一起注入式转子接地保护误动作的原因分析及处理

任池银，杨长存

（淮浙电力有限责任公司凤台发电分公司，安徽 淮南 232131）

0 引 言

660 MW 燃煤机组转子额定负载电压在430 V 左右，因为转子绕组对大轴绝缘，所以转子绕组2 端对大轴的电压对称。当发生转子绕组一点接地时，虽然不会造成转子绕组发生短路故障，但是一点接地会造成转子绕组对大轴电位的升高，容易再发生另一点接地故障。

汽轮发电机在运行中发生转子绕组对大轴接地是比较常见的故障，当出现转子绕组一点接地故障后，如果不能及时处理，会引起另一点接地故障，造成部分或全部转子绕组发生短路。一方面，短路处将产生较大的短路电流流过转子大轴，造成转子大轴烧损，严重时会使转子大轴因过热而发生变形事故。另一方面，由于发电机气隙磁场的对称性被破坏，将使发电机出现较明显的振动。

根据相关标准，1 MW 及以上机组应装设专用的转子一点接地保护装置延时动作于信号，宜减负荷平稳停机，有条件时可动作于程序跳闸。目前，发电机转子接地保护大多采用注入式，因此需要外加辅助电源，一般是将20 Hz 的方波电源注入转子绕组，然后采集相关的电气量构成判据。受运行环境的影响，转子大轴表面容易产生氧化膜和油污，如果不及时清理，会影响转子大轴与接地碳刷或接地铜辫的导通性。一旦发生接触不良的情况，就会在大轴接地碳刷或接地铜辫处发生间歇性“打火”现象。在此期间，转子接地保护会因回路增加接触电阻而影响其绝缘电阻的测量值，造成转子接地保护误动作。文章介绍一起660 MW 燃煤机组因大轴接地碳刷接触不良导致转子接地保护误动作事件，并分析问题原因和处理过程。

1 事件概况

某电厂1 号机组转子一点接地保护装置发出间歇性接地报警信号，最长报警持续时间为2 s，维护人员就地检查后发现转子接地保护装置实时采样一直在变化，转子绕组对地绝缘电阻值的变化范围为8～300 kΩ，计算出的转子绕组接地位置一直在变化。当达到转子一点接地保护定值10 kΩ 时，接地保护装置发出告警信号。查看机组故障录波器历史曲线，转子一点接地告警时刻的机组电压、电流等相关电气参数均无异常。停用第一套转子接地保护装置，切换至第二套转子接地保护，现象与第一套完全一致，排除保护装置故障情况。在转子接地保护屏处，使用万用表检查转子绕组对地直流电压均匀，确认转子接地保护装置告警为虚报。维护人员对励磁小室、直流封母、碳刷小室等相关地方进行检查，在汽机侧大轴接地碳刷处发现有打火现象。相关维护人员对接地碳刷进行更换与打磨，处理过程中转子绕组绝缘电阻与接地位置一直在变化，完成处理后采样恢复正常。

2 检查分析与处理

2.1 装置原理介绍

转子接地保护原理如图1 所示。转子接地保护从原理上可分为注入式和非注入式2 类，凤台电厂1 号机组使用南瑞RCS985 双端注入式转子接地保护，需要外加辅助电源，在机组运行中能够实时监测发电机转子绕组绝缘电阻和接地位置[1]。1 台机组一般会配置2 套转子接地保护装置，如果配置的是2 套同原理的转子接地保护，则不能将2 台接地保护装置同时投入运行，否则会发生相互干扰，造成测量结果不准确。因此，机组正常运行时只能投入其中的一套，另一套作为备用。

图1 转子接地保护原理

图1 中：Rm为转子接地保护装置内部测量用电阻；Ry为转子接地保护装置双边注入的大功率电阻，阻值为47 kΩ；Us为转子接地保护装置的注入电源，大小为48 V，其切换周期一般为1 s；Rg为转子绕组对大轴的绝缘电阻。根据基尔霍夫电压定律，可推出转子绕组对地绝缘电阻值计算公式为

式中：Im1和Im2为保护装置测得的正半波回路电流和负半波回路电流；∆Us为注入方波电源的正负半波电势差。

接地位置的计算公式为

当测得绝缘电阻的阻值小于装置设定值后，装置发出转子一点接地报警信号，并自动投入转子2 点接地保护。此时，运行人员应及时投入转子两点接地保护的功能压板，使转子接地保护装置具备2 点接地跳闸功能。对于南瑞PCS985 型号的转子接地保护，具有自动投入2 点接地保护功能，无须进行投压板的手动操作。如果转子绕组再次发生不同地点的一点接地故障，会引起转子接地保护装置测得的接地位置发生变化，位移变化量大于3%时，转子接地保护装置判断转子绕组发生2 点接地故障，转子接地保护装置将发出机组跳闸指令。从式（1）和式（2）中也可以看出，当机组停运后，机组励磁电压消失，转子接地保护装置仍然可以测量到转子绕组的绝缘电阻值，但是无法测量到转子绕组的接地偏移角ɑ。

2.2 原因分析

受发电机磁通不对称、励磁系统中高次谐波以及汽轮机高速蒸汽产生静电等因素的影响，机组运行过程中将在转子大轴上感应出电压（即转子轴电压）。当产生的轴电压较大时，会击穿转子大轴与轴承座间的油膜，从而出现烧灼轴颈和轴瓦的情况。为了防止此种现象出现，需在发电机励端轴瓦座加绝缘，在汽端大轴用接地碳刷接地。同时，安装轴电压吸收回路，吸收整流桥输出的谐波电压，确保轴电压处于较低水平。实际测量到的转子轴电压在4 ～6 V，一般不超过20 V。转子接地保护的测量回路需要引入大轴，通过接地碳刷或接地铜辫链接至转子大轴。需注意，此处接地的好坏会直接影响到转子接地保护装置的测量电阻。大轴接地碳刷有接触电阻时的运行原理如图2 所示，其中Rx为大轴接地电阻。

图2 大轴接地碳刷有接触电阻时的运行原理

接地电阻的理论计算公式为

式中：∆Rg为误差项。

∆Rg的计算公式为

对比式（1）和式（3），式（3）中增加了误差项∆Rg，∆Rg的大小与转子接地位置、转子电压以及大轴接地电阻等参数相关。接地碳刷与转子大轴接触不良会导致转子接地保护测得的绝缘电阻值偏离实际，不能正确反映转子绕组的绝缘电阻。当测得的绝缘电阻值小于设定值时，会导致转子一点接地保护装置误动作。

2.3 处理措施

当发生发电机转子一点接地保护动作后，首先应判断转子绕组接地的真实性，判断方法是在转子接地保护屏处，使用万用表测量转子绕组正、负极对地电压。如测得的两边电压不对称，判断是转子绕组真实接地。此时，需要及时投入转子2 点接地保护功能，并安排机组停机检查。如测得的正、电压2 边对称，判断为保护装置误发报警信号。此时，应对保护装置以及测量回路进行检查。对保护装置的排查，可以将正在运行的接地保护装置退出，投入备用的接地保护装置，如果保护装置仍然在报警，则说明是测量回路的问题，需要对相关回路进行逐步的排查，重点是检查接地碳刷是否有打火的情况。

日常维护中，维护人员应加强接地碳刷运行状态的检查，定期对大轴上的油污进行清理，同时提高接地碳刷的质量，确保大轴接地良好。对于全部采用接地铜辫接地方式的转子大轴，有条件可以更换为一组接地铜辫、一组接地碳刷的方式，必要时可以在适当位置再增设一对碳刷，综合提高大轴接地的可靠性[2-5]。

3 转子一点接地报警其他可能的原因及防范措施

（1）励磁可控硅整流桥交流进线侧发生接地故障，接地点传递到直流侧，使转子直流电压中混有交流电压，导致转子一点接地报警。此种情况发生过，检查发现是励磁系统交流进线柜交流进线软连接处，由于房间内负压较大，软连接触碰到外侧的绝缘伸缩节，引起转子接地报警。对于此类故障，可以利用机组检修的机会对此处进行详细检查，如果发现绝缘伸缩节有明显老化现象，应及时进行更换。

（2）直流封闭母线内部潮湿、进水等。如果封闭母线的软连接处发生破损，则会因直流封闭母线内外温差大而产生冷凝水，从而流入到封闭母线内，引起转子绝缘电阻值下降。对于此类故障，机组检修时对直流封闭母线进行检查，尤其是封闭母线的软连接处。

（3）大轴接地碳刷处的接地点存在电压，导致转子接地保护测量不准确，引起转子接地保护误报警。对于此类故障，需要对该处的接地线进行接地导通性检查，确保转子大轴与地网的可靠连接。

（4）发电机励端碳刷异常，如弹簧卡扣脱落也可能会引起接地等。对于此类故障，需要定期对碳刷进行外观检查，必要时进行更换。

（5）转子一点接地保护装置注入电压的切换周期未躲过转子绕组对地等值电容的充放电时间。此时，转子接地保护装置测量到的转子绕组绝缘电阻值及接地偏移角均会发生周期性摆动，导致转子接地保护测得绝缘电阻值偏离实际，严重时可能会造成转子一点接地保护装置误发报警信号。对于此种原因造成的异常，需要调整转子一点接地保护装置注入电源的切换周期，确保测量到得数据稳定且准确。

（6）2 套转子接地保护装置同时投入运行，会导致转子接地保护测量到的转子绕组绝缘电阻值和接地偏移角显示不准确。因为2 套保护装置的原理相同，如果并列运行，2 套保护装置会同时向转子绕组回路注入方波电源，引起2 套转子接地保护装置测量到的数据均不正确，所以正常运行时应确保只投入其中的一套。

4 结 论

为确保转子接地保护能够正确计算出发电机转子绕组对地的绝缘电阻，需要确保转子接地碳刷与大轴接触良好。维护人员应注意加强接地碳刷日常维护与保养，定期清理转子大轴上的氧化膜、污垢，检查碳刷与大轴的压力，定期更换碳刷并提高打磨质量。此外，维护人员需要掌握转子接地保护的原理及故障查找思路，缩短消缺时间。在发生转子接地保护报警时，先确认是否为装置误报，通过测量转子绕组对地电压的方法进行简单判断。如果发现一级对地电压高、另一级对地电压低，则说明确实发生转子接地故障；如果2 级对地电压均匀，则为保护装置误报警。一旦确认转子绕组发生一点接地故障，应按照相关操作规程及时投入转子2 点接地保护，并安排停机检查。