沈曉暉，魏彥勛

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

發(fā)電機轉子接地故障案例分析及對比探討

沈曉暉，魏彥勛

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

作為發(fā)電機常見故障之一的轉子接地故障嚴重影響機組和系統(tǒng)的安全。勵磁系統(tǒng)中的接地探測器可自動對勵磁機和主發(fā)電機轉子繞組接地與否進行定期檢查，并根據(jù)接地探測結果作出相應的報警動作。針對A核電廠2號機組發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障導致停機停堆事件，對B核電廠1，2號機組勵磁系統(tǒng)轉子接地保護動作行為進行分析，并與A核電廠的轉子接地保護進行對比研究。結果表明，B核電廠轉子接地保護具有較合理的配置，能夠有效避免類似事件的發(fā)生。

發(fā)電機；勵磁系統(tǒng)；轉子接地；接地探測器

0 引言

在現(xiàn)代電力工業(yè)中，同步發(fā)電機是一種最常用的交流發(fā)電機，廣泛用于核電廠、水電廠和火電廠等各類發(fā)電企業(yè)，其性能的好壞對電廠的安全穩(wěn)定生產(chǎn)起到至關重要的作用。發(fā)電機長期運行時，在高速旋轉所產(chǎn)生的機械應力和電應力的作用下，轉子繞組很容易因絕緣水平降低而發(fā)生接地故障，其中最常見的是轉子一點接地故障。轉子一點接地時，由于沒有形成閉合回路，機組可以繼續(xù)運行一段時間，對發(fā)電機不會造成直接的危害。但發(fā)生一點接地后，很容易引發(fā)轉子的第2點接地故障；當發(fā)生轉子兩點接地故障時，由于轉子繞組的一部分被短路，在故障點會流過相當大的短路電流，燒損轉子本體，嚴重時還會引起發(fā)電機劇烈振動以及軸系和汽機的磁化，威脅發(fā)電機和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。因此，為了確保發(fā)電機組的安全運行，有必要對大中型同步發(fā)電機裝設轉子接地保護裝置。

以下對A核電廠一起因轉子接地故障導致停機停堆的事件進行分析，并與B核電廠1，2號機組勵磁系統(tǒng)轉子接地保護動作行為進行對比，從而驗證B廠轉子接地保護的可靠性和應用前景。

1 A核電廠2號機組轉子接地故障

1.1 事件經(jīng)過

2015-10-21T12:02，A核電廠2號機組因發(fā)電機轉子接地檢測系統(tǒng)故障，導致主控出現(xiàn)2GPA631KA發(fā)電機轉子接地告警(一段，定值4 kΩ，告警)。檢修人員通過觀察孔發(fā)現(xiàn)碳刷臟污，確認故障后迅速編制了檢修方案，在方案生效后檢修人員趕赴現(xiàn)場開展相關工作。

15:25，工作組開展工作，按檢修方案退出了發(fā)電機轉子接地保護出口壓板，隨后對轉子接地保護送至控制器的跳閘信號接線進行臨時解除。

15:45，通道1和通道2跳閘信號成功解除。但在解除通道3的跳閘信號時，2號機組發(fā)電機轉子接地保護二段故障動作，觸發(fā)勵磁系統(tǒng)故障跳閘指令出口，導致汽輪發(fā)電機組跳閘。

16:05，因瞬態(tài)時3臺蒸汽發(fā)生器水位持續(xù)上漲，導致1號蒸汽發(fā)生器達到高高水位，且P7(功率大于10 %)信號存在，觸發(fā)反應堆保護系統(tǒng)動作，反應堆自動停堆。事件過程中，機組3道安全屏障保持完整，無放射性物質對外釋放。

1.2 原因分析

A核電站2號機組所采用的發(fā)電機轉子接地保護裝置采用疊加交流電壓式原理設計，其失效設備為AREVA制造的MX3IPG2A型發(fā)電機轉子接地檢測電刷，發(fā)電機轉子接地停機出口邏輯如圖1所示。通過對負極電刷注入40 V工頻交流電壓，測量回路電流，來計算接地電阻。當215XZ繼電器測量電阻低于4 kΩ時，發(fā)轉子絕緣一段故障報警；低于2 kΩ時，經(jīng)發(fā)變組非電量保護柜發(fā)電機轉子接地(二段)保護、勵磁系統(tǒng)故障觸發(fā)停機。

圖1 發(fā)電機轉子接地停機出口邏輯示意

從保護原理上分析，隨著碳刷接觸電阻的變化，實際測量電阻會有先減小再增大的過程，如圖2所示，這是導致轉子接地保護裝置觸發(fā)二段故障信號的原因。

從保護邏輯上分析，轉子接地保護動作后會經(jīng)過2個獨立的壓板分別向系統(tǒng)發(fā)出動作指令：一個是轉子接地保護直接跳閘指令；另一個是勵磁系統(tǒng)故障跳閘指令。無法有效屏蔽保護裝置的跳閘命令也是事件的間接原因之一。

1.3 故障處理

機組停機后，對2號發(fā)電機轉子接地檢測電刷進行檢查和試驗，發(fā)現(xiàn)接地檢測電刷臟污、卡澀。由于電刷存在卡澀，電刷和滑環(huán)之間的接觸電阻影響了接地電阻測量計算的準確性，致使保護裝置計算得到的接地電阻小于2 kΩ，導致2號發(fā)電機轉子接地保護二段誤動，勵磁系統(tǒng)故障保護動作，觸發(fā)停機指令。

再次，要將道德上有力量的人選用在中層管理崗位上。從一定程度上說，道德的力量往往有著不可低估的作用，尤其是對知識分子“集結”的大學來說。胡錦濤同志在紀念中國共產(chǎn)黨建黨90周年大會上的講話指出：“要堅持把干部的德放在首要位置，選拔任用那些政治堅定、有真才實學、實績突出、群眾公認的干部，形成以德修身、以德服眾、以德領才、以德潤才、德才兼?zhèn)涞挠萌藢颉！盵7]

圖2 接觸電阻與接地電阻關系曲線

2 B核電廠轉子接地保護動作行為分析

B核電廠1，2號機組勵磁方式采用三機同軸無刷勵磁，配備日本三菱公司生產(chǎn)的MEC5000系列AVR(automatic voltage regulator，自動電壓調節(jié)器)。由于發(fā)電機勵磁為無刷勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機和勵磁機組裝有用來探測發(fā)電機勵磁回路絕緣的碳刷和線圈。

接地探測回路由將交流轉換成直流100 V的整流回路、整定探測電阻的校正電阻和檢測電流是否超出設定值的繼電器組成。

碳刷的安裝位置主要有2種：一種是安裝在大軸和發(fā)電機勵磁繞組之間；另一種是安裝在大軸和勵磁機中性點之間。

2.1 轉子接地探測回路運行原理

(1) 大軸和發(fā)電機勵磁繞組(直流側)的連接方式。圖3為一個典型勵磁接地探測回路，點A，B，C為3個可能的接地點。當發(fā)生磁場接地時，電流的流動情況如圖4所示。電流大小取決于電源電壓和接地電阻，當接地電阻小于定值(一般為20 kΩ)時，繼電器動作，檢測到磁場接地(繼電器動作設定值一般為5 mA)。

(2) 大軸和勵磁機中性點(交流側)的連接方式。交流勵磁機中性點連接方式如圖5所示，點A，B，C，D為4個可能的接地點。當發(fā)生磁場接地時，電流的流動情況如圖6所示。

圖3 直流側（發(fā)電機勵磁繞組）連接方式

圖4 相對于圖3的勵磁回路接地時的電流流動情況

圖5 交流側(勵磁機中性點)連接方式

在這種工況下，當交流勵磁機運行過程中只有單一方向電流流過時，無法檢測到勵磁回路接地故障，因此，引入了轉換器9GD，以避免死區(qū)。

① 當交流勵磁機電壓為0(即勵磁機非運行狀態(tài))時，前述連接方式(1)中的描述同樣適用，無論A，B，C，D中的任一點發(fā)生接地故障，電流只取決于電源電壓和接地電阻。

② 當交流勵磁機在運行狀態(tài)時，對于點A，與上述不運行情況相同；對于點B和C，勵磁機交流電壓疊加，但繼電器為直流驅動型，因此交流電壓可忽略不計；對于點D，勵磁機輸出電壓疊加，由于接地故障單憑勵磁機輸出電壓無法探測到，故使用9GD改變極性，這樣在保證能夠準確檢測的同時，還提高了探測的靈敏度。

采用這種連接方式的接地保護一般選用疊加直流電壓式轉子一點接地保護方式，其優(yōu)點是轉子一點接地保護的工況不受發(fā)電機運行工況的影響，從而在發(fā)電機停運時也能正確地檢測轉子繞組及勵磁回路的對地絕緣。

圖6 相對于圖5的勵磁回路接地時的電流流動情況

2.2 保護動作分析

B核電廠采用的就是這種連接方式，選用疊加直流電壓式轉子一點接地保護。由輔助滑環(huán)和安裝在勵磁機上的電磁線圈驅動的刷子，提供一個有直流電源的外部電路，來實現(xiàn)發(fā)電機的磁場接地探測。正常工況下，發(fā)電機轉子繞組或勵磁回路不接地，外加直流電壓不會產(chǎn)生電流；當轉子繞組或勵磁回路中發(fā)生一點接地時，則外加直流電壓通過部分轉子繞組、接地電阻、發(fā)電機大軸構成回路，產(chǎn)生電流。此電流與絕緣電阻成反比，所以根據(jù)電流的大小便可計算出接地電阻值。

B核電廠發(fā)電機勵磁回路接地探測部分有2個輔助滑環(huán)：一個接在勵磁機軸上;另一個接在勵磁機交流側中性點上。其探測回路由2個回路構成：一是由100 V直流供電的，探測流過滑環(huán)電流的探測回路；二是自動驅動碳刷并改變其極性的自動探測回路。

其中，自動探測回路由3個計時器(64T，64T1，64T2)組成，其工作原理如圖7所示。64T每24 h做1個循環(huán)，每6 h開啟1次，每次開啟時間15 min。在每一個循環(huán)中，64T首先被激勵，滑環(huán)開始工作，2個滑環(huán)之間感應出電壓，測量開始；同時探測回路接通，繼電器64E1根據(jù)探測到的電流自動動作。15 s后64T2被激勵(持續(xù)激勵15 s)，通過轉換器9GD改變滑環(huán)的極性；再過15 s后64T1被激勵，自動測量結束。

圖7 計時器工作原理

發(fā)電機勵磁回路接地監(jiān)測裝置有2個選擇開關，分別為43-64-1和43-64-2。

① 43-64-1正常運行時打到“AUTO”位置，探測回路由自動測量回路控制，有規(guī)律地運行。打到“measurement(+)”或“measurement(-)”位置時，手動啟動探測回路。

② 43-64-2正常運行時在“NORMAL”位置。要校正繼電器整定值時，打到“TEST”位置，調節(jié)校正電阻即可。當接地電阻小于定值時(一般為20 kΩ)，繼電器便動作。

發(fā)電機轉子一點接地保護動作僅發(fā)信號，而不動作跳閘，但運行人員應根據(jù)規(guī)程進行停機，以便維修人員進行檢查和處理。

3 A，B核電廠轉子接地保護對比探討

根據(jù)A核電廠2號機組因轉子接地故障導致的停機停堆事件，B廠進行了經(jīng)驗反饋，從各個層面對2個電廠的轉子接地保護進行了對比探討，具體內容如表1所示。通過對比可以確認，B核電廠轉子接地保護裝置較A核電廠更為合理，能夠有效避免類似事件的發(fā)生。

表1 A，B廠轉子接地保護對比

4 結束語

對A核電廠2號機組因轉子接地故障導致停堆停機事件進行了說明，并對B核電廠轉子接地保護情況進行了詳細分析。理論分析和對比探討結果表明，B核電廠采用的注入直流電源式轉子接地保護的探測方法不受發(fā)電機運行狀態(tài)的影響，可以在機組停運、啟停機和正常運行過程中對轉子一點接地進行可靠保護，且具有較高的精度和靈敏度，能夠很好地避免類似A核電廠故障事件的發(fā)生，具有良好的應用前景。

1 王 佼．無刷勵磁同步發(fā)電機轉子一點接地保護的研究[D]．北京：華北電力大學，2012.

2 朱 方，趙紅光，劉增煌，等．大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響[J]．中國電機工程學報，2007，27(1)：1-7.

3 馬艷濤，羅 軍．發(fā)電機轉子接地保護的分析與建議[J].電力安全技術，2015，17(6)：40-43.

2016-12-28；

2017-04-22。

沈曉暉(1989—)，女，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護工作，email：yuko1228@163.com。

魏彥勛(1986—)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護工作。