發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩點接地保護動作原因排查與分析

單淵博

(陽煤集團發(fā)供電分公司生產(chǎn)技術(shù)部，山西 陽泉 045000)

摘要：通過對某電廠3#機組接地故障進(jìn)行排查、原因分析，闡述了轉(zhuǎn)子勵磁回路交流部分接地反映為轉(zhuǎn)子接地保護的關(guān)系，總結(jié)了轉(zhuǎn)子接地故障查找的步驟及范圍，為縮短轉(zhuǎn)子接地故障查找時間提供了寶貴的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子；勵磁系統(tǒng)；接地保護；交流回路；直流回路

收稿日期:2015-04-12

作者簡介：單淵博(1970—)，男，河北井陘人，機電工程師，主要從事發(fā)電廠電氣運行及電網(wǎng)安全供電技術(shù)管理工作。

0引言

轉(zhuǎn)子作為發(fā)電機重要部件，如果發(fā)生兩點接地故障且不能及時得到處理，不僅會造成重大設(shè)備事故，而且會影響電力系統(tǒng)的安全運行，造成較大經(jīng)濟損失。

某電廠3#發(fā)電機組自投產(chǎn)后運行一直正常，從未出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點接地異常現(xiàn)象。2013年12月21日，3#機組在運行過程中發(fā)生轉(zhuǎn)子一點接地報警，時間不到2 s，再一次發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地跳閘。檢修人員對勵磁一、二次系統(tǒng)進(jìn)行了排查、分析，最后查找出故障位置，消除了機組隱患。

1轉(zhuǎn)子接地原因分析

轉(zhuǎn)子繞組接地的原因是多種多樣的，從轉(zhuǎn)子接地故障統(tǒng)計資料分析，主要原因有以下幾方面：(1) 轉(zhuǎn)子本體及附件絕緣損壞：轉(zhuǎn)子槽口絕緣損壞、轉(zhuǎn)子槽絕緣和端部絕緣損壞、轉(zhuǎn)子引線絕緣損壞等引起接地。(2) 勵磁滑環(huán)引起的絕緣降低：碳粉貼粘在集電環(huán)兩極，導(dǎo)致集電環(huán)碳化，絕緣下降；碳粉將滑環(huán)通風(fēng)孔局部堵塞，使滑環(huán)絕緣局部過熱老化引起絕緣降低。(3) 勵磁一、二次回路絕緣不良：功率柜、滅磁柜內(nèi)一次/二次回路及引出線接地、臟污、過熱引發(fā)的勵磁回路絕緣不良。(4) 保護裝置誤動或損壞。

2接地故障點的查找

2.1保護裝置動作可靠性校驗

該發(fā)電機組配置許繼電氣WFB-810系列微機型發(fā)電機成套保護裝置，轉(zhuǎn)子接地保護為轉(zhuǎn)子一點接地加兩點接地保護，其定值如表1所示。

表1　轉(zhuǎn)子接地保護定值表

經(jīng)試驗人員校驗，保護裝置動作正確，不存在裝置損壞的情況。

2.2勵磁滑環(huán)的檢查及清掃

用500 V搖表搖測發(fā)電機勵磁滑環(huán)絕緣合格，未發(fā)現(xiàn)異常；對碳刷、碳握刷架及通風(fēng)孔進(jìn)行檢查，有大量碳粉聚積，對滑環(huán)進(jìn)行了徹底清掃。

2.3勵磁一、二次回路的檢查

用500 V搖表搖測滅磁柜內(nèi)二次回路、功率柜直流側(cè)引出線絕緣合格，未發(fā)現(xiàn)異常。隨后將勵磁滑環(huán)所有碳刷取出，拉開兩臺功率柜直流側(cè)刀閘，從端子上拆除進(jìn)保護裝置的轉(zhuǎn)子電流接線，所有安全措施做好后，合上滅磁開關(guān)，給勵磁回路通直流電，主控直流系統(tǒng)絕緣監(jiān)察裝置未報接地異常，說明整個勵磁回路絕緣正常。

以上檢查完畢后，啟動機組(啟勵，未進(jìn)行并網(wǎng)操作)，轉(zhuǎn)子接地仍存在，停運機組，繼續(xù)查找故障點。

2.4對轉(zhuǎn)子本體進(jìn)行交流阻抗測試

如果轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)匝間短路，則轉(zhuǎn)子繞組有效匝數(shù)就會減少，其交流阻抗就會減小。因此，通過測量轉(zhuǎn)子繞組交流阻抗，與歷次試驗數(shù)據(jù)相比，就可以有效地判斷轉(zhuǎn)子繞組是否有匝間短路。

在排除了轉(zhuǎn)子外回路(主要指勵磁回路)接地的情況后，在汽輪機不同轉(zhuǎn)速下給轉(zhuǎn)子繞組加100 V的電壓，測試轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的交流阻抗。測試情況如表2所示(CT變比：50/5；測試溫度：風(fēng)溫23 ℃)。

表2　轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的交流阻抗

機組交接測試報告中，轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速下的交流阻抗測試數(shù)據(jù)如表3所示(CT變比：50/5；測試溫度：25 ℃)。

表3　機組交接測試報告中的轉(zhuǎn)子阻抗

《電力設(shè)備預(yù)防性試驗規(guī)程》對轉(zhuǎn)子交流阻抗試驗規(guī)定如下：在相同試驗條件下，與歷年數(shù)據(jù)比較，不應(yīng)有顯著變化。

通過比較兩組試驗數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)子在不同轉(zhuǎn)速情況下，試驗數(shù)據(jù)變化不大，可以排除轉(zhuǎn)子繞組接地的可能。

根據(jù)上述檢查結(jié)果，經(jīng)過認(rèn)真分析，確認(rèn)轉(zhuǎn)子接地的故障點仍在勵磁回路上。通過對勵磁回路檢查情況進(jìn)行梳理，沒有檢查的部位只有功率柜整流模塊及交流回路，如整流模塊存在故障，運行過程中應(yīng)報“整流故障”，可排除整流模塊的問題，由此決定對功率柜交流回路進(jìn)行檢查。

2.5功率柜交流側(cè)回路的檢查

機組零起升壓至發(fā)電機額定電壓90%，用萬用表測量功率柜交流側(cè)電源電壓(兩臺功率柜并聯(lián)運行)，結(jié)果如表4所示。

表4　功率柜交流側(cè)電壓

從測試的電壓數(shù)據(jù)分析，功率柜交流側(cè)線電壓平衡，說明勵磁變正常；三相對地電壓不平衡，可確定功率柜交流側(cè)A相電纜及其附屬回路絕緣不良，導(dǎo)致A相接地。

機組停運后，拉開兩臺功率柜交流刀閘，用500 V搖表分別搖測兩臺功率柜交流刀閘上口絕緣合格，說明交流回路絕緣正常；用500 V搖表搖測功率柜交流刀閘下口絕緣，A相電纜對地為0。

組織相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行分析，可以確定A相電纜絕緣降低是引起轉(zhuǎn)子接地的原因。更換完電纜后，機組啟動成功。

3接地原因確定及總結(jié)

勵磁交流回路絕緣降低引起轉(zhuǎn)子接地，分析其原因首先要了解3#機組勵磁方式和轉(zhuǎn)子接地保護工作原理。

3#機組采用的是自并勵靜止可控硅勵磁方式，其轉(zhuǎn)子電流由可控硅全橋整流橋提供，其整流橋電源由在發(fā)電機端的勵磁變壓器供給，勵磁調(diào)節(jié)器控制可控硅導(dǎo)通角的開度，起到自動調(diào)節(jié)發(fā)電機機端電壓的作用。

當(dāng)全控橋式整流電路工作在整流狀態(tài)時，將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，其原理圖如圖1所示。

圖1　全控橋式整流原理圖

從硬件上來看，整流回路交流側(cè)與直流側(cè)無直接聯(lián)系，交流側(cè)回路絕緣不良，對直流側(cè)無任何影響，但實質(zhì)上整流回路交、直流側(cè)是通過電相聯(lián)系的，只要兩個橋臂可控硅順序被觸發(fā)導(dǎo)通，交流側(cè)與直流側(cè)就建立起回路關(guān)系，交流側(cè)有問題勢必會影響直流側(cè)。此外，勵磁變低壓側(cè)為典型的不接地系統(tǒng)，發(fā)生在低壓側(cè)的單相接地故障不會改變線電壓之間的大小和相位，也就不會改變勵磁電壓的大小。因此，發(fā)生在勵磁變低壓側(cè)的單相接地故障不會導(dǎo)致發(fā)電機失磁保護動作。

保護裝置轉(zhuǎn)子接地保護采用乒乓式開關(guān)切換原理，通過求解兩個不同的接地回路方程，實時計算轉(zhuǎn)子接地電阻阻值Rg和接地位置α。實質(zhì)是在發(fā)電機運行時輪流測量轉(zhuǎn)子繞組正極、負(fù)極的對地電流，并根據(jù)測得的結(jié)果計算出轉(zhuǎn)子繞組或勵磁回路的對地電阻，從而判斷出接地故障的位置及接地電阻的量值。原理如圖2所示。

圖2　轉(zhuǎn)子接地保護原理圖α S1、S2—由微機控制的電子開關(guān)　R g—接地電阻　α—接地點位置 E—轉(zhuǎn)子電壓　4個R—降壓電阻　R 1—測量電阻

當(dāng)S1閉合、S2打開時，R1兩端的電壓為U1；當(dāng)S1打開、S2閉合時，R1兩端的電壓為U2；ΔU=U2-U1，通過求解兩個不同的接地回路方程，可以實時計算接地電阻和接地位置：

Rg=ER1/(3ΔU-R1-2/3R)

α=1/3+U1/3ΔU

當(dāng)Rg小于或等于接地電阻整定值時，經(jīng)延時發(fā)轉(zhuǎn)子一點接地信號。在轉(zhuǎn)子發(fā)生一點接地故障后，保護裝置繼續(xù)測量接地電阻和接地位置，此后若再發(fā)生轉(zhuǎn)子另一點接地故障，則已測得的α值變化，當(dāng)其變化值Δα超過整定值時，保護裝置就確認(rèn)為已發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地故障，發(fā)電機被立即跳閘。保護判據(jù)為：

|Δα|>αset

式中，αset為轉(zhuǎn)子兩點接地位置變化整定值。

機組在正常運行的情況下，其導(dǎo)通角60°<β≤90°，轉(zhuǎn)子電壓輸出波形如圖3所示。

圖3　60°<β≤90°時的轉(zhuǎn)子電壓輸出波形

圖3(a)為相電壓波形，圖3(b)為60°<β≤90°時的轉(zhuǎn)子輸出電壓波形。從輸出電壓波形不難看出，每隔60°依次向共陰極組或共陽極組的可控硅元件施加觸發(fā)脈沖，則每隔60°就有一個橋臂的元件觸發(fā)換流，每周期內(nèi)每橋臂元件導(dǎo)電120°，轉(zhuǎn)子得到的線電壓依次為：uab-uac-ubc-uba-uca-ucb。

當(dāng)交流側(cè)A相電源接地時，在一個周期內(nèi)橋臂+A可控硅導(dǎo)通，報轉(zhuǎn)子正極接地；橋臂-A可控硅導(dǎo)通，報轉(zhuǎn)子負(fù)極接地。勵磁繞組在一個周期內(nèi)將交替出現(xiàn)“正極接地”、“正?！?、“負(fù)極接地”、“正常”的循環(huán)狀態(tài)。如果不考慮轉(zhuǎn)子接地繼電器的響應(yīng)時間，則接地繼電器就會不斷“動作”、“復(fù)歸”、“再動作”、“再復(fù)歸”，而動作持續(xù)時間約6.667 ms，復(fù)歸持續(xù)時間約3.333 ms。因此在實際裝置中，當(dāng)轉(zhuǎn)子接地保護的返回時間大于3.333 ms時，保護裝置報轉(zhuǎn)子一點接地。

但由于乒乓式兩點接地保護固有缺陷，

在開關(guān)頻繁切換過程中過渡電阻的變化會使接地點位置的計算產(chǎn)生誤差，造成一定的接地點位置變化，從而對兩點接地的判斷產(chǎn)生影響，導(dǎo)致兩點接地保護誤動。

此次發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地檢查，由于查找人員現(xiàn)場經(jīng)驗不足，技術(shù)力量有限，在查找過程中多了一些周折，但最終還是將問題解決。分析總結(jié)此次接地查找過程中的得與失，得出如下轉(zhuǎn)子接地檢查步驟：(1) 檢查功率柜交流側(cè)回路及相關(guān)的連接線路；(2) 檢查功率柜直流側(cè)回路及相關(guān)的連接線路；(3) 勵磁滑環(huán)檢查；(4) 保護裝置檢查；(5) 通過試驗對轉(zhuǎn)子進(jìn)行檢查。

這就為今后機組發(fā)生類似事故時更迅速、更有效地解決問題提供了參考意見。

4結(jié)語

本單位通過對這次發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障的排除，積累了寶貴的現(xiàn)場經(jīng)驗，提高了解決現(xiàn)場問題的能力，掌握了解決現(xiàn)場問題的有效方法和途經(jīng)，避免了盲目作業(yè)和更多的經(jīng)濟損失，同時為兄弟單位發(fā)生同類型故障的查找提供了可借鑒的經(jīng)驗。

[參考文獻(xiàn)]

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