985RE转子接地保护在大型机组中的应用

鲜霄

（神华国华浙江浙能发电有限公司，浙江宁波315612）

985RE转子接地保护在大型机组中的应用

鲜霄

（神华国华浙江浙能发电有限公司，浙江宁波315612）

985RE数字式发电机转子接地保护在大型发电机组中应用广泛，简要介绍了985RE保护装置的软硬件构成与特点，着重对其一点接地电阻、位置，两点接地电阻、位置的检测原理进行了分析，提出了在保护整定中应当注意的问题，并针对实际应用中出现的问题，提出了相应的建议。以期对保护的应用提供有益参考，促进发电机转子接地保护运行水平的不断提高。

发电机；转子接地；保护；985RE；经验；分析

0 引言

转子接地是发电机较常见的故障之一。当励磁回路发生一点接地故障时，对发电机还不会造成较大危害，但如果再发生第2点接地故障，则会使发电机转子电流增大，无功出力降低，甚至产生剧烈振动，严重威胁发电机的安全。如果汽轮发电机励磁回路发生两点接地，则有可能使轴系和汽机磁化。因此装设完备的发电机转子接地保护对完善大型发电机组的保护体系和保障安全运行都有着十分重要的意义。

发电机转子一点接地时没有故障电流，甚至故障电压也不大，加上转子回路的高过电压水平一直限制着转子接地保护的发展和优化，成为了发电机保护的重点和难点。目前发电机转子接地保护原理主要以国内的方波注入式和国外的交流注入式为主。南瑞公司推出的985RE转子接地保护作为方波注入式的代表在国内大型机组有着广泛的应用。保护采用了高性能数字信号处理器DSP芯片为基础的双CPU（中央处理器）硬件系统，有独立的启动CPU作为启动元件，该启动元件在电子电路上（包括数据采集系统）与保护CPU完全独立。985RE采用具有自适应有源切换技术，在未加励磁电压的情况下也能监视转子绝缘。深入探讨分析985RE保护的相关功能，及时研究总结在运行中出现的问题，对提高转子接地保护的运行水平，保证发电机主设备的安全有着重要意义。

1 转子一点接地保护分析

1.1 单端注入信号

985RE保护可选择从转子正负两极与大轴之间注入，从转子一极（通常为负极）与大轴之间注入2种方式。当采用单端注入时，其等效回路见图1。

同时考虑注入电源的2种状态，可得转子回路与大轴间的电阻为：

图1 单端注入电路

式中：Us为注入电源方波的幅值；Rx为采用电阻；Ry为注入电阻。

1.2 双端注入信号

当采用双端注入时，其等效回路见图2。

图2 双端注入电路

同样可得转子回路Rg为：

测量不受转子电压的影响，即在发电机没有起励时仍可以监视转子回路的绝缘水平。在测量接地位置时，设转子电压为E（考虑方波注入电源影响转子电压的变化，新的转子电压设为E′），电流方向如图2所示。此时第1个状态可得以下方程：

第2个状态可得以下方程：

联解式（3）与（4）可得接地位置α为：

式中：U与U′为2个状态下测量电阻上的电压。

由式（5）可知转子电压不为零时，保护才能计算出实际接地位置。保护的范围为整个转子回路与整流桥交流侧（包括整个励磁变低压侧绕组）。

当在交流侧位置接地时，相当于在直流部分叠加了1个50 Hz的交流电压分量，该分量会产生泄漏电流。但这个泄漏电流为交流分量，不影响测量，在计算接地电阻时也会被消除，接地电阻的计算公式仍然适用。当交流侧发生接地时，因为不会对直流分量产生影响，所以U=-U′，可知α为50%。实际上转子绕组的电气中心位置不会发生接地，因此50%接地位置可直接判断为在整流桥交流侧发生了接地故障。

某600 MW机组在进行励磁整流桥轻负载试验时，转子一点接地频繁动作，检测接地位置50%，经检查为整流桥交流电源接入的是380 V低压厂变，该中性点直接接地，因此保护才会动作。

1.3 大轴接地碳刷接触不良对保护的影响

实际上以上分析未考虑到大轴接地碳刷接触不良的情况。当大轴接地碳刷电阻变化时，可用图3分析。

图3 接触电阻的影响

假设在第1个状态下大轴的接触电阻为Rz，第2个状态下接触电阻为0。可分别得到如下方程：

由此可以得到接地电阻为：

其中：

可见ΔRg的正负与接地电阻、接触电阻、转子电压、接地位置均有关。以下是某600 MW机组各因素对ΔRg的影响分析。

从图4中可以看到，影响ΔRg正负的主要因素是一点接地位置α，接地位置靠近负端ΔRg就为正，保护容易误动，接地位置靠近正端ΔRg就为负，保护容易拒动。其他3个因素主要影响ΔRg的大小，对其正负符号没有影响。

另外一种情况是第1个状态下大轴的接触电阻为0，第2个状态下接触电阻为Rz。直接给出结论：

影响ΔRg正负的主要因素也是一点接地位置α，其规律相同。因此只要大轴接地碳刷的接触电阻有变化，就会导致保护测量值偏大或偏小。影响的因素有接地位置、接地电阻、接触电阻、转子电压。其中接地位置靠近负极，测量值偏小，保护易误动，靠近正极，测量值偏大，保护易拒动；其他因素仅影响偏差值的大小，不影响正负符号。

实际上大轴接地碳刷接触不良的情况时有发生，大轴碳刷振动、碳刷污染或定期更换碳刷时，保护装置均会报警和启动。针对这种情况，应重视大轴碳刷的运行状态，提前消除隐患，在定期检查、更换碳刷时宜退出保护跳闸功能。有条件的可以在大轴X与Y 2个方向上装设大轴碳刷，以减少碳刷本身接触不良引起的误动和拒动；也可以加装另一套不同原理的转子接地保护（对大轴接触电阻不敏感原理优先）。

DL/T 684-2012《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》建议低定值段整定为0.5～10 kΩ，而DL/T 671-2010《发电机变压器组保护装置通用技术条件》对动作误差的要求：当整定值为1～5 kΩ时，允许差±0.5 kΩ，当整定值大于5 kΩ时，允许差±10%。因此发生保护误动的机组，建议适当地减小定值。

大型发电机组因为加入了轴电压吸收及其他附加回路，转子对地分布电容一般大于10 μF，保护的单个注入电阻为47 kΩ。因此整个测量回路的RC时间常数τ均大于0.24 s。考虑到稳态充放电时间为5τ和一定裕度，因此将电源注入周期整定为2.5～3 s以上，可以保证测量的准确性。

2 转子两点接地保护分析

2.1 工作原理

985RE具备有检测第2点接地的能力，但此功能仍具有较大的局限性。其原因为在于计算第2点接地电阻和接地位置时，必须依赖第1点接地电阻和接地位置。当第1点接地电阻发生变化，会影响第2点接地的测量。转子两点接地等效电路见图5。

图4 Rg，α，E，Rz对ΔRg的影响

图5 两点接地等效电路

根据图5可以列出基尔霍夫电压方程组：

式中：β为转子绕组两点接地短路的匝数比；Rh为第2点接地等效电阻。

经化简消去I3，并结合注入电源的2个状态，可以建立方程组。

最终可得到第2点接地电阻与接地位置为：

式（10）有意义的条件也是转子电压E与E′不为零，且Rg为已知。可见只有在准确测得一点接地电阻Rg后才能计算第2点接地位置β和第2点接地电阻Rh。实际上保护在检测到第1点接地电阻小于接地电阻灵敏段后，如果转子一点接地不投跳闸，则开始检测第2点接地。若检测到第2点接地位置β≠α，且第2点接地电阻Rh达到高定值段则出口跳闸。该现象已在某600 MW机组大修试验中多次出现，为保证机组稳定性，应在现场应用中退出该保护的两点接地跳闸功能。

2.2 应注意的问题

转子两点接地检测需要在稳定测得转子一点接地电阻的前提下进行，如果转子第1点接地电阻时刻发生变化，那按此种原理无法准确测得第2点接地的电阻与位置。

为了解决这个问题，保护在设计上采用了记忆功能。即测得一点接地以后，装置记录下Rg与α，并保持数分钟，在这个时间段内，若接地电阻发生变化，也不再重新计算，即使接地点绝缘缓慢恢复正常，也仍然当有接地点存在。此时若保护检测到第2点接地，则出口跳闸。因此这种原理的两点接地保护存在较大的误动可能性。考虑到两点接地保护原理的弊端与规程的要求，不建议投入该种保护的两点接地保护功能。

3 结语

985RE保护具有全数字化，保护功能相对完善，软硬件稳定性高，校验简单，在不加励磁电压的情况下也能监视转子绝缘的优点，在大型发电机组中获得了广泛的应用。但是也存在保护受接触电阻影响大，两点接地保护过于依赖一点接地检测值，所以在现场使用中也出现过一些问题。此外基于这种注入式原理的保护也无法实现双重化，因此建议搭配一种其他工作原理的保护来弥补不足，以提高转子接地保护的运行水平，确保发电机的安全稳定运行。

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（本文编辑：杨勇）

Application of 985RE Rotator Earth Fault Protection in Large Units

XIAN Xiao
（Shenhua Guohua Zhejiang Zheneng Power Generation Co.,Ltd.,Ningbo Zhejiang 315612,China）

Earth fault protection of 985RE digital generator rotator has been widely applied in large generator units.This paper briefly presents the software and hardware architecture and the feature of 985RE protection device and particularly analyzes principles of one-point grounding resistance and the location，two-point grounding resistances and the locations.In addition，it proposes problems that need attention during protection setting and puts forward suggestions on problems in practical use，expecting to provide reference for protection application and enhance generator stator earth fault protection.

generator；rotator earth fault；protection；985RE；experience；analysis

TM772

：B

：1007-1881（2014）03-0054-04

2013-07-16

鲜霄（1982-），男，杭州人，工程师，从事发电厂继电保护与自动装置的管理工作。