一起主勵磁機轉子接地故障的處理與原因分析

王春民

(廣州珠江電廠，廣州　51000)

一起主勵磁機轉子接地故障的處理與原因分析

王春民

(廣州珠江電廠，廣州51000)

摘要：介紹了外加電源注入式轉子接地裝置RCS-985RE的保護原理以及轉子接地產生的相關危害，結合一套三機他勵勵磁系統的主勵磁機轉子一點接地故障實例，提出了故障處理相應步驟，并分析了故障發生的原因。同時指出，轉子接地保護裝置在特定運行方式下不能檢測有關系統故障，并給出了合理的輔助測量判斷手段。

關鍵詞：轉子一點接地；主勵磁機；可控硅；RCS-985RE

圖1　三機他勵勵磁系統圖

1系統概況

廣東某電廠4×300 MW機組汽輪機為哈爾濱汽輪機廠生產的單機容量300 MW的水氫氫冷卻發電機機組。勵磁系統為三機靜止硅整流他勵勵磁系統[1-3]，主勵包括南京某公司生產的自動勵磁調節器SAVR2000和2個并列運行的上下可控硅整流橋FLZ500[4]。備勵包括感應調壓器、隔離變壓器和二極管整流裝置。主勵或備勵輸出接主勵磁機轉子繞組，主勵磁機輸出經3個并列運行的大功率二極管整流橋FLG2200FLG后接入發電機轉子繞組。勵磁系統如圖1所示，主勵磁機配置南京某公司生產的轉子接地保護裝置RCS-985RE。

2轉子接地保護原理

現在轉子接地保護一般采用乒乓式切換采樣或者外加電源注入方式實現，而轉子接地保護裝置RCS-985RE采用的是外加電源注入方式。主勵磁機轉子繞組的正負兩端與大軸之間注入一個由RCS-985RE保護裝置自產的48 V電壓，通過裝置內部電子開關定時切換，使外加電源模塊輸出偏移方波電壓，實時求解轉子一點接地電阻，保護反映發電機轉子對大軸絕緣電阻的下降。雙端注入式轉子接地保護的工作電路如圖2所示[5]。

圖2　雙端注入式轉子接地保護原理

圖2中：Rx為測量回路電阻；Ry為注入大功率電阻；Us為注入電源模塊；Rg為轉子繞組對大軸的絕緣電阻，主勵磁機轉子繞組正負極對大軸電壓分別為U2和U1。其原理是：通過周期切換改變注入電源Us的幅值Us1和Us2，分別測得通過Rx的泄漏電流ix1和ix2，計算出轉子繞組對大軸的絕緣電阻Rg。

狀態1：當注入電源Us為低電平Us1時，根據戴維南定理有

圖3　主勵磁機三相全控整流電路原理

(1)

狀態2:當注入電源Us為高電平Us2時，同理有

(2)

另外，在一定有功、無功情況下，主勵磁機轉子電壓Ur可以測量出來

(3)

聯立式(1)～(3)求解可得Rg，U1，U2。該廠主勵磁機轉子接地保護裝置RCS-985RE設置有一點接地靈敏段和普通段發信，定值均是15 kΩ，延時1 s；1點接地和2點接地跳閘出口壓板均未投。

3轉子一點接地的危害

發電機正常運行時轉子勵磁電壓(直流電壓)有幾百伏，勵磁回路對地電壓約為勵磁電壓的一半，轉子繞組及勵磁系統對地是絕緣的。因此，當轉子繞組或勵磁回路發生1點接地時，不會構成對發電機的危害。但轉子發生1點接地后更容易發生2點接地，因為發電機轉子1點接地后勵磁回路對地電壓將有所升高。例如，當勵磁回路的一端發生金屬性接地故障時，另一端對地電壓將升高為全部勵磁電壓值，即比正常電壓值高出1倍。在這種情況下運行，當切斷勵磁回路中的開關或一次回路的主斷路器時，將在勵磁回路中產生暫態過電壓，此電壓可能將勵磁回路中其他絕緣薄弱的地方擊穿，從而導致第2點接地。當發電機轉子繞組出現不同位置的兩點接地或匝間短路時，會產生很大的短路電流，可能會燒傷轉子本體；另外，由于部分轉子被短路，使氣隙磁場不均勻或發生畸變，從而使發電機轉動時所受的電磁轉矩不均勻并造成發電機振動，不得不減少負荷甚至損壞發電機。當發生更嚴重的2點接地時，會因發電機欠勵、失磁保護動作而引起機組解列。因此，發電機和主勵磁必須配備靈敏性、可靠性更高的轉子接地保護，當發生接地時必須立即處理以消除和隔離故障，有時為了防止故障惡化不得不停機。

4轉子接地故障分析及處理

4.1故障出現時的運行方式及現象

2009-05-23 T 17:34，該廠#2機組有功負荷210 MW，無功負荷32 MV·A，發電機勵磁電壓/電流175 V/1 486 A，主勵磁機勵磁電壓/電流21 V/126 A，其他參數正常。主勵磁機轉子接地保護裝置RCS-985RE發出轉子一點接地報警，運行人員查看RCS-985RE保護裝置面板，顯示主勵磁機轉子繞組接地點在0%與100%兩點切換，且接地電阻為0 kΩ，轉子兩點接地偏移量為87%。運行人員立即參看主勵磁機勵磁電壓、電流，均穩定無波動，同時用萬用表測得主勵磁機轉子繞組正負極對地電壓±11 V左右，主勵磁機振動、軸承溫度都正常。

4.2故障的處理

出現故障后，運行和檢修人員根據圖1進行了如下處理。

(1)檢修人員立即對發電機汽側大軸接地碳刷、滑環和主勵磁機碳刷、滑環進行檢查，發現各碳刷接觸良好，滑環表面清潔、無劃痕和碳粉積存現象，同時人工吹掃相應部位，故障還是未消失。

(2)運行人員分別退出上下可控硅整流橋FLZ500，并拉開相應整流橋的交直流側刀閘DK1(DK2)和DK3(DK4),故障現象依然沒有消除。

(3)運行人員進行主勵轉備勵后，退出上下可控硅整流橋，RCS-985RE保護轉子故障現象消失。

(4)檢修人員通過測量副勵磁機定子繞組三相對地電壓，發現A相電壓為0 V，B相、C相電壓升高到186 V，確定副勵磁機定子繞組A相金屬性接地，經過仔細查找發現副勵磁機定子電壓引入到主勵交流側開關41E靜觸頭的A相電纜絕緣皮破損，與勵磁柜外殼接觸(如圖3所示接地點)，電纜經過包扎后，將備勵轉為主勵供，主勵磁機運行正常，轉子接地保護裝置RCS-985RE再未發生轉子一點接地報警現象。

4.3原因分析

(1)副勵磁機定子繞組A相接地引起主勵磁機轉子接地保護裝置RCS-985RE發出轉子一點接地報警的原因，結合圖3進行如下分析。

三相全控整流橋的可控硅控制角60°<α<90°時的交流側相電壓波形和整流直流輸出波形如圖4所示。

圖4　控制角60°<α<90°時的波形

根據帶阻感性負載的三相全控整流橋原理，同時結合圖4可得[6]

(4)

式中：Ud為主勵磁機勵磁電壓即主勵電壓；Uf為可控硅管壓降，一般為0.8～1.0 V，U為副勵磁機定子線電壓(186 V)，α為可控硅控制角。可見：當α<90°，三相可控橋工作在整流狀態，將交流轉變為直流；當α>90°，三相可控橋工作在逆變狀態。

由表1可以看出，在時段3和時段4時，VT12(VT22)導通，將主勵磁機轉子繞組負極通過可控硅VT12(VT22)接地；同理，在時段1和時段6時，VT15(VT25)導通，將主勵磁機轉子繞組正極通過可控硅VT15(VT25)接地；同時，當相應可控硅導通時，可控硅自身電阻很小，所以主勵磁機轉子接地保護裝置RCS-985RE會出現接地位置在0%和100%兩點切換，且接地電阻為0 kΩ。同時也說明，退出單個可控硅整流橋，故障點還是未有效隔離，保護裝置依然報警。

表1　可控硅導通時序

(2)主勵切換至備勵后，主勵磁機轉子接地保護裝置RCS-985RE轉子一點接地報警消失的原因。由于正常運行時副勵磁機定子繞組至主勵磁機轉子繞組中間沒有一點接地，雖然副勵磁機定子線電壓186 V與平時接觸到的6 KV中性點不接地系統一樣。雖然副勵磁機定子繞組單相接地時，如圖1中定子電壓經過感應調壓變壓器變、隔離變壓器變輸出到備勵二極管整流橋的三相電壓還是對稱的，也就是說感應調壓變壓器、隔離變壓器調壓變、隔離變能夠完全隔離一次側的單相接地故障，二次側三相電壓仍然是對稱的，所以主勵磁機轉子接地保護裝置RCS-985RE檢測不出接地。因此，在機組運行過程中，當主勵因故障退出運行、主勵磁機由備勵提供勵磁電流時，轉子接地保護裝置不能監測隔離變一次側(包含)前所有系統的單相接地，需要運行人員定期用萬用表去檢測相關系統三相對地電壓是否平衡。

5結束語

轉子接地故障在大型發電廠時有發生，為了維護發電機以及主勵磁的安全、可靠運行，當發生故障時，需要盡快消除故障和隔離故障，以及確定具體的故障點。廣大電氣運行人員和繼保人員首先必須熟悉轉子接地保護裝置原理，掌握轉子接地故障時參數特征變化，借助一些儀表輔助測量相關系統的參數變化，同時根據現場保護故障信號及保護動作情況確定故障的范圍。

參考文獻：

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2000.

[2]陸繼明,毛承雄,范澍，等.同步發電機微機勵磁控制[M].北京:中國電力出版社,2005.

[3]周求寬, 廖勇, 姚駿.雙PWM變換器勵磁的交流勵磁發電機勵磁系統設計[J].電力系統自動化，2007, 31(6): 77-81.

[4]陳居現,楊國理.SAVR-2000靜態勵磁調節裝置的V/F限制改進與研究[J].南陽理工學院學報，2010，31(10):16-18.

[5]南京南瑞電氣控制公司.RCS-985RE注入式發電機轉子接地保護裝置技術和使用說明書[Z].南京：南京南瑞電氣控制公司，2008.

[6]趙可斌，陳國雄.電力電子變流技術[M].上海：上海交通大學出版社，1993.

(本文責編：白銀雷)

收稿日期:2016-01-15；修回日期:2016-03-28

中圖分類號：TM 862

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)04-0022-03

作者簡介：

王春民(1981—)，男，湖北黃岡人，助理工程師，從事發電廠集控運行方面的工作(E-mail:zdxiaoxunjian2011@163.com)。