发电机转子接地保护的分析与建议

马艳涛，罗 军

（广东省粤电集团有限公司沙角A电厂，广东 东莞 523936)

1 概述

某发电厂1～3号发电机均为200 MW汽轮发电机，转子绕组的冷却方式为氢冷。3台机组投运均已将近20年，其中1，2号发变组保护为南京南瑞继保电气有限公司生产的RCS—985A型保护装置，3号发变组保护为南京电力自动化设备总厂生产的WFBZ-01型保护装置。该电厂3台机组的励磁屏均设在发电机平台上，由于未设置专门的小间，受湿度及灰尘污染情况比较严重。

3台机组运行时，均不定时发生转子回路对地绝缘严重下降、转子一点接地保护动作的情况。检查结果表明：引起绝缘下降的点并不在转子绕组内部，而是在励磁外回路上。这是由硅屏内元件受污、受潮引起的。当此种情况发生时，转子回路的绝缘电阻不稳定，通常一段时间后，绝缘可自动恢复。在此情况下，如果自动投入转子两点接地保护，鉴于目前转子两点接地保护不是十分可靠，会增加误跳闸的机会；如果转子一点接地故障发生在转子绕组内部，当短时间内发生转子两点相继接地时，会因未及时投入转子两点接地保护而产生严重后果。

2 转子两点接地的危害分析

转子两点接地故障属于极其严重的故障，将对发电机造成灾难性的损害，主要表现在以下几方面：

(1)当发生转子两点接地故障时，故障点会流过相当大的故障电流，从而烧伤转子本体；

(2)由于部分绕组被短接、励磁绕组中电流增加，可能因过热而烧伤；

(3)由于部分绕组被短接，气隙磁通会失去平衡，从而引起振动；

(4)转子两点接地还可能使轴系和汽机磁化。

如果转子绕组通过较大的过渡电阻两点接地，则可排除上述第2点危害，而第1，4点危害所造成的影响也会较小。但是，当整个转子回路上某点(即便该点不在励磁绕组上)绝缘电阻降得很低时，实际相当于转子一点接地，如果不及时投入转子两点接地保护，其风险较大；这时若转子绕组上再发生一点接地，其危害将会非常大。

因此，当确认转子一点接地后，机组停机前应该投入两点接地保护。为避免励磁回路上的元件受污、受潮引起不稳定接地，造成两点接地保护误跳闸，可以在转子一点接地保护动作报警后，通过人工确认为稳定性一点接地后，再投入两点接地压板。

在转子一点接地保护的定值方面，由上述分析可知，如果转子绕组通过较大的过渡电阻两点接地，其危害程度相对较小。因此，转子一点接地保护的定值不必过大，建议取值5 kΩ。

3 WFBZ-01型保护装置转子接地保护原理

3.1 厂家说明书原理说明及保护逻辑

转子一点接地保护采用叠加直流式一点接地保护原理，叠加源电压为50 V，内阻大于50 kΩ。一点接地保护的输入端与转子负极及大轴连接，其注入直流电源来自装置内部。转子一点接地保护的工作原理为：一个简单的串联回路(即保护装置内部输出的50 V直流、内阻和转子对大轴之间的绝缘电阻串联的回路)，绝缘良好时整个回路电流最小，其对应绝缘电阻为119 kΩ；转子接地时，测量回路电流增大，其对应绝缘电阻较小甚至为0。当装置计算的绝缘电阻小于整定值时，转子一点接地保护出口动作于发信或跳闸。

转子两点接地保护采用发电机二次谐波电压原理。当发电机转子绕组发生两点接地或匝间短路时，气隙磁通分布均匀性将被破坏，在定子绕组中将产生二次谐波电压。转子两点接地保护即反映定子电压中的二次谐波分量。保护受一点接地保护闭锁，在转子一点接地保护动作后，自动投入转子两点接地保护。当二次谐波电压大于整定值，且负序分量大于正序分量2倍时，转子两点接地保护出口动作于发信或跳闸。

转子两点接地保护逻辑如图1所示，其中U2ω2、U2ω1分别为二次谐波电压的负序、正序分量，U2ωop为二次谐波电压整定值。

图1 WFBZ-01型保护转子两点接地保护逻辑

3.2 转子接地保护原理

正常运行中，两极汽轮发电机的气隙磁场完全对称于南北磁极，即气隙磁密的空间分布完全对称于横轴。将磁密曲线作傅立叶级数的谐波分析，发现只有奇次谐波分量，没有偶次谐波分量，故定子电压中也只有奇次谐波分量，没有偶次谐波分量。

转子绕组两点接地或匝间短路时，气隙磁密分布的对称性遭到破坏，磁密曲线含有二次及其他偶次谐波分量，则定子电压必定含有二次谐波分量。

因此，理论上利用二次谐波电压，可确切区分励磁回路两点接地故障与正常工作状态，但该原理的应用需注意以下几个问题。

(1)在系统短路的暂态过程中，一定有非周期分量电流，相应的三相定子绕组将有二次谐波暂态电压。因此，两点接地保护的延时，必须躲过系统故障时的暂态过程。

(2)转子两点接地故障时，定子绕组的二次谐波电压可能非常小(约千分之几额定电压)，要在三相额定基波电压中滤取如此小的二次谐波分量，技术要求较高；若提高二次谐波电压整定值，将导致保护灵敏度下降。

(3)发生两点接地故障时，发电机的二次谐波定子电压将使相邻的非故障发电机也出现一定数量的二次谐波定子电压。所以，两点接地保护的定值不能太小，而必须满足其选择性要求，但其灵敏度也必然会下降。

(4)无法区分励磁回路的匝间短路与转子两点接地故障。轻微的匝间短路不会直接引起严重的后果，也无需立即消除缺陷，所以并不要求装设转子绕组匝间短路保护。但严重的转子绕组匝间短路，必然造成励磁电流增大，机组振动加剧，局部过热，从而损坏主绝缘和铜线。由此可见，当发生转子一点接地故障时，为保险起见，保护无法区分匝间短路和两点接地故障而停机是可接受的。

3.3 厂家意见

(1)WFBZ-01型微机发变组保护装置在全国使用至今已10多年，转子接地保护是可靠的。

(2)一点接地保护的动作值不必取得过大，5 kΩ～8 kΩ比较合理。

(3)转子两点接地保护的动作值可取实测二次谐波电压的10倍，一般不超过2 V。

4 RCS-985型保护装置转子接地保护原理

4.1 厂家说明书原理说明及保护逻辑

转子接地保护采用切换采样原理(乒乓式)。转子一点接地保护反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降，转子一点接地保护动作后，经延时自动投入转子两点接地保护；当接地位置α改变达一定值时，判为转子两点接地，动作于跳闸。其接地保护逻辑如图2所示。

4.2 转子接地保护原理

转子接地保护采用切换采样原理(乒乓式)。该原理通过2个电子开关切换采样回路，得到2组方程，联立求解得接地过渡电阻Rf及接地位置α。当Rf小于整定值时，报转子一点接地信号，并经延时自动投入两点接地保护。两点接地保护同样采用上述切换采样原理，检测接地位置的变化。若再发生转子一点接地故障，则已测得的α值将会发生变化，当其变化值超过整定值时，保护装置就确认为发生转子两点接地故障。

在电子开关切换过程中，如果接地过渡电阻发生变化，此保护装置计算接地点α将产生错误。因此，需经连续2～3次计算，当确认α和Rf不变时，才能确认一点接地故障的存在。

4.3 厂家意见

(1)通过检测接地点及接地电阻的变化，判断两点接地。

(2)在电子开关切换过程中，如果接地过渡电阻发生较大变化，保护确实可能产生误判。因此，RCS-985装置在判定一点接地后，如持续10 s接地电阻变化不大，才会自动投入两点接地保护。

(3)目前为止，没有公认、完美的转子两点接地保护方案。因此，建议转子两点接地保护的压板平时应退出；在转子一点接地报警后，不应自动投入两点接地保护，应观察一点接地电阻值的变化情况，如变化幅度不大，再投入两点接地保护压板，即手动投入两点接地保护。

5 转子接地保护的使用建议

从上述分析可见，发电机转子一点接地保护动作后是否应立即投入转子两点接地保护，需综合考虑现有的运行经验、故障的形式和特点。针对该电厂的实际情况，现对转子接地保护的使用提出以下几点建议。

(1)为避免发电机的重大损害，明确转子两点接地保护动作于跳机。

(2)为减小两点接地保护误动作的可能性，决定采用手动投入两点接地保护，并将1，2号机组RCS-985保护转子一点接地的普通段动作值取5 kΩ。为及时发现发电机转子绝缘下降，转子一点接地灵敏段动作值取20 kΩ。对于3号机组的WFBZ-01保护，因整定值不分段，转子一点接地动作值取20 kΩ。

(3)为加快转子一点接地的判断和处理速度，在运行中出现发电机转子一点接地报警时，运行人员应检查记录发变组保护柜转子接地电阻通道显示值。若发电机转子一点接地持续报警，应切换发电机励磁硅整流柜，观察记录发变组保护柜转子接地电阻通道的显示值变化情况，并通知电气检修人员迅速解决故障。

(4)如果发变组保护柜转子接地电阻通道显示值持续低于5 kΩ，且切换发电机励磁硅整流柜也不能排除故障时，运行人员应立即投入转子两点接地保护压板，以防出现发电机转子两点接地，损坏发电机组。

(5)制定有针对性的反事故措施和操作处理指引，使运行值班人员能迅速、正确地对发电机转子一点接地报警进行处理。

(6)为发电机励磁就地柜搭建专用的封闭小间，以消除潮湿及灰尘的影响，改善发电机励磁系统运行环境，降低发电机转子接地故障的发生率。

6 结束语

在对3台发电机励磁就地柜搭建专用的封闭小间并装设空调、通风口装滤网后，消除了潮湿及灰尘的影响，改善了励磁外回路的运行环境，转子一点接地保护再也未动作。发电机转子一点接地保护动作于信号，是基于励磁回路一点接地故障对发电机无直接危害而提出来的，并不是为了发电机长期带一点接地故障运行。当发电机的转子绕组发生一点接地故障时，应立即投入转子两点接地保护(如果有)并查明故障点与其性质；如系稳定性的金属接地，应尽快安排停机处理。

图2 RCS-985型保护装置转子接地保护逻辑

1 王维俭．《电气主设备继电保护原理与应用》(第2版)[M].北京：中国电力出版社，2002.