李華忠，陳 俊，張琦雪，嚴 偉

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

轉子一點接地故障為發(fā)電機常見的故障形式之一[1]，GB ／T14285 — 2006《繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程》要求大型汽輪機組和水輪機組均應裝設轉子一點接地保護。轉子一點接地保護按照原理可分為注入式轉子一點接地保護和非注入式轉子一點接地保護2類，目前普遍采用的轉子接地保護原理有切換采樣式（乒乓式）原理[2-4]、注入直流電壓原理[5-6]、注入方波電源原理[7-10]和注入交流電壓原理[5，10]。在實際運行過程中，經常發(fā)生轉子一點接地保護的誤動，文獻[11-12]指出，勵磁繞組軸電壓吸收回路電容充放電過程、接地碳刷與大軸滑環(huán)間電阻接觸不良等原因都可能導致轉子一點接地保護誤動作。

本文將通過2起發(fā)電機起勵過程中轉子接地保護的相關案例，分析機組在直流起勵過程中直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)對轉子接地保護的影響，確認轉子一點接地保護報警或動作原因，與此同時提出相應的解決方案。

1 現(xiàn)場案例情況簡介

1.1 起勵過程中注入式轉子接地保護報警案例

國內DB燃氣電廠1臺409.7 MW機組（下文簡稱DB燃機）自投運以來，在直流起勵過程中轉子接地保護裝置頻繁報警，工作人員進行故障排查，并核實裝置報警信息和中央信號后，確定為轉子一點接地保護報警。查看裝置定值參數(shù)可知：轉子接地保護采用注入方波電源原理，發(fā)電機轉子一點接地報警電阻定值為50 kΩ，一點接地報警延時定值為10s。分析錄波數(shù)據(jù)如圖1所示。由圖1可見，轉子接地電阻計算值為42.67kΩ，低于轉子一點接地報警電阻定值，滿足轉子一點接地保護報警條件，報警行為正確。

圖1 轉子接地保護報警波形Fig.1 Waveforms of rotor grounding protection alarm

1.2 起勵過程中乒乓式轉子接地保護跳閘案例

2012年12月7日，國內ZH燃氣電廠1臺152 MW機組（下文簡稱ZH燃機）在直流起勵過程中，乒乓式轉子一點接地保護動作跳閘，發(fā)電機機組全停。該機組發(fā)電機轉子一點接地報警電阻定值為5kΩ，轉子一點接地跳閘電阻定值為2kΩ，一點接地報警延時定值為2s，一點接地跳閘延時定值為5s。經現(xiàn)場工作人員反饋，轉子接地電阻計算值低于轉子一點接地跳閘電阻定值2kΩ，且故障時間超過5s，已滿足轉子一點接地保護動作跳閘條件。

下文將對現(xiàn)場電氣回路進行理論計算以及故障分析。

2 起勵過程中勵磁繞組電氣回路情況

經核實DB燃機和ZH燃機除發(fā)電機轉子接地保護回路有區(qū)別外，勵磁繞組相關電氣回路相似，見圖2。圖中，Rn為起勵回路串聯(lián)的起勵電阻；Lr為發(fā)電機轉子繞組；VD為整流二極管；CH為勵磁調節(jié)器或手動控制的接觸器的觸點；KM為滅磁開關；直流監(jiān)視絕緣回路由過流元件構成絕緣檢測，Rs為平衡電阻，Rm為大功率接地電阻。兩燃氣發(fā)電機組勵磁方式均采用自并勵勵磁方式。機組在加勵磁升壓過程中，因機端殘壓較低，約為額定值的1%～2%[13]，晶閘管整流橋不能正常工作，無法送出勵磁電流供發(fā)電機建立電壓，所以需提供初始勵磁[14]。圖2中，直流母線正、負端各自經初始勵磁回路接觸器觸點CH接至勵磁繞組回路，CH接通后使發(fā)電機建立一定的電壓，此時機端電壓上升；當機端電壓升至30%的額定電壓時自動投入勵磁調節(jié)器，采用自并勵勵磁方式，并退出初始起勵回路，此后機端電壓自動上升至額定值。此外，為了防止直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障，直流母線正負端均配置直流絕緣監(jiān)視系統(tǒng)[15]，用來監(jiān)測直流母線絕緣情況。

圖2 勵磁繞組相關電氣回路示意圖Fig.2 Schematic diagram of electrical circuits related to excitation windings

當起勵接觸器的觸點CH閉合時，直流絕緣監(jiān)視回路和轉子接地保護回路同時接在轉子繞組的正、負兩端。此時轉子接地保護和直流絕緣監(jiān)視回路各有1個接地點，轉子接地保護和直流絕緣監(jiān)測設備相互檢測對方的對地絕緣。

3 轉子接地保護動作分析

根據(jù)起勵過程中的直流絕緣監(jiān)測回路和轉子接地保護回路，分析和推導DB燃機注入方波電源轉子接地保護、ZH燃機乒乓式轉子接地保護在直流起勵過程中的轉子接地電阻計算情況。

3.1 注入式轉子接地報警分析

由于轉子接地保護和直流絕緣監(jiān)測設備相互測量對方的對地絕緣，結合圖2和注入方波電源轉子接地保護回路，可得到起勵過程中二者的電路接線示意圖如圖3所示。圖中，Us為注入方波電源；Rc為耦合電阻；Rt為測量電阻；其他符號含義與圖2相同?？紤]起勵電阻Rn阻值很?。ìF(xiàn)場阻值為十幾歐姆），忽略其對電氣回路的影響。

圖3 直流起勵絕緣監(jiān)視回路和注入方波電源轉子接地保護回路連接示意圖Fig.3 Schematic diagram of DC excitation insulation monitoring circuit connecting with rotor grounding protection circuit

由圖3畫出相應等效電路圖，如圖4所示，圖中，Ur為轉子電壓。

圖4 注入方波電源轉子接地保護回路等效電路圖Fig.4 Equivalent circuit of voltage-injection-type rotor grounding protection circuit

根據(jù)注入方波電源轉子接地保護原理，方波電源有2種狀態(tài)：

a.方波電源為正值時，對應電氣量為 i1、i2、i3、i4、i、ir和 Us；

b.方波電源為負值時，同理也可標注對應的電氣量為 i′1、i′2、i′3、i′4、i′、i′r和 -Us。

以下均采用采樣值的穩(wěn)態(tài)量進行計算。

當方波電源為正值時，列網孔KVL方程和節(jié)點KCL方程，可推得泄漏電流為：

當方波電源為負值時，同理也可推得泄漏電流如式（2）所示。

轉子接地過渡電阻公式[11]為：

將式（1）、（2）代入式（3）可計算出接地電阻值如式（4）所示。

3.2 乒乓式轉子接地動作分析

與圖4相類似，畫出乒乓式轉子接地保護和絕緣監(jiān)視回路等效電路圖，如圖5所示。圖中，Ur為轉子電壓（初勵時的直流電壓）；R為轉子回路切換電阻；S1和S2為電子開關；其他符號的含義與圖2中相同。

圖5 乒乓式轉子接地保護和絕緣監(jiān)視回路等效連接電路圖Fig.5 Equivalent circuit of ping-pong-type rotor grounding protection connecting with DC insulation monitoring system

乒乓式轉子接地保護原理的電子開關有以下2種狀態(tài)：

① S1合，S2開，對應該狀態(tài)的電氣量為 i1、i2、i3、i4、ir和 Ur；

②S1開，S2合，同理也可標注對應的電氣量為i′1、i′2、i′3、i′4、i′r和 U′r。

根據(jù)電子開關不同狀態(tài)，列出網孔KVL方程和節(jié)點KCL方程，求得狀態(tài)①下的電流i2和狀態(tài)②下的電流 i′2：

假設電子開關切換的2種狀態(tài)下轉子電壓不變，可求得電流：

轉子接地過渡電阻公式[11]如下：

將式（5）—（7）代入式（8），求得轉子接地電阻如式（9）所示。

3.3 案例分析結論

根據(jù)上文的分析可見，機組在直流起勵過程中，注入式轉子接地保護和乒乓式轉子接地保護計算的接地電阻阻值與直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的平衡電阻和大功率接地電阻大小相關。由式（4）、（9）所示的接地電阻計算結果可知，當平衡電阻Rs和大功率接地電阻Rm不足夠大，同時轉子接地電阻值整定得偏靈敏時，就可能使得實測的轉子接地阻值小于轉子一點接地報警定值或者動作定值，從而導致轉子接地保護報警或跳閘。

4 本故障案例的解決方案

為了防止以上情況的發(fā)生，可以采取以下幾種解決方案。

a.將起勵接觸器的輔助接點接入轉子接地保護裝置。當起勵接觸器觸點閉合時，由軟件自動退出轉子接地保護功能，此時直流起勵絕緣監(jiān)視回路也可兼顧檢測轉子繞組對地絕緣情況；當起勵過程結束、接觸器的觸點分開后，轉子接地保護功能又自動投入。

b.由于起勵回路只要10s左右的工作時間，也可考慮適當加長轉子接地保護的延時定值，將轉子接地保護的延時整定為大于10s，躲過起勵過程。文獻[16]建議轉子一點接地保護延時取5～10s，由于轉子一點接地故障對發(fā)電機并沒有直接的嚴重影響，適當延長轉子一點接地保護的動作延時是可以接受的。

c.將起勵接觸器的輔助接點串入轉子接地保護的大軸輸入回路。采用常閉接點，當起勵接觸器的觸點閉合時，其常閉輔助接點打開，使得轉子接地保護的大軸輸入回路處于打開狀態(tài)，即相當于取消了轉子接地保護的接地點，退出了轉子接地保護功能；當起勵過程結束后，起勵接觸器的觸點打開，其常閉輔助接點閉合，自動將轉子接地保護的接地點投入，轉子接地保護恢復正常工作。

d.采用交流起勵方式。由于交流起勵一般配置單相隔離變壓器，在隔離變壓器二次側無接地點，不會導致轉子接地保護報警或動作。

對于方案a，由于起勵接觸器輔助接點的重要性，轉子接地保護裝置應做好對該接點的自檢，一旦判出異常應及時發(fā)出報警信號；對于方案b則需要適當加長延時，這對于轉子接地而言是可以接受的；對于方案c，由于難以監(jiān)測接觸器輔助接點是否正常，可靠性要比方案a、b差；對于方案d，可在設計機組勵磁系統(tǒng)時考慮。

5 結論

本文對直流起勵過程中絕緣監(jiān)測系統(tǒng)對轉子接地保護影響的2起實際案例進行了分析，并提出了相應對策，結論如下。

a.在機組初始起勵過程中，轉子接地保護計算的轉子接地電阻阻值與直流絕緣監(jiān)測系統(tǒng)的平衡電阻和大功率接地電阻均相關。當轉子接地保護電阻值整定偏靈敏，同時直流絕緣監(jiān)測回路的接地電阻值不足夠大時，就可能導致轉子接地保護報警或跳閘，應采取相應措施進行妥善處理。

b.現(xiàn)場應用中建議在軟件上利用起勵接觸器輔助接點實現(xiàn)起勵過程中轉子接地保護的自動退出。該方案已在現(xiàn)場得到應用，有效解決了起勵過程對轉子接地保護的影響問題。

本文僅以基于注入方波電源原理和乒乓式原理的轉子接地保護為例進行分析，對其他原理的轉子接地保護分析方法類似。