发电机注入式转子一点接地故障分析

吕国涛*，杨浩，尹永利，黄闻韬



发电机注入式转子一点接地故障分析

吕国涛*，杨浩，尹永利，黄闻韬

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川成都，615000）

转子接地保护是水轮机组继电保护的重要组成部分，转子接地保护装置的正常运行对机组稳定运行起着非常重要的作用。本文分析了双端注入式原理测量转子绝缘电阻时，影响转子绝缘降低的可能性原因，对转子绝缘降低故障查找具有一定的参考指导意义。

转子绝缘降低；注入式；一点接地；双端注入

引言

对于水轮发电机组而言，当励磁绕组及其相连的直流回路发生一点接地故障时，由于没有形成短路回路，接地点并没有故障电流，所以并不会产生严重的后果。但是如果继发第二点接地故障时，部分转子绕组被短接，接地点流过的故障电流将烧伤转子本体。部分励磁绕组被短接以后气隙磁场发生的畸变会造成转子振动的加剧；此外两点接地后还可能发生轴系磁化。这些都将严重威胁水轮发电机组的安全。

目前水轮发电机转子接地保护原理主要以国内的方波注入和国外的交流注入为主，国内大型机组转子接地保护以南瑞推出的985RE转子接地保护为代表。本文主要分析转子一次侧回路不同位置故障时对注入式985RE装置测量的影响。[1]

某600MW水力发电机机组转子一点接地保护采用双重化配置：一套南瑞RCS-985RE注入式转子接地保护、一套RCS-985RS乒乓式转子保护,同时配置一套WL2C-S 转子绝缘监测定位装置。发电机转子绝缘在线监测和接地定位装置通过切换把手进行方式切换，正常运行时，转子接地保护投注入式，采用双端注入方式。该水轮发电机组采用自并励数字式静止可控硅系统进行励磁，因此实际测量中RCS-985RE装置所测绝缘电阻回路包括整个转子、励磁系统交直流侧回路。影响转子绝缘电阻的因素可能有：励磁系统交流侧绝缘降低、转子一次回路绝缘下降、大轴接地碳刷接触不良、测量回路元件故障等因素。

1 双端注入转子一点接地保护

1.1 双端注入原理

985RE保护选择从转子正负两极与大轴之间注入，其等效回路如图1。

注：Rg为转子绝缘电阻、Us为方波注入源、Rm为装置测量电阻、Ry为耦合电阻

根据图1，通过回路电流法计算，得到接地电阻计算公式为：

接地位置计算公式为：

装置采用近似计算，假设方波电源正、负两种状态下转子电压不变，不考虑接触电阻时的接地电阻。其中Rm为装置测量电阻，经咨询厂家为700Ω，i’和i为装置显示泄露电流，Ry为47kΩ，2Us为注入方波正负差，正为46V,负为0V。

1.2 双端注入原理的特点

从式1推论计算可知：转子绝缘电阻测量计算结果不受转子电压的影响，即在发电机没有启励时仍然可以监视转子回路的绝缘水平。根据式2可知：在测量接地位置时，当转子励磁电压不为零时，可以准确测量出接地位置，保护范围为整个转子回路与整流桥交流侧。当转子励磁电压为零时，无法进行接地位置的准确测量。

2 励磁系统交流侧绝缘降低

由于注入式转子接地保护在机组未加励磁时也能对绝缘电阻值进行测量，此时测量结果为直流侧回路绝缘电阻，因此若仅励磁系统交流侧发生接地，则在机组未加励磁电压时装置测量结果应为绝缘电阻值合格。在机组启励之后，装置测量对象包含励磁系统交流侧，此时若仅励磁系统交流侧发生接地，则测得绝缘电阻会降低。由于交流侧接地对接地位置α的测量不会产生影响，因此此时的实测接地位置应为50%附近跳变。

若仅励磁系统交流侧接地，则通过对比机组启励前后装置测得的接地电阻值即可准确进行判断，并且确认励磁系统交流侧是否有接地现象。

3 转子一次侧回路绝缘下降影响因素

由于转子磁极线圈绝缘破损，导致转子线棒与转子支架间绝缘降低，装置实际测量转子绝缘电阻值降低，导致机组转子一点接地保护动作。分析转子一次侧回路，可能引起一次侧绝缘降低的情况有一下几种：

3.1 滑环室碳粉堆积

发电机转子为转动部件，该部件与励磁系统直流侧连接采用碳刷进行连接，碳刷一侧连接励磁电缆，一侧接触转子滑环，将励磁电压加压至转子两端。碳刷在实际机组运行过程中会磨损，产生大量的碳粉，通过在滑环室安装碳粉收集装置收集碳刷粉尘。机组实际运行中发现长时间运行后，在转子中心体内和滑环支撑柱上均存在大量的碳粉堆积，对这两个部位的碳粉进行清扫后，励磁引线对地绝缘上升显著。由此判断，碳粉收集装置收集效率偏低引起碳粉在中心体和滑环支撑上堆积，也会导致励磁引线绝缘偏低。

3.2 空冷器刺水至转子线圈

水轮发电机组采用双路密闭自循环端部回风的空气冷却方式，设置空气冷却器，均匀地布置在定子外缘，由机变技术供水进行冷却。由于空冷器存在漏水的风险，因此若空冷器刺水，喷至发电机内部转子上也可能引起转子线圈绝缘降低。

3.3 转子内部存在金属异物

由于转子为高速转动部件，因此实际运行中需将转子内部相关部件上的铭牌进行拆除。若转子内部遗留金属部件或金属铭牌，随转子运行过程中掉落导致转子内部短路，同样会导致转子绝缘下降，机组跳闸停机。

4 大轴接地碳刷接触不良[2]

大轴接地碳刷接触不良时，装置实际测量回路发生改变，即大轴与碳刷之间存在变化电阻Rz，该电阻的存在会导致绝缘电阻Rg测量结果发生变化。因此研究大轴接地碳刷接触不良时测量结果与实际值之间的关系具有现实意义。

图2 大轴接地碳刷接触不良时测量电路原理图

方式一：假设第一个状态下大轴的接触电阻为Rz，第二个状态时接触电阻为0.则可以得到如下方程组：

由此得到接地电阻为：

由以上公式可知，ΔRg的正负与接地电阻、接触电阻、转子电压、接地位置均有关。ΔRg正负的主要影响因素是接地位置α。

方式二：假设第一个状态下大轴的接触电阻为0，第二个状态时接触电阻为Rz。同理分析可得：

同样，ΔRg的正负与接地电阻、接触电阻、转子电压、接地位置均有关。ΔRg正负的主要影响因素是接地位置α。

大轴接地碳刷接触不时，以上两种方式下，无论哪种方式，通过ΔRg对α进行求导，均可知ΔRg为关于α的减函数。因此故障位置α越靠近负端，Rg计算值越小，保护越容易动作。由于ΔRg表达式中有数值不确定因素，因此对于方式一有：

同理以上求解过程，对方式二时ΔRg与α关系进行求解，同样可得：第一个状态大轴碳刷接触电阻为0，第二个状态为Rz 时的结论。在Rg 变化随α变化趋势上，二者相同。由于以上分析均为估算，因此，实际Rg 变化随α变化趋势上，α范围可能会更广。

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、碳刷污染或大轴至转子接地保护柜信号回路断线均会导致绝缘电阻测量结果出现偏差，因此针对这种情况应重视大轴碳刷的运行状态，提前消除隐患。

5 结束语

本文对可能引起水轮机转子绝缘电阻降低的情况进行了分析，通过以上分析可知，引起转子一点接地保护动作的原因有：励磁系统交流侧绝缘降低、滑环室碳粉堆积、空冷器刺水、转子内部存在金属异物、大轴接地碳刷接触不良等主要原因。通过不同部位故障时的故障现象，可以推知相应的故障部位，对实际故障查找具有一定的指导意义。

[1] 裴丽秋. 一起南瑞RCS-985RE注入式转子接地保护报警分析[J]. 中国高新技术企业, 2017, (11):21-22.

[2] 鲜霄. 985RE转子接地保护在大型机组中的应用[J]. 浙江电力, 2014, (3): 54-57.

[3] 罗红俊, 吴礼贵. 注入式转子接地保护在三峡电厂的应用与改进[J]. 水电站机电技术, 2016, 39(3): 68-71.

[4] 王翠翠, 易亚文, 朱迟锐. 大型水轮发电机转子一点接地保护应用研究[J]. 水电站机电技术, 2012, 35(5): 87-89.

[5] 许丽娜, 张波涛. 注入式转子一点接地保护原理[J]. 云南电力技术, 2010, 38(3):67-69.

Analysis of One Point Grounding Fault of Generator Injected Rotor

LV Guotao*, YANG Hao, YIN Yongli, HUANG Wentao

(the Yalong River Hydropower Development Co., Ltd. Sichuan Chengdu, 615000, China)

rotor ground protection is an important part of relay protection of hydraulic turbine unit. The normal operation of the rotor grounding protection device plays a very important role in the stable operation of the unit. This paper analyzes the reason of the influence of the rotor insulation resistance when measuring the rotor insulation resistance, and it has certain reference significance for the rotor insulation reduction and fault finding.

rotor insulation reduction, injection type, one point grounding, double ended injection

吕国涛, 杨浩, 尹永利, 等. 发电机注入式转子一点接地故障分析[J]. 数码设计, 2017, 6(5): 90-91.

LV Guotao, YANG Hao, YIN Yongli, et al. Analysis of One Point Grounding Fault of Generator Injected Rotor[J]. Peak Data Science, 2017, 6(5): 90-91.

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.05.037

TM621.3

B

1672-9129(2017)05-0090-02

2017-01-20；

2017-03-01。

吕国涛(1993-)，男，四川成都，助理工程师，水电站运行维护。E-mail: guotao_chillax@126.com