靜止勵(lì)磁軸電壓濾波回路對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置的影響

李毅，張文斌，李洲，王智高

(西安熱工研究院有限責(zé)任公司，西安 710032)

0 引言

轉(zhuǎn)子接地是發(fā)電機(jī)較常見(jiàn)的故障。轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地時(shí)，由于沒(méi)有形成閉合通路，勵(lì)磁繞組參數(shù)沒(méi)有改變，所以并不會(huì)造成直接危險(xiǎn)。但如果發(fā)生2點(diǎn)接地故障，則會(huì)出現(xiàn)故障點(diǎn)電流過(guò)大而造成轉(zhuǎn)子本體燒傷、勵(lì)磁繞組短接，導(dǎo)致氣隙磁通失去平衡、引起振動(dòng)以及轉(zhuǎn)子磁化等故障，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)安全［1］。GB/T 14285—2006《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》規(guī)定1 MW及以上的發(fā)電機(jī)應(yīng)裝設(shè)專用的轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置，使信號(hào)延時(shí)動(dòng)作，以減負(fù)荷平穩(wěn)停機(jī)，有條件時(shí)可動(dòng)作于程序跳閘［2］。

目前，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)形式主要有切換采樣式(乒乓式)、注入方波電源式、注入直流電壓式、注入交流電壓式及電橋式等。其中乒乓式和電橋式采用非注入式原理，依靠勵(lì)磁繞組本身的電氣量構(gòu)成保護(hù)依據(jù);注入方波電源式、注入直流電壓式及注入交流電壓式采用注入式原理，需要外加輔助電源注入轉(zhuǎn)子繞組，采集相關(guān)的電氣量構(gòu)成保護(hù)。

本文分別以有勵(lì)磁軸電壓濾波回路，采用切換采樣式和注入方波電源式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的機(jī)組為例，對(duì)保護(hù)裝置測(cè)量發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的接地阻值異常情況進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)對(duì)策和注意事項(xiàng)。

1 2種保護(hù)原理

1.1 乒乓式保護(hù)原理

乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)工作電路如圖1所示，圖中S1，S2為電子開(kāi)關(guān)，得到相應(yīng)的回路方程，通過(guò)求解方程，可以得到轉(zhuǎn)子接地電阻Rf和接地位置α。

圖1 切換采樣式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

式中:Rf為接地電阻;I1，I2，E 為 S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)的回路電流和轉(zhuǎn)子電壓;I1'，I2'，E'為 S2閉合、S1斷開(kāi)時(shí)的回路電流和轉(zhuǎn)子電壓;R，R1為保護(hù)裝置測(cè)量電阻;U1為S1閉合、S2斷開(kāi)時(shí)R1上的壓降;U2為S2閉合、S1斷開(kāi)時(shí)R1上的壓降;ΔU是U1與kU2的差值。

1.2 注入方波電源式保護(hù)原理

注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理如圖2所示。在轉(zhuǎn)子繞組的正、負(fù)兩端或其中一端(通常選擇負(fù)端)與大軸之間注入電壓，通過(guò)裝置內(nèi)部電子開(kāi)關(guān)定時(shí)切換，實(shí)時(shí)求解轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣電阻值，注入電壓由保護(hù)裝置自產(chǎn)，在未加轉(zhuǎn)子電壓的情況下，也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子的絕緣情況［3］。接地電阻計(jì)算公式如下。

圖2 注入方波電源式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

式中:Rm為測(cè)量電阻;Rc為耦合電阻;Us為方波電源;I1，I2為方波電壓正、負(fù)時(shí)的測(cè)量電流，設(shè)方波電源正、負(fù)時(shí)轉(zhuǎn)子電壓不變。

2 勵(lì)磁軸電壓濾波回路原理

目前，大型發(fā)電機(jī)組一般采用靜止勵(lì)磁系統(tǒng)，靜止勵(lì)磁系統(tǒng)使汽輪發(fā)電機(jī)增加一個(gè)相當(dāng)大的高頻諧波軸電壓源，由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸表面旋轉(zhuǎn)的速度很高，通過(guò)汽輪機(jī)機(jī)端軸接地消除軸電壓已經(jīng)不再可靠［4］。為了抑制軸電壓的幅值，有些勵(lì)磁系統(tǒng)裝設(shè)了軸電壓吸收回路，用來(lái)濾去諧波電流，如圖3所示。

圖3 軸電壓吸收回路

3 轉(zhuǎn)子接地保護(hù)調(diào)試中出現(xiàn)的問(wèn)題

山東某2×350 MW熱電聯(lián)產(chǎn)電廠采用中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的QFSN-350-2-20型發(fā)電機(jī)，國(guó)電南瑞科技股份有限公司生產(chǎn)的SAVR5000型靜止勵(lì)磁裝置，許繼集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的WFB-800A型發(fā)電機(jī)變壓器組成套保護(hù)裝置，配置乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。其軸電壓濾波回路的濾波電阻、電容分別是10 Ω和2 μF。機(jī)組整套啟動(dòng)時(shí)，汽輪機(jī)轉(zhuǎn)速為3000r/min定速，轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻大于50 MΩ，勵(lì)磁繞組帶電后，乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的接地阻值始終是26 kΩ，接近報(bào)警定值20 kΩ，但與轉(zhuǎn)子繞組實(shí)際的絕緣阻值相差很大。拆除軸電壓濾波回路，保護(hù)測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的接地阻值顯示655.36 kΩ，可認(rèn)為是無(wú)窮大，與定速時(shí)測(cè)量的轉(zhuǎn)子繞組絕緣相當(dāng)。

越南某電廠2×622.5 MW火力發(fā)電項(xiàng)目，采用中國(guó)東方電氣集團(tuán)有限公司生產(chǎn)的QFSN-622.5-2-22型發(fā)電機(jī)和T6S-O/U251-S6000型靜止勵(lì)磁裝置，南京南瑞繼保電氣有限公司RCS-985RE型注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置。其濾波電阻、電容分別是10Ω和2μF。繞組靜態(tài)轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻大于50MΩ，注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置測(cè)量的轉(zhuǎn)子繞組的接地阻值78kΩ，也出現(xiàn)了轉(zhuǎn)子繞組實(shí)際的絕緣阻值相差很大的情況。同樣，拆除軸電壓濾波回路后，保護(hù)測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的接地阻值顯示300.00 kΩ，可認(rèn)為是無(wú)窮大，與繞組靜態(tài)轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻相當(dāng)。

上述2個(gè)電廠靜止勵(lì)磁裝置使用了軸電壓濾波回路，都出現(xiàn)了出現(xiàn)接地保護(hù)裝置測(cè)量的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的接地阻值與實(shí)際轉(zhuǎn)子繞組絕緣電阻值偏差較大的情況。

4 問(wèn)題分析

DL/T 671—1999《微機(jī)發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》中規(guī)定，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，應(yīng)能適用于轉(zhuǎn)子回路對(duì)地分布電容不大于8 μF的各種非旋轉(zhuǎn)勵(lì)磁方式的發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路。大機(jī)組轉(zhuǎn)子繞組本身對(duì)地電容最大為1～2μF，電廠靜止勵(lì)磁裝置使用了軸電壓濾波回路后，轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地的電容增加了很多，電容接近8 μF，在工程實(shí)例中，乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)和注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置均出現(xiàn)測(cè)量值偏差，嚴(yán)重影響保護(hù)性能。

4.1 注入方波電源式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

圖2所示乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理，在不考慮轉(zhuǎn)子對(duì)地電容和濾波回路電容，轉(zhuǎn)子的對(duì)地絕緣良好，Rf阻值較高時(shí)，可認(rèn)為此時(shí)I1，I2均為0，根據(jù)式(1)可知Rf為無(wú)窮大。

含有濾波回路注入方波電源式接地保護(hù)原理如圖4所示?；芈泛?jiǎn)化成一階電路，可列出方程

式中:C為回路等效電容;u0為電容初始電壓;i為回路電流;τ為時(shí)間常數(shù);t為時(shí)間;uc為等效電容上的壓降。

電流衰減到穩(wěn)態(tài)基本需3～5 τ，即0.3～0.5 s，方波電源的切換時(shí)間0.5 s，不能保證完全小于電容的充、放電時(shí)間，式(1)中的I1，I2就會(huì)有差異，根據(jù)式(1)可知Rf有一定的阻值，導(dǎo)致保護(hù)裝置測(cè)量值出現(xiàn)偏差。

圖4 含有濾波回路注入方波電源式接地保護(hù)原理

4.2 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

圖1所示切換采樣式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理，不考慮轉(zhuǎn)子對(duì)地電容和濾波回路電容，轉(zhuǎn)子的對(duì)地絕緣良好，Rf阻值較高時(shí)，可認(rèn)為Rf處回路電阻無(wú)窮大，此時(shí)電子開(kāi)關(guān)S1或S2閉合，均有

根據(jù)式(1)可知Rf為無(wú)窮大。

含有濾波回路乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理如圖5所示。轉(zhuǎn)子的對(duì)地絕緣良好、Rf阻值較高時(shí)，Rf處回路電阻無(wú)窮大。根據(jù)保護(hù)廠家資料，圖5裝置中回路的電阻約為10 kΩ，濾波回路電容為2×2 μF，時(shí)間常數(shù)τ=RC=10000×0.000004=0.04(s)，電流衰減到穩(wěn)態(tài)基本需3～5 τ，即0.12～0.20 s，而保護(hù)裝置1 s中實(shí)際計(jì)算接地的次數(shù)為2次，保護(hù)裝置在電子開(kāi)關(guān)關(guān)斷前讀取采樣電流I1和I2，如果I1，I2不能衰減成穩(wěn)態(tài)電流，由電流計(jì)算的采樣電壓也不是穩(wěn)態(tài)的電壓。

圖5 含有濾波回路切換采樣式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

切換采樣原理(乒乓式)的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，電子開(kāi)關(guān)切換后的電流測(cè)量必須達(dá)到穩(wěn)態(tài)。只要(保護(hù)裝置)測(cè)定的電流I1，I2確實(shí)是穩(wěn)態(tài)值，則此保護(hù)裝置與勵(lì)磁回路對(duì)地電容無(wú)關(guān)［5-9］;如果沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，保護(hù)裝置出現(xiàn)測(cè)量值偏差，無(wú)法正常工作，則可能出現(xiàn)誤動(dòng)。

5 接地保護(hù)及軸電壓濾波回路參數(shù)配合

在機(jī)組基建的過(guò)程中，安裝好完整的勵(lì)磁回路，一般時(shí)間已臨近機(jī)組整套啟動(dòng)時(shí)間，如果出現(xiàn)上述問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)解決的方法往往是拆除軸電壓濾波回路，以保證轉(zhuǎn)子接地保護(hù)性能。拆除軸電壓濾波回路，等于失去了一個(gè)抑制軸電壓的手段，從機(jī)組長(zhǎng)期安全運(yùn)行角度來(lái)看不值得提倡。

乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)、注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置具有電路簡(jiǎn)單、測(cè)量方便、精度高、易于微機(jī)實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，目前在數(shù)字式微機(jī)保護(hù)中得到相當(dāng)普遍的應(yīng)用。這2種保護(hù)測(cè)量有簡(jiǎn)化后階躍電路的特點(diǎn)，電流衰減到穩(wěn)態(tài)，計(jì)算時(shí)只有電流是穩(wěn)態(tài)的，才能說(shuō)明接地電阻與轉(zhuǎn)子回路對(duì)地電容的大小無(wú)關(guān)。

保護(hù)裝置的電子開(kāi)關(guān)或方波電源切換后，測(cè)量回路的暫態(tài)電流的衰減速率主要和保護(hù)測(cè)量回路電阻、轉(zhuǎn)子繞組及其外部勵(lì)磁回路的電容有關(guān)。如果減小測(cè)量回路的電阻，則會(huì)影響保護(hù)測(cè)量的準(zhǔn)確度和精度;如果減小轉(zhuǎn)子外部的勵(lì)磁回路電容，則達(dá)不到濾去諧波電流作用。延長(zhǎng)保護(hù)裝置電子開(kāi)關(guān)、注入方波切換的時(shí)間，可以得到穩(wěn)態(tài)電流，但會(huì)減少單位時(shí)間內(nèi)的計(jì)算次數(shù)，保護(hù)的性能會(huì)下降。因此，勵(lì)磁裝置和保護(hù)廠家在具體的工程中，應(yīng)加強(qiáng)聯(lián)系，改進(jìn)參數(shù)降低時(shí)間常數(shù)，使綜合性能達(dá)到最優(yōu)。

6 結(jié)束語(yǔ)

大型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子繞組及其外部勵(lì)磁回路，對(duì)地電容比較大，且機(jī)組容量及結(jié)構(gòu)不同時(shí)，其對(duì)地電容值也不同。任何原理的勵(lì)磁繞組回路一點(diǎn)接地保護(hù)均應(yīng)采取技術(shù)措施，減少或完全消除對(duì)地電容對(duì)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的不利影響。同時(shí)，在轉(zhuǎn)子回路設(shè)計(jì)增加對(duì)地電容時(shí)，也應(yīng)充分考慮對(duì)保護(hù)裝置的影響。

［1］王維儉.發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)應(yīng)用［M］.2版.北京:中國(guó)電力出版社，2005:158-173.

［2］繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程:GB/T 14285—2006［S］.

［3］AMMANLL C.靜止勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生的軸電壓?jiǎn)栴}和解決的方法［J］.國(guó)外大電機(jī)，2005(3):27-34.

［4］吳篤貴.靜止勵(lì)磁系統(tǒng)保護(hù)配置方案［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2006:29(19):72-75.

［5］陳俊，王光，嚴(yán)偉，等.關(guān)于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)幾個(gè)問(wèn)題的探討［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008:32(1):90-92.

［6］張侃君，尹項(xiàng)根，陳德樹(shù).乒乓式勵(lì)磁繞組接地保護(hù)若干問(wèn)題的探討［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，)2006(11):56-60.

［7］夏勇軍，尹項(xiàng)根，楊經(jīng)超，等.發(fā)電機(jī)乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)電路設(shè)計(jì)［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，2004(12):52-55.

［8］蘭華，張波，李衛(wèi)國(guó).乒乓式勵(lì)磁繞組接地保護(hù)若干問(wèn)題的分析［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010(15):28-32.

［9］吳仕宏，程琨，張海寧，等.乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的分析與完善［J］.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014(1):126-128.