

圖3 接觸電阻的影響

假設在第1個狀態(tài)下大軸的接觸電阻為Rz，第2個狀態(tài)下接觸電阻為0。可分別得到如下方程：

由此可以得到接地電阻為：

其中：

可見ΔRg的正負與接地電阻、接觸電阻、轉(zhuǎn)子電壓、接地位置均有關。以下是某600 MW機組各因素對ΔRg的影響分析。

從圖4中可以看到，影響ΔRg正負的主要因素是一點接地位置α，接地位置靠近負端ΔRg就為正，保護容易誤動，接地位置靠近正端ΔRg就為負，保護容易拒動。其他3個因素主要影響ΔRg的大小，對其正負符號沒有影響。

另外一種情況是第1個狀態(tài)下大軸的接觸電阻為0，第2個狀態(tài)下接觸電阻為Rz。直接給出結論：

影響ΔRg正負的主要因素也是一點接地位置α，其規(guī)律相同。因此只要大軸接地碳刷的接觸電阻有變化，就會導致保護測量值偏大或偏小。影響的因素有接地位置、接地電阻、接觸電阻、轉(zhuǎn)子電壓。其中接地位置靠近負極，測量值偏小，保護易誤動，靠近正極，測量值偏大，保護易拒動；其他因素僅影響偏差值的大小，不影響正負符號。

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、碳刷污染或定期更換碳刷時，保護裝置均會報警和啟動。針對這種情況，應重視大軸碳刷的運行狀態(tài)，提前消除隱患，在定期檢查、更換碳刷時宜退出保護跳閘功能。有條件的可以在大軸X與Y 2個方向上裝設大軸碳刷，以減少碳刷本身接觸不良引起的誤動和拒動；也可以加裝另一套不同原理的轉(zhuǎn)子接地保護（對大軸接觸電阻不敏感原理優(yōu)先）。

DL/T 684-2012《大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導則》建議低定值段整定為0.5～10 kΩ，而DL/T 671-2010《發(fā)電機變壓器組保護裝置通用技術條件》對動作誤差的要求：當整定值為1～5 kΩ時，允許差±0.5 kΩ，當整定值大于5 kΩ時，允許差±10%。因此發(fā)生保護誤動的機組，建議適當?shù)販p小定值。

大型發(fā)電機組因為加入了軸電壓吸收及其他附加回路，轉(zhuǎn)子對地分布電容一般大于10 μF，保護的單個注入電阻為47 kΩ。因此整個測量回路的RC時間常數(shù)τ均大于0.24 s。考慮到穩(wěn)態(tài)充放電時間為5τ和一定裕度，因此將電源注入周期整定為2.5～3 s以上，可以保證測量的準確性。

2 轉(zhuǎn)子兩點接地保護分析

2.1 工作原理

985RE具備有檢測第2點接地的能力，但此功能仍具有較大的局限性。其原因為在于計算第2點接地電阻和接地位置時，必須依賴第1點接地電阻和接地位置。當?shù)?點接地電阻發(fā)生變化，會影響第2點接地的測量。轉(zhuǎn)子兩點接地等效電路見圖5。

圖4 Rg，α，E，Rz對ΔRg的影響

圖5 兩點接地等效電路

根據(jù)圖5可以列出基爾霍夫電壓方程組：

式中：β為轉(zhuǎn)子繞組兩點接地短路的匝數(shù)比；Rh為第2點接地等效電阻。

經(jīng)化簡消去I3，并結合注入電源的2個狀態(tài)，可以建立方程組。

最終可得到第2點接地電阻與接地位置為：

式（10）有意義的條件也是轉(zhuǎn)子電壓E與E′不為零，且Rg為已知。可見只有在準確測得一點接地電阻Rg后才能計算第2點接地位置β和第2點接地電阻Rh。實際上保護在檢測到第1點接地電阻小于接地電阻靈敏段后，如果轉(zhuǎn)子一點接地不投跳閘，則開始檢測第2點接地。若檢測到第2點接地位置β≠α，且第2點接地電阻Rh達到高定值段則出口跳閘。該現(xiàn)象已在某600 MW機組大修試驗中多次出現(xiàn)，為保證機組穩(wěn)定性，應在現(xiàn)場應用中退出該保護的兩點接地跳閘功能。

2.2 應注意的問題

轉(zhuǎn)子兩點接地檢測需要在穩(wěn)定測得轉(zhuǎn)子一點接地電阻的前提下進行，如果轉(zhuǎn)子第1點接地電阻時刻發(fā)生變化，那按此種原理無法準確測得第2點接地的電阻與位置。

為了解決這個問題，保護在設計上采用了記憶功能。即測得一點接地以后，裝置記錄下Rg與α，并保持數(shù)分鐘，在這個時間段內(nèi)，若接地電阻發(fā)生變化，也不再重新計算，即使接地點絕緣緩慢恢復正常，也仍然當有接地點存在。此時若保護檢測到第2點接地，則出口跳閘。因此這種原理的兩點接地保護存在較大的誤動可能性。考慮到兩點接地保護原理的弊端與規(guī)程的要求，不建議投入該種保護的兩點接地保護功能。

3 結語

985RE保護具有全數(shù)字化，保護功能相對完善，軟硬件穩(wěn)定性高，校驗簡單，在不加勵磁電壓的情況下也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣的優(yōu)點，在大型發(fā)電機組中獲得了廣泛的應用。但是也存在保護受接觸電阻影響大，兩點接地保護過于依賴一點接地檢測值，所以在現(xiàn)場使用中也出現(xiàn)過一些問題。此外基于這種注入式原理的保護也無法實現(xiàn)雙重化，因此建議搭配一種其他工作原理的保護來彌補不足，以提高轉(zhuǎn)子接地保護的運行水平，確保發(fā)電機的安全穩(wěn)定運行。

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（本文編輯：楊勇）

Application of 985RE Rotator Earth Fault Protection in Large Units

XIAN Xiao
（Shenhua Guohua Zhejiang Zheneng Power Generation Co.,Ltd.,Ningbo Zhejiang 315612,China）

Earth fault protection of 985RE digital generator rotator has been widely applied in large generator units.This paper briefly presents the software and hardware architecture and the feature of 985RE protection device and particularly analyzes principles of one-point grounding resistance and the location，two-point grounding resistances and the locations.In addition，it proposes problems that need attention during protection setting and puts forward suggestions on problems in practical use，expecting to provide reference for protection application and enhance generator stator earth fault protection.

generator；rotator earth fault；protection；985RE；experience；analysis

TM772

：B

：1007-1881（2014）03-0054-04

2013-07-16

鮮霄（1982-），男，杭州人，工程師，從事發(fā)電廠繼電保護與自動裝置的管理工作。