發電機轉子一點接地保護在三峽電站的運用與效果評估

劉先科，李小文，曾　鵬，吳寶增

（三峽電廠，湖北 宜昌 443133）

發電機轉子一點接地保護在三峽電站的運用與效果評估

劉先科，李小文，曾鵬，吳寶增

（三峽電廠，湖北 宜昌 443133）

摘要：轉子一點接地保護能發現發電機轉子回路內部的缺陷和故障，對機組安全穩定運行至關重要。本文主要論述了三峽電站轉子一點接地保護的配置及基本原理，對保護裝置的運行效果進行了評估，并介紹了三峽電站轉子一點接地保護的運用經驗。

關鍵詞：發電機；轉子；轉子一點接地；三峽電站

0　引言

發電機轉子回路故障一般有3個類型，即轉子匝間故障、轉子回路一點接地故障、轉子回路兩點接地故障。輕微的匝間短路不會影響機組正常運行，但如果故障繼續發展，將會使轉子電流增加，繞組溫度升高，甚至導致接地故障發生。出現轉子回路一點接地故障時，不會形成閉合通路，不會造成直接危害，但再發生轉子回路二點接地故障時，將會出現很大的故障電流，燒傷轉子本體、勵磁氣隙失衡、轉子磁化、損傷軸系等嚴重后果。因此，配備合適有效的轉子一點接地保護對發電機的安全穩定運行有重要的意義。

發電機轉子一點接地保護一般有注入式和乒乓式兩種原理。注入式轉子一點接地保護通過在轉子繞組兩端或一端注入方波信號電源，用以區分正常運行和接地故障。乒乓式轉子一點接地保護在發電機運行時輪流測量轉子繞組正極、負極的對地電流，并根據測得的結果計算出轉子繞組或勵磁回路的對地電阻，從而判斷出接地故障的位置及接地電阻的量值。

1　三峽電站現行轉子一點接地保護配置及基本原理

三峽電站擁有32臺額定容量777.8 MVA的水輪發電機組，均配置了發電機轉子一點接地保護，一般以注入式保護為主用，乒乓式保護做備用。三峽電站轉子一點接地保護經歷了多次換型改造和升級，現行配置如表1。

表1　三峽電站現行轉子一點接地保護配置

1.1三峽左岸電站ALSTOM機組SIEMENS低頻

方波電壓注入式轉子一點接地保護三峽左岸電站ALSTOM機組采用SIEMENS公司低頻方波電壓注入式轉子一點接地保護，原理如圖1所示。

保護注入電壓由7XT71串聯裝置提供，經過電阻單元7XR6004與勵磁回路經高電阻對稱耦合，同時通過低阻值的測量電阻m連接到大軸接地電刷（地電位），注入電壓和充電電流通過變送器MU1和MU2分別變換為控制電壓control和測量電壓meas送入保護裝置，轉子接地電流由測量電壓反映，由此計算出接地電阻，實際接地電阻由電壓meas決定，該值與成比例，測量電壓的直流分量由濾波器平均值決定，測量值為穩態值。

圖1　SIEMENS電壓注入轉子繞組的連接示意圖

1.2三峽右岸電站能事達公司變極性疊加直流原理的轉子一點接地保護

能事達公司生產的變極性疊加直流原理轉子一點接地保護裝置LDP2094為三峽右岸電站的主用轉子接地保護。其原理如圖2所示。

圖2　能事達LDP2094 變極性疊加直流轉子一點接地保護原理圖

1.3三峽右岸電站許繼集團公司乒乓式轉子一點接地保護

許繼公司WFB-801/S發電機組保護裝置內置一套乒乓式轉子一點接地保護，用于右岸電站。保護接線圖如圖3所示。

圖3　許繼WFB-801/S乒乓式轉子一點接地保護接線示意圖

保護采用乒乓式開關切換原理，通過求解兩個不同的接地回路方程，實時計算轉子接地電阻值和位置。保護原理示意圖見圖4所示，勵磁電壓經過降壓回路后分為兩路，一路接勵磁電壓測量，另一路接保護乒乓切換回路，虛線框內為勵磁降壓回路，其中2為由微機控制的電子開關為接地電阻，α為接地點位置為轉子電壓。

圖4　許繼WFB-801/S乒乓式轉子一點接地保護原理示意圖

圖5　南瑞RCS-985乒乓式轉子接地保護接線原理圖

1.4三峽南瑞RCS-985轉子一點接地保護

南瑞RCS-985轉子一點接地保護配置于三峽左岸電站VGS機組以及地下電站27FB、29FB機組，內置注入式轉子接地保護RCS-985RE-2TP和乒乓式轉子接地保護RCS-985RS-2TP，其中，乒乓式轉子接地保護接線原理圖如圖5，注入式轉子接地保護接線原理圖如圖6。

切換圖5中S1、S2電子開關，得到相應的回路方程，通過求解方程，可以得到轉子接地電阻g，接地位置α。

圖6　南瑞RCS-985注入式轉子接地保護接線原理圖

1.5三峽地下電站許繼轉子一點接地保護

許繼公司WFB-823A微機發電機轉子接地保護配置于三峽地下電站28F、30F、31F、32F機組，內置外加低頻方波電源和乒乓切換式保護各一套，可互為冷備用。

注入電源從轉子繞組的正負兩端與大軸之間注入一個方波電源，實時檢測轉子回路對地絕緣狀況。許繼外加低頻方波電源內置于裝置插件中，其輸出頻率可方便調整，適應現場轉子繞組對地電容的不同，使接地電阻和接地位置的測量不受轉子繞組對地電容的影響。雙端注入保護接線示意圖見圖7。

許繼乒乓式原理轉子接地保護原理圖見圖8，接線示意圖見圖9。其中：S1、S2為由微機控制的電子開關，g為接地電阻，α為接地點位置（轉子電壓負端為0，轉子電壓正端為100%），為轉子電壓，1為測量電阻。當g小于接地電阻高定值時，經延時發轉子一點接地信號，當g小于接地電阻低定值時，經延時保護動作。

圖7　許繼WFB-823A雙端注入保護接線示意圖

圖8　許繼WFB-823A乒乓式保護切換采樣原理示意圖

圖9　許繼WFB-823A乒乓式轉子接地保護接線示意圖

2　三峽電站發電機轉子接地保護的應用經驗

2.1三峽電站采用的各型轉子一點接地保護性能評估

左岸電站ALSTOM機組最初采用ABB公司平衡電橋型轉子一點接地保護，該型保護存在保護附件YWX111-11發熱、保護抗干擾能力不足、保護靈敏度不夠、保護動作邏輯整定不合理等問題，僅短期運用后即換型為SIEMENS電壓注入式轉子一點接地保護，并沿用至今。

左岸VGS機組原配SIEMENS電壓注入式轉子一點接地保護，近期已隨發變組主保護改造一并換型為南瑞RCS985型保護。

能事達轉子一點接地保護是右岸電站主用轉子接地保護，也曾在三峽地下電站27FB/29FB投產初期短期運用，該型保護裝置本身故障率較高，加上型號老化、備件缺乏，27FB/29FB已換型為南瑞RCS985型保護，右岸電站也將逐步改造為許繼WFB-823A型保護。

許繼公司WFB-801/S乒乓式轉子一點接地保護是右岸電站備用轉子接地保護，該型保護運行多年來故障率低，性能穩定，但型號老化、維護不易。

南瑞RCS-985型和許繼WFB-823A型轉子接地保護均內置注入式和乒乓式保護各一套，在三峽電站運用時間較短，但裝置性能優越，有較好的運用前景。

表2　三峽各型轉子一點接地保護裝置性能對比

表2為三峽電站多年來各型轉子接地保護裝置性能的相關統計（不計ABB裝置）。

從表2可知，能事達公司產保護裝置故障率最高，而且曾出現誤動拒動，SIEMENS電壓注入式保護故障數僅次于能事達產裝置，南瑞與許繼公司產轉子接地保護裝置性能穩定，其新型號產品是三峽電站未來的配置方向。

2.2運用發電機轉子一點接地保護發現和消除設備缺陷

三峽電站發電機轉子外徑尺寸超過18m，由轉子支架、磁軛和磁極等組成，結構復雜，組成元件多，在風洞內封閉運行，轉子內部的故障和缺陷很難通過一般途徑發現。三峽歷年來發現的轉子回路的故障或缺陷大多借助于轉子一點接地保護。表3是三峽電站多年來轉子一點接地保護動作原因的統計。（注：不含ABB裝置誤動、不計試驗、同問題處理期間多次動作計1次）

表3　轉子一點接動作原因統計

由表3可見，轉子內部短路或者接地故障導致轉子一點接地保護動作的可能性最高，出現轉子接地后很有必要進入發電機內部檢查，通過這種檢查，三峽電站多次發現發電機轉子回路的缺陷，并得以整改，以下為幾個典型事例。

（1）發現某機組轉子磁極緊固件缺陷

三峽電站某機組運行中發電機橫差保護動作跳閘，故障發生后測量定子絕緣合格、轉子絕緣為零，事故時有轉子接地保護動作信號，遂深入檢查發電機轉子，發現磁極固定塊與磁軛之間有數處電弧放電跡象，將放電磁極固定塊拆除后發現，固定拉桿絕緣墊塊處存在較多的鐵屑和粉塵，且拉桿尾端與磁該型發電機相鄰磁極由極間支撐分開，支撐件通過鴿尾形固定塊和兩根金屬螺桿固定磁極軟連接接頭，鴿尾形固定塊與阻尼環軟連接間安裝拉桿，分析發現這種結構存在固有缺陷，即拉桿在固定塊的絕緣墊塊處屬凹陷死角，易積累鐵屑粉塵等雜質，造成絕緣降低，且拉桿尾端與磁軛距離較近，安裝后無法觀測間距。由此，三峽電站放大了這些部件的安裝間距、清掃了凹陷死角，避免了類似故障再次發生。

（2）發現某機型轉子阻尼繞組軟連接結構缺陷

三峽電站某機型機組多次出現轉子一點接地動作，檢查時均發現轉子磁極間有不明來源金屬絲，后拆開機組上下擋風板檢查，發現磁極阻尼繞組軟連接存在大范圍斷股及撕裂現象，而部分未損傷軟連接片也有很嚴重的變形現象。

該型機組磁極阻尼環間有軟連接結構，軟連接由鍍銀銅絲軟辮子多層疊加而成，端部通過銅板壓接。檢查發現銅辮子結構松散，無安裝余量，連接銅板有向磁極中部拉伸現象。軟連接損傷和連接銅板的變形，說明阻尼環軟連接處受到了強大的電動力作用，該力首先將軟連接向磁極中心拉，軟連接無法變形后再作用于連接銅板，最后導致軟連接磨損甚至斷裂，產生大量銅絲及粉末，形成橋接，造成發電機短路、接地。有鑒于此，三峽電站對阻尼繞組軟連接進行了改造，取消銅辮子式連接，更換成銅片式軟連接并保留足夠安裝余量。

（3）改進某機型發電機推導軸承油霧吸收技術

三峽電站某機型機組轉子接地保護動作頻率比其他機型高，打開發電機蓋板檢查發電機內部，發現該型機組轉子內部積累油污較多，油污沾染大量灰塵、金屬屑等，導致接地頻發，而油污來源于機組的推導油槽產生的油霧。分析該機型推導油霧吸收結構有固有缺陷，導致油霧過多、吸收效率低下，污染發電機。為徹底解決該問題，三峽電站拆除原有的推導油霧吸收裝置，包括油霧吸收裝置本體及管路、回油箱及其相關管路等，更換了一整套復合油檔及油霧凈化機，改善發電機的潔凈度。

3　結束語

在當今電力行業的發展趨勢下，特大容量機組已在中國普遍投用，轉子接地保護對機組的安全穩定運行有著重要的作用，三峽電站擁有32臺700MW巨型水輪發電機組，在轉子接地保護的運用方面積累了豐富的經驗，對行業內同仁有著較大的借鑒意義。

參考文獻：

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[5]南京南瑞繼保電氣有限公司.RCS-985系列大型水輪發電機變壓器成套保護裝置技術使用說明書[Z].

[6]許繼WFB-823A微機發電機轉子接地保護裝置技術及使用說明書[Z].

中圖分類號：TM77

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2015）06-0028-05

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.06.008

收稿日期：2015-01-26

作者簡介：劉先科（1983-），男，工程師，從事水電站運行工作。