淺談提高微機型發電機轉子接地保護功能的有效對策

黃河西寧熱電有限責任公司 王 銳

在微機型發電機轉子繞組運轉的過程中，一點接地故障的發生概率較高，由于出現這類故障問題后不會形成相應的回路，因此電流無法通過接地點，也就無法影響到發電機的正常運行。但若這種故障問題未能得到及時有效的處理，造成了兩點接地故障，就會形成相應的回路，給電流的通過提供了條件后極易導致轉子繞組燒毀，干擾到電網的安全穩定運行[1]。由此可知，深層次分析微機型發電機轉子接地保護技術，對于我國電網的可持續穩定運行而言具有深遠的意義。

2022年10月13日，某廠600MW 發電機轉子接地保護裝置發出報警信號，為確保電力系統的穩定可靠運行，該廠立即安排相關人員對發電機保護柜展開檢查，經過全面系統的檢查后，發現接地點的位置在發電機組A 柜，其發出報警信號并顯示出兩個重要的告警信息，一個是轉子接地高定值7503ms，另一個是直流磁電壓318.483U、接地電阻19.861kΩ、接地點位置為49.286，表明轉子接地電阻＞規定值。現場工程人員及時采取了復位措施進行處理后報警隨之消失，對接地保護裝置進行檢測后，發現Rg=24.476kΩ。告警前，微機型發電機轉子繞組的具體情況與告警的情況，如表1所示。

表1 告警前與告警后微機型發電機轉子繞組運行參數

通過對告警前發電機轉子繞組運行狀態的分析發現。保護動作B 屏的轉子接地保護未見異常，處于正常狀態并且機組負荷未見明顯變動。

1 微機型發電機轉子繞組異常問題分析

原因分析。針對微機型發電機轉子繞組的異常問題，該廠工作人員立即采取緊急預案，暫停發電機組的運行，并且對相關負荷進行調整，同時對發電機組的各個重要構件進行了全方位的檢查，其中包括滑環、勵磁系統、碳刷、直流回流母排以及大軸接地碳刷等，對這些構件進行外觀檢查后，發現均屬于正常狀態，未見異常情況，對軸電壓進行檢測后確定為5.3V，這一數值在合理范圍內。

為準確排查出發電機轉子繞組的異常原因，對保護A 屏展開了檢測，主要的工作對象就是A 屏的采樣。在實際檢測過程中，作業流程為：保護A屏退出轉子接地保護——啟動B 屏轉子接地保護動作——檢測B 屏接地電阻。對事故現場B 屏接地電阻進行科學的檢測后，可以獲得數值24.574kΩ，將A 屏與B 屏的接地電阻進行綜合對比分析可知，A屏不存在保護誤動的問題，因此可以確定本次事故的主要誘因為發電機轉子繞組的絕緣值過低[2]。

為進一步驗證事故分析結果的準確性，該廠工作人員通過計算機設備獲得勵磁系統的運行圖紙后，對圖紙進行了觀察分析，圖紙中明確表明，在轉子電壓回路中存在濾波回路，并且這種回路以疊加的狀態與轉子接地保護回路連接到了一起，導致發電機轉子的接地電阻值小于規范值，即Rg＜25kΩ，這種運行模式與轉子接地保護裝置的運行原理之間不符，導致A 屏告警。

該廠工作人員對發電機轉子保護巡檢臺賬進行查閱后發現，轉子的接地電阻值始終在25kΩ 內活動，具體的活動范圍為22.7～24.9kΩ。因此能夠判斷出本次事故的根本原因如下：微機型發電機轉子繞組的接地電阻值與保護定值之間較為接近，在保護裝置運行的過程中，需要對轉子接地電阻進行采樣，一旦出現采樣偏差超過保護定值，就會觸發保護誤動作，因此要解決轉子絕緣偏低問題，避免因保護裝置的采樣誤差，造成保護動作的告警[3]。

2 解決措施

2.1 方案制定

2022年11月5日，該廠例行對微機型發電機組進行檢查維修，為解決絕緣偏低造成的保護誤動問題，展開了機組的停運檢修，為達成一次檢修到位的作業目標，該廠制定了詳細的處理方案。

首先，該廠與勵磁裝置的生產商展開了積極的溝通和交流，在對勵磁系統的設計圖紙、原理等進行確認后，明確了在勵磁系統中設置濾波回路的主要目的，即實現對發電機軸電壓的有效控制，針對這一問題，無法采取有效的措施對濾波回路加以優化，因此該廠決定取消濾波回路后，試運行勵磁裝置，在試運行的過程中，勵磁裝置仍然處于正常運行狀態，因此濾波回路的取消，對勵磁裝置無不良影響。

其次，對微機型發電機的運行原理進行分析后發現，能夠限制軸電壓的措施較多，主要涉及到以下幾個方面：一是利用接地碳刷實現對大地的直接接地。操作方法為，將接地碳刷設置到發電機組汽輪機側的大軸位置，在發電機運行過程中，若蒸汽與汽輪機葉面出現碰撞，就會產生相應的靜電荷，并轉變成軸電流，這時接地碳刷就會發揮作用將軸電流與大地直接接地；二是加裝絕緣。這種軸電壓限制技術指的是，將新的絕緣安裝到發電機勵磁裝置的側軸瓦上，同時設置接地碳刷，在接地碳刷的作用下，汽輪機側大軸順利接地后，若絕緣油膜出現破損等不良現象，磁通誘發的軸電壓會形成相應的閉合回路，但將絕緣層加裝到勵磁裝置的側軸瓦與大地之間后，閉合回路就無法順利形成，實現對勵磁裝置軸頸與軸瓦的有效保護[4]。

最后，與發電機生產商溝通協商后確定，將濾波回路取消后在技術層面不會對發電機的正常運行造成不良影響。因此本次事故的最終解決方案為：將勵磁裝置中的濾波回路取消，確定對裝置本身以及發電機無任何影響后，設置接地碳刷并加裝絕緣層。為確保發電機能夠長期處于穩定運行的狀態，取消濾波回路后，對發電機運行的各項參數值進行實時監測，掌握軸電壓值的具體情況，確保軸電壓值與歷史記錄不存在明顯偏差。

2.2 方案效果

為驗證本方案的實施效果，展開系統的檢測工作，主要是從以下幾方面入手。

對發電機A 屏轉子接地保護與B 屏轉子接地保護進行檢驗，確定采樣、出口等均不存在任何異常后，可以確定本次事故的誘因與保護裝置本身無關；對發電機勵磁裝置側軸瓦對地絕緣進行檢測，在絕緣1000V 電阻表的作用下，可以確定側軸瓦對地絕緣的電阻值為1200MΩ，符合發電機的規范運轉要求；對發電機汽輪機側大軸接地碳刷進行檢測，確定電阻值為0MΩ，符合發電機規范運轉要求；對發電機轉子繞組回路絕緣進行檢測，主要的檢測方法為：將碳刷拆除后，檢測出的絕緣電阻值為1300MΩ。對勵磁裝置直流側刀閘進行檢測后，確定直流母排絕緣為0MΩ。上述數值為濾波回路未取消情況下的絕緣電阻值，將濾波回路取消后，對勵磁裝置的直流母排絕緣檢測后，明確電阻數值為900MΩ。

通過對方案實施效果的分析可知，該廠發電機組轉子告警的實質原因為濾波回路，因此將濾波回路取消，利用其他的方式限制軸電壓后，能夠有效解決發電機轉子保護誤動問題[5]。

3 微機型發電機轉子繞組接地保護技術應用策略

在微機型發電機轉子繞組運行期間，接地保護技術的應用具有針對性，在判斷一點接地過程中，方式方法較多，其中一種是對轉子一點接地的報警系統進行檢查，采取復歸的方式，若能夠順利復歸，證明一點接地故障屬于瞬時接地故障。若未能順利復歸，需要對轉子一點接地的報警系統展開進一步的分析和排查，確定是否存在一極接地的情況，最終確認是勵磁回路的故障問題還是測量保護回路的故障問題，在此基礎上，采取有針對性的解決措施。

3.1 發電機轉子一點接地保護

微機型發電機轉子一點接地保護技術的運行模式主要有兩種，一種是乒乓式保護模式，這種工作模式較為成熟，并且在該廠得到了有效應用。乒乓式接地保護技術指的是，以2個接地回路方程為導向，由于這兩個方程之間存在顯著的不同，因此計算出第一個方程后，能夠掌握發電機轉子接地的電阻值，獲得第二個方程的數值后，能夠掌握發電機轉子接地的具體位置。在乒乓式接地保護裝置運行期間，轉子一點接地保護采樣接線主要涉及到電子開關、接地點以及降壓電阻等內容，其中S1與S2即電子開關，主要由微機控制；a、Rg、E分別代表的是接地點的具體位置、接地電阻以及轉子電壓；2個降壓電阻、1個測量電阻分別用R與R1表示，如圖1所示。

圖1 乒乓接地保護技術原理

明確轉子一點接地保護切換的具體原理后，利用2個不同的接地回路方程，準確計算出接地點的位置，并進行追蹤和記錄后，能夠預判出轉子兩點是否存在想要接地動作，進而為轉子兩點接地故障的處理做好充足的準備。這種一點接地保護技術可能會出現保護誤動作的問題，因此該廠結合微機型發電機轉子的實際情況，設置了啟動乒乓式接地保護技術的判斷依據，即當接地電阻＞40V 時，則啟動轉子一點乒乓式接地保護；在接地電阻≤整定值的情況下，則延遲發送轉子一點接地保護啟動的信號。另一種為注入式保護，由于這種接地保護技術仍處于發展階段，因此在該廠的應用范圍較小，不作詳細介紹。

3.2 發電機轉子兩點接地保護

轉子兩點接地保護技術是以一點接地保護技術為基礎，即當微機型發電機轉子回路的接地裝置再次啟動保護動作后，就發射相應的信號，該廠的工作人員將采用人工的作業模式，啟動兩點接地保護裝置，在這種作業條件下，保護裝置的Rg與E均會發生不同程度的變化，一旦這種變化值＞該廠的規定值，發電機轉子兩點接地保護裝置，就會直接作用于停機。

為有效提高微機型發電機轉子接地保護功能，還要加強對電力檢測裝置的應用，在操作各種裝置的過程中，需要將重點放在兩方面，一方面是針對＜1MW 的發電機轉子一點接地故障，應配置檢測裝置。另一方面是針對＞1MW 的的發電機轉子一點接地故障，應配置相應的動作延遲裝置，同時還要減負荷平穩停機或者動作于程序跳閘。

具體而言，造成微機型發電機轉子繞組故障的原因較多，不同的誘因影響程度以及解決措施也應有所不同，因此,在電廠運行過程中，需要結合實際情況，制定有針對性的故障解決方案，將保護誤動作問題的發生概率控制在最小范圍內，為電力系統的穩定運行提供堅實的保障[6]。

綜上所述，發電機轉子繞組是發電廠重要的一次設備，做好發電機轉子繞組的保護與調節，對于發電廠的可靠運行而言具有重要的作用。在發電機轉子保護裝置運行的過程中，極易出現接地保護誤動作，這就需要發電廠對接地保護誤動作的原因進行深入分析和研究，掌握造成接地保護誤動作的誘因后，采取科學合理的解決措施，通過對某廠微機型發電機繞組接地保護誤動作原因的分析后，發現濾波回路是誘發保護誤動作的主要原因，相關解決措施能夠為從業人員提供參考和借鑒。