發電機短路試驗中轉子接地保護誤動作分析及關鍵問題探討

向方偉

(水電水利規劃設計總院，北京100120)

發電機短路試驗中轉子接地保護誤動作分析及關鍵問題探討

向方偉

(水電水利規劃設計總院，北京100120)

針對自并勵水輪發電機組在短路試驗中發生轉子一點接地保護誤動作的問題，對勵磁系統和繼電保護原理等方面進行了理論分析，探討了變壓器運行特性及高次諧波的影響。通過現場測試、錄制電壓波形等方法，查找出保護誤動作原因，并提出了相應處理措施。在此基礎上對發電機短路試驗中的關鍵問題及注意事項進行了探討。

發電機短路試驗；轉子接地保護；誤動作

轉子一點接地保護是發電機重要保護之一[1]。發電機正常運行中當轉子絕緣損壞時，將會引起轉子回路接地故障，以轉子一點接地最為常見， 如處理不及時又發生另一點轉子接地將會造成發電機轉子兩點接地故障。嚴重時可能燒毀發電機轉子，造成重大設備損壞。本文介紹了一起水輪發電機在短路試驗中發生轉子一點接地保護誤動作的原因，并提出了處理措施，探討了短路試驗中的關鍵問題。

1 發電機短路試驗情況

新疆某水電站裝機容量為4×115 MW，在一次機組啟動試驗過程中，當進行發電機短路試驗時，轉子一點接地保護發生了誤動作。

1.1 主要設備參數

發變組保護采用許繼電氣的WFB- 800系列保護裝置，其轉子一點接地保護采用“乒乓式轉子接地保護”原理。

發電機短路試驗勵磁裝置電源由廠用400 V采暖變壓器提供，型號為SG10- 630/10.5，接線組別號為Dyn11。

圖1 勵磁系統原理

1.2 試驗過程

1.2.1 發電機短路試驗接線方式

發電機短路試驗的接線方式如圖2所示。試驗前將勵磁變高壓側、低壓側電纜引線解開，勵磁裝置電源采用廠用400 V采暖變供電，將三相交流電源按相序接入勵磁裝置功率柜。

圖2 發電機短路試驗接線方式

1.2.2 保護動作情況

機組在啟動試驗前測量發電機轉子回路絕緣電阻大于500 MΩ，轉子絕緣合格。在發電機短路試驗過程中，當發電機定子短路電流升至2 690 A時，發變組保護裝置發出轉子一點接地保護動作信號。

將機組停機檢查勵磁回路、測量發電機轉子回路絕緣均正常，隨后再次開機進行試驗。機組空轉運行狀態時，在發變組保護裝置上查看轉子回路對地電阻值實時參數為680 MΩ左右。在發電機短路試驗過程中，隨著發電機定子短路電流的上升，發電機轉子回路對地電阻值開始下降，當定子短路電流升至2 690 A左右時，轉子回路對地電阻值開始在9～19.6 kΩ之間變化，再次發出轉子一點接地保護動作信號。

通過觀察試驗過程，發電機轉子回路對地電阻值隨著發電機定子短路電流的上升而下降。

1.2.3 試驗檢測

在發電機勵磁功率柜直流輸出端接入示波器，試驗過程中整流橋輸出電壓波形中含有大量不規則的尖端波，并隨著短路電流的增加諧波比例增大。通過試驗檢測發現整流裝置輸出電壓含有諧波分量[3]。

2 轉子接地保護誤動作原因分析及處理

2.1 短路試驗中諧波的產生

2.1.1 諧波產生的主要原因

電力系統中諧波產生的主要原因有發電源質量不高、輸配電系統、用電設備。

用電設備產生的諧波主要由非線性特性的電氣設備產生，①具有鐵磁飽和特性的鐵心設備，如:變壓器、電抗器等；②以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質的設備；③以電力電子元件為基礎的開關電源設備，如:各種電力變流設備(整流器、逆變器、變頻器)、大容量的電力晶閘管可控開關設備等[4]。

以上這些非線性電氣設備的顯著特點是它們從電網取用非正弦電流，也就是說，即使電源電壓是正弦波形，但由于負荷具有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓—電流特性，使得流過負荷的電流是非正弦波形，它由基波及其整數倍的諧波組成。產生的諧波使電網電壓嚴重失真，而電網還必須向它提供額外的電能。

2.1.2 短路試驗中諧波的產生

發電機EXC9000型勵磁裝置采用了可控硅晶閘管整流設備。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

對于配電變壓器來說，即使輸入電壓是正弦波，也會因為磁路飽和、磁滯等固有現象而使輸出的相電壓(相電勢)波形發生畸變，其中以三次諧波分量最為突出[5]。由于三相感應電勢中的三次諧波分量同相位且等值，線電壓中是不會存在三次諧波分量的。因三次諧波電流必須經過負載才能通行，變壓器Y聯結繞組中就不能存在三次諧波電流。

正常運行時，自并勵水輪發電機勵磁變壓器是專用特種變壓器，其繞組的聯接組別大多為Yd11接線方式，勵磁變壓器不僅能承受瞬間負載突變的沖擊和長時效的滿載運行，其繞組能經受連續、頻繁的過電壓。因變壓器負載側為△接線，三次諧波在變壓器的低壓側三角形回路中形成環流，線電壓中不存在三次諧波分量，有效地削弱諧波分量流入系統和負載，從而減少了高次諧波對勵磁整流裝置的干擾。

而本次發電機組短路試驗中，由聯接組別號為Dyn11的廠用采暖變壓器提供主勵磁裝置電源，發電機勵磁整流裝置產生的諧波電流在變壓器負荷側Y聯結繞組與勵磁裝置之間流動。

通過現場測試、錄制電壓波形等試驗檢測，也發現短路試驗中整流裝置輸出電壓含有諧波干擾信號。

2.2 轉子一點接地保護誤動作分析

2.2.1 乒乓式轉子接地保護工作原理

“乒乓式轉子接地保護”采用乒乓式開關切換原理，在發電機運行時，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接地位置，保護動作于信號。

乒乓式轉子一點接地保護原理如圖3所示。其中，S1、S2為由微機控制的電子開關，Rg為接地電阻，K為接地點位置，E為轉子電壓(考慮它的變化，新的電動勢以E′表示)。兩個降壓電阻R，一個測量電阻R1。

當S1閉合，S2斷開時(狀態1)，在R1上測得電壓為U1，當S1斷開，S2接通時(狀態2)，在R1上測得電壓為U2。

令

ΔU=U1-kU2，k=E/E′

圖3 乒乓式轉子一點接地保護原理

接地電阻和接地位置公式計算如下

計算結果可以實時顯示轉子接地電阻和接地位置，并記憶結果，為判斷轉子兩點接地作準備。當Rg小于或等于接地電阻整定值時，經延時發轉子一點接地信號或作用于跳閘。

2.2.2 轉子接地保護誤動作原因

因“乒乓式轉子接地保護”裝置在微機控制的電子開關在時序電路控制下周期性導通、截止，即轉子的正、負極人為地周期性接地，通過求解轉子電導的變化來判定發電機轉子的接地故障。

短路試驗中電源諧波干擾致使勵磁裝置直流輸出波形發生崎變，由于可控硅的輸出沒有緩沖直接作用于發電機轉子，因此，勵磁系統中的這些干擾信號就直接作用在發電機的轉子回路。電源諧波的干擾信號可通過發變組保護的附件板進入到轉子一點接地保護的插件板中，會使轉子電導G的測量結果產生較大偏差，造成測定的轉子電導G判定依據發生無規律波動，引起轉子一點接地保護動作，發出保護動作信號[6]。

2.3 保護誤動作后的應對與處理

本次發電機短路試驗采用400 V低壓電源給勵磁裝置供電，產生了諧波干擾信號，進而引起轉子一點接地保護誤動作。

發電機轉子一點接地故障將對發電機的安全運行構成威脅，為確保機組安全可靠運行，在發電機短路試驗中出現轉子一點接地信號時，應詳細檢查發電機轉子及其回路，測量轉子回路絕緣電阻。若轉子回路絕緣電阻值的檢查結果合格，判定保護裝置誤動作，繼續試驗而不會威脅發電機安全運行，可將轉子一點保護屏蔽后繼續試驗，以保證發電機短路試驗的正常進行。

3 發電機短路試驗的關鍵問題

3.1 試驗方案準備

發電機短路試驗是發電機系列試驗中一項重要試驗，試驗程序較為復雜，且新安裝機組應做短路試驗。發電機短路試驗前應明確試驗目的，按照DL/T507—2014《水輪發電機組啟動試驗規程》[7]、GB50150—2016《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準》[8]等規程規范和裝置技術說明制定詳細的試驗方案，制定合理的安全措施和應急預案，試驗過程中要嚴格按試驗方案進行，確保試驗的安全順利進行。

試驗后要對試驗數據進行仔細、認真的比對分析，以便得出正確的試驗結果。

3.2 短路點的選擇

短路點的選擇應根據試驗安全的需要和發電機主接線和出口斷路器的型號綜合考慮，并方便短路母線的安裝連接。

為方便定子電流的測量，短路點選擇在發電機出口CT后，短路點試驗回路內暫時不用的CT二次繞組應短路并可靠接地，相關自動裝置及電壓、電流保護按《水輪發電機組啟動試驗規程》及繼電保護運行方式投退。

如果發電機三相短路點設置在發電機斷路器外側，則應采取防止斷路器跳閘的措施，并將發電機出口隔離刀閘鎖定于分閘位置。

三相短路母線的材質宜與發電機出口母線一致或鍍銀硬質銅母排，其電流載流量可按5～8 A/mm2計算，連接方式采用螺栓連接或螺栓夾連，在試驗前按母排連接標準對短路連接質量進行檢查，防止大電流燒傷母排。

3.3 勵磁裝置試驗電源選擇

3.3.1 采用可調壓的整流電源設備

當可調壓的整流電源設備滿足發電機勵磁參數要求時，發電機組的短路干燥和短路特性試驗，一般情況下都是采用可調壓的整流電源設備為發電機提供勵磁電源的方式進行。

采用此方式進行發電機短路試驗，發電機勵磁調節器將在試驗過程中退出運行，應斷開勵磁系統起勵回路、整流功率柜輸入輸出回路等，相關繼電保護、自動裝置、計量、測量等按試驗方案做好安全措施。

試驗前應將可調壓整流電源設備的輸出引線接入發電機勵磁滅磁開關輸入端，并注意極性正確，并且可調壓整流電源設備的輸出電流調節至“最小”位置。

3.3.2 勵磁電源采用他勵供電方式

隨著近年來發電機組容量的不斷增大，可調壓整流電源已無法滿足發電機短路試驗的要求，這就需要利用勵磁系統來進行短路試驗。由于發電機端已經短路，故勵磁系統的勵磁電源需要采用他勵供電方式，有以下2種模式：

(1)系統倒送電后，由勵磁變壓器對勵磁裝置供電模式。

(2)通過廠用電對勵磁裝置供電，①通過6 kV或10 kV母線向勵磁變壓器供電模式，②采用廠用試驗變壓器代替勵磁變壓器供電模式。

在選擇通過廠用電對勵磁裝置供電方式時，有條件的情況下，盡量通過能滿足發電機的短路試驗需要的電站廠用外來高壓電源母線(6 kV或10 kV等)直接向勵磁變壓器提供他勵高壓電源，勵磁變壓器是專用特種變壓器，能有效地減少高次諧波對整流裝置的干擾。

若發電機勵磁變壓器副邊額定電壓為400 V左右，而在現場給勵磁變壓器提供高壓電源有困難時，可采用廠用試驗變壓器提供400 V低壓電源給勵磁裝置供電方式。但在試驗過程中可能會遇到下列問題：①在勵磁裝置小電流失控，造成這一現象的原因是廠用變壓器的繞組一般為Dyn11接線，變壓器三次諧波電流對勵磁裝置造成干擾，在小電流純感性負載時造成勵磁電流波動，排除的辦法可在滅磁開關輸入端并接一電爐或者電阻性負載(電阻參數選擇應滿足勵磁調節器特性，一般為50 Ω/(3～5)kW)。②如前述短路試驗中遇到的發電機轉子一點接地保護誤動作，解決辦法是將發電機轉子一點接地保護屏蔽，以保證發電機短路試驗的正常進行。

3.4 短路試驗注意事項

(1)水電站勵磁變壓器在發電機出口大多無斷口連接，因而在進行發電機短路試驗時，無論勵磁變采取何種供電方式，均需要將勵磁變壓器高壓側與發電機機端母線的電纜解開。

(2)短路試驗時必須按勵磁裝置說明書要求，將勵磁調節器的“殘壓起勵”、“系統電壓跟蹤”以及“通道跟蹤”等功能退出，并斷開起勵電源開關，同時嚴禁操作起勵按鍵和進行通道切換，以防止勵磁系統出現誤強勵等異常工況。

(3)正式試驗前，一定要先檢查勵磁電源的相序和調節器工作正常，確保是正相序。

(4)短路試驗中若需將發電機出口斷路器合閘，因發電機并非真正并網發電，必須將勵磁調節柜等自動裝置上“并網令”端子解開。

(5)發電機短路試驗中機端PT不帶電，無殘壓測頻信號，機組應采用手動開機方式。

4 結 語

發電機短路試驗是水輪發電機組啟動試驗中的一項重要試驗項目，具有一定的風險。試驗中要做到試驗組織嚴密、安全應急措施合理，繼電保護、自動裝置等設備的運行方式應正確，合理選擇勵磁電源和三相短路點，以確保各項試驗的安全順利進行。

[1] 王維儉. 電氣主設備繼電保護原理與應用[M]. 北京： 中國電力出版社, 1996．

[2] 楊冠城. 電力系統自動裝置原理[M]. 北京： 中國電力出版社, 2012．

[3] 吳競昌. 供電系統諧波[M]. 北京： 中國電力出版社, 1998．

[4] 郎維川. 供電系統諧波的產生、 危害及其防護對策[J]. 高電壓技術, 2002, 28(6)： 30- 31， 39．

[5] 黃紹平. Dyn11聯結組配電變壓器運行特性的分析[J]. 湘潭機電高等專科學校學報, 1996, 6(1)： 10- 13．

[6] 張儒清. 水輪發電機短路試驗問題探析[J]. 水電站機電技術, 2007, 30(3)： 41- 42, 45．

[7] DL/T 507—2014 水輪發電機組啟動試驗規程[S]．

[8] GB 50150—2016 電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準[S]．

MisoperationAnalysisandDiscussiononKeyProblemsofRotorGroundingProtectioninGeneratorShort-circuitTest

XIANG Fangwei

(China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

In view of the misoperation of rotor one-point grounding protection in short-circuit test of self-excited shunt hydro-generating set, the theoretic analysis on the principles of excitation system and relay protection are carried out and the operating characteristics of transformer and the influences of high harmonic are investigated. Through field test and recording voltage waveform, the reasons of protection malfunction are found out and corresponding treatment measures are put forward. On this basis, the key problems and precautions in short-circuit test of hydro-generator are also discussed．

generator short-circuit test; rotor grounding protection; misoperation

TM733.9

A

0559- 9342(2017)09- 0073- 04

2017- 02- 28

向方偉(1974—)，男，四川彭州人，高級工程師，碩士，從事水電工程質量安全、項目管理及生產管理工作．

(責任編輯高 瑜)