（国家能源集团谏壁发电厂）
摘要：本文分析了某发电厂1000MW发电机先后采用的两种转子接地保护的工作原理及存在的问题，通过分析，明确了转子接地保护在生产应用过程中的运行维护重点，提高了设备安全运行的可靠性。
关键词：转子接地保护；接触电阻；接触不良
0引言
发电机转子绕组绝缘破坏主要有两种故障形式：转子绕组短路和励磁回路一点接地。发电机励磁回路一点接地故障，是常见的发电机故障形式之一，尽管对发电机并不会造成严重的危害，但若再相继发生第二点接地故障，将破坏发电机气隙磁场的对称性，引起发电机剧烈振动，无功出力降低，使转子发生缓慢变形而形成偏心，从而造成转子和汽轮机叶片等部件磁化，将会严重威胁设备的安全，而且实际上两点接地故障也时有发生。
随着中国电力工业的飞速发展，电力系统朝着“特高压、大机组、大电网”方向发展，1000MW特大容量机组已经成为发展的主力机型。特大型机组具有单机造价昂贵、非正常停机损失大、额定转子电压高等特点，所以必须配置完善的转子接地保护。本文就某电厂1000MW发电机组先后采用的两种转子接地保护进行了分析与探讨。
1 UNS3020型转子接地保护原理及可靠性分析
1.1 UNS3020型转子接地保护原理概述
该厂1000MW发电机励磁系统采用ABB UN5000型励磁调节系统，在机组投产初期发电机转子接地保护使用了ABB UN5000型励磁调节系统配套的UNS3020型转子接地保护。它的特点是：2级保护（1级报警，2级跳机），每段定值和延时可单独调整。该保护采用惠斯通电桥原理，接线原理如图（1）所示。
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图1 UNS3020型转子接地保护原理接线
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构成电桥桥臂中的一条，另一桥臂为匹配电容CX支路、再加2路高值电阻R支路。其等效电路如图2 示。
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图2 UNS3020型转子接地保护等效电路
测量桥由一个外部的辅助交流电源供电，正常情况下CK1和CK2远大于CR，在发电机转子回路没有接地的情况下，即当电桥平衡时，则电桥输出电势V非常小，根据惠斯通电桥原理可得出式（1）。
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式（1）
当发电机转子绕组发生接地故障时，电桥平衡被打破，其输出电势上升，根据U+值的大小决定发出报警（Stage1 alarm）或跳闸（Stage2 trip）。
1.2 UNS3020转子接地保护运行可靠性分析
1.2.1该厂1000MW发电机采用的ABB公司UN5000静止励磁调节系统使得发电机增加了一个相当大的高频谐波轴电压源，由于发电机转子表面旋转速度很高，通过汽轮机机端轴接地消除轴电压已经不再可靠。为了抑制轴电压对转子的损坏，装设了专用的轴电压吸收回路，该回路为在转子绕组两端与大轴之间接入一个RC回路，R值较小，C值为2~10uf不等，在RC吸收回路充放电的过程中，励磁回路的等效电容CR会发生变化，这就会使电桥平衡遭到破坏，当电桥的不平衡使得电压表输出达到保护的整定值，就会使保护误动。由于轴电压吸收回路的影响造成转子接地保护误动的情况在其他电厂也多次发生，有的电厂为了消除这种影响直接将轴电压吸收回路短接并取消接地，但这样做将会失去轴电压吸收回路的抑制作用，严重影响机组的安全，不值得提倡。
1.2.2其次，转子的励磁电流的输入以及大轴的接地都是依靠碳刷实现，碳刷与转子之间是否接触良好也影响着转子接地保护的动作情况。在计算CX的时候没有考虑碳刷与转子之间的接触电阻，事实上在正常运行中由于碳刷的磨损、弹簧夹的好坏、灰尘、油污以及机组偶尔振动突变的影响，造成接地碳刷与大轴接触不良引起碳刷与转子之间的接触电阻变大，从而使U+电压增大是无法避免的，接触电阻的大小也直接影响着转子接地保护的性能。对于该厂来说，接地碳刷处的轴瓦油污情况一直很严重，接地碳刷与大轴之间的良好接触一直受到影响。所以该为了防止转子接地保护误动导致机组跳闸，其转子一点接地保护长期处于信号状态，存在一定的安全隐患。
1.2.3 再次，UNS3020转子接地保护使用体验并不友好，如无人机界面、不具有事件记录功能，不利于运行和维护人员对发电机转的监测和分析，不利于对故障的事后分析。不能在线监视发电机转子绝缘状况及转子正负极对地电压大小。保护的定值由元器件焊接确定，定值修改和校验比较困难。
基于上述分析，对于装设轴电压吸收回路的大型机组，应选用不受转子对地电容影响的转子接地保护。采用注入低频方波原理，通过调整注入方波的频率，躲过RC回路的充放电时间，从而可以消除轴电压吸收回路对转子接地保护的影响，该厂在机组小修时选用了南瑞继保的RCS-985双端注入式发电机转子接地保护予取予以替代。
2 RCS一985RE型转子接地保护原理及可靠性分析
2.1 RCS一985RE型转子接地保护原理概述
南瑞继保RCS一985RE型转子接地保护采用的是直流双端注入式原理，从转子绕组的正负两端与大轴之间注入一个低频方波电源，区分正常运行和接地故障。正常运行时，发电机由注入电源引起的对地泄露电流几乎为零；当转子绕组发生接地故障时，泄露电流会发生明显变化。通过检测该电流的变化，可实时计算出转子接地电阻以及接地点的位置。该保护在未加励磁电压的情况下也能监视转子绝缘，在转子绕组上任一点接地时，保护的灵敏度高且一致，注入的方波信号源采用自适应有源切换技术，消除了转子绕组对地电容的影响。保护原理如图3所示。
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图3 直流双端注入式转子接地保护原理图
其中Rx为测量回路电阻，Ry为注人大功率电阻（通常其阻值为47kO），Us为注入电源模块，Rg为转子绕组对大轴的绝缘电阻，Ur为转子电压，i为转子绕组接地故障泄露电流，α为转子绕组接地位置。保护的等效电路如图4所示。
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图4 等效电路模型图
注入式转子接地保护方波电源有正、负半波两种状态，对应的测量电流为i1、i2，对应的方波电压为Us、－Us。根据基尔霍夫定律，当转子注入方波电源的电势为Us（正半波）时，通过等效电路图可以得出：
RxI + RyI1 + RgI = Us－Ur+ 式（2）
RxI + RyI2 + RgI = Us－Ur- 式（3）
同理，当转子注入方波电源的电势为－Us时，通过等效电路图可以得出：
RxI＇+ RyI1＇+ RgI＇= －Us－Ur+ 式（4）
RxI＇+ RyI2＇+ RgI＇= －Us－Ur- 式（5）
由式（2）～（5）联立可以得出：
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根据计算结果，我们可以得到转子一点接地的保护判据为：
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＜
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。当满足Rg <Rdz1（保护整定Ⅰ段）时，经过延时发出转子一点接地报警信号；当满足Rg<Rdz2（保护整定Ⅱ段）时则判断为发生转子一点接地，经过延时后动作于跳闸。
假设发电机转子一点接地的位置为α，取转子的负端为起始端，令：
Ur = Ur++ Ur-，Ur- =αUr，Ur+ =（1-α）Ur
式（6）
由式（2）～（6）联立可以得出：
α=
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+
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由此可以判断出发生发电机转子一点接地的位置，为事故处理提供了依据。当接地位置α的改变达到一定值ε（为转子两点接地位移固定值），即当∣△α∣=∣α1-α2∣〉ε时则判断为发生转子两点接地，动作于发电机跳闸。
2.2 RCS一985RE型转子接地保护运行可靠性分析
在上面理论计算的过程中我们没有考虑大轴与碳刷之间的接触电阻，根据计算结果我们可以看出，在不考虑接触电阻的情况下，转子绕组接地电阻的测量不受转子接地点的影响（计算结果中不含有α），只由方波电源的电压以及实际测量的电流决定。但是正常运行中碳刷与大轴之间是肯定存在接触电阻的（等效电路如图5）。根据上述计算过程可以看出，当碳刷与大轴之间的接触电阻Rm恒定不变时，
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，那么实际所测得的转子接地电阻将偏大Rm，而实际运行中碳刷与大轴之间的接触电阻肯定是有变化的。为了分析方便，我们考虑两种极端情况，在方波电源的正、负半波两种状态下，接触电阻为Rm或0。
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图5碳刷与大轴间接触电阻等效电路图
以第一种情况为例进行分析：正半波时接触电阻为Rm，负半波时接触电阻为0。
根据基尔霍夫定律及等效电路，在方波的正半波可列出下列方程组：
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式（7）
同理，当方波在负半波的状态下同样可列出方程组：
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式（8）
由式（7）、（8）联解可得：
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定义偏差为
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由此可见，
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的正与负与转子接地的位置，转子电压的变化，接触电阻的大小以及接地电阻的大小均有关系，当
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为正值
时保护计算的接地电阻值偏大，当
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为负值时保护计算的接地电阻值偏小。第二种极端情况的分析计算与第一种类似，保护计算的接地电阻值同样可能偏大或偏小。
基于以上分析，接地碳刷与大轴之间接触不良同样可能导致低频方波注入式转子接地保护出现误动。
3 结束语
本文就该厂1000MW发电机组先后采用的两种转子接地保护作了一些介绍分析，对两种保护的工作原理及运行可靠性进行了分析与探讨，接地碳刷与大轴之间接触不良均是两种保护可能发生误动的原因。因此，为使转子接地保护可靠动作，应确保接地碳刷与大轴之间接触良好，定期清理大轴油污和灰尘；做好定期检查工作，发现碳刷磨损严重应及时更换，发现碳刷紧力不够应及时更换弹簧夹，确保改进后的转子接地保护可靠工作。
参考文献：
[1]《南瑞继保RCS一985RE型保护装置使用说明书》
作者简介：
陈刚 （1983-），男，大学，助工，国家能源集团谏壁发电厂发电部全能值班员。