一起發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的動(dòng)作行為分析

許宏偉

（浙江浙能嘉興發(fā)電有限公司，浙江 平湖 314201）

隨著發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的增大，靈敏度偏差較大的注入直流電壓型保護(hù)和受轉(zhuǎn)子對(duì)地電容影響的注入正弦波交流電壓型保護(hù)逐步被淘汰，轉(zhuǎn)而采用了相對(duì)穩(wěn)定成熟的切換采樣（乒乓）式和注入低頻方波電壓型保護(hù)。為避免大機(jī)組轉(zhuǎn)子2點(diǎn)接地所造成的巨大損傷，許多機(jī)組已將轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地保護(hù)投入跳閘。

1 保護(hù)動(dòng)作及處理過(guò)程

某發(fā)電廠的機(jī)端自并勵(lì)型300 MW發(fā)電機(jī)配置了國(guó)產(chǎn)微機(jī)型發(fā)變組保護(hù)，轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地保護(hù)選用雙端注入方波式原理，方波周期設(shè)定為1 s，采樣值經(jīng)CPU板和MON（監(jiān)測(cè)）板雙A/D轉(zhuǎn)換，跳閘出口判據(jù)為2取2，保護(hù)報(bào)警定值為10 kΩ延時(shí)2 s，跳閘定值為1 kΩ延時(shí)2 s。

2010年12月12 日，機(jī)組升負(fù)荷過(guò)程中發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作跳閘。故障前機(jī)組負(fù)荷216 MW，勵(lì)磁電壓200.1 V。保護(hù)裝置的故障信息記錄如下：

11:06:48.078，轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地保護(hù)啟動(dòng)；11:07:14.601，轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地 TJ3跳閘出口3；11:07:28.880，轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地保護(hù)啟動(dòng)；11:07:33.980，轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地 TJ3跳閘出口3；11:07:48.260，轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地 TJ3跳閘出口3；11:07:56.420，轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地保護(hù)啟動(dòng)；11:08:01.521，轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地TJ3跳閘出口3（與MON板同時(shí)動(dòng)作致保護(hù)出口）。

上述記錄中，前2次因MON板沒(méi)有同時(shí)動(dòng)作，保護(hù)未出口，最后1次CPU板、MON板同時(shí)動(dòng)作，出口跳閘。記錄顯示動(dòng)作時(shí)的泄漏電流IX為4.95 mA（正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)小于0.2 mA），查故障錄波器中轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地保護(hù)開(kāi)關(guān)量、轉(zhuǎn)子繞組正負(fù)極電壓、定子電流、定子電壓、轉(zhuǎn)子電流等波形均正常，但轉(zhuǎn)子繞組正極對(duì)地、負(fù)極對(duì)地波形電壓僅約2 V，為無(wú)效值，因此判斷故障錄波器采樣板有故障。

檢查一次設(shè)備外觀正常，測(cè)得絕緣數(shù)據(jù)為：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子180 MΩ，直流進(jìn)線銅排及勵(lì)磁調(diào)節(jié)器0.5 MΩ，勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)三相對(duì)地1 000 MΩ，均為合格；二次回路正常，3次模擬試驗(yàn)保護(hù)均正確動(dòng)作。發(fā)電機(jī)空載升壓后，保護(hù)裝置采樣顯示接地電阻285 kΩ，α（1點(diǎn)接地位置）28%，測(cè)量轉(zhuǎn)子繞組電壓為107 V，正極對(duì)地92 V，負(fù)極對(duì)地15 V，但正、負(fù)極對(duì)地電阻不平衡。經(jīng)排查系因故障錄波器分壓電阻板正極對(duì)地有電阻腳虛焊（該機(jī)組故障錄波器直接采集轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電壓）。處理后，α為51%，轉(zhuǎn)子繞組電壓正極對(duì)地58 V，負(fù)極對(duì)地49 V。

鑒于原因不能完全確認(rèn)，最終電廠將保護(hù)動(dòng)作由跳閘改為信號(hào)，同時(shí)解除故障錄波器中轉(zhuǎn)子繞組電壓采集回路，保護(hù)運(yùn)行正常。

2 原因分析

雙端注入方波電壓的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理見(jiàn)圖1， 其中 RK1，D1，RK2，D2部分為故障錄波采集回路，RK1及RK2的阻值為800 kΩ。原理是通過(guò)測(cè)量方波電壓分別為正、負(fù)時(shí)的回路電流i和i′，計(jì)算接地電阻Rg：

圖1 雙端注入方波電壓轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

式（1）是假定方波電壓在正、負(fù)變化1個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)子電壓不變，接地位置α不變。同時(shí)為消除接地電容cg的影響，在Us通過(guò)Rc和Rg對(duì)cg的充放電過(guò)程中，要對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)作濾波處理，即保護(hù)要在i和i′達(dá)到穩(wěn)態(tài)情況下才按式（1）計(jì)算接地電阻。一般大機(jī)組轉(zhuǎn)子對(duì)地電容約為1～2 μF，回路充放電時(shí)間常數(shù)不到0.1 s，遠(yuǎn)小于方波電壓Us的周期。因此，正常情況下保護(hù)能夠較好地消除轉(zhuǎn)子對(duì)地電容及直流干擾電壓的影響。

在保護(hù)動(dòng)作后再次啟動(dòng)機(jī)組時(shí)，發(fā)現(xiàn)故障錄波器RK1電阻腳虛焊，引起了正、負(fù)極對(duì)地電壓的偏移，即α為28%，而正常時(shí)約為50%，因此可以判斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)RK1電阻腳正在由導(dǎo)通轉(zhuǎn)為斷開(kāi)，而式（1）成立的前提是i和i′平穩(wěn)，正、負(fù)半波α不變；當(dāng)RK1電阻腳虛焊引起采集回路在導(dǎo)通與斷開(kāi)間變化時(shí)，α在28%和50%間變化，Rg和cg兩端電壓也在變化，cg不斷被充放電，當(dāng)其變化頻率與回路充放電時(shí)間及方波電壓周期接近時(shí)，i和i′就無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，由此測(cè)量計(jì)算出的接地電阻實(shí)際上是Rg和cg的并聯(lián)阻抗，其數(shù)值必將小于真實(shí)的Rg。當(dāng)變化頻率“合適”時(shí)，計(jì)算出的電阻值甚至可能接近零。針對(duì)一階線性電路的動(dòng)態(tài)過(guò)程，近似計(jì)算式如下：

當(dāng)RK1接通時(shí)：

當(dāng)RK1斷開(kāi)時(shí)：

式中：i為測(cè)量電流；us為方波電壓；u0為cg兩端初始電壓；r為電路電阻，可近似等于Rm+Rc/2；α′ur為因α偏移而加在cg兩端的轉(zhuǎn)子電壓。

顯然，此時(shí)i完全不同于式（1）中的衰減指數(shù)函數(shù)，估算其最大瞬時(shí)值可達(dá)5.87 mA。

結(jié)合圖1，可以看出電阻RK1斷開(kāi)與接通引起α的變化（即cg兩端電壓的變化量）與電阻RK1和Rg的相對(duì)大小有關(guān)，當(dāng)RK1?Rg時(shí)，α變化接近于50%，對(duì)保護(hù)的電流測(cè)量影響較大；當(dāng)RK1?Rg時(shí)，α變化接近于0，對(duì)保護(hù)的電流測(cè)量幾乎沒(méi)有影響。而該廠轉(zhuǎn)子繞組連同勵(lì)磁回路（斷開(kāi)故障錄波器）的絕緣電阻為0.5 MΩ，接近于RK1即800 kΩ。此時(shí)電阻RK1斷開(kāi)與接通的過(guò)程類(lèi)似于轉(zhuǎn)子繞組間隙性對(duì)地放電的現(xiàn)象。

保護(hù)裝置制造廠技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)協(xié)助檢查分析后，認(rèn)為保護(hù)動(dòng)作的原因是一次回路某處有間歇性擊穿放電，或是整流柜交流側(cè)（勵(lì)磁變壓器低壓側(cè)）有短時(shí)對(duì)地絕緣擊穿的情況，如果是暫時(shí)的絕緣擊穿，在保護(hù)動(dòng)作、恢復(fù)絕緣后就不會(huì)再表現(xiàn)為接地。筆者認(rèn)為，故障錄波器中的電阻RK1在接通和斷開(kāi)過(guò)程中使轉(zhuǎn)子對(duì)地電容不斷充放電，造成保護(hù)裝置測(cè)量電流變化的情況值得探討。

3 結(jié)論

（1）故障錄波器等設(shè)備采集轉(zhuǎn)子電壓的接入電阻值應(yīng)該為兆歐級(jí)以上，而非千歐級(jí)，從而降低其故障時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)子絕緣及保護(hù)回路的影響。

（2）有必要進(jìn)一步研究在1個(gè)注入方波周期內(nèi)因回路電阻的變化引起電容充放電與轉(zhuǎn)子間隙性放電的不同物理特征，從而在保護(hù)邏輯中加以區(qū)別。

（3）基于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子1點(diǎn)接地的保護(hù)并無(wú)直接危害，注入方波電壓型保護(hù)的判別時(shí)間為秒級(jí)，因此保護(hù)整定動(dòng)作延時(shí)時(shí)間不宜太短。

（4）注入型轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在原理上已有所完善，但由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子是大功率直流源，附件較多，無(wú)法象交流設(shè)備那樣通過(guò)電氣隔離的互感器來(lái)安裝保護(hù)裝置。為進(jìn)一步提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的可靠性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)轉(zhuǎn)子相關(guān)二次測(cè)量回路的維護(hù)。

[1]楊志民，馬義德，張新國(guó)．現(xiàn)代電路理論與設(shè)計(jì)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2009．

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