一起注入式轉子接地保護誤動作的原因分析及處理

任池銀，楊長存

（淮浙電力有限責任公司鳳臺發(fā)電分公司，安徽 淮南 232131）

0 引 言

660 MW 燃煤機組轉子額定負載電壓在430 V 左右，因為轉子繞組對大軸絕緣，所以轉子繞組2 端對大軸的電壓對稱。當發(fā)生轉子繞組一點接地時，雖然不會造成轉子繞組發(fā)生短路故障，但是一點接地會造成轉子繞組對大軸電位的升高，容易再發(fā)生另一點接地故障。

汽輪發(fā)電機在運行中發(fā)生轉子繞組對大軸接地是比較常見的故障，當出現轉子繞組一點接地故障后，如果不能及時處理，會引起另一點接地故障，造成部分或全部轉子繞組發(fā)生短路。一方面，短路處將產生較大的短路電流流過轉子大軸，造成轉子大軸燒損，嚴重時會使轉子大軸因過熱而發(fā)生變形事故。另一方面，由于發(fā)電機氣隙磁場的對稱性被破壞，將使發(fā)電機出現較明顯的振動。

根據相關標準，1 MW 及以上機組應裝設專用的轉子一點接地保護裝置延時動作于信號，宜減負荷平穩(wěn)停機，有條件時可動作于程序跳閘。目前，發(fā)電機轉子接地保護大多采用注入式，因此需要外加輔助電源，一般是將20 Hz 的方波電源注入轉子繞組，然后采集相關的電氣量構成判據。受運行環(huán)境的影響，轉子大軸表面容易產生氧化膜和油污，如果不及時清理，會影響轉子大軸與接地碳刷或接地銅辮的導通性。一旦發(fā)生接觸不良的情況，就會在大軸接地碳刷或接地銅辮處發(fā)生間歇性“打火”現象。在此期間，轉子接地保護會因回路增加接觸電阻而影響其絕緣電阻的測量值，造成轉子接地保護誤動作。文章介紹一起660 MW 燃煤機組因大軸接地碳刷接觸不良導致轉子接地保護誤動作事件，并分析問題原因和處理過程。

1 事件概況

某電廠1 號機組轉子一點接地保護裝置發(fā)出間歇性接地報警信號，最長報警持續(xù)時間為2 s，維護人員就地檢查后發(fā)現轉子接地保護裝置實時采樣一直在變化，轉子繞組對地絕緣電阻值的變化范圍為8～300 kΩ，計算出的轉子繞組接地位置一直在變化。當達到轉子一點接地保護定值10 kΩ 時，接地保護裝置發(fā)出告警信號。查看機組故障錄波器歷史曲線，轉子一點接地告警時刻的機組電壓、電流等相關電氣參數均無異常。停用第一套轉子接地保護裝置，切換至第二套轉子接地保護，現象與第一套完全一致，排除保護裝置故障情況。在轉子接地保護屏處，使用萬用表檢查轉子繞組對地直流電壓均勻，確認轉子接地保護裝置告警為虛報。維護人員對勵磁小室、直流封母、碳刷小室等相關地方進行檢查，在汽機側大軸接地碳刷處發(fā)現有打火現象。相關維護人員對接地碳刷進行更換與打磨，處理過程中轉子繞組絕緣電阻與接地位置一直在變化，完成處理后采樣恢復正常。

2 檢查分析與處理

2.1 裝置原理介紹

轉子接地保護原理如圖1 所示。轉子接地保護從原理上可分為注入式和非注入式2 類，鳳臺電廠1 號機組使用南瑞RCS985 雙端注入式轉子接地保護，需要外加輔助電源，在機組運行中能夠實時監(jiān)測發(fā)電機轉子繞組絕緣電阻和接地位置[1]。1 臺機組一般會配置2 套轉子接地保護裝置，如果配置的是2 套同原理的轉子接地保護，則不能將2 臺接地保護裝置同時投入運行，否則會發(fā)生相互干擾，造成測量結果不準確。因此，機組正常運行時只能投入其中的一套，另一套作為備用。

圖1 轉子接地保護原理

圖1 中：Rm為轉子接地保護裝置內部測量用電阻；Ry為轉子接地保護裝置雙邊注入的大功率電阻，阻值為47 kΩ；Us為轉子接地保護裝置的注入電源，大小為48 V，其切換周期一般為1 s；Rg為轉子繞組對大軸的絕緣電阻。根據基爾霍夫電壓定律，可推出轉子繞組對地絕緣電阻值計算公式為

式中：Im1和Im2為保護裝置測得的正半波回路電流和負半波回路電流；?Us為注入方波電源的正負半波電勢差。

接地位置的計算公式為

當測得絕緣電阻的阻值小于裝置設定值后，裝置發(fā)出轉子一點接地報警信號，并自動投入轉子2 點接地保護。此時，運行人員應及時投入轉子兩點接地保護的功能壓板，使轉子接地保護裝置具備2 點接地跳閘功能。對于南瑞PCS985 型號的轉子接地保護，具有自動投入2 點接地保護功能，無須進行投壓板的手動操作。如果轉子繞組再次發(fā)生不同地點的一點接地故障，會引起轉子接地保護裝置測得的接地位置發(fā)生變化，位移變化量大于3%時，轉子接地保護裝置判斷轉子繞組發(fā)生2 點接地故障，轉子接地保護裝置將發(fā)出機組跳閘指令。從式（1）和式（2）中也可以看出，當機組停運后，機組勵磁電壓消失，轉子接地保護裝置仍然可以測量到轉子繞組的絕緣電阻值，但是無法測量到轉子繞組的接地偏移角ɑ。

2.2 原因分析

受發(fā)電機磁通不對稱、勵磁系統中高次諧波以及汽輪機高速蒸汽產生靜電等因素的影響，機組運行過程中將在轉子大軸上感應出電壓（即轉子軸電壓）。當產生的軸電壓較大時，會擊穿轉子大軸與軸承座間的油膜，從而出現燒灼軸頸和軸瓦的情況。為了防止此種現象出現，需在發(fā)電機勵端軸瓦座加絕緣，在汽端大軸用接地碳刷接地。同時，安裝軸電壓吸收回路，吸收整流橋輸出的諧波電壓，確保軸電壓處于較低水平。實際測量到的轉子軸電壓在4 ～6 V，一般不超過20 V。轉子接地保護的測量回路需要引入大軸，通過接地碳刷或接地銅辮鏈接至轉子大軸。需注意，此處接地的好壞會直接影響到轉子接地保護裝置的測量電阻。大軸接地碳刷有接觸電阻時的運行原理如圖2 所示，其中Rx為大軸接地電阻。

圖2 大軸接地碳刷有接觸電阻時的運行原理

接地電阻的理論計算公式為

式中：?Rg為誤差項。

?Rg的計算公式為

對比式（1）和式（3），式（3）中增加了誤差項?Rg，?Rg的大小與轉子接地位置、轉子電壓以及大軸接地電阻等參數相關。接地碳刷與轉子大軸接觸不良會導致轉子接地保護測得的絕緣電阻值偏離實際，不能正確反映轉子繞組的絕緣電阻。當測得的絕緣電阻值小于設定值時，會導致轉子一點接地保護裝置誤動作。

2.3 處理措施

當發(fā)生發(fā)電機轉子一點接地保護動作后，首先應判斷轉子繞組接地的真實性，判斷方法是在轉子接地保護屏處，使用萬用表測量轉子繞組正、負極對地電壓。如測得的兩邊電壓不對稱，判斷是轉子繞組真實接地。此時，需要及時投入轉子2 點接地保護功能，并安排機組停機檢查。如測得的正、電壓2 邊對稱，判斷為保護裝置誤發(fā)報警信號。此時，應對保護裝置以及測量回路進行檢查。對保護裝置的排查，可以將正在運行的接地保護裝置退出，投入備用的接地保護裝置，如果保護裝置仍然在報警，則說明是測量回路的問題，需要對相關回路進行逐步的排查，重點是檢查接地碳刷是否有打火的情況。

日常維護中，維護人員應加強接地碳刷運行狀態(tài)的檢查，定期對大軸上的油污進行清理，同時提高接地碳刷的質量，確保大軸接地良好。對于全部采用接地銅辮接地方式的轉子大軸，有條件可以更換為一組接地銅辮、一組接地碳刷的方式，必要時可以在適當位置再增設一對碳刷，綜合提高大軸接地的可靠性[2-5]。

3 轉子一點接地報警其他可能的原因及防范措施

（1）勵磁可控硅整流橋交流進線側發(fā)生接地故障，接地點傳遞到直流側，使轉子直流電壓中混有交流電壓，導致轉子一點接地報警。此種情況發(fā)生過，檢查發(fā)現是勵磁系統交流進線柜交流進線軟連接處，由于房間內負壓較大，軟連接觸碰到外側的絕緣伸縮節(jié)，引起轉子接地報警。對于此類故障，可以利用機組檢修的機會對此處進行詳細檢查，如果發(fā)現絕緣伸縮節(jié)有明顯老化現象，應及時進行更換。

（2）直流封閉母線內部潮濕、進水等。如果封閉母線的軟連接處發(fā)生破損，則會因直流封閉母線內外溫差大而產生冷凝水，從而流入到封閉母線內，引起轉子絕緣電阻值下降。對于此類故障，機組檢修時對直流封閉母線進行檢查，尤其是封閉母線的軟連接處。

（3）大軸接地碳刷處的接地點存在電壓，導致轉子接地保護測量不準確，引起轉子接地保護誤報警。對于此類故障，需要對該處的接地線進行接地導通性檢查，確保轉子大軸與地網的可靠連接。

（4）發(fā)電機勵端碳刷異常，如彈簧卡扣脫落也可能會引起接地等。對于此類故障，需要定期對碳刷進行外觀檢查，必要時進行更換。

（5）轉子一點接地保護裝置注入電壓的切換周期未躲過轉子繞組對地等值電容的充放電時間。此時，轉子接地保護裝置測量到的轉子繞組絕緣電阻值及接地偏移角均會發(fā)生周期性擺動，導致轉子接地保護測得絕緣電阻值偏離實際，嚴重時可能會造成轉子一點接地保護裝置誤發(fā)報警信號。對于此種原因造成的異常，需要調整轉子一點接地保護裝置注入電源的切換周期，確保測量到得數據穩(wěn)定且準確。

（6）2 套轉子接地保護裝置同時投入運行，會導致轉子接地保護測量到的轉子繞組絕緣電阻值和接地偏移角顯示不準確。因為2 套保護裝置的原理相同，如果并列運行，2 套保護裝置會同時向轉子繞組回路注入方波電源，引起2 套轉子接地保護裝置測量到的數據均不正確，所以正常運行時應確保只投入其中的一套。

4 結 論

為確保轉子接地保護能夠正確計算出發(fā)電機轉子繞組對地的絕緣電阻，需要確保轉子接地碳刷與大軸接觸良好。維護人員應注意加強接地碳刷日常維護與保養(yǎng)，定期清理轉子大軸上的氧化膜、污垢，檢查碳刷與大軸的壓力，定期更換碳刷并提高打磨質量。此外，維護人員需要掌握轉子接地保護的原理及故障查找思路，縮短消缺時間。在發(fā)生轉子接地保護報警時，先確認是否為裝置誤報，通過測量轉子繞組對地電壓的方法進行簡單判斷。如果發(fā)現一級對地電壓高、另一級對地電壓低，則說明確實發(fā)生轉子接地故障；如果2 級對地電壓均勻，則為保護裝置誤報警。一旦確認轉子繞組發(fā)生一點接地故障，應按照相關操作規(guī)程及時投入轉子2 點接地保護，并安排停機檢查。