浅谈#4发电机接地碳刷引起的转子接地电阻值摆动

中节能（曲周）环保能源有限公司 徐海龙

1 引言

土耳其泽塔斯三期2×660MW火电厂发电机转子接地装置是由ABB 公司生产，装置型号为REG670系列，转子注入单元是由ABB 公司生产的REX060系列。 #4机组在168h过后的冬季运行时发电机保护A 屏 “转子接地报警”比较频繁，夜间尤为严重，夏季阴雨天气引发间歇性报警，经过对A 屏保护装置在线监测观察，阻值波动较大，偶尔低于报警定值后发出信号，对于土耳其当地的气候和结合励磁端#9轴瓦及#7轴瓦渗油情况经过分析，针对渗油进行定时清理，转子接地电阻值维持在比较小的波动范围内，但在2018年7月9日#4机组出现转子接地保护动作，造成#4机组非计划性停机，针对这一事件进行了深入分析，本文对此跳机原因进行了分析，提出了相应的对策和注意事项[1]。

2 事故发生前后经过

#4机组在冬季运行时发电机保护A 屏 “转子接地报警”比较频繁，特别是夜间，夏季间在阴雨天气发间歇性报警。经过对A 屏保护装置在线监测观察，阻值波动较大，偶尔低于报警定值后发出信号，报警值低于7000Ω 延时10s 报警，动作值低于2000Ω 延时1s 跳闸（反时限）。就地检查发现#4机组#9瓦有渗油现象，底部励磁直流母线周围有油污，土耳其泽塔斯项目夜间比较潮湿考虑可能是油污引起安全距离不够，因运行中无法全面处理，所以对运行人员要求每隔几天用吸油纸清理#9瓦底部维持运行，等待停机拆体清理。

2018年5月至6月#4机组大修期间，对励磁回路及转子拆体检查未发现异常，转子绕组、#9瓦底座、交、直流母线测量绝缘电阻都高于500Ω。#4机组大修完毕，启动运行3d 后，#4发电机组转子接地报警再次发出，保护屏厂家给出建议将定值改为报警值：低于5000Ω 延时15s 报警，动作值：低于2000Ω 延时1s 跳闸。

2018年7月9日凌晨0时53分，#4发电机转子接地保护跳闸，测量转子绕组正、负极与地之间绝缘为1.16MΩ（测量绝缘时带励磁屏内附属元器件）。

3 事故原因分析

根据保护屏厂家提供的保护原理，#4机组正常运行中，转子接地保护装置REX060两路注入电压64RV1+与64RV1-之间交流电压为29V，64RV2+与64RV2-之间交流电压为17.2V，发电机励磁绕组注入电压EX+，EX-之间交流电压为350V；注入频率为113Hz；转子接地保护定值（报警值：低于5000Ω，报警延时：15s；跳闸值（反时限）：低于2000Ω，跳闸延时：1s（反时限））。

针对此次跳机事件对#4机组进行全面检查。

一是将EX+与EX-两端分别悬空，使用电摇表（挡位500V）测量绝缘良好。二是测量转子大轴接地碳刷至励磁屏端子排引线绝缘良好（两端悬空）。三是转子绕组正、负极与地之间绝缘为1.57MΩ（测量绝缘时带励磁屏内附属元器件）。四是将发电机大轴接地碳刷及发电机#9瓦励磁滑环碳刷已拆下清理。五是转子匝间在线监测装置（FZGL-20）报转子匝间故障报警。

现场检查发现#4机组#7轴瓦大轴接地碳刷处接地碳刷有跳动，随后拔下对接地碳刷观察碳刷表面磨损严重，并且碳刷的弹簧松动，对接地碳刷进行处理后，待启机进行观察，发现接地碳刷对接地阻值的波动与转子绕组接地阻值的波动呈规律性变化，此时观察发现接地碳刷处有油污，待清理干净后，阻值稳定在-1000。因此可以判定引起发电机接地电阻在2000Ω 至最大值-1000无规律摆动的原因是接地碳刷与大轴之间接触不良，并且大轴存在油污所致[2]。

4 转子接地保护

4.1 转子接地的危害

发电机正常运行时，发电机转子电压（直流电压）有几百伏左右，励磁回路正、负极对地电压约为励磁电压的一半，电厂机组正常运行时转子对地电压两侧测量值应该是相等的，转子绕组及励磁回路系统对地是绝缘的。因此，当转子绕组或励磁回路发生一点接地时，不会构成对发电机的危害。但转子发生一点接地后更容易发生两点接地。因为发电机转子一点接地后励磁回路对地电压将有所升高。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一倍。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，在此电压作用下，可能将励磁回路中其他绝缘薄弱的地方击穿，从而导致第二点接地。 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，损坏发电机。发生两点接地导致机组甩负荷停机，影响电网的稳定和电能的质量，造成经济损失。

4.2 转子接地保护几种形式

4.2.1 乒乓式转子接地保护

乒乓式原理转子一点接地保护装置内部的双向切换电子开关，在时序电路控制下周期性地导通、截止，即转子的正、负极性人为地周期性接地来监测转子的对地绝缘状况，保护的动作判据是通过乒乓式工作原理来实现的[3]。

4.2.2 注入式转子接地保护

传统的定子接地保护，由机端侧和中性点侧三次谐波电压和基波零序电压构成的100%定子接地保护，二者组合实现包括整个定子绕组的接地保护功能。 传统的注入式定子/转子接地保护的注入频率为 10～25Hz，这种方式在发电机异步运 行的情况下，会误动作，因此，现在的注入式保护多采用较高的注入频率频率范围 50～250Hz。

土耳其泽塔斯三期电厂发电机转子接地装置是由ABB 公司生产，装置型号为REG670系列，转子注入单元是由ABB 公司生产的REX060系列。传统的注入式定子/转子接地保护的注入频率为10～25Hz，这种方式在发电机异步运行的情况下，会误动作，因此，现在的注入式保护多采用较高的注入频率，频率范围 50～250Hz，土耳其泽塔斯发电机转子接地保护采用转子绕组双端注入式原理，注入电源从转子绕组的正、负两端与大轴之间注入，注入电源的切换周期可根据转子绕组对地电容的大小进行调整，保护能实时反应发电机转子对大轴的绝缘电阻值。发电机在不同的运行工况下，其接地阻抗不同，据此，逻辑配置要尽可能考虑发电机的不同运行工况，并在相应的工况下，测定相关参数。对于定子注入式接地保护，装置最 多可考虑 5 种工况。附件中的逻辑配置对于定子考虑了 3 种工况，即发电机停机、发电机运行 GCB 分位、发电机运行GCB 合位。对于发电机变压器单元接线的情况，可只考 虑两种工况即发电机停机、发电机运行。对于转子注入式接地保护，装置最多可考虑 2 种，即发电机停机、发电机运行。

4.2.3 转子接地保护定值

定值中部分的定值需要现场试验测得，部分的定值可根据经验设置。该定值有 1/2s 两种选择，建议设置 1s。定子和转子的注入单元反馈给 REG670皆为电压信号，相应模拟量通道的 PT 变比设置为0.1kV/100V。

4.3 逻辑配置

发电机在不同的运行工况下，其接地阻抗不同，据此，逻辑配置要尽可能考虑发电机的不同运行工况，并在相应的工况下，测定相关参数。对于定子注入式接地保护，装置最多可考虑 5 种工况。附件中的逻辑配置对于定子考虑了 3 种工况，即发电机停机、发电机运行 GCB 分位、发电机运行 GCB 合位。对于发电机变压器单元接线的情况，可只考虑两种工况即发电机停机、发电机运行。对于转子注入式接地保护，装置最多可考虑 2种，即发电机停机、发电机运行。

磁场电路绝缘的故障将导致从磁场绕组到地的导通。一点接地故障对磁场绕组只会造成很小的故障电流。因此，接地故障不会对发电机造成任何损害，也不会以任何方式影响发电机组的运行。然而，一点接地故障的存在增加了电场电路中其他点的电应力。这意味着在磁场绕组的另一个点发生第二次接地故障的风险增加了。第二次接地故障将导致短路，造成严重后果。转子接地故障保护的基础是将交流电压注入隔离的励磁电路中。在非故障条件下，将不会有与注入电压相关联的电流。如果发生转子接地故障，则通过转子接地故障保护来检测，并且发出状态告警或动作预解列、灭磁。保护功能使用向发电机场电路注入交流电压。COMBIFLEX 电压注入单元RXTTE4，第1MRK 002 108-AB 部分包含一台电压互感器，其一次绕组连接到120或230V、50或60Hz 电源电压。从该内部电压互感器的二次绕组，大约40V 的交流通过串联电容器和电阻器注入转子电路中。注入的电压和电流被馈送到一个电压输入端和一个电压输入端。REG670 IED的当前输入。此功能必须使用REG670的额定电流输入。注入引起的电流通过注入单元RXTTE 4输入Reg670 IED 的电流，如图1所示。在通用多用途函数（GAPC）中使用两级定向电流测量，检测励磁直流侧的接地故障电流。当所测注入电流的电阻分量超过预先设定的操作电平时，保护工作。

图1 土耳其泽塔斯发电机转子接地原理图

第一阶段提供报警信号，第二阶段提供发电机在短时间延迟后发生的充分发展的转子接地故障。转子接地故障保护的灵敏度取决于转子绕组对地的电容和测量多用途函数（GAPC）的整定拾取电流水平。灵敏度通用多用途功能（GAPC）的欠电压级用于监测注入电压，并在没有注入电压时发出警报，且应设置为注入电压额定值的80%，时间延迟约为10s。通用多用途函数（GAPC）的附加实例可用于提供第三无方向过流级，用于在静态励磁系统情况下检测整流器交流侧的接地故障。当注入转子电路的注入电流的幅度超过125mA 且延迟为5s时，应被设置为工作。由于RXTTE 4中的CT 值为10∶1，由REG 670测量的电流对于此故障至少为1.25A[4]。

5 结语

本文通过分析泽塔斯三期电厂#4机组发生的由于发电机接地碳刷与发电机大轴滑环之间接触不良导致的保护装置内转子接地电阻在2000Ω 至最大值-1000变化事件，探讨了利用高频注入式原理构成的转子接地保护，说明了发电机接地碳刷与发电机汽侧大轴滑环之间接触电阻是保护测量、计算发电机转子接地电阻值的重要部分，因此在日常维护工作中应加强转子大轴接地碳刷的维护。