1030 MW發電機轉子一點接地保護誤報警的分析及處理

于凱，薛松，袁飛帆，王鵬

（1.中電投河南電力有限公司技術信息中心，鄭州450000；2.國網河南省電力公司平頂山供電公司，河南平頂山467000）

0 引 言

轉子一點接地是汽輪發電機常見的故障形式之一。一點接地不會對發電機造成損壞，但是如果不能及時處理，可能會發展為兩點接地，導致燒傷轉子本體以及勵磁繞組，引起發電機振動，甚至造成發電機和汽輪機軸系磁化。因此，大型汽輪發電機都裝設有一點接地保護監測裝置［1］。

實際應用中，運行人員監測到轉子一點接地保護裝置動作信號后應首先排查故障點，確認故障后投入兩點接地保護。由于需要排查的環節多，且運行中無法檢查發電機內部，因此要確定是轉子回路出現故障還是保護裝置誤報警有很大的難度。

從近年來同類發電機的運行實踐來看，造成轉子接地保護誤報警的發生有多種可能：（1）保護裝置設計不完善［2］；（2）接地裝置接線不當［3］；（3）接地裝置不可靠等［4-6］。

1 報警及處理經過

（1）機組型號

某火電廠發電機型號為QFSN-1030-2-27型三相隱極式同步發電機，冷卻方式為水氫氫，勵磁系統為某公司的EX2100B勵磁裝置。

（2）轉子接地保護配置

發電機配置有RCS-985RE直流方波注入式（以下簡稱注入式）和RCS-985RS乒乓式兩種轉子接地保護裝置。在發電機汽端，用一對呈90°布置的銅辮實現大軸接地，并組成轉子接地保護的一部分。正常運行時，投入注入式保護，乒乓式保護備用。

（3）保護動作情況

2015年11月，該廠1#發電機運行中，注入式保護裝置間斷發出“發電機轉子一點接地”報警信號。現場檢查發電機集電環、碳刷架、勵磁柜［7］，未發現接地點。運行人員退出注入式保護，切換到乒乓式保護后，乒乓式保護同樣發“發電機轉子一點接地”報警信號。在準備降負荷停運1臺整流柜（共4臺）繼續排查時，現場人員發現發電機汽端兩處接地銅辮均出現不同程度的打火，檢查時發現銅辮上積有油泥，懷疑是造成打火的直接原因。用壓縮空氣吹掃銅辮清除油泥后，打火現象消失，保護裝置報警信號也隨之消失，說明轉子接地保護報警正是由接地銅辯打火所致。

2 原因分析

就國產注入式保護和乒乓式保護來說，文獻［5］詳細分析了大軸接地碳刷接地不可靠引起的保護測量回路地電位的變化，解釋了注入式保護裝置誤報警的原因；文獻［8］分析了正常情況下和轉子繞組接地后注入式保護裝置回采電壓的差異，闡述了注入式保護的動作原理。本文主要從注入式保護和乒乓式保護的數學模型出發，對大軸接地銅辮與大軸接觸不可靠時對保護裝置的影響進行理論分析。

當接地銅辮的接地不良時，相當于增加了轉子繞組的對地絕緣電阻，理論上這種情況應該導致保護裝置拒動而不是造成報警誤發。實際上，上述分析僅適用于穩定的接地不良情形；而接地銅辮處出現的打火屬于間歇性的接地不良。

下面分別分析這種現象對注入式保護和乒乓式保護的影響。

2.1 注入式保護報警分析

注入式保護的原理如圖1所示。

保護裝置在轉子繞組兩端注入±48 V的方波電壓Us。通過其分別為正負時，流經測量電阻Rx的電流i、i′計算轉子繞組絕緣電阻Rg［9］，與整定值進行比較。假設保護裝置采樣過程中轉子電壓不變，由回路電流法可得（大軸接地良好）：

圖1 注入式保護原理圖Fig.1 Schematic diagram of injection protection

接地銅辮接地不良時，如圖2所示，可以認為在大軸絕緣電阻和大地之間串接了一個接觸電阻Rj，接地銅辮打火時，接觸電阻消失。考慮下列兩種極端情況對注入式保護的影響：（1）方波電源為正值時接觸電阻為Rj，負值時接觸電阻為0；（2）方波電源為正值時接觸電阻為0，負值時接觸電阻為Rj［6］。

圖2 大軸間歇性接地時注入式保護示意圖Fig.2 Schematic diagram of injection protection when the shaftwas grounded intermittently

其與實際值的變化量為：

式中：

需要說明的是，式（1）～式（4）與文獻［6］對應的表達式不同，本文按照回路電流法對上述表達式進行了修正。可以看出，由于接地銅辮間歇性接地，當i′＞i時，△Rg＜0，絕緣電阻測量值比實際值小，當小于整定值時，保護裝置報警。從公式（4）可見，由于分子中Rj的存在，容易滿足i′＞i。

對第2種情況，絕緣電阻測量值設為R′g，可得：

其與實際值的變化量為：

式中：

同上，由于接地銅辮的間歇性接地，當i＞i′時，△Rg＜0，絕緣電阻測量值比實際值小，當小于整定值時，保護裝置報警。由式（7）可見，由于分子中Rj的存在，也容易滿足 i＞i′。

2.2 乒乓式保護報警分析

乒乓式保護的原理接線如圖3所示。

圖3 乒乓式保護原理圖Fig.3 Schematic diagram of Ping Pong protection

乒乓式保護通過S1閉合、S2斷開（回路1，2電流分別為 i1，i2），以及 S1斷開、S2閉合（回路 1，2電流分別為i1’，i2’）兩種狀態下回路方程計算絕緣電阻Rg［10］，與整定值進行比較。假設保護裝置采樣過程中轉子電壓不變，計算式如下（大軸接地良好）：

同注入式保護相似，接地銅辮接地不良時，如圖4所示，可以認為在大軸絕緣電阻和大地之間串接了一個接觸電阻Rj。接地銅辮打火時，接觸電阻消失。考慮下列兩種極端情況對乒乓式保護的影響：（1）S1閉合、S2斷開時接觸電阻為Rj，S1斷開、S2閉合時接觸電阻為0；（2）S1閉合、S2斷開時接觸電阻為0，S1斷開、S2閉合時接觸電阻為Rj［6］。

圖4 大軸接地不可靠時的乒乓式保護示意圖Fig.4 Schematic diagram of Ping pong protection when the shaft grounds intermittently

其與實際值的變化量△Rg為：

式中：

需要說明的是，式（9）～式（11）與文獻［6］對應的表達式不同，本文按照回路電流法對上述表達式進行了修正。由上述公式可以看出，由于接地銅辮的間歇性接地，當時，△Rg＜0，絕緣電阻測量值比實際值小，當滿足裝置的整定值時，保護裝置報警。

其與實際值的變化量為：

式中：

3 結束語

通過對運行過程中發電機轉子接地保護裝置發“轉子一點接地”報警信號的排查，確定接地銅辮處油泥污染引起的間歇性接地是造成本次誤發報警的原因。理論分析從數學模型上驗證了其誤動機理。

該型號發電機配置的RCS-985RE直流方波注入式和RCS-985RS乒乓式兩種轉子接地保護裝置在國內已經普遍應用，設計成熟，電廠的日常維護工作到位，保護裝置自身環節造成的誤報警可能性很小。但是發電機支持軸瓦或密封油瓦滲漏的油霧容易造成發電機大軸接地裝置的污染，引起大軸接地不可靠，進而可能引發轉子接地保護裝置誤報警，由于正在運行的發電機故障排查難度大，因此影響了運行人員的正常操作，甚至導致運行人員誤判。上述分析對發電機運行維護具有參考意義。