发电机短路试验中转子接地保护误动作分析及关键问题探讨

向方伟

(水电水利规划设计总院，北京100120)

发电机短路试验中转子接地保护误动作分析及关键问题探讨

向方伟

(水电水利规划设计总院，北京100120)

针对自并励水轮发电机组在短路试验中发生转子一点接地保护误动作的问题，对励磁系统和继电保护原理等方面进行了理论分析，探讨了变压器运行特性及高次谐波的影响。通过现场测试、录制电压波形等方法，查找出保护误动作原因，并提出了相应处理措施。在此基础上对发电机短路试验中的关键问题及注意事项进行了探讨。

发电机短路试验；转子接地保护；误动作

转子一点接地保护是发电机重要保护之一[1]。发电机正常运行中当转子绝缘损坏时，将会引起转子回路接地故障，以转子一点接地最为常见， 如处理不及时又发生另一点转子接地将会造成发电机转子两点接地故障。严重时可能烧毁发电机转子，造成重大设备损坏。本文介绍了一起水轮发电机在短路试验中发生转子一点接地保护误动作的原因，并提出了处理措施，探讨了短路试验中的关键问题。

1 发电机短路试验情况

新疆某水电站装机容量为4×115 MW，在一次机组启动试验过程中，当进行发电机短路试验时，转子一点接地保护发生了误动作。

1.1 主要设备参数

发变组保护采用许继电气的WFB- 800系列保护装置，其转子一点接地保护采用“乒乓式转子接地保护”原理。

发电机短路试验励磁装置电源由厂用400 V采暖变压器提供，型号为SG10- 630/10.5，接线组别号为Dyn11。

图1 励磁系统原理

1.2 试验过程

1.2.1 发电机短路试验接线方式

发电机短路试验的接线方式如图2所示。试验前将励磁变高压侧、低压侧电缆引线解开，励磁装置电源采用厂用400 V采暖变供电，将三相交流电源按相序接入励磁装置功率柜。

图2 发电机短路试验接线方式

1.2.2 保护动作情况

机组在启动试验前测量发电机转子回路绝缘电阻大于500 MΩ，转子绝缘合格。在发电机短路试验过程中，当发电机定子短路电流升至2 690 A时，发变组保护装置发出转子一点接地保护动作信号。

将机组停机检查励磁回路、测量发电机转子回路绝缘均正常，随后再次开机进行试验。机组空转运行状态时，在发变组保护装置上查看转子回路对地电阻值实时参数为680 MΩ左右。在发电机短路试验过程中，随着发电机定子短路电流的上升，发电机转子回路对地电阻值开始下降，当定子短路电流升至2 690 A左右时，转子回路对地电阻值开始在9～19.6 kΩ之间变化，再次发出转子一点接地保护动作信号。

通过观察试验过程，发电机转子回路对地电阻值随着发电机定子短路电流的上升而下降。

1.2.3 试验检测

在发电机励磁功率柜直流输出端接入示波器，试验过程中整流桥输出电压波形中含有大量不规则的尖端波，并随着短路电流的增加谐波比例增大。通过试验检测发现整流装置输出电压含有谐波分量[3]。

2 转子接地保护误动作原因分析及处理

2.1 短路试验中谐波的产生

2.1.1 谐波产生的主要原因

电力系统中谐波产生的主要原因有发电源质量不高、输配电系统、用电设备。

用电设备产生的谐波主要由非线性特性的电气设备产生，①具有铁磁饱和特性的铁心设备，如:变压器、电抗器等；②以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备；③以电力电子元件为基础的开关电源设备，如:各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、大容量的电力晶闸管可控开关设备等[4]。

以上这些非线性电气设备的显著特点是它们从电网取用非正弦电流，也就是说，即使电源电压是正弦波形，但由于负荷具有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压—电流特性，使得流过负荷的电流是非正弦波形，它由基波及其整数倍的谐波组成。产生的谐波使电网电压严重失真，而电网还必须向它提供额外的电能。

2.1.2 短路试验中谐波的产生

发电机EXC9000型励磁装置采用了可控硅晶闸管整流设备。晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

对于配电变压器来说，即使输入电压是正弦波，也会因为磁路饱和、磁滞等固有现象而使输出的相电压(相电势)波形发生畸变，其中以三次谐波分量最为突出[5]。由于三相感应电势中的三次谐波分量同相位且等值，线电压中是不会存在三次谐波分量的。因三次谐波电流必须经过负载才能通行，变压器Y联结绕组中就不能存在三次谐波电流。

正常运行时，自并励水轮发电机励磁变压器是专用特种变压器，其绕组的联接组别大多为Yd11接线方式，励磁变压器不仅能承受瞬间负载突变的冲击和长时效的满载运行，其绕组能经受连续、频繁的过电压。因变压器负载侧为△接线，三次谐波在变压器的低压侧三角形回路中形成环流，线电压中不存在三次谐波分量，有效地削弱谐波分量流入系统和负载，从而减少了高次谐波对励磁整流装置的干扰。

而本次发电机组短路试验中，由联接组别号为Dyn11的厂用采暖变压器提供主励磁装置电源，发电机励磁整流装置产生的谐波电流在变压器负荷侧Y联结绕组与励磁装置之间流动。

通过现场测试、录制电压波形等试验检测，也发现短路试验中整流装置输出电压含有谐波干扰信号。

2.2 转子一点接地保护误动作分析

2.2.1 乒乓式转子接地保护工作原理

“乒乓式转子接地保护”采用乒乓式开关切换原理，在发电机运行时，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻值和接地位置，保护动作于信号。

乒乓式转子一点接地保护原理如图3所示。其中，S1、S2为由微机控制的电子开关，Rg为接地电阻，K为接地点位置，E为转子电压(考虑它的变化，新的电动势以E′表示)。两个降压电阻R，一个测量电阻R1。

当S1闭合，S2断开时(状态1)，在R1上测得电压为U1，当S1断开，S2接通时(状态2)，在R1上测得电压为U2。

令

ΔU=U1-kU2，k=E/E′

图3 乒乓式转子一点接地保护原理

接地电阻和接地位置公式计算如下

计算结果可以实时显示转子接地电阻和接地位置，并记忆结果，为判断转子两点接地作准备。当Rg小于或等于接地电阻整定值时，经延时发转子一点接地信号或作用于跳闸。

2.2.2 转子接地保护误动作原因

因“乒乓式转子接地保护”装置在微机控制的电子开关在时序电路控制下周期性导通、截止，即转子的正、负极人为地周期性接地，通过求解转子电导的变化来判定发电机转子的接地故障。

短路试验中电源谐波干扰致使励磁装置直流输出波形发生崎变，由于可控硅的输出没有缓冲直接作用于发电机转子，因此，励磁系统中的这些干扰信号就直接作用在发电机的转子回路。电源谐波的干扰信号可通过发变组保护的附件板进入到转子一点接地保护的插件板中，会使转子电导G的测量结果产生较大偏差，造成测定的转子电导G判定依据发生无规律波动，引起转子一点接地保护动作，发出保护动作信号[6]。

2.3 保护误动作后的应对与处理

本次发电机短路试验采用400 V低压电源给励磁装置供电，产生了谐波干扰信号，进而引起转子一点接地保护误动作。

发电机转子一点接地故障将对发电机的安全运行构成威胁，为确保机组安全可靠运行，在发电机短路试验中出现转子一点接地信号时，应详细检查发电机转子及其回路，测量转子回路绝缘电阻。若转子回路绝缘电阻值的检查结果合格，判定保护装置误动作，继续试验而不会威胁发电机安全运行，可将转子一点保护屏蔽后继续试验，以保证发电机短路试验的正常进行。

3 发电机短路试验的关键问题

3.1 试验方案准备

发电机短路试验是发电机系列试验中一项重要试验，试验程序较为复杂，且新安装机组应做短路试验。发电机短路试验前应明确试验目的，按照DL/T507—2014《水轮发电机组启动试验规程》[7]、GB50150—2016《电气装置安装工程电气设备交接试验标准》[8]等规程规范和装置技术说明制定详细的试验方案，制定合理的安全措施和应急预案，试验过程中要严格按试验方案进行，确保试验的安全顺利进行。

试验后要对试验数据进行仔细、认真的比对分析，以便得出正确的试验结果。

3.2 短路点的选择

短路点的选择应根据试验安全的需要和发电机主接线和出口断路器的型号综合考虑，并方便短路母线的安装连接。

为方便定子电流的测量，短路点选择在发电机出口CT后，短路点试验回路内暂时不用的CT二次绕组应短路并可靠接地，相关自动装置及电压、电流保护按《水轮发电机组启动试验规程》及继电保护运行方式投退。

如果发电机三相短路点设置在发电机断路器外侧，则应采取防止断路器跳闸的措施，并将发电机出口隔离刀闸锁定于分闸位置。

三相短路母线的材质宜与发电机出口母线一致或镀银硬质铜母排，其电流载流量可按5～8 A/mm2计算，连接方式采用螺栓连接或螺栓夹连，在试验前按母排连接标准对短路连接质量进行检查，防止大电流烧伤母排。

3.3 励磁装置试验电源选择

3.3.1 采用可调压的整流电源设备

当可调压的整流电源设备满足发电机励磁参数要求时，发电机组的短路干燥和短路特性试验，一般情况下都是采用可调压的整流电源设备为发电机提供励磁电源的方式进行。

采用此方式进行发电机短路试验，发电机励磁调节器将在试验过程中退出运行，应断开励磁系统起励回路、整流功率柜输入输出回路等，相关继电保护、自动装置、计量、测量等按试验方案做好安全措施。

试验前应将可调压整流电源设备的输出引线接入发电机励磁灭磁开关输入端，并注意极性正确，并且可调压整流电源设备的输出电流调节至“最小”位置。

3.3.2 励磁电源采用他励供电方式

随着近年来发电机组容量的不断增大，可调压整流电源已无法满足发电机短路试验的要求，这就需要利用励磁系统来进行短路试验。由于发电机端已经短路，故励磁系统的励磁电源需要采用他励供电方式，有以下2种模式：

(1)系统倒送电后，由励磁变压器对励磁装置供电模式。

(2)通过厂用电对励磁装置供电，①通过6 kV或10 kV母线向励磁变压器供电模式，②采用厂用试验变压器代替励磁变压器供电模式。

在选择通过厂用电对励磁装置供电方式时，有条件的情况下，尽量通过能满足发电机的短路试验需要的电站厂用外来高压电源母线(6 kV或10 kV等)直接向励磁变压器提供他励高压电源，励磁变压器是专用特种变压器，能有效地减少高次谐波对整流装置的干扰。

若发电机励磁变压器副边额定电压为400 V左右，而在现场给励磁变压器提供高压电源有困难时，可采用厂用试验变压器提供400 V低压电源给励磁装置供电方式。但在试验过程中可能会遇到下列问题：①在励磁装置小电流失控，造成这一现象的原因是厂用变压器的绕组一般为Dyn11接线，变压器三次谐波电流对励磁装置造成干扰，在小电流纯感性负载时造成励磁电流波动，排除的办法可在灭磁开关输入端并接一电炉或者电阻性负载(电阻参数选择应满足励磁调节器特性，一般为50 Ω/(3～5)kW)。②如前述短路试验中遇到的发电机转子一点接地保护误动作，解决办法是将发电机转子一点接地保护屏蔽，以保证发电机短路试验的正常进行。

3.4 短路试验注意事项

(1)水电站励磁变压器在发电机出口大多无断口连接，因而在进行发电机短路试验时，无论励磁变采取何种供电方式，均需要将励磁变压器高压侧与发电机机端母线的电缆解开。

(2)短路试验时必须按励磁装置说明书要求，将励磁调节器的“残压起励”、“系统电压跟踪”以及“通道跟踪”等功能退出，并断开起励电源开关，同时严禁操作起励按键和进行通道切换，以防止励磁系统出现误强励等异常工况。

(3)正式试验前，一定要先检查励磁电源的相序和调节器工作正常，确保是正相序。

(4)短路试验中若需将发电机出口断路器合闸，因发电机并非真正并网发电，必须将励磁调节柜等自动装置上“并网令”端子解开。

(5)发电机短路试验中机端PT不带电，无残压测频信号，机组应采用手动开机方式。

4 结 语

发电机短路试验是水轮发电机组启动试验中的一项重要试验项目，具有一定的风险。试验中要做到试验组织严密、安全应急措施合理，继电保护、自动装置等设备的运行方式应正确，合理选择励磁电源和三相短路点，以确保各项试验的安全顺利进行。

[1] 王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用[M]. 北京： 中国电力出版社, 1996．

[2] 杨冠城. 电力系统自动装置原理[M]. 北京： 中国电力出版社, 2012．

[3] 吴竞昌. 供电系统谐波[M]. 北京： 中国电力出版社, 1998．

[4] 郎维川. 供电系统谐波的产生、 危害及其防护对策[J]. 高电压技术, 2002, 28(6)： 30- 31， 39．

[5] 黄绍平. Dyn11联结组配电变压器运行特性的分析[J]. 湘潭机电高等专科学校学报, 1996, 6(1)： 10- 13．

[6] 张儒清. 水轮发电机短路试验问题探析[J]. 水电站机电技术, 2007, 30(3)： 41- 42, 45．

[7] DL/T 507—2014 水轮发电机组启动试验规程[S]．

[8] GB 50150—2016 电气装置安装工程电气设备交接试验标准[S]．

MisoperationAnalysisandDiscussiononKeyProblemsofRotorGroundingProtectioninGeneratorShort-circuitTest

XIANG Fangwei

(China Renewable Energy Engineering Institute, Beijing 100120, China)

In view of the misoperation of rotor one-point grounding protection in short-circuit test of self-excited shunt hydro-generating set, the theoretic analysis on the principles of excitation system and relay protection are carried out and the operating characteristics of transformer and the influences of high harmonic are investigated. Through field test and recording voltage waveform, the reasons of protection malfunction are found out and corresponding treatment measures are put forward. On this basis, the key problems and precautions in short-circuit test of hydro-generator are also discussed．

generator short-circuit test; rotor grounding protection; misoperation

TM733.9

A

0559- 9342(2017)09- 0073- 04

2017- 02- 28

向方伟(1974—)，男，四川彭州人，高级工程师，硕士，从事水电工程质量安全、项目管理及生产管理工作．

(责任编辑高 瑜)