600 MW機組發電機轉子接地保護裝置改造分析

何春

（國家電投貴州金元集團鴨溪發電有限公司，貴州 遵義 563108）

600 MW機組發電機轉子接地保護裝置改造分析

何春

（國家電投貴州金元集團鴨溪發電有限公司，貴州 遵義 563108）

發電機轉子接地故障是發電機常見的故障形式之一，若發生轉子兩點接地時會嚴重威脅發電機的安全。通過分析某發電廠原保護裝置在運行時的缺陷，論證了改造的可行性，介紹新保護裝置的性能和改造的實施過程，改造后的機組運行情況達到預期效果。

發電機；繼電保護；轉子接地；換型改造

0 引言

大型火力發電機組的發電機轉子接地故障（即發電機勵磁回路接地故障）是發電機的常見故障形式之一。勵磁回路一點接地對發電機還不會造成較大危害，但相繼發生第二點接地，即轉子兩點接地時，則會使發電機轉子電流增大，無功出力降低，甚至產生劇烈振動，嚴重威脅發電機的安全。故障點流過相當大的故障電流將燒傷轉子本體，或使磁勵繞組電流增加過熱而燒傷磁勵繞組；同時，由于部分繞組被短接，使氣隙磁通失去平衡，從而引起振動，甚至還可能造成軸系和汽機磁化。因此，發生兩點接地故障的后果是非常嚴重的，必須配置可靠的發電機轉子接地保護裝置。

1 改造背景與技術需求

某發電廠發電機轉子接地保護裝置為ABB UNITROL5000型勵磁調節器自帶的UNS3020var. 1型轉子接地保護，采用的是惠斯通電橋原理檢測轉子接地。保護裝置的轉子電壓和大軸地接入裝置回路如圖 1所示，圖中-F75模塊即為UNS3020var.1型轉子接地保護裝置。轉子電壓直接由勵磁調節器直流母線引至高壓熔絲上口，熔絲下口經調節電阻電容送入裝置，大軸接地端由電纜直接引入裝置。

圖1 發電機轉子接地保護裝置回路

該裝置除轉子回路發生接地故障外，發電機大軸接地不好或碳刷與大軸接觸不好等運行工況也會造成電橋平衡被破壞，使U+增大，從而引起轉子接地保護裝置發報警信號或跳閘命令。例如：當機組偶爾發生振動突變或者固定碳刷的彈簧壓力不夠時，碳刷與大軸接觸不好，將引起分布電容變化，破壞電橋平衡，使轉子接地保護誤動作。近2年在其它電廠已發生多起誤報警、誤動事件，該廠3號機組也發生了轉子接地保護裝置誤發接地報警事件。同時，該型號轉子接地保護裝置校驗時外部需要電容、電阻配合，校驗復雜，對校驗儀器要求很高，維護難度大，備品備件采購周期長及費用較高。綜合考慮后，認為有必要對發電機轉子接地保護裝置進行換型改造，提高設備配置與運行水平。

2 改造的可行性分析

經調研，當前國內生產轉子接地保護裝置的廠家均有不錯業績，雖保護原理不同，但對轉子一點接地保護運行存在的一些問題都有所考慮，與ABB勵磁系統內置轉子接地保護相比，受發電機大軸接地狀況等運行工況影響較小，可靠性較高。此外，當前國產微機型發電機接地保護裝置人機界面比較友好，便于進行事故分析，能夠滿足大型發電機組保護配置要求。

圖1中圈出位置，原勵磁調節器中轉子接地保護已將轉子電壓正、負極經空開-F04引出，大軸接地端電纜也經端子接入，原端子處可接入新保護裝置電纜。ABB轉子一點接地保護裝置跳閘電纜可以拆除，新裝置可安裝在電氣電子間或勵磁小室，跳閘回路直接接入原發變組保護，利用發變組保護跳閘回路完成跳閘。經過電廠現場設備安裝位置、空間及柜內布線等情況分析，發電機轉子接地保護換型改造是可行的。

3 新裝置選型與功能特點

經技術論證和招投標評估，選定RCS-985RE型注入式轉子接地保護裝置和RCS-985RS型發電機保護裝置。其中RCS-985RS為汽輪發電機的機組保護裝置，除轉子接地保護外仍有差動保護、定子過負荷、定子負序過負荷保護等功能。

RCS-985RS型發電機保護裝置采用高性能數字信號處理器DSP芯片作為保護裝置的硬件平臺，包含2個獨立的CPU系統（啟動CPU和保護CPU），啟動CPU作用于啟動繼電器，保護CPU作用于跳閘矩陣。轉子接地保護采用切換采樣（乒乓式）原理，直流輸入采用高性能的隔離放大器，通過切換2個不同的電子開關，求解4個不同的接地回路方程，實時計算轉子繞組電壓、轉子接地電阻和接地位置，并顯示在管理機屏幕上。

RCS-985RE型注入式轉子接地保護裝置同樣采用高性能數字信號處理器DSP芯片作為保護裝置的硬件平臺，包含2個獨立的CPU系統（啟動CPU和保護CPU），啟動CPU作用于啟動繼電器，保護CPU作用于跳閘矩陣。采用具有專利技術的自適應有源切換技術，在未加勵磁電壓的情況下也能監視轉子絕緣。保護裝置根據轉子繞組引出方式，在轉子繞組的正負兩端或其中一端與大軸間注入電壓，注入電壓的頻率可根據轉子對地電容的大小進行調整。裝置采集方波電壓以及方波電源2種狀態下的不同泄漏電流，求解轉子接地電阻。對于雙端注入方式，具備追蹤接地故障位置功能，可測量轉子一點接地位置，為故障排查提供參考。雙端注入式保護裝置信號接入線路見圖2。

圖2 雙端注入式保護裝置信號接入

4 改造方案及實施

通過對新舊設備圖紙的比對，編制了此次設備換型改造施工方案及試驗方案。繪制發電機轉子接地保護改造回路圖，如圖3所示。

改造后轉子接地保護獨立組屏，安裝在機組勵磁小室內，保護屏內安裝切換采樣（乒乓式）及注入式轉子接地保護裝置各1套，如圖4所示。

正常時2套裝置互為備用，1套運行則另1套投冷備用，通過圖4中的轉換開關，以控制大軸接地端是否接入裝置來完成裝置的投退，使冷備用裝置實現完全隔離。

改造過程中，拆除勵磁系統ES柜內引至原ABB轉子一點接地裝置的電纜，保留接至電壓變送器的電纜，將新電纜并接于原端子，并采用鎧裝屏蔽電纜經專用電壓試驗部件接入保護裝置，其耐壓等級大于7倍轉子額定電壓，保證了強勵等情況下回路及端子絕緣完好，接觸可靠。

轉子接地保護出口跳閘回路接入發變組非電量第二套保護裝置，實現跳發電機出口開關、汽輪機、勵磁開關及廠用電的切換。

保護裝置報警回路接入DCS系統，同時裝置預留與廠用電監控系統通信接口。

原 UNITROL5000型勵磁調節器自帶的UNS3020var.1型轉子接地保護功能取消，并拆除轉子電壓、大軸接地端相關報警及出口跳閘回路。

圖3 轉子接地保護改造回路

圖4 注入式和乒乓式轉子接地保護裝置

5 改造前后的可靠性對比

（1）改造前的ABB轉子接地保護與勵磁系統為一體化設計，轉子接地保護的跳閘是經過端子排直接出口，在轉子接地保護裝置與回路上工作時無法將保護退出。改造后轉子接地保護裝置采用單獨組屏，保護跳閘經壓板投退出口，有效避免了未隔離出口引起保護誤動的風險。

（2）改造前的ABB轉子接地保護采用慧斯通電橋原理的單一裝置，改造后采用注入式和乒乓式2種不同原理的轉子接地保護裝置，2套裝置互為備用，可以實現1套保護裝置報警時投入另1套保護裝置；如2套均報警，則投入跳閘，雙冗余設計也一定程度上避免了保護誤動的可能性。

（3）改造后的轉子接地保護裝置采用自適應有源切換技術，在未加勵磁電壓的情況下也能監視轉子絕緣，可提前避免未監視到轉子接地而進行并網操作的可能性。

6 結語

此次改造后的發電機轉子接地保護裝置經過各工況下的試驗與運行，轉子電壓、注入電源電壓、泄漏電流、接地電阻等各項參數均穩定正常，其指標也符合最新網調的反措要求。同時，該裝置實時響應速度高、抗干擾能力強、易維護等特點，方便了運行管理與監控，提高了發電廠繼電保護裝置的安全性能，有效保證了機組的穩定運行，也為類似發電廠改造提供了借鑒參考。

（本文編輯：徐 晗）

Analysis on Transformation of Generator Rotor Grounding Protection Device of 600 MW Unit

HE Chun

（State Power Investment Corporation Guizhou Jinyuan Group Yaxi Generation Co.，Ltd.，Zunyi Guizhou 563108，China）

Generator rotor grounding fault is one of the common faults of the generator.If the two points grounding of rotor occurs，generator safety will be seriously threatened.Based on the analysis of the operation defects of the former protection device in a power plant，feasibility of the transformation is demonstrated.The performance of the new protection device and the implementation of the transformation are discussed.After the transformation，the unit operation is as satisfactory as expected.

generator；relay protection；rotor grounding；type transformation

TM621.3

B

1007-1881（2016）10-0049-03

2016-08-25

何 春（1982），男，工程師，從事發電廠技術管理工作。