發電機轉子接地保護的分析與建議

馬艷濤，羅 軍

（廣東省粵電集團有限公司沙角A電廠，廣東 東莞 523936)

1 概述

某發電廠1～3號發電機均為200 MW汽輪發電機，轉子繞組的冷卻方式為氫冷。3臺機組投運均已將近20年，其中1，2號發變組保護為南京南瑞繼保電氣有限公司生產的RCS—985A型保護裝置，3號發變組保護為南京電力自動化設備總廠生產的WFBZ-01型保護裝置。該電廠3臺機組的勵磁屏均設在發電機平臺上，由于未設置專門的小間，受濕度及灰塵污染情況比較嚴重。

3臺機組運行時，均不定時發生轉子回路對地絕緣嚴重下降、轉子一點接地保護動作的情況。檢查結果表明：引起絕緣下降的點并不在轉子繞組內部，而是在勵磁外回路上。這是由硅屏內元件受污、受潮引起的。當此種情況發生時，轉子回路的絕緣電阻不穩定，通常一段時間后，絕緣可自動恢復。在此情況下，如果自動投入轉子兩點接地保護，鑒于目前轉子兩點接地保護不是十分可靠，會增加誤跳閘的機會；如果轉子一點接地故障發生在轉子繞組內部，當短時間內發生轉子兩點相繼接地時，會因未及時投入轉子兩點接地保護而產生嚴重后果。

2 轉子兩點接地的危害分析

轉子兩點接地故障屬于極其嚴重的故障，將對發電機造成災難性的損害，主要表現在以下幾方面：

(1)當發生轉子兩點接地故障時，故障點會流過相當大的故障電流，從而燒傷轉子本體；

(2)由于部分繞組被短接、勵磁繞組中電流增加，可能因過熱而燒傷；

(3)由于部分繞組被短接，氣隙磁通會失去平衡，從而引起振動；

(4)轉子兩點接地還可能使軸系和汽機磁化。

如果轉子繞組通過較大的過渡電阻兩點接地，則可排除上述第2點危害，而第1，4點危害所造成的影響也會較小。但是，當整個轉子回路上某點(即便該點不在勵磁繞組上)絕緣電阻降得很低時，實際相當于轉子一點接地，如果不及時投入轉子兩點接地保護，其風險較大；這時若轉子繞組上再發生一點接地，其危害將會非常大。

因此，當確認轉子一點接地后，機組停機前應該投入兩點接地保護。為避免勵磁回路上的元件受污、受潮引起不穩定接地，造成兩點接地保護誤跳閘，可以在轉子一點接地保護動作報警后，通過人工確認為穩定性一點接地后，再投入兩點接地壓板。

在轉子一點接地保護的定值方面，由上述分析可知，如果轉子繞組通過較大的過渡電阻兩點接地，其危害程度相對較小。因此，轉子一點接地保護的定值不必過大，建議取值5 kΩ。

3 WFBZ-01型保護裝置轉子接地保護原理

3.1 廠家說明書原理說明及保護邏輯

轉子一點接地保護采用疊加直流式一點接地保護原理，疊加源電壓為50 V，內阻大于50 kΩ。一點接地保護的輸入端與轉子負極及大軸連接，其注入直流電源來自裝置內部。轉子一點接地保護的工作原理為：一個簡單的串聯回路(即保護裝置內部輸出的50 V直流、內阻和轉子對大軸之間的絕緣電阻串聯的回路)，絕緣良好時整個回路電流最小，其對應絕緣電阻為119 kΩ；轉子接地時，測量回路電流增大，其對應絕緣電阻較小甚至為0。當裝置計算的絕緣電阻小于整定值時，轉子一點接地保護出口動作于發信或跳閘。

轉子兩點接地保護采用發電機二次諧波電壓原理。當發電機轉子繞組發生兩點接地或匝間短路時，氣隙磁通分布均勻性將被破壞，在定子繞組中將產生二次諧波電壓。轉子兩點接地保護即反映定子電壓中的二次諧波分量。保護受一點接地保護閉鎖，在轉子一點接地保護動作后，自動投入轉子兩點接地保護。當二次諧波電壓大于整定值，且負序分量大于正序分量2倍時，轉子兩點接地保護出口動作于發信或跳閘。

轉子兩點接地保護邏輯如圖1所示，其中U2ω2、U2ω1分別為二次諧波電壓的負序、正序分量，U2ωop為二次諧波電壓整定值。

圖1 WFBZ-01型保護轉子兩點接地保護邏輯

3.2 轉子接地保護原理

正常運行中，兩極汽輪發電機的氣隙磁場完全對稱于南北磁極，即氣隙磁密的空間分布完全對稱于橫軸。將磁密曲線作傅立葉級數的諧波分析，發現只有奇次諧波分量，沒有偶次諧波分量，故定子電壓中也只有奇次諧波分量，沒有偶次諧波分量。

轉子繞組兩點接地或匝間短路時，氣隙磁密分布的對稱性遭到破壞，磁密曲線含有二次及其他偶次諧波分量，則定子電壓必定含有二次諧波分量。

因此，理論上利用二次諧波電壓，可確切區分勵磁回路兩點接地故障與正常工作狀態，但該原理的應用需注意以下幾個問題。

(1)在系統短路的暫態過程中，一定有非周期分量電流，相應的三相定子繞組將有二次諧波暫態電壓。因此，兩點接地保護的延時，必須躲過系統故障時的暫態過程。

(2)轉子兩點接地故障時，定子繞組的二次諧波電壓可能非常小(約千分之幾額定電壓)，要在三相額定基波電壓中濾取如此小的二次諧波分量，技術要求較高；若提高二次諧波電壓整定值，將導致保護靈敏度下降。

(3)發生兩點接地故障時，發電機的二次諧波定子電壓將使相鄰的非故障發電機也出現一定數量的二次諧波定子電壓。所以，兩點接地保護的定值不能太小，而必須滿足其選擇性要求，但其靈敏度也必然會下降。

(4)無法區分勵磁回路的匝間短路與轉子兩點接地故障。輕微的匝間短路不會直接引起嚴重的后果，也無需立即消除缺陷，所以并不要求裝設轉子繞組匝間短路保護。但嚴重的轉子繞組匝間短路，必然造成勵磁電流增大，機組振動加劇，局部過熱，從而損壞主絕緣和銅線。由此可見，當發生轉子一點接地故障時，為保險起見，保護無法區分匝間短路和兩點接地故障而停機是可接受的。

3.3 廠家意見

(1)WFBZ-01型微機發變組保護裝置在全國使用至今已10多年，轉子接地保護是可靠的。

(2)一點接地保護的動作值不必取得過大，5 kΩ～8 kΩ比較合理。

(3)轉子兩點接地保護的動作值可取實測二次諧波電壓的10倍，一般不超過2 V。

4 RCS-985型保護裝置轉子接地保護原理

4.1 廠家說明書原理說明及保護邏輯

轉子接地保護采用切換采樣原理(乒乓式)。轉子一點接地保護反應發電機轉子對大軸絕緣電阻的下降，轉子一點接地保護動作后，經延時自動投入轉子兩點接地保護；當接地位置α改變達一定值時，判為轉子兩點接地，動作于跳閘。其接地保護邏輯如圖2所示。

4.2 轉子接地保護原理

轉子接地保護采用切換采樣原理(乒乓式)。該原理通過2個電子開關切換采樣回路，得到2組方程，聯立求解得接地過渡電阻Rf及接地位置α。當Rf小于整定值時，報轉子一點接地信號，并經延時自動投入兩點接地保護。兩點接地保護同樣采用上述切換采樣原理，檢測接地位置的變化。若再發生轉子一點接地故障，則已測得的α值將會發生變化，當其變化值超過整定值時，保護裝置就確認為發生轉子兩點接地故障。

在電子開關切換過程中，如果接地過渡電阻發生變化，此保護裝置計算接地點α將產生錯誤。因此，需經連續2～3次計算，當確認α和Rf不變時，才能確認一點接地故障的存在。

4.3 廠家意見

(1)通過檢測接地點及接地電阻的變化，判斷兩點接地。

(2)在電子開關切換過程中，如果接地過渡電阻發生較大變化，保護確實可能產生誤判。因此，RCS-985裝置在判定一點接地后，如持續10 s接地電阻變化不大，才會自動投入兩點接地保護。

(3)目前為止，沒有公認、完美的轉子兩點接地保護方案。因此，建議轉子兩點接地保護的壓板平時應退出；在轉子一點接地報警后，不應自動投入兩點接地保護，應觀察一點接地電阻值的變化情況，如變化幅度不大，再投入兩點接地保護壓板，即手動投入兩點接地保護。

5 轉子接地保護的使用建議

從上述分析可見，發電機轉子一點接地保護動作后是否應立即投入轉子兩點接地保護，需綜合考慮現有的運行經驗、故障的形式和特點。針對該電廠的實際情況，現對轉子接地保護的使用提出以下幾點建議。

(1)為避免發電機的重大損害，明確轉子兩點接地保護動作于跳機。

(2)為減小兩點接地保護誤動作的可能性，決定采用手動投入兩點接地保護，并將1，2號機組RCS-985保護轉子一點接地的普通段動作值取5 kΩ。為及時發現發電機轉子絕緣下降，轉子一點接地靈敏段動作值取20 kΩ。對于3號機組的WFBZ-01保護，因整定值不分段，轉子一點接地動作值取20 kΩ。

(3)為加快轉子一點接地的判斷和處理速度，在運行中出現發電機轉子一點接地報警時，運行人員應檢查記錄發變組保護柜轉子接地電阻通道顯示值。若發電機轉子一點接地持續報警，應切換發電機勵磁硅整流柜，觀察記錄發變組保護柜轉子接地電阻通道的顯示值變化情況，并通知電氣檢修人員迅速解決故障。

(4)如果發變組保護柜轉子接地電阻通道顯示值持續低于5 kΩ，且切換發電機勵磁硅整流柜也不能排除故障時，運行人員應立即投入轉子兩點接地保護壓板，以防出現發電機轉子兩點接地，損壞發電機組。

(5)制定有針對性的反事故措施和操作處理指引，使運行值班人員能迅速、正確地對發電機轉子一點接地報警進行處理。

(6)為發電機勵磁就地柜搭建專用的封閉小間，以消除潮濕及灰塵的影響，改善發電機勵磁系統運行環境，降低發電機轉子接地故障的發生率。

6 結束語

在對3臺發電機勵磁就地柜搭建專用的封閉小間并裝設空調、通風口裝濾網后，消除了潮濕及灰塵的影響，改善了勵磁外回路的運行環境，轉子一點接地保護再也未動作。發電機轉子一點接地保護動作于信號，是基于勵磁回路一點接地故障對發電機無直接危害而提出來的，并不是為了發電機長期帶一點接地故障運行。當發電機的轉子繞組發生一點接地故障時，應立即投入轉子兩點接地保護(如果有)并查明故障點與其性質；如系穩定性的金屬接地，應盡快安排停機處理。

圖2 RCS-985型保護裝置轉子接地保護邏輯

1 王維儉．《電氣主設備繼電保護原理與應用》(第2版)[M].北京：中國電力出版社，2002.