ABB发电机转子接地保护装置国产化改造的研究与应用

刘建平

（大唐乌沙山发电有限责任公司，浙江 宁波 315722）

近几年，发电厂应用的ABB励磁系统UNS3020a-Z型转子接地保护装置运行状况不良，已发生多起误动作事件。为防止此类故障导致发电机组非停事件的发生，大多将该保护装置改投信号，但是该装置未提供转子两点接地保护功能，在发电机转子发生一点接地后，若再发生第二点接地故障，将会严重烧坏发电机转子，后果不堪设想。

目前国内已研制出技术领先、运行稳定、成熟可靠的单体式国产微机型发电机转子接地保护装置，因此将ABB励磁系统转子接地保护更换为国产微机型保护已成为可能。

1 ABB转子接地保护存在的问题

乌沙山发电厂一期工程机组的发电机转子接地保护，采用瑞士ABB公司生产的励磁系统自带UNS 3020a-Z型转子接地保护装置，安装在励磁系统直流出线柜内，保护装置应用电桥平衡原理见图1，依据发电机转子对地电阻的变化动作于发信或跳闸，不能区分转子一点接地和两点接地。保护设有一段高定值2 kΩ，延时5 s发信；一段低定值0.5 kΩ，延时2 s发信或跳闸。

图1 ABB UNS3020型转子接地保护原理图

转子接地保护装置S1与S2之间的电容为转子绕组对地电容（即电桥电容C04，C05，C10，C11），机组正常运行时其值较为稳定，CX为保护装置内部可调电容，电阻2K1与2K2大小相等，接地保护调试完成后F75内部电桥达到平衡，T1两端电压很微弱（一般调整到50 mV以内）。一旦转子绕组接地或发电机大轴接地点接触不良，S1和S2之间电容将发生改变，F75内部电桥平衡被破坏，T1感应出电压，保护装置根据电压大小比较判断转子接地电阻状况。一般发生转子接地故障时，T1两端电压为2 V以上，保护装置发出跳闸信号。当发电机大轴接地点（接地炭刷）与地接触不良时，T1两端电压一般在0.7～2 V之间，保护装置会发出接地报警。

由于转子接地保护采用惠氏通电桥原理，容易受汽机侧大轴接地状况变化，引起对地电容值摆动影响而出现误动作。装置为集成电路型无自检功能，无法有效在线监视发电机转子绝缘状况及转子正负极对地电压大小，不能区分发电机转子一点接地和两点接地故障。保护装置还存在安全可靠性差、人机界面不友好（未配置液晶显示屏、通信接口）、定值无法修改等缺陷，不利于运行和维护人员对发电机转子的监测和分析。为了确保机组的安全可靠运行，应予更换。

2 保护选型

经过深入调研，充分证明目前国产微机型发电机转子接地保护原理上已经成熟，制造工艺也达到了较高的水平。国产转子接地保护装置人机界面友好，可在线监视转子正负母线对地电压及转子对地绝缘，并能有效区分一点接地和两点接地情况，保护出口方式可选择，便于检测和分析，软硬件质量好，能保证长期良好的售后服务，选用国产产品更可靠便捷。

应用的转子接地保护原理主要有切换采样式、注入直流电压式和注入低频方波电压式。切换采样式需利用励磁电压，不能满足无励磁状态下的测量要求；注入直流电压式由于转子电压的作用，在转子绕组不同位置发生接地故障时，灵敏度差异很大；注入低频方波电压式采用新型保护原理，可满足无励磁状态下的测量要求，不受转子绕组对地电容的影响，灵敏度高且一致，能在100%范围内测量转子接地故障，同时也能反映转子绕组绝缘状况，起到监视绝缘老化的作用。

综合比较后认为，注入低频方波电压式原理具有突出的优势。注入方式又可分为双端注入式和单端注入式，单端注入式只能检测转子一点接地，双端注入式能够实现完整的转子一点接地保护、两点接地保护和一点接地故障位置定位等功能。4号机组具有安装双端注入原理的条件，故最终选定具有双端注入原理的转子接地保护装置。

3 改造方案论证

国产转子接地保护根据现场要求能够提供多种实现方案，可集成在发变组保护装置内，也可采用小型单装置就地安装在励磁系统AVR柜内。

方案一：在发变组保护柜内装设转子接地保护装置。优点：环境温度稳定，干扰源少。缺点：需通过电缆将转子电压引入机组保护屏，且铺设距离较长，大大增加了励磁回路复杂性和接地故障概率，具有安全隐患。另外，励磁系统额定电压较高，引入保护柜也会对保护装置的安全运行带来不利影响。

方案二：转子接地保护装置就地安装在励磁AVR控制柜内。优点：无需把发电机转子回路引到励磁系统外部，安全性高，接线简单，节约电缆投资。缺点：AVR控制柜内运行环境较差。

综合以上分析决定采用第2个方案，选用南瑞继保公司RCS-985RE型发电机注入式转子接地保护装置，如图2所示。发电机正常运行时转子绕组回路对地（大轴）绝缘，发生转子绕组接地故障后，对地绝缘被破坏。通过在发电机转子绕组两端注入方波信号，可区分正常运行和接地故障。正常运行时发电机由注入方波电源引起的对地泄漏电流几乎为零；转子绕组接地故障时，此电流明显地发生改变，通过检测该电流的变化，可实时计算转子一点接地故障过渡电阻及一点接地故障位置，并可由接地位置的变化量实现转子两点接地保护功能。

图2 双端注入式转子接地保护原理

保护装置采用全封闭铝合金机箱，软硬件冗余配置，可区分转子一点接地和两点接地故障，出口方式可选择性强，改造设计时考虑了跳闸出口冗余配置，在跳闸中间继电器损坏情况下，还可通过AVR内部发出跳闸指令，可靠停机。装置采用液晶屏显示，可在线实时监测发电机转子正负母线对地电压和转子绝缘电阻，及时反映转子绕组绝缘状况，有助于运行维护人员实时监测、诊断、分析和跟踪发电机转子健康状况。保护具有抗干扰能力强，动作快速、灵敏，可靠，人机界面友好，自动录波等优势。

4 保护更换的实施

在改造中本着最小的变动、最安全可靠的原则，尽可能保留原有回路。具体方案如下：

（1）按照不留寄生回路的原则，从回路两侧拆除原ABB UNS 3020a-Z型转子接地保护装置的所有输入、输出回路。

（2）保留原转子接地保护惠氏通电桥回路中用于防止转子回路过电压的阻容回路。

（3）在励磁AVR柜门操作面板旁开孔安装新的转子接地保护装置RCS985RE。

（4）在励磁AVR柜内左侧空缺位置安装3个空开及2个分压电阻。

（5）在励磁AVR柜门转子接地保护装置下方安装1个转子接地保护动作信号复归按钮；转子一点接地、两点接地、保护功能压板；转子接地保护连跳AVR压板；保护连跳发变组及灭磁开关压板。

（6）保护装置输出至ECS的装置异常报警信号；转子一点接地动作信号和转子两点接地动作信号；输出至故障录波器的信号；输出至AVR连锁信号。

（7）原大轴接地电缆接入保护装置RGND端子，转子电压经空开接至保护装置Ur+、Ur-端子，引接GPS信号至RCS985RE保护装置207与208端子。

（8）用通信方式将重要的模拟量，如转子正负母线对地电压及转子对地电阻等参数实时远程显示。

5 结语

更换的转子接地保护装置运行情况良好，实时监视发电机转子正负母线对地电压和转子绕组对地绝缘电阻，给运行和维护人员对发电机转子绝缘的监视、跟踪和分析提供了依据，满足机组运行要求。另外，大唐彭水发电厂采用的RCS985RE型转子接地保护装置曾准确检测到了转子两点接地，避免了设备事故，间接证明了所选保护装置的可靠性。

[1]陈俊，王光，严伟，等.关于发电机转子接地保护几个问题的探讨[J].电力系统自动化，2008，32（1）:90-92.

[2]南瑞继保电气有限公司.RCS-985RE注入式发电机转子接地保护装置技术和使用说明书[G].2008.