直流起励过程中绝缘监测系统对转子接地保护的影响及对策

2015-09-19李华忠张琦雪

电力自动化设备 2015年1期

李华忠，陈俊，张琦雪，严伟

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102）

0 引言

转子一点接地故障为发电机常见的故障形式之一[1]，GB ／T14285 — 2006《继电保护和安全自动装置技术规程》要求大型汽轮机组和水轮机组均应装设转子一点接地保护。转子一点接地保护按照原理可分为注入式转子一点接地保护和非注入式转子一点接地保护2类，目前普遍采用的转子接地保护原理有切换采样式（乒乓式）原理[2-4]、注入直流电压原理[5-6]、注入方波电源原理[7-10]和注入交流电压原理[5，10]。在实际运行过程中，经常发生转子一点接地保护的误动，文献[11-12]指出，励磁绕组轴电压吸收回路电容充放电过程、接地碳刷与大轴滑环间电阻接触不良等原因都可能导致转子一点接地保护误动作。

本文将通过2起发电机起励过程中转子接地保护的相关案例，分析机组在直流起励过程中直流绝缘监测系统对转子接地保护的影响，确认转子一点接地保护报警或动作原因，与此同时提出相应的解决方案。

1 现场案例情况简介

1.1 起励过程中注入式转子接地保护报警案例

国内DB燃气电厂1台409.7 MW机组（下文简称DB燃机）自投运以来，在直流起励过程中转子接地保护装置频繁报警，工作人员进行故障排查，并核实装置报警信息和中央信号后，确定为转子一点接地保护报警。查看装置定值参数可知：转子接地保护采用注入方波电源原理，发电机转子一点接地报警电阻定值为50 kΩ，一点接地报警延时定值为10s。分析录波数据如图1所示。由图1可见，转子接地电阻计算值为42.67kΩ，低于转子一点接地报警电阻定值，满足转子一点接地保护报警条件，报警行为正确。

图1 转子接地保护报警波形Fig.1 Waveforms of rotor grounding protection alarm

1.2 起励过程中乒乓式转子接地保护跳闸案例

2012年12月7日，国内ZH燃气电厂1台152 MW机组（下文简称ZH燃机）在直流起励过程中，乒乓式转子一点接地保护动作跳闸，发电机机组全停。该机组发电机转子一点接地报警电阻定值为5kΩ，转子一点接地跳闸电阻定值为2kΩ，一点接地报警延时定值为2s，一点接地跳闸延时定值为5s。经现场工作人员反馈，转子接地电阻计算值低于转子一点接地跳闸电阻定值2kΩ，且故障时间超过5s，已满足转子一点接地保护动作跳闸条件。

下文将对现场电气回路进行理论计算以及故障分析。

2 起励过程中励磁绕组电气回路情况

经核实DB燃机和ZH燃机除发电机转子接地保护回路有区别外，励磁绕组相关电气回路相似，见图2。图中，Rn为起励回路串联的起励电阻；Lr为发电机转子绕组；VD为整流二极管；CH为励磁调节器或手动控制的接触器的触点；KM为灭磁开关；直流监视绝缘回路由过流元件构成绝缘检测，Rs为平衡电阻，Rm为大功率接地电阻。两燃气发电机组励磁方式均采用自并励励磁方式。机组在加励磁升压过程中，因机端残压较低，约为额定值的1%～2%[13]，晶闸管整流桥不能正常工作，无法送出励磁电流供发电机建立电压，所以需提供初始励磁[14]。图2中，直流母线正、负端各自经初始励磁回路接触器触点CH接至励磁绕组回路，CH接通后使发电机建立一定的电压，此时机端电压上升；当机端电压升至30%的额定电压时自动投入励磁调节器，采用自并励励磁方式，并退出初始起励回路，此后机端电压自动上升至额定值。此外，为了防止直流系统发生接地故障，直流母线正负端均配置直流绝缘监视系统[15]，用来监测直流母线绝缘情况。

图2 励磁绕组相关电气回路示意图Fig.2 Schematic diagram of electrical circuits related to excitation windings

当起励接触器的触点CH闭合时，直流绝缘监视回路和转子接地保护回路同时接在转子绕组的正、负两端。此时转子接地保护和直流绝缘监视回路各有1个接地点，转子接地保护和直流绝缘监测设备相互检测对方的对地绝缘。

3 转子接地保护动作分析

根据起励过程中的直流绝缘监测回路和转子接地保护回路，分析和推导DB燃机注入方波电源转子接地保护、ZH燃机乒乓式转子接地保护在直流起励过程中的转子接地电阻计算情况。

3.1 注入式转子接地报警分析

由于转子接地保护和直流绝缘监测设备相互测量对方的对地绝缘，结合图2和注入方波电源转子接地保护回路，可得到起励过程中二者的电路接线示意图如图3所示。图中，Us为注入方波电源；Rc为耦合电阻；Rt为测量电阻；其他符号含义与图2相同。考虑起励电阻Rn阻值很小（现场阻值为十几欧姆），忽略其对电气回路的影响。

图3 直流起励绝缘监视回路和注入方波电源转子接地保护回路连接示意图Fig.3 Schematic diagram of DC excitation insulation monitoring circuit connecting with rotor grounding protection circuit

由图3画出相应等效电路图，如图4所示，图中，Ur为转子电压。

图4 注入方波电源转子接地保护回路等效电路图Fig.4 Equivalent circuit of voltage-injection-type rotor grounding protection circuit

根据注入方波电源转子接地保护原理，方波电源有2种状态：

a.方波电源为正值时，对应电气量为 i1、i2、i3、i4、i、ir和 Us；

b.方波电源为负值时，同理也可标注对应的电气量为 i′1、i′2、i′3、i′4、i′、i′r和 -Us。

以下均采用采样值的稳态量进行计算。

当方波电源为正值时，列网孔KVL方程和节点KCL方程，可推得泄漏电流为：

当方波电源为负值时，同理也可推得泄漏电流如式（2）所示。

转子接地过渡电阻公式[11]为：

将式（1）、（2）代入式（3）可计算出接地电阻值如式（4）所示。

3.2 乒乓式转子接地动作分析

与图4相类似，画出乒乓式转子接地保护和绝缘监视回路等效电路图，如图5所示。图中，Ur为转子电压（初励时的直流电压）；R为转子回路切换电阻；S1和S2为电子开关；其他符号的含义与图2中相同。

图5 乒乓式转子接地保护和绝缘监视回路等效连接电路图Fig.5 Equivalent circuit of ping-pong-type rotor grounding protection connecting with DC insulation monitoring system

乒乓式转子接地保护原理的电子开关有以下2种状态：

① S1合，S2开，对应该状态的电气量为 i1、i2、i3、i4、ir和 Ur；

②S1开，S2合，同理也可标注对应的电气量为i′1、i′2、i′3、i′4、i′r和 U′r。

根据电子开关不同状态，列出网孔KVL方程和节点KCL方程，求得状态①下的电流i2和状态②下的电流 i′2：

假设电子开关切换的2种状态下转子电压不变，可求得电流：

转子接地过渡电阻公式[11]如下：

将式（5）—（7）代入式（8），求得转子接地电阻如式（9）所示。

3.3 案例分析结论

根据上文的分析可见，机组在直流起励过程中，注入式转子接地保护和乒乓式转子接地保护计算的接地电阻阻值与直流绝缘监测系统的平衡电阻和大功率接地电阻大小相关。由式（4）、（9）所示的接地电阻计算结果可知，当平衡电阻Rs和大功率接地电阻Rm不足够大，同时转子接地电阻值整定得偏灵敏时，就可能使得实测的转子接地阻值小于转子一点接地报警定值或者动作定值，从而导致转子接地保护报警或跳闸。

4 本故障案例的解决方案

为了防止以上情况的发生，可以采取以下几种解决方案。

a.将起励接触器的辅助接点接入转子接地保护装置。当起励接触器触点闭合时，由软件自动退出转子接地保护功能，此时直流起励绝缘监视回路也可兼顾检测转子绕组对地绝缘情况；当起励过程结束、接触器的触点分开后，转子接地保护功能又自动投入。

b.由于起励回路只要10s左右的工作时间，也可考虑适当加长转子接地保护的延时定值，将转子接地保护的延时整定为大于10s，躲过起励过程。文献[16]建议转子一点接地保护延时取5～10s，由于转子一点接地故障对发电机并没有直接的严重影响，适当延长转子一点接地保护的动作延时是可以接受的。

c.将起励接触器的辅助接点串入转子接地保护的大轴输入回路。采用常闭接点，当起励接触器的触点闭合时，其常闭辅助接点打开，使得转子接地保护的大轴输入回路处于打开状态，即相当于取消了转子接地保护的接地点，退出了转子接地保护功能；当起励过程结束后，起励接触器的触点打开，其常闭辅助接点闭合，自动将转子接地保护的接地点投入，转子接地保护恢复正常工作。

d.采用交流起励方式。由于交流起励一般配置单相隔离变压器，在隔离变压器二次侧无接地点，不会导致转子接地保护报警或动作。

对于方案a，由于起励接触器辅助接点的重要性，转子接地保护装置应做好对该接点的自检，一旦判出异常应及时发出报警信号；对于方案b则需要适当加长延时，这对于转子接地而言是可以接受的；对于方案c，由于难以监测接触器辅助接点是否正常，可靠性要比方案a、b差；对于方案d，可在设计机组励磁系统时考虑。