王建忠 姜山 李誠帥
摘? 要:發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組回路對地有分布電容及電阻,其數(shù)值大小與大小受發(fā)電機的冷卻方式及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。發(fā)電機在正常運行期間,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度很高,轉(zhuǎn)子承受的離心力作用很大,又承受較重的電負荷,一旦勵磁繞組絕緣出現(xiàn)問題,會引起轉(zhuǎn)子回路發(fā)生接地故障,一般接地故障多為一點接地,若不能及時處理,就可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子兩點接地故障,進一步危害損害發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸,損壞轉(zhuǎn)子勵磁回路,導(dǎo)致發(fā)電機失磁,危機發(fā)電機的安全運行。該文主要介紹了不同原理的轉(zhuǎn)子接地保護,并重點介紹了GE公司的注入式轉(zhuǎn)子接地保護。
關(guān)鍵詞:GE;G60;發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護;注入式
中圖分類號:TM621? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)志碼:A
0 引言
發(fā)電機在正常運行期間,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動速度很高,轉(zhuǎn)子承受的離心力作用很大,又承受較重的電負荷,一旦勵磁繞組絕緣出現(xiàn)問題,會引起轉(zhuǎn)子回路發(fā)生接地故障,一般接地故障多為一點接地。發(fā)生一點接地后,雖然在轉(zhuǎn)子回路上構(gòu)不成電流回路,對地分布電容和絕緣電阻的參數(shù)未發(fā)生變化 ,理論上可以繼續(xù)運行。但是,轉(zhuǎn)子回路對地電壓就會變大,在勵磁系統(tǒng)退出或者一次主斷路器跳閘后,將在發(fā)電機勵磁回路中產(chǎn)生過電壓(暫態(tài)),很容易造成勵磁回路出現(xiàn)第二個接地點,造成轉(zhuǎn)子兩點接地故障。一旦發(fā)生兩點接地 :部分勵磁繞組線匝被短接,繞組直流電阻變小,若短路匝數(shù)較多,會使發(fā)電機轉(zhuǎn)子主磁通變小,發(fā)電機向外輸出的無功功率就會減少,機端電壓就會下降,定子電流也會急劇上升;由于繞組短接的磁極磁通變小,而其他磁極磁通勢未變,發(fā)電機氣隙磁場的對稱性會被破壞,引起機組震動,還可能使軸系和汽輪機磁化;由于發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的兩點之間構(gòu)成回路,一部分勵磁繞組被阻截,兩點之間將產(chǎn)生很大的短路電流量,電流產(chǎn)生的電弧可能會燒壞勵磁繞組及轉(zhuǎn)子本體,甚至引發(fā)火災(zāi)。因此發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路一旦出現(xiàn)一點接地故障,應(yīng)及時發(fā)出信號,通知運維人員處理;出現(xiàn)兩點接地時立即跳機。
根據(jù)《DL/T684—1999大型發(fā)電機變壓器繼電保護整定計算導(dǎo)則》的要求,汽輪發(fā)電機出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點接地時,可以繼續(xù)維持運行一段時間。但隨著汽輪機發(fā)電機組的容量不斷增大,出于發(fā)電機的安全運行考慮,國外的轉(zhuǎn)子接地保護只設(shè)置轉(zhuǎn)子接地的高阻值和低阻值保護,高定值報警,低定值跳閘,不區(qū)分是否發(fā)生一點還是兩點接地。
1 一點接地轉(zhuǎn)子接地保護原理
目前,轉(zhuǎn)子一點接地保護普遍采用乒乓式和注入式兩大類,下面就分別介紹2種不同原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護。
1.1 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護
乒乒式轉(zhuǎn)子一點接地保護的原理:在發(fā)電機運行時依次測量勵磁繞組正極、負極對地電流,根據(jù)測量結(jié)果計算出勵磁繞組對地電阻,根據(jù)阻值進而判斷出接地電阻阻值以及接地位置。
設(shè)在轉(zhuǎn)子繞組上K點經(jīng)電阻Rg接地。則注入式接地保護的原理圖如圖1所示。
在圖1中:S1、S2-勵磁繞組正極、負極可控開關(guān),輪流分合。
Ud-勵磁繞組全電壓。
α-接地K點與勵磁正極的位置。
R-裝置內(nèi)部固定電阻。
R1-裝置測量電阻。
勵磁繞組直流電阻阻值較小,則由圖1可知,當(dāng)正極開關(guān)S1閉合、負極開關(guān)S2斷開時,電阻R1上的電壓:
(1)
當(dāng)負極開關(guān)S2閉合、正極開關(guān)S1斷開時,電阻R1上的電壓:
(2)
在以上2個公式中:R、R1為已知固定參數(shù),U1、U2為裝置測量電壓,勵磁電壓也可測量。以上2個公式組成了二元一次方程,通過求解可算出為具有α和Rg2個未知數(shù)。
通過以上理論推導(dǎo)過程,我們可以看出乒乓式轉(zhuǎn)子一點接地保護可以計算出接地的位置,但在機組停機時即未加勵磁的情況下,就無法對轉(zhuǎn)子接地情況進行有效監(jiān)察。
注入式原理轉(zhuǎn)子接地保護,顧名思義就是需要外部輔助的注入電源注入到勵磁回路中,并采集相關(guān)電氣量進行保護邏輯判斷。
下面就以GE公司G60發(fā)電機保護的注入式接地保護進行介紹。
G60提供兩段轉(zhuǎn)子一點接地保護,分別設(shè)定一時限。注入式原理可以選擇單端注入或雙端注入2種方式。
1.2 單端注入式轉(zhuǎn)子接地保護
在轉(zhuǎn)子繞組一端(通常選擇負端)與大軸之間注入方波電源,保護采集正負半周的數(shù)據(jù)實時求解轉(zhuǎn)子對地絕緣電阻值。
VINJ1,VINJ2—注入方波正、負半周電壓;
IG1,IG2—注入方波正、負半周電流;
ZF1,ZF2—轉(zhuǎn)子繞組正、負極等效電阻;
RCL—注入方波電源內(nèi)部電阻;
VEXC—勵磁電壓;
IEXC—勵磁電流;
RG—轉(zhuǎn)子繞組接地電阻。
由于勵磁電壓通常遠大于注入電壓,勵磁繞組阻值遠小于裝置耦合電阻,因此注入電壓VINJ對勵磁繞組電流IEXC的影響可以忽略不計,所以可以認(rèn)為ZF2上的電壓保持固定。
VINJ2=IG2RG+IG2RCL+VF2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3)
VINJ1=IG1RG+IG1RCL+VF2? ? ? ? ? ? ? ? (4)
兩式相減可得接地電阻RG:
(5)
故障點位置α:
(6)
1.3 雙端注入一點接地保護
在轉(zhuǎn)子繞組正負兩端之間注入方波電源:
RC—注入式方波電源內(nèi)部電阻。
VINJ1=15V, VINJ2=-15V,I11為施加VINJ1時的上路電流,I12為下路電流;I21為施加 VINJ2時的上路電流,I22為下路電流。
與單端注入做同樣假設(shè):ZF2上電壓保持不變。
I11RC+IG1RG +(1-α)Ufld-VINJ1=0 ? ? ? ? ? ? (7)
I21RC+IG1RG-αUfld-VINJ1=0? ? ? ? ? ? ? ? ? (8)
I11+I21=IG1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (9)
I12RC+IG2RG+(1-α)Ufld-VINJ2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (10)
I22RC+IG2RG-αUfld-VINJ2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (11)
I12+I22=IG2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (12)
(7)-(10):
(I11-I21)RC+(IG1-IG2)RG-(VINJ1-VINJ2)=0? ? ? ? ? ? ? (13)
(8)-(11):
(I21-I22)RC+(IG1-IG2)RG-(VINJ1-VINJ2)=0 ? ? ? ? ? ? (14)
將(9)、(12)代入(14):
(I12-I11)RC+(IG1-IG2)(RG+RC)-(VINJ1-VINJ2)=0 ? ? ? ? ? ? (15)
(13)+(15):
(IG1-IG2)(2RG+RC)-2(VINJ1-VINJ2)=0 ? ? ? ? ? (16)
(17)
將公式(9)代入公式(7):
-I21RC+IG1(RG+RC)+(1-α)Ufld-VINJ1=0? (18)
(1.3.2)+(1.3.12):
IG1(2RG+RC)+(1-2α)Ufld-2VINJ1 (19)
(20)
IG1:I表示電流,G1表示物體的電流。
通過以上的原理介紹,我們可以得出:1)單端注入:在有勵磁電壓和無勵磁電壓時均能夠測量接地電阻,有勵磁電壓時能夠測量接地位置,缺點是正負極電壓不平衡。2)雙端注入:在有勵磁電壓和無勵磁電壓時均能夠測量接地電阻,有勵磁電壓時能夠測量接地位置。
但是G60發(fā)電機保護并沒有提供測量接地位置的功能,只能測量接地電阻,若要明確具體接地位置需按照上述公式進行計算。
2 實際應(yīng)用分析
在實際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn):壽光電廠勵磁電壓采用+-221V,分別施加在勵磁繞組的正負兩端。勵磁接地裝置整定為單端注入,接線圖參考圖1。當(dāng)裝置上電后,注入端電壓EX-處電壓降為0負,EX+端電壓升至441 V。這是因為當(dāng)勵磁繞組未發(fā)生故障時,注入電壓源和Rcl沒有構(gòu)成回路,即Rcl上沒有電流流過,因此Rcl兩端電壓相同,等效于EX-經(jīng)過一個20 k電阻接地;EX-電壓與注入電壓源相同,為±15 V方波,用電表直流檔不能測量。而EX+相對于EX-的電壓為441 V,因此EX+電壓測量值升至441 V。
采用雙端注入方式可以避免同樣問題發(fā)生,雙端注入方式在正負兩端連接阻值相同的耦合電阻,因此可以保證中性點位置不變。通過運行及檢修期間的校驗結(jié)果看,G60發(fā)電機保護提供的雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護運行良好,接地電阻數(shù)值測量準(zhǔn)確。
但在使用中應(yīng)注意以下問題。1)G60與注入式電源的通信連接正確后,注入式電源的指示燈“POWER”和“INJECTION”燈亮,如果通信連接失敗,則G60裝置面板將保故障代碼,查一下說明書代碼表即可知道故障原因。且如果通信連接失敗時,INJECTION指示燈不會亮,G60的FIELD 元件也加載不上來。2)G60與注入式電源通信串口必須專用,不能再并接其他設(shè)備,否則通信不上。3)如果是雙套G60,則2臺G60的FIELD GROUND元件必須配置一模一樣,否則2臺G60同時報錯,請查故障代碼。
3 結(jié)論
該文從理論角度分析了傳統(tǒng)乒乓式接地保護和單、雙端注入式接地保護的原理和優(yōu)缺點,并從現(xiàn)場實際應(yīng)用分析了GE公司G60提供的注入式轉(zhuǎn)子接地保護的注意事項,為同類型機組提供了參考依據(jù)。
參考文獻
[1]王維儉,候炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎(chǔ)[M].北京:中國電力出版社,1989.