励磁变低压侧单相接地引起的转子接地保护动作分析及故障排查

(1.雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610000；2.四川管理职业学院，四川 成都 610000)

转子一点接地保护，根据原理的不同目前可分为非注入式保护和注入式保护两种。非注入式保护(包括电桥式和乒乓式)原理简单、造价低且可靠, 但这种原理的保护是建立在有一定励磁电压的基础上的, 否则计算出来的电阻不准确，即在发电机的启停机过程当中, 转子接地保护将失去作用。注入式保护需要外加辅助电源, 它分为叠加直流电压式、叠加交流电压式以及叠加方波电压式，这种保护不论发电机在静止状态还是在运行状态, 都能正常发挥保护的作用。大型发电机一般宜采用叠加方波电压式原理的注入式保护。

1 工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山州盐源县和木里县交界处，安装8台单机容量600MW混流式水轮发电机组，年平均发电量为242.3亿kW·h。电站主接线采用两台发电机对应一台变压器的扩大单元接线，发电机与主变之间有断路器，机组均采用自并励励磁方式。每台发电机配置2套转子接地保护装置，分别为南瑞继保985RS注入式转子接地保护装置、南瑞继保985RE乒乓式转子接地保护装置，通过切换把手控制投入其中一套保护，正常情况下均投入注入式转子接地保护。

2 转子一点接地保护动作情况

2016年3月20日，1号机组正常运行时，监控系统多次发注入式转子一点接地保护报警信号，最长持续时间为17s，最短持续时间为3s，总共报警9次，时间从17时22秒—17时5分5秒。现场人员将把手切换至乒乓式后，乒乓式转子接地保护于当日17时5分29秒出口跳闸，跳闸后，将把手切换至注入式转子接地保护装置，其显示电阻值为300kΩ,α为50%，接地电阻恢复正常。保护装置动作报文见表1。

表1 1号机组乒乓式转子接地保护动作报文显示

3 跳闸数据分析及故障排查

继保人员现场检查转子接地保护装置及回路无异常，电气人员摇测转子绝缘电阻正常，对转子绕组及其至保护之间的电缆、碳刷、集电环、整流回路进行全面检查，发现大轴接地碳刷与大轴接触面部分涂有油漆且大轴上有一处明显坑洼，盘车过程中发现大轴接地电阻最大为3MΩ左右。

电气人员处理好大轴油漆并调整大轴接地碳刷位置后，次日在1号机组开机至空转态进行检查，此时，注入式转子接地保护测得电阻值为300kΩ，并未发现任何异常，但是1号机组开至空载态后注入式转子接地保护动作。

查看保护第一次动作后故障录波装置波形数据，励磁变高低压侧电流及励磁电压、励磁电流在保护动作前后都几乎无变化。另查看乒乓式转子接地保护装置动作时的波形，可知保护动作时励磁电压正(UR+)对地为120.8V，励磁电压负(UR-)对地为-48V，转子绝缘电阻(Rg)为2160Ω，接地位置(α)为38.48%。对励磁电压正(UR+)和励磁电压负(UR-)进行谐波分析发现，UR+的基波分量所占比例为94.5%，UR-的基波分量所占比例为103.4%(见图1～图3)。

图1 第一次保护动作后的保护装置内波形分析

图2 第一次保护动作后的保护装置内励磁电压正(UR+)谐波分析

图3 第一次保护动作后的保护装置内励磁电压负(UR-)谐波分析注：由于直流分量为负值，超出软件计算范围，故含有率不显示。

根据转子接地保护保护范围：转子绕组及其与励磁装置可控硅之间的电缆，转子绕组至保护之间的电缆、碳刷、集电环、整流回路，机组处于空载态后，整流模块可控硅导通，转子接地保护的保护范围延伸到了励磁变低压侧。结合故障数据励磁变差动未动，励磁变两侧电流几乎无变化，励磁电压正(UR+)和励磁电压负(UR-)基波含量大，接地位置(α)为38.48%(接近50%)，且机组在停机态转子绝缘正常，空载态后保护动作跳闸的情况，综合判断故障类型为励磁变低压侧单相接地故障。

经检查发现，励磁变低压侧B相有细铁丝掉落，因该铁丝从柜顶逐渐掉落导致励磁变低压侧B相一点接地。根据图4，当晶闸管VT3导通时，相当于励磁绕组正端接地；当晶闸管VT4导通时，相当于励磁绕组负端接地，在1 个工频周期内，励磁绕组的正端和负端各有1/3的时间接地，故转子接地保护装置动作。

4 结 语

励磁变通常采用Y/D11接线，低压侧为不接地系统，因此，低压侧出现单相接地时不会引起故障电流的增加(仅为电容电流)，励磁变差动保护及速断过流保护均不会动作，同时，变压器的绕组连接方式对高、低压侧的单相接地故障起隔离作用，发电机的定子接地保护也无法为低压侧接地故障提供有效的保护；受安装空间和工程造价的限制，励磁变的低压侧没有装设专门的绝缘检测装置，从而形成了励磁变保护配置方案事实上的“死区”。

此次案例说明转子接地保护可以在机组空载及负荷状态下检测出励磁变低压侧单相接地故障。当励磁变低压侧单相接地时，励磁绕组在一个周期内将交替出现“负极接地”→“正常”→“正极接地”→“正常”的循环状态， 因此，当转子接地保护动作且接地位置为50%时，励磁变低压侧单相接地故障也应是排查转子接地故障点的一个重要环节。