發電機注入式轉子一點接地故障分析

呂國濤*，楊浩，尹永利，黃聞韜

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發電機注入式轉子一點接地故障分析

呂國濤*，楊浩，尹永利，黃聞韜

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川成都，615000）

轉子接地保護是水輪機組繼電保護的重要組成部分，轉子接地保護裝置的正常運行對機組穩定運行起著非常重要的作用。本文分析了雙端注入式原理測量轉子絕緣電阻時，影響轉子絕緣降低的可能性原因，對轉子絕緣降低故障查找具有一定的參考指導意義。

轉子絕緣降低；注入式；一點接地；雙端注入

引言

對于水輪發電機組而言，當勵磁繞組及其相連的直流回路發生一點接地故障時，由于沒有形成短路回路，接地點并沒有故障電流，所以并不會產生嚴重的后果。但是如果繼發第二點接地故障時，部分轉子繞組被短接，接地點流過的故障電流將燒傷轉子本體。部分勵磁繞組被短接以后氣隙磁場發生的畸變會造成轉子振動的加劇；此外兩點接地后還可能發生軸系磁化。這些都將嚴重威脅水輪發電機組的安全。

目前水輪發電機轉子接地保護原理主要以國內的方波注入和國外的交流注入為主，國內大型機組轉子接地保護以南瑞推出的985RE轉子接地保護為代表。本文主要分析轉子一次側回路不同位置故障時對注入式985RE裝置測量的影響。[1]

某600MW水力發電機機組轉子一點接地保護采用雙重化配置：一套南瑞RCS-985RE注入式轉子接地保護、一套RCS-985RS乒乓式轉子保護,同時配置一套WL2C-S 轉子絕緣監測定位裝置。發電機轉子絕緣在線監測和接地定位裝置通過切換把手進行方式切換，正常運行時，轉子接地保護投注入式，采用雙端注入方式。該水輪發電機組采用自并勵數字式靜止可控硅系統進行勵磁，因此實際測量中RCS-985RE裝置所測絕緣電阻回路包括整個轉子、勵磁系統交直流側回路。影響轉子絕緣電阻的因素可能有：勵磁系統交流側絕緣降低、轉子一次回路絕緣下降、大軸接地碳刷接觸不良、測量回路元件故障等因素。

1 雙端注入轉子一點接地保護

1.1 雙端注入原理

985RE保護選擇從轉子正負兩極與大軸之間注入，其等效回路如圖1。

注：Rg為轉子絕緣電阻、Us為方波注入源、Rm為裝置測量電阻、Ry為耦合電阻

根據圖1，通過回路電流法計算，得到接地電阻計算公式為：

接地位置計算公式為：

裝置采用近似計算，假設方波電源正、負兩種狀態下轉子電壓不變，不考慮接觸電阻時的接地電阻。其中Rm為裝置測量電阻，經咨詢廠家為700Ω，i’和i為裝置顯示泄露電流，Ry為47kΩ，2Us為注入方波正負差，正為46V,負為0V。

1.2 雙端注入原理的特點

從式1推論計算可知：轉子絕緣電阻測量計算結果不受轉子電壓的影響，即在發電機沒有啟勵時仍然可以監視轉子回路的絕緣水平。根據式2可知：在測量接地位置時，當轉子勵磁電壓不為零時，可以準確測量出接地位置，保護范圍為整個轉子回路與整流橋交流側。當轉子勵磁電壓為零時，無法進行接地位置的準確測量。

2 勵磁系統交流側絕緣降低

由于注入式轉子接地保護在機組未加勵磁時也能對絕緣電阻值進行測量，此時測量結果為直流側回路絕緣電阻，因此若僅勵磁系統交流側發生接地，則在機組未加勵磁電壓時裝置測量結果應為絕緣電阻值合格。在機組啟勵之后，裝置測量對象包含勵磁系統交流側，此時若僅勵磁系統交流側發生接地，則測得絕緣電阻會降低。由于交流側接地對接地位置α的測量不會產生影響，因此此時的實測接地位置應為50%附近跳變。

若僅勵磁系統交流側接地，則通過對比機組啟勵前后裝置測得的接地電阻值即可準確進行判斷，并且確認勵磁系統交流側是否有接地現象。

3 轉子一次側回路絕緣下降影響因素

由于轉子磁極線圈絕緣破損，導致轉子線棒與轉子支架間絕緣降低，裝置實際測量轉子絕緣電阻值降低，導致機組轉子一點接地保護動作。分析轉子一次側回路，可能引起一次側絕緣降低的情況有一下幾種：

3.1 滑環室碳粉堆積

發電機轉子為轉動部件，該部件與勵磁系統直流側連接采用碳刷進行連接，碳刷一側連接勵磁電纜，一側接觸轉子滑環，將勵磁電壓加壓至轉子兩端。碳刷在實際機組運行過程中會磨損，產生大量的碳粉，通過在滑環室安裝碳粉收集裝置收集碳刷粉塵。機組實際運行中發現長時間運行后，在轉子中心體內和滑環支撐柱上均存在大量的碳粉堆積，對這兩個部位的碳粉進行清掃后，勵磁引線對地絕緣上升顯著。由此判斷，碳粉收集裝置收集效率偏低引起碳粉在中心體和滑環支撐上堆積，也會導致勵磁引線絕緣偏低。

3.2 空冷器刺水至轉子線圈

水輪發電機組采用雙路密閉自循環端部回風的空氣冷卻方式，設置空氣冷卻器，均勻地布置在定子外緣，由機變技術供水進行冷卻。由于空冷器存在漏水的風險，因此若空冷器刺水，噴至發電機內部轉子上也可能引起轉子線圈絕緣降低。

3.3 轉子內部存在金屬異物

由于轉子為高速轉動部件，因此實際運行中需將轉子內部相關部件上的銘牌進行拆除。若轉子內部遺留金屬部件或金屬銘牌，隨轉子運行過程中掉落導致轉子內部短路，同樣會導致轉子絕緣下降，機組跳閘停機。

4 大軸接地碳刷接觸不良[2]

大軸接地碳刷接觸不良時，裝置實際測量回路發生改變，即大軸與碳刷之間存在變化電阻Rz，該電阻的存在會導致絕緣電阻Rg測量結果發生變化。因此研究大軸接地碳刷接觸不良時測量結果與實際值之間的關系具有現實意義。

圖2 大軸接地碳刷接觸不良時測量電路原理圖

方式一：假設第一個狀態下大軸的接觸電阻為Rz，第二個狀態時接觸電阻為0.則可以得到如下方程組：

由此得到接地電阻為：

由以上公式可知，ΔRg的正負與接地電阻、接觸電阻、轉子電壓、接地位置均有關。ΔRg正負的主要影響因素是接地位置α。

方式二：假設第一個狀態下大軸的接觸電阻為0，第二個狀態時接觸電阻為Rz。同理分析可得：

同樣，ΔRg的正負與接地電阻、接觸電阻、轉子電壓、接地位置均有關。ΔRg正負的主要影響因素是接地位置α。

大軸接地碳刷接觸不時，以上兩種方式下，無論哪種方式，通過ΔRg對α進行求導，均可知ΔRg為關于α的減函數。因此故障位置α越靠近負端，Rg計算值越小，保護越容易動作。由于ΔRg表達式中有數值不確定因素，因此對于方式一有：

同理以上求解過程，對方式二時ΔRg與α關系進行求解，同樣可得：第一個狀態大軸碳刷接觸電阻為0，第二個狀態為Rz 時的結論。在Rg 變化隨α變化趨勢上，二者相同。由于以上分析均為估算，因此，實際Rg 變化隨α變化趨勢上，α范圍可能會更廣。

實際上大軸接地碳刷接觸不良的情況時有發生，大軸碳刷振動、碳刷污染或大軸至轉子接地保護柜信號回路斷線均會導致絕緣電阻測量結果出現偏差，因此針對這種情況應重視大軸碳刷的運行狀態，提前消除隱患。

5 結束語

本文對可能引起水輪機轉子絕緣電阻降低的情況進行了分析，通過以上分析可知，引起轉子一點接地保護動作的原因有：勵磁系統交流側絕緣降低、滑環室碳粉堆積、空冷器刺水、轉子內部存在金屬異物、大軸接地碳刷接觸不良等主要原因。通過不同部位故障時的故障現象，可以推知相應的故障部位，對實際故障查找具有一定的指導意義。

[1] 裴麗秋. 一起南瑞RCS-985RE注入式轉子接地保護報警分析[J]. 中國高新技術企業, 2017, (11):21-22.

[2] 鮮霄. 985RE轉子接地保護在大型機組中的應用[J]. 浙江電力, 2014, (3): 54-57.

[3] 羅紅俊, 吳禮貴. 注入式轉子接地保護在三峽電廠的應用與改進[J]. 水電站機電技術, 2016, 39(3): 68-71.

[4] 王翠翠, 易亞文, 朱遲銳. 大型水輪發電機轉子一點接地保護應用研究[J]. 水電站機電技術, 2012, 35(5): 87-89.

[5] 許麗娜, 張波濤. 注入式轉子一點接地保護原理[J]. 云南電力技術, 2010, 38(3):67-69.

Analysis of One Point Grounding Fault of Generator Injected Rotor

LV Guotao*, YANG Hao, YIN Yongli, HUANG Wentao

(the Yalong River Hydropower Development Co., Ltd. Sichuan Chengdu, 615000, China)

rotor ground protection is an important part of relay protection of hydraulic turbine unit. The normal operation of the rotor grounding protection device plays a very important role in the stable operation of the unit. This paper analyzes the reason of the influence of the rotor insulation resistance when measuring the rotor insulation resistance, and it has certain reference significance for the rotor insulation reduction and fault finding.

rotor insulation reduction, injection type, one point grounding, double ended injection

呂國濤, 楊浩, 尹永利, 等. 發電機注入式轉子一點接地故障分析[J]. 數碼設計, 2017, 6(5): 90-91.

LV Guotao, YANG Hao, YIN Yongli, et al. Analysis of One Point Grounding Fault of Generator Injected Rotor[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 90-91.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.037

TM621.3

B

1672-9129(2017)05-0090-02

2017-01-20；

2017-03-01。

呂國濤(1993-)，男，四川成都，助理工程師，水電站運行維護。E-mail: guotao_chillax@126.com