发电机转子一点接地保护系统配置及应用研究
徐亮;纪可可;黄文明
【摘 要】目前国内发电机转子一点接地保护装置在设计时大多是采用惠斯通电桥式、切换采样式(乒乓式)、注入方波电源式以及注入直流电压等原理,基于上述原理设计和制造出的保护装置在使用时存在着动作死区大、保护选择性差、灵敏度低和无法实时显示转子绝缘变化趋势等缺点. 为此,结合桐子林水电站发电机转子接地保护系统的配置、应用以及整定计算等展开了研究. 研究结果表明,选取合理的发电机转子接地保护系统组合配置方案,能够有效且及时地发现转子绝缘下降的趋势,并发出绝缘降低预报警信号;而且利用两套不同原理的转子接地保护装置可以确认所发出的报警及跳闸信号.%Current domestic generator rotor one-point grounding protection devices are mostly based on principles of Wheat-stone bridge, switch sampling ( ping pong) , square wave power injection and DC voltage injection, etc. Drawbacks like large op-erating dead zone, poor protective selection, low sensitivity and inability to display real time rotor insulation variation tendency exist in independently operating protecting device. To overcome these drawbacks, the configuration, application and setting cal-culation of the generator rotor grounding protection system of Tongzilin Hydropower Station are studied. The results show that an appropriately-selected configuration scheme of the
generator rotor grounding protection system can effectively and promptly dis-cover the decline tendency of the rotor insulation, sending warning signal, and confirm the warning and trip-out signals through the rotor grounding protection system based on two different principles.
【期刊名称】《人民长江》 【年(卷),期】2015(046)023 【总页数】4页(P46-49)
【关键词】发电机转子;一点接地;接地保护;绝缘监测;桐子林水电站 【作 者】徐亮;纪可可;黄文明
【作者单位】雅砻江流域水电开发有限公司 二滩水力发电厂,四川 攀枝花617000;雅砻江流域水电开发有限公司 二滩水力发电厂,四川 攀枝花617000;雅砻江流域水电开发有限公司 二滩水力发电厂,四川 攀枝花617000 【正文语种】中 文 【中图分类】TV734
桐子林水电站安装有4台装机容量为150 MW的轴流转桨式水轮发电机组，机组的励磁系统采用国电南瑞集团公司研发生产的第4代NES 6100型自并励励磁系统。该系统采用从电厂直流系统引入直流电源的起励方式，主要由调节柜、可控硅整流柜、灭磁开关柜以及灭磁电阻柜组成。3个可控硅整流柜并联运行，阳极电压为600 V，从励磁变压器低压侧获得，额定励磁电压为290 V，额定励磁电流为2 580 A。发电机转子接地保护系统由转子绝缘在线监测和接地定位装置、乒乓式发电机转子接地保护装置和注入式发电机转子接地保护装置组成。
转子回路接地故障是发电机的常见故障之一。当转子仅有一点接地时，由于没有电流通过故障点形成回路，因此不会影响发电机的正常运行。若再相继发生第2点接地时，将会形成故障电流回路，故障点因为通过较大的电流而使转子的铁芯或护环烧伤；另外，由于部分绕组被短接，使励磁绕组中电流增大，这就进一步引起过
热而将励磁绕组烧伤；部分绕组被短接后使气隙磁通失去平衡，从而引起发电机振动，特别是多极的就会引起更加严重的振动，甚至造成灾难性的后果；同时气隙磁通不平衡还可能引起发电机的轴系磁化[1]。
为了防止类似故障的发生，避免发电机遭受较大的损坏，必须装设性能可靠、灵敏度较高的转子接地保护装置。因此，对于大型水轮发电机组都装设了转子一点接地保护，这样，一旦出现一点接地故障，就必须尽快转移机组负荷实现停机处理，以消除故障恢复机组正常运行；同时应当防止发生两点接地故障，因为这种故障将会导致事故扩大化。 2.1 惠斯通电桥式
采用惠斯通电桥原理来测量转子绕组与大轴之间的接地电容(R/C测量桥)，以决定大地漏电流。ABB UNS 3020a型转子接地保护装置具有两级保护：一级是用来对轻微的转子接地发出警报，另一级则是对严重的转子接地发出跳闸指令。该装置具有自检功能，用于检测该装置所有电子线路工作是否正常，具体原理如图1所示。 该装置采用惠斯通电桥原理设计，其中转子绕组与大轴接地之间的分布电容CR，加上隔离电容CK1和CK2共同构成了电桥桥臂中的一条，而另一条桥臂则为匹配电容CX的支路，再加2路高值电阻R支路，在正常情况下，CK1和CK2远大于CR。测量桥由一个外部的辅助交流电源供电，当电桥平衡时，则电桥输出电势非常小，亦即，当该电桥满足式(1)时即达到平衡。
当发电机转子绕组发生接地故障时，电桥平衡被打破，其电位量上升。在这种情况下，会根据U+值的大小来决定发出报警(Stage1 alarm)或跳闸(Stage2 trip)。 2.2 切换采样式(乒乓式)
切换采样式转子一点接地保护原理如图2所示。励磁绕组中的任一点K经过渡电阻Rg接地，由乒乓式开关S1、S2实施切换，计算对地绝缘电阻Rg和接地位置α。
该保护电路简单，实现也很方便，保护灵敏度与故障点位置无关，而且当被测电流是稳态值时，与励磁绕组对地电容大小也无关。但是在实际应用中，切换采样周期若不能躲过电容充放电时间，则将导致保护误动。在发电机启停过程中，如果励磁电压呈大幅度的变化，那么计算所得到的接地电阻的误差就会极大，从而可能导致保护误动或拒动；在发电机停机时，因为没有励磁电压的保护也将会失去作用。同时，在切换采样的过程中，还需要借助于微机来控制电子开关的频繁开闭。在长期使用过程中，对电子开关本身的质量和性能都提出了较高的要求，而且测量电阻在长时间运行中也会由于发热而导致阻值发生变化，这种状况将会直接影响到保护的测量精度[2]。 2.3 注入方波电源式
根据现场转子绕组引出方式的不同，来选择双端注入式或单端注入式转子接地保护原理。注入电源时，是从转子绕组的正负两端(或负端)与大轴之间注入，注入电源的切换周期可以根据转子绕组对地电容的大小进行调整，并实时求解转子一点接地电阻，保护能反映发电机转子对大轴绝缘电阻的下降情况[2]。
双端注入式和单端注入式转子接地保护的工作电路如图3和图4所示。在图4中，Rx为测量回路电阻，Ry为注入大功率电阻，Us为注入电源模块，Rg为转子绕组对大轴的绝缘电阻。通过在发电机励磁绕组两端或一端注入方波信号电源，可以计算出励磁绕组接地绝缘电阻Rg和接地位置α。由于单端注入式没有引入转子励磁电压，无法计算转子接地故障的位置。
由于注入方波低频电源的作用，因此，在发电机未加励磁电压的情况下，该保护仍然可以检测转子绝缘情况。另外，接地电阻的测量精度很高，误差小于5%，同时，保护不受机组运行工况和励磁绕组对地电容的影响，保护无死区、灵敏度高，而且与接地位置无关(绕组上任一点接地的灵敏度都会高达100 kΩ)。 2.4 转子一点接地保护逻辑
桐子林水电站机组采用的是双端注入式和乒乓式转子一点接地保护原理，当其测量出来的接地电阻Rg小于一定数值时，则可以判断装置为转子一点接地故障。转子一点接地设有2段(即灵敏段和普通段)动作值：灵敏段动作于报警，普通段则可动作于报警或跳闸。其保护逻辑如图5所示。
为了确保能够可靠地监测励磁绕组及引出线的绝缘情况，避免发生励磁绕组2点接地对水轮发电机组的安全运行造成威胁，桐子林水电站的每台发电机组均配置了一套WL2CA-S型转子绝缘在线监测和接地定位装置，以及2套原理不同的转子一点接地保护装置(RCS-985RE型双端方波注入式和RCS-985RS型乒乓式，这2种保护装置也是目前使用最广泛和可靠的转子一点接地保护装置)。这3套装置均安装于励磁系统灭磁电阻盘柜内，以适应大型机组高转子电压等级的需要[4]。 对于WL2CA-S型转子绝缘在线监测和接地定位装置原理，机组在正常运行时，不需要外加电压；当机组停机时，励磁电压为0 V，装置自动在负极对大轴外加24 V，作为停机时的绝缘测量和接地保护。由于在这种情况下没有励磁电压，因此装置不能定位。当机组起励后，在能够测量励磁电压的情况下，装置就会自动断开24 V的电源，同时，利用励磁电压来进行绝缘监测和接地定位。
当运行方式切换开关把手U73切至“配合”位置时，WL2CA-S型转子的绝缘监测和接地定位装置就会以与机组转子接地保护装置相配合的方式运行，前者的整定值要大于后者。也就是说，WL2CA-S在对转子绝缘实施实时监测，当转子绝缘低于绝缘降低整定值(比如500 kΩ)时，就会及时发出绝缘降低信号；当绝缘值继续低于转子接地整定值(比如50 kΩ)时，就会发出接地报警信号，而且会同时指出接地点的具体位置，记忆接地前后的绝缘变化过程，并保持当前状态，不再继续监测。 与此同时，装置会自动将机组转子接地保护装置的大轴线接通，由转子接地保护装置来完成报警和跳闸出口的动作。在将U73切换开关把手切换至“”位置时，WL2CA-S绝缘监测装置即开始运行，同时具有绝缘监测、接地定位和接地保
护功能。在这种情况下，机组转子一点接地保护装置的大轴线被断开而自动退出。在将U73切换开关把手切换至“保护”位置时，WL2CA-S绝缘监测装置的大轴线被断开也退出运行，此时，机组转子的接地保护装置开始运行。 4.1 转子一点接地保护整定依据
对于桐子林水电站机组转子一点接地保护的整定计算，是根据《大型发电机变压器继电保护整定计算导则》(DL/T 684-2012)[5]。其中，水轮发电机组的通用技术条件规定：绕组的绝缘电阻在任何情况下都不得低于0.5 MΩ，具体细则如下。 (1) 对于高定值段，可整定为10～30 kΩ，一般动作于信号。 (2) 对于低定值段，可整定为0.5～10 kΩ，可动作于信号或跳闸。 (3) 对于动作时限，一般可整定为5～10 s。
为了使机组转子绝缘监测和接地保护定值配合协调，达到转子绝缘监测提前于接地一点接地保护预报警状态而进行检修的目的，采取的是转子绝缘在线监测和接地定位装置的定值必须大于转子一点接地保护定值的原则。同时，还必须遵循以下2个原则。
(1) 接地电阻报警延时的时间，等于转子绝缘在线监测和接地定位装置接地动作延时与发电机转子接地保护装置的报警延时之和。
(2) 由于桐子林水电站励磁系统采用的是从电厂直流系统引入直流电源起励的方式，因此，需考虑起励减压前3 s内直流系统绝缘监测装置与转子绝缘在线监测及接地定位装置相互测量构成回路的影响，并躲避转子接地保护报警或跳闸[6]。转子绝缘在线监测和接地定位装置绝缘降低报警定值，应当小于直流系统绝缘监测装置内置平衡电阻(200 kΩ)的一半，即100 kΩ。 4.2 转子一点接地保护整定计算
根据保护整定计算导则，结合发电机参数计算和现场试验，桐子林水电站水轮发电机组转子绝缘在线监测和接地定位装置的定值整定如下。
(1) 绝缘降低报警的定值为80 kΩ；
(2) 接地电阻报警的定值为15 kΩ，接地动作延时7 s； (3) 水轮发电机组转子的磁极数为90个。
桐子林水电站水轮发电机组转子一点接地保护定值整定如下。
(1) 转子一点接地灵敏段(高定值段)投入，灵敏段电阻的定值为20 kΩ；
(2) 转子一点接地报警(低定值段)投入，接地电阻的定值为5 kΩ，报警延时3 s； (3) 转子一点接地跳闸退出，此时，桐子林水电站机组注入方波电源周期和乒乓式电子开关切换周期均为0.5 s。
桐子林水电站水轮发电机组在正常运行的情况下，采用的是WL2CA-S型转子绝缘在线监测和接地定位装置及注入式或者乒乓式转子一点接地保护装置(由转子接地运行切换把手(QK)确定)配合运行的方式。其工作逻辑为：WL2CA-S实时监测转子绝缘，当转子绝缘低于绝缘降低整定值(50 kΩ)时，WL2CA-S型转子绝缘在线监测和接地定位装置会及时发出“转子绝缘降低”报警信号；当绝缘值继续低于转子接地整定值(比如10 kΩ)时，延时7 s并同时发出接地报警信号，而且也会指出接地点的具体位置，记忆接地前后的绝缘变化过程，保持当前状态，不再监测；同时，WL2CA-S型转子绝缘在线监测和接地定位装置内部的大轴线自动断开，将机组注入式或者乒乓式转子一点接地保护装置(由QK确定)的大轴线接通，当测量出来的接地电阻Rg确实小于一点接地报警值(20 kΩ)时，会延时3 s，并发出“注入式或者乒乓式转子一点接地信号”的报警；如果转子接地电阻继续降低，且低至小于绝缘降低报警值(5 kΩ)时，就会延时5 s，再次发出“注入式或者乒乓式转子接地跳闸”的报警，并同时完成出口跳闸。
桐子林水电站水轮发电机组转子一点接地保护系统采用的是双端注入式和乒乓式的双重转子一点保护，然而该保护系统无法实现实时显示转子绝缘变化的趋势。 为了在保护装置发出转子一点接地报警信号之前，了解转子绝缘降低到何种程度及
其变化趋势，将其作为机组是否需要停机消缺的重要依据，桐子林水电站又为发电机组配置了转子绝缘监测装置。所配置的3种监视保护装置相互配合，优势互补，实现了无死区、高灵敏度的大型水轮发电机组转子一点接地保护。这些配置一起作用，确保不会发生转子两点接地的重大故障，对于发电机、电网的安全运行发挥了重要作用。
【相关文献】
[1] 纪可可，徐亮，黄文明.浅谈一起转子接地故障检查和处理[J]．电源技术应用，2014，(1)：320-325．
[2] 李霞．发电机转子接地保护不同原理的应用[J]．电站系统工程，2013，29(6):69-70． [3] 潘峰，薛小静，赵全，等．大型水电机组转子接地保护的应用研究——以溪洛渡、向家坝电站为例[J]．水电与新能源，2014，(11)：1-4，12．
[4] 徐亮，纪可可，莫瑶．某大型机组励磁系统非线性电阻烧伤处理[J]．人民长江，2014，45(5):103-106．
[5] DL/T684-2012大型发电机变压器继电保护整定计算导则[S]．
[6] 李华忠，陈俊，张琦雪，等．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[J]．电力自动化设备，2015，35(1):170-174．
