注入式转子接地保护在三峡电厂的应用与改进

罗红俊，吴礼贵（三峡水力发电厂，湖北宜昌443000）



注入式转子接地保护在三峡电厂的应用与改进

罗红俊，吴礼贵
（三峡水力发电厂，湖北宜昌443000）

摘要：南瑞RCS-985RE注入式转子接地保护应用到三峡电厂机组中，静态试验时测试结果准确，动态试验时测量波动范围较大，难以满足转子接地保护的基本要求。为解决该问题，对注入式转子接地保护原理进行研究和分析，找出了测量误差大的原因。根据三峡电厂机组励磁电压特点、机组机械转速、保护装置采样计算原理及转子分布电容特点，结合试验得出了合理的滤波窗时间和注入电源切换周期，并在计算时考虑多段平均法，使保护装置测量准确。根据分析及试验结果，对保护程序进行了升级，升级后的注入式转子一点接地保护静态和动态测量结果均比较准确、测量满足现场运行要求。

关键词：转子接地保护；转子分布电容；滤波窗；机械转速

1引言

转子接地是发电机常见故障之一，当转子一点接地时，没有形成闭合回路，其不会对励磁系统产生影响，如果再发生第二点接地的情况会出现故障点电流过大而烧坏转子本体、励磁绕组被短接而使气隙磁通失去平衡引起振动以及轴系转子磁化等严重后果[1,2]。三峡电厂发电机组单机容量大，非正常停机造成的损失比较大，为保证发电机的安全运行必须配备更加完善和可靠的转子接地保护。

三峡电厂机组保护更新后选择了南瑞发变组保护，其转子接地保护一套为注入式转子一点接地（RCS-985RE），另一套为乒乓式转子一点接地保护（RCS-985RS），两套保护互为备用，正常运行时投入注入式。转子接地保护调试过程中发现注入式转子一点接地保护静态试验时其测量值精确，接地位置判断准确。在动态试验时，发现测量值波动范围大，模拟18 kΩ接地时，测量电阻在13 kΩ～33 kΩ波动（定值为20 kΩ），且不能可靠动作，不满足保护要求。本文从RCS-985RE转子接地保护测量原理和三峡电厂机组特点等出发进行研究和分析，并结合试验，找出了测量误差大的诸多原因。

2注入式转子接地测量原理及误差分析

双端注入式转子接地其测量原理如图1所示。正常运行时，注入电源Usq产生的电流先流过测量电阻Rx，经大轴电缆至大轴（接地），再通过转子对地电容Cg注入到发电机转子，然后分别经发电机转子正、负极（图中LZ611、LZ612）通过大功率电阻Ry返回到注入电源。正常运行时只能通过转子对地电容注入，电流非常小，保护装置测出的接地电阻非常大。当发电机转子接地时，注入电源经过接地电阻Rg和转子对地电容Cg注入转子回路。注入式转子接地保护切换一次注入电源，通过计算可求得接地电阻Rg大小[3]。

图1　注入式转子接地保护原理图

根据发电机运行情况，假设接地电阻为Rg，励磁电压为U，接地点到转子正极LZ611的电压为（1-a）U，接地点到转子负极LZ612的电压为aU。当注入电源为正极性，即注入电压为Usq时，此时转子正负极注入电流分别为I1I、I2I，流过Rx的电流为I3I。当切换注入电源至注入电压为0时，此时转子正负极注入电流分别为I1II、I2II，流过Rx的电流为I3II。根据以上假设，注入式转子接地保护注入电源每切换一个周期即可求得接地电阻Rg。

当注入电源为正极性Usq时，此时励磁电压为U1可得如下方程：

当注入电源为0时，此时励磁电压为U2可得如下方程：

解以上方程可得

I3II、I3I可通过两次测量Rx上的电压获得（即泄漏电流），Usq、Rx、Ry为已知，U1、U2为保护装置测量励磁电压所得，通过一次注入电压切换即可由式（7）、（8）求得接地位置a和接地电阻Rg的大小。

以上求解转子接地电阻方程时，需要测量两次转子励磁电压和两次泄露电流。发电机运行环境比较复杂，两个时间点所受的干扰可能不同，同时励磁电压波动对测量也会有一定的影响，运行环境复杂时就会造成每个周期计算出的接地电阻不同，反映到测量值就是测量值波动，严重时可能造成保护装置不正确动作。

Rg的最后一项式为（a-1/2）×（U2-U1）/（I3II-I3I），假设励磁电压测量的误差为ΔU，可以画出如图2所示的测量误差关系曲线。图中阴影部分为误差范围，通过分析可知，当接地点发生在转子绕组中点处（即a=1/2时），此项误差为0，随着接地位置向两端靠近，误差逐步放大，在接地位置达到转子正、负极时，误差达到最大。

图2　接地电阻测量误差曲线

做转子接地动态试验时，在转子的正极或者负极通过电阻接地，模拟转子接地情况，试验时测量结果就是测量误差最大点。通过在转子正、负极处模拟接地可以发现注入式转子接地的最大测量误差，也是对注入式转子接地保护性能最好的测试方法。

为减小测量误差，将励磁电压测量电缆曾更换为屏蔽电缆，更换后试验表明，电缆更换后和更换前结果无任何区别，证明电缆干扰不是造成测量误差大的原因。分析认为，造成采样误差大的原因可能为装置内部采样原理不适应现场运行环境，必须对采样原理进行分析，对定值进行合理整定。

3RCS-985RE采样原理对测量结果影响分析及改进方法

图3为开机试验模拟接地电阻为15 kΩ时的保护装置录波图，其中最上面一行为励磁电压，可以看出励磁电压成锯齿波形状，有明显的波动。第三行为泄漏电流测量值，由图中可看出泄漏电流测量值波动很大。第四行为接地电阻测量值，从录波图可看出在不同的周期接地电阻测量值的变化，此变化反应到装置显示即为测量结果的波动，最大的测量值达到了24 kΩ，影响了保护的动作行为。

图3　转子一点接地录波图

RCS-985RE注入式转子接地保护采样采用的滤波窗口为200 ms，计算接地电阻时，在每个切换周期的末段取一段值进行计算，即采用了单点计算方法。理论分析励磁电压为直流，但实际运行时，励磁电压受外界干扰，如果滤波窗口周期不合适，将不能消除干扰，增加了励磁电压测量误差，考虑到机组是转动设备，在不同的转角受到的干扰都不同，为消除转动设备带来的影响，使滤波效果更好，分析认为应对滤波窗进行试验，找到合适的滤波窗时间。因程序计算接地电阻时采用了单点计算方法，此计算方法可能会造成一定的偶然性误差，为此提出了采用多点平均法来代替单点计算方法，以消除偶然性误差。

为做到以上两点，要求厂家将滤波窗时间设定开放，同时将多点平均法做进程序。程序满足试验条件后，对转子接地进行了试验，在励磁电压为173 V的条件下分别采用了100 ms，800 ms，600 ms滤波窗进行试验，试验结果如表1所示。

表1　不同的滤波窗下试验结果（采用多点平均法）

试验完成后，又将原程序板插入进行试验，即采用了单点计算方法及滤波窗为200 ms的程序，试验结果如表2所示。

表2　原采样原理试验结果

通过试验结果可以发现，原采样板测量波动范围更大。一般转子接地保护装置动作整定延时为5s，其在接近保护装置整定值20 kΩ附近时，由于测量波动范围大，会造成保护装置不能正确动作，降低转子接地保护的灵敏度，不利于转子绝缘问题的及时发现。采用多点平均法后的程序试验结果，可明显看出波动范围小了，测量结果更接近于真实值。由试验结果可知，600 ms和800 ms的滤波窗时间试验结果明显好于100 ms的滤波窗，600 ms和800 ms的滤波窗接近三峡电厂发电机转动频率，此时其波动范围更小。三峡电厂机转速为75 r/min，计算出的转动周期为800 ms，试验结果也表明滤波窗时间接近于发电机转频时，滤波效果更好，能更好的消除周期性干扰。通过分析和试验发现采用了多点平均法及发电机转频滤波窗时间的保护程序测量结果更准确更稳定。

4分布电容对测量结果影响分析

注入电源要在Usq和0之间切换，由于转子对地电容的存在，转子注入电源会对转子对地电容进行充放电，泄漏电流与注入电压之间的关系如图4所示，泄漏电流即保护测量量I3II、I3I。

图4　

由图4可知，当接地电阻为无穷大时，泄漏电流最终衰减为0，此时的转子接地电阻测量值也为无穷大。当接地电阻为5 kΩ时，泄漏电流也会衰减，因为存在接地电阻，会衰减到一个稳态值。通过此稳态电流计算出的接地电阻比较准确。在泄漏电流未进入稳定状态就进行计算，会造成测量误差[4,5]。

通过以上分析可知，选择合适的注入电源切换周期，会对保护测量结果造成重要影响。切换周期的整定值必须通过计算得到合适的切换周期，确保接地电阻Rg的测量精度。结合图1进行分析，由于转子对地电容Cg的存在，当注入电源切换时，会对对地电容进行充放电，充放电时间常数t=RCg，R为从电容Cg往外看的等效电阻，其正常情况下为千欧级。无专用轴电压吸收回路的大型发电机组转子对地电容一般不超过8μF，三峡电厂机组容量大，无轴电压吸收回路，转子对地电容相对较大，以8 μF做考虑。根据转子附件情况，从电容Cg往外看的等效电阻约为23.5 kΩ。计算充放电时间约为0.2 s，考虑到保护装置滤波窗时间为0.8 s，1 s的切换周期能保证其最终进入稳态，并完成一个完整滤波周期的滤波。试验也证明了1 s作为注入电源切换周期整定值，既保证了测量准确性，防止泄露电流未进入稳态就进行计算造成误差，又能够及时反应转子的对地绝缘。

5程序升级

在对注入式转子一点接地测量误差分析及试验完成后，对三峡电厂所有RCS-985RE转子接地保护装置程序进行了升级。

将转子接地保护装置的滤波窗口设定为800ms，与三峡电厂发电机转动周期一致，消除发电机转动过程产生的干扰。采用多点平均法对测量结果进行处理，以消除单点计算方法造成的偶然性的影响。多点平均法原理为：在切换时刻前稳态泄漏电流波形上间隔一定时间取多个点计算出各时刻的转子接地电阻，然后进行平均，以取得较准确的测量电阻值。多段平均法可以将个别误差大的点导致测量值偏大或者偏小的影响降低，获得比较接近真实值的结果。同时根据分析结果，将所有转子接地保护装置的注入源切换周期整定为1 s。

1号机开机试验进行了程序升级后的转子接地动态试验，测量结果如表3所示。

表3　1号机动态试验测量数据

测量结果较程序升级前明显变好，在定值附近波动范围小，此测量结果也优于三峡电厂以前用的西门子注入式转子接地保护，进一步说明研究结果和程序升级是有效的。

27号机组开机进行了转子接地动态试验，测量结果如表4所示。

表4　27号机动态试验测量数据

相对于未改进前的数据，测量结果明显好转。

经过程序升级后的注入式转子接地保护，能满足现场运行的要求，同时具有通用性，未发现某台机组试验结果不理想的情况。

6结论

通过以上对注入式转子接地保护测量误差的分析和程序升级，可得出如下结论：

（1）励磁电压测量误差对测量结果影响很大，在转子正极和负极接地时，造成测量结果误差最大。

（2）由于转子对地电容的影响，注入电源切换周期对接地电阻测量结果造成影响，必须选择合适的注入电源切换周期。

（3）由于发电机转动的影响，采用发电机转动周期作为滤波窗时间，保护装置采样滤波效果更好。

（4）通过多段平均法的处理、合适的滤波窗时间和注入电源切换周期使测量结果明显好转，满足现场要求。

目前改进后的注入式转子接地保护在三峡电厂机组多次动态试验中均满足要求，运行情况良好，且具备通用性。

参考文献：

[1]陈俊，王光，严伟，等.关于发电机转子接地保护几个问题的探讨[J].电力系统及其自动，2008，32（1）：27-29,201.

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

[3]陈琰，林峰，陈亨思.发电机双端注入式转子接地保护原理及回路缺陷探讨[J].水利科技，2012（1）：73-74

[4]梅岳香.发电机低频注入式转子一点接地保护异常运行分析[J].水电能源科学，2008，26（5）：188-190.

[5]李宾，屠黎明，苏毅，等.发电机转子接地保护综述[J].电力设备，2006，7（11）：33-36.

作者简介：罗红俊（1973-），男，高级工程师，从事发电厂运行和管理相关工作。

收稿日期：2015-04-23

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.021

中图分类号：TM312

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）03-0068-04