一起主励磁机转子接地故障的处理与原因分析

王春民

(广州珠江电厂，广州　51000)

一起主励磁机转子接地故障的处理与原因分析

王春民

(广州珠江电厂，广州51000)

摘要：介绍了外加电源注入式转子接地装置RCS-985RE的保护原理以及转子接地产生的相关危害，结合一套三机他励励磁系统的主励磁机转子一点接地故障实例，提出了故障处理相应步骤，并分析了故障发生的原因。同时指出，转子接地保护装置在特定运行方式下不能检测有关系统故障，并给出了合理的辅助测量判断手段。

关键词：转子一点接地；主励磁机；可控硅；RCS-985RE

图1　三机他励励磁系统图

1系统概况

广东某电厂4×300 MW机组汽轮机为哈尔滨汽轮机厂生产的单机容量300 MW的水氢氢冷却发电机机组。励磁系统为三机静止硅整流他励励磁系统[1-3]，主励包括南京某公司生产的自动励磁调节器SAVR2000和2个并列运行的上下可控硅整流桥FLZ500[4]。备励包括感应调压器、隔离变压器和二极管整流装置。主励或备励输出接主励磁机转子绕组，主励磁机输出经3个并列运行的大功率二极管整流桥FLG2200FLG后接入发电机转子绕组。励磁系统如图1所示，主励磁机配置南京某公司生产的转子接地保护装置RCS-985RE。

2转子接地保护原理

现在转子接地保护一般采用乒乓式切换采样或者外加电源注入方式实现，而转子接地保护装置RCS-985RE采用的是外加电源注入方式。主励磁机转子绕组的正负两端与大轴之间注入一个由RCS-985RE保护装置自产的48 V电压，通过装置内部电子开关定时切换，使外加电源模块输出偏移方波电压，实时求解转子一点接地电阻，保护反映发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。双端注入式转子接地保护的工作电路如图2所示[5]。

图2　双端注入式转子接地保护原理

图2中：Rx为测量回路电阻；Ry为注入大功率电阻；Us为注入电源模块；Rg为转子绕组对大轴的绝缘电阻，主励磁机转子绕组正负极对大轴电压分别为U2和U1。其原理是：通过周期切换改变注入电源Us的幅值Us1和Us2，分别测得通过Rx的泄漏电流ix1和ix2，计算出转子绕组对大轴的绝缘电阻Rg。

状态1：当注入电源Us为低电平Us1时，根据戴维南定理有

图3　主励磁机三相全控整流电路原理

(1)

状态2:当注入电源Us为高电平Us2时，同理有

(2)

另外，在一定有功、无功情况下，主励磁机转子电压Ur可以测量出来

(3)

联立式(1)～(3)求解可得Rg，U1，U2。该厂主励磁机转子接地保护装置RCS-985RE设置有一点接地灵敏段和普通段发信，定值均是15 kΩ，延时1 s；1点接地和2点接地跳闸出口压板均未投。

3转子一点接地的危害

发电机正常运行时转子励磁电压(直流电压)有几百伏，励磁回路对地电压约为励磁电压的一半，转子绕组及励磁系统对地是绝缘的。因此，当转子绕组或励磁回路发生1点接地时，不会构成对发电机的危害。但转子发生1点接地后更容易发生2点接地，因为发电机转子1点接地后励磁回路对地电压将有所升高。例如，当励磁回路的一端发生金属性接地故障时，另一端对地电压将升高为全部励磁电压值，即比正常电压值高出1倍。在这种情况下运行，当切断励磁回路中的开关或一次回路的主断路器时，将在励磁回路中产生暂态过电压，此电压可能将励磁回路中其他绝缘薄弱的地方击穿，从而导致第2点接地。当发电机转子绕组出现不同位置的两点接地或匝间短路时，会产生很大的短路电流，可能会烧伤转子本体；另外，由于部分转子被短路，使气隙磁场不均匀或发生畸变，从而使发电机转动时所受的电磁转矩不均匀并造成发电机振动，不得不减少负荷甚至损坏发电机。当发生更严重的2点接地时，会因发电机欠励、失磁保护动作而引起机组解列。因此，发电机和主励磁必须配备灵敏性、可靠性更高的转子接地保护，当发生接地时必须立即处理以消除和隔离故障，有时为了防止故障恶化不得不停机。

4转子接地故障分析及处理

4.1故障出现时的运行方式及现象

2009-05-23 T 17:34，该厂#2机组有功负荷210 MW，无功负荷32 MV·A，发电机励磁电压/电流175 V/1 486 A，主励磁机励磁电压/电流21 V/126 A，其他参数正常。主励磁机转子接地保护装置RCS-985RE发出转子一点接地报警，运行人员查看RCS-985RE保护装置面板，显示主励磁机转子绕组接地点在0%与100%两点切换，且接地电阻为0 kΩ，转子两点接地偏移量为87%。运行人员立即参看主励磁机励磁电压、电流，均稳定无波动，同时用万用表测得主励磁机转子绕组正负极对地电压±11 V左右，主励磁机振动、轴承温度都正常。

4.2故障的处理

出现故障后，运行和检修人员根据图1进行了如下处理。

(1)检修人员立即对发电机汽侧大轴接地碳刷、滑环和主励磁机碳刷、滑环进行检查，发现各碳刷接触良好，滑环表面清洁、无划痕和碳粉积存现象，同时人工吹扫相应部位，故障还是未消失。

(2)运行人员分别退出上下可控硅整流桥FLZ500，并拉开相应整流桥的交直流侧刀闸DK1(DK2)和DK3(DK4),故障现象依然没有消除。

(3)运行人员进行主励转备励后，退出上下可控硅整流桥，RCS-985RE保护转子故障现象消失。

(4)检修人员通过测量副励磁机定子绕组三相对地电压，发现A相电压为0 V，B相、C相电压升高到186 V，确定副励磁机定子绕组A相金属性接地，经过仔细查找发现副励磁机定子电压引入到主励交流侧开关41E静触头的A相电缆绝缘皮破损，与励磁柜外壳接触(如图3所示接地点)，电缆经过包扎后，将备励转为主励供，主励磁机运行正常，转子接地保护装置RCS-985RE再未发生转子一点接地报警现象。

4.3原因分析

(1)副励磁机定子绕组A相接地引起主励磁机转子接地保护装置RCS-985RE发出转子一点接地报警的原因，结合图3进行如下分析。

三相全控整流桥的可控硅控制角60°<α<90°时的交流侧相电压波形和整流直流输出波形如图4所示。

图4　控制角60°<α<90°时的波形

根据带阻感性负载的三相全控整流桥原理，同时结合图4可得[6]

(4)

式中：Ud为主励磁机励磁电压即主励电压；Uf为可控硅管压降，一般为0.8～1.0 V，U为副励磁机定子线电压(186 V)，α为可控硅控制角。可见：当α<90°，三相可控桥工作在整流状态，将交流转变为直流；当α>90°，三相可控桥工作在逆变状态。

由表1可以看出，在时段3和时段4时，VT12(VT22)导通，将主励磁机转子绕组负极通过可控硅VT12(VT22)接地；同理，在时段1和时段6时，VT15(VT25)导通，将主励磁机转子绕组正极通过可控硅VT15(VT25)接地；同时，当相应可控硅导通时，可控硅自身电阻很小，所以主励磁机转子接地保护装置RCS-985RE会出现接地位置在0%和100%两点切换，且接地电阻为0 kΩ。同时也说明，退出单个可控硅整流桥，故障点还是未有效隔离，保护装置依然报警。

表1　可控硅导通时序

(2)主励切换至备励后，主励磁机转子接地保护装置RCS-985RE转子一点接地报警消失的原因。由于正常运行时副励磁机定子绕组至主励磁机转子绕组中间没有一点接地，虽然副励磁机定子线电压186 V与平时接触到的6 KV中性点不接地系统一样。虽然副励磁机定子绕组单相接地时，如图1中定子电压经过感应调压变压器变、隔离变压器变输出到备励二极管整流桥的三相电压还是对称的，也就是说感应调压变压器、隔离变压器调压变、隔离变能够完全隔离一次侧的单相接地故障，二次侧三相电压仍然是对称的，所以主励磁机转子接地保护装置RCS-985RE检测不出接地。因此，在机组运行过程中，当主励因故障退出运行、主励磁机由备励提供励磁电流时，转子接地保护装置不能监测隔离变一次侧(包含)前所有系统的单相接地，需要运行人员定期用万用表去检测相关系统三相对地电压是否平衡。

5结束语

转子接地故障在大型发电厂时有发生，为了维护发电机以及主励磁的安全、可靠运行，当发生故障时，需要尽快消除故障和隔离故障，以及确定具体的故障点。广大电气运行人员和继保人员首先必须熟悉转子接地保护装置原理，掌握转子接地故障时参数特征变化，借助一些仪表辅助测量相关系统的参数变化，同时根据现场保护故障信号及保护动作情况确定故障的范围。

参考文献：

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2000.

[2]陆继明,毛承雄,范澍，等.同步发电机微机励磁控制[M].北京:中国电力出版社,2005.

[3]周求宽, 廖勇, 姚骏.双PWM变换器励磁的交流励磁发电机励磁系统设计[J].电力系统自动化，2007, 31(6): 77-81.

[4]陈居现,杨国理.SAVR-2000静态励磁调节装置的V/F限制改进与研究[J].南阳理工学院学报，2010，31(10):16-18.

[5]南京南瑞电气控制公司.RCS-985RE注入式发电机转子接地保护装置技术和使用说明书[Z].南京：南京南瑞电气控制公司，2008.

[6]赵可斌，陈国雄.电力电子变流技术[M].上海：上海交通大学出版社，1993.

(本文责编：白银雷)

收稿日期:2016-01-15；修回日期:2016-03-28

中图分类号：TM 862

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)04-0022-03

作者简介：

王春民(1981—)，男，湖北黄冈人，助理工程师，从事发电厂集控运行方面的工作(E-mail:zdxiaoxunjian2011@163.com)。