985RE轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在大型機(jī)組中的應(yīng)用

鮮霄

（神華國(guó)華浙江浙能發(fā)電有限公司，浙江寧波315612）

985RE轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在大型機(jī)組中的應(yīng)用

鮮霄

（神華國(guó)華浙江浙能發(fā)電有限公司，浙江寧波315612）

985RE數(shù)字式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在大型發(fā)電機(jī)組中應(yīng)用廣泛，簡(jiǎn)要介紹了985RE保護(hù)裝置的軟硬件構(gòu)成與特點(diǎn)，著重對(duì)其一點(diǎn)接地電阻、位置，兩點(diǎn)接地電阻、位置的檢測(cè)原理進(jìn)行了分析，提出了在保護(hù)整定中應(yīng)當(dāng)注意的問(wèn)題，并針對(duì)實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，提出了相應(yīng)的建議。以期對(duì)保護(hù)的應(yīng)用提供有益參考，促進(jìn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)運(yùn)行水平的不斷提高。

發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子接地；保護(hù)；985RE；經(jīng)驗(yàn)；分析

0 引言

轉(zhuǎn)子接地是發(fā)電機(jī)較常見(jiàn)的故障之一。當(dāng)勵(lì)磁回路發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，對(duì)發(fā)電機(jī)還不會(huì)造成較大危害，但如果再發(fā)生第2點(diǎn)接地故障，則會(huì)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子電流增大，無(wú)功出力降低，甚至產(chǎn)生劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全。如果汽輪發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路發(fā)生兩點(diǎn)接地，則有可能使軸系和汽機(jī)磁化。因此裝設(shè)完備的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)對(duì)完善大型發(fā)電機(jī)組的保護(hù)體系和保障安全運(yùn)行都有著十分重要的意義。

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地時(shí)沒(méi)有故障電流，甚至故障電壓也不大，加上轉(zhuǎn)子回路的高過(guò)電壓水平一直限制著轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的發(fā)展和優(yōu)化，成為了發(fā)電機(jī)保護(hù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理主要以國(guó)內(nèi)的方波注入式和國(guó)外的交流注入式為主。南瑞公司推出的985RE轉(zhuǎn)子接地保護(hù)作為方波注入式的代表在國(guó)內(nèi)大型機(jī)組有著廣泛的應(yīng)用。保護(hù)采用了高性能數(shù)字信號(hào)處理器DSP芯片為基礎(chǔ)的雙CPU（中央處理器）硬件系統(tǒng)，有獨(dú)立的啟動(dòng)CPU作為啟動(dòng)元件，該啟動(dòng)元件在電子電路上（包括數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）與保護(hù)CPU完全獨(dú)立。985RE采用具有自適應(yīng)有源切換技術(shù)，在未加勵(lì)磁電壓的情況下也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣。深入探討分析985RE保護(hù)的相關(guān)功能，及時(shí)研究總結(jié)在運(yùn)行中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)提高轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的運(yùn)行水平，保證發(fā)電機(jī)主設(shè)備的安全有著重要意義。

1 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)分析

1.1 單端注入信號(hào)

985RE保護(hù)可選擇從轉(zhuǎn)子正負(fù)兩極與大軸之間注入，從轉(zhuǎn)子一極（通常為負(fù)極）與大軸之間注入2種方式。當(dāng)采用單端注入時(shí)，其等效回路見(jiàn)圖1。

同時(shí)考慮注入電源的2種狀態(tài)，可得轉(zhuǎn)子回路與大軸間的電阻為：

圖1 單端注入電路

式中：Us為注入電源方波的幅值；Rx為采用電阻；Ry為注入電阻。

1.2 雙端注入信號(hào)

當(dāng)采用雙端注入時(shí)，其等效回路見(jiàn)圖2。

圖2 雙端注入電路

同樣可得轉(zhuǎn)子回路Rg為：

測(cè)量不受轉(zhuǎn)子電壓的影響，即在發(fā)電機(jī)沒(méi)有起勵(lì)時(shí)仍可以監(jiān)視轉(zhuǎn)子回路的絕緣水平。在測(cè)量接地位置時(shí)，設(shè)轉(zhuǎn)子電壓為E（考慮方波注入電源影響轉(zhuǎn)子電壓的變化，新的轉(zhuǎn)子電壓設(shè)為E′），電流方向如圖2所示。此時(shí)第1個(gè)狀態(tài)可得以下方程：

第2個(gè)狀態(tài)可得以下方程：

聯(lián)解式（3）與（4）可得接地位置α為：

式中：U與U′為2個(gè)狀態(tài)下測(cè)量電阻上的電壓。

由式（5）可知轉(zhuǎn)子電壓不為零時(shí)，保護(hù)才能計(jì)算出實(shí)際接地位置。保護(hù)的范圍為整個(gè)轉(zhuǎn)子回路與整流橋交流側(cè)（包括整個(gè)勵(lì)磁變低壓側(cè)繞組）。

當(dāng)在交流側(cè)位置接地時(shí)，相當(dāng)于在直流部分疊加了1個(gè)50 Hz的交流電壓分量，該分量會(huì)產(chǎn)生泄漏電流。但這個(gè)泄漏電流為交流分量，不影響測(cè)量，在計(jì)算接地電阻時(shí)也會(huì)被消除，接地電阻的計(jì)算公式仍然適用。當(dāng)交流側(cè)發(fā)生接地時(shí)，因?yàn)椴粫?huì)對(duì)直流分量產(chǎn)生影響，所以U=-U′，可知α為50%。實(shí)際上轉(zhuǎn)子繞組的電氣中心位置不會(huì)發(fā)生接地，因此50%接地位置可直接判斷為在整流橋交流側(cè)發(fā)生了接地故障。

某600 MW機(jī)組在進(jìn)行勵(lì)磁整流橋輕負(fù)載試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地頻繁動(dòng)作，檢測(cè)接地位置50%，經(jīng)檢查為整流橋交流電源接入的是380 V低壓廠(chǎng)變，該中性點(diǎn)直接接地，因此保護(hù)才會(huì)動(dòng)作。

1.3 大軸接地碳刷接觸不良對(duì)保護(hù)的影響

實(shí)際上以上分析未考慮到大軸接地碳刷接觸不良的情況。當(dāng)大軸接地碳刷電阻變化時(shí)，可用圖3分析。

圖3 接觸電阻的影響

假設(shè)在第1個(gè)狀態(tài)下大軸的接觸電阻為Rz，第2個(gè)狀態(tài)下接觸電阻為0?？煞謩e得到如下方程：

由此可以得到接地電阻為：

其中：

可見(jiàn)ΔRg的正負(fù)與接地電阻、接觸電阻、轉(zhuǎn)子電壓、接地位置均有關(guān)。以下是某600 MW機(jī)組各因素對(duì)ΔRg的影響分析。

從圖4中可以看到，影響ΔRg正負(fù)的主要因素是一點(diǎn)接地位置α，接地位置靠近負(fù)端ΔRg就為正，保護(hù)容易誤動(dòng)，接地位置靠近正端ΔRg就為負(fù)，保護(hù)容易拒動(dòng)。其他3個(gè)因素主要影響ΔRg的大小，對(duì)其正負(fù)符號(hào)沒(méi)有影響。

另外一種情況是第1個(gè)狀態(tài)下大軸的接觸電阻為0，第2個(gè)狀態(tài)下接觸電阻為Rz。直接給出結(jié)論：

影響ΔRg正負(fù)的主要因素也是一點(diǎn)接地位置α，其規(guī)律相同。因此只要大軸接地碳刷的接觸電阻有變化，就會(huì)導(dǎo)致保護(hù)測(cè)量值偏大或偏小。影響的因素有接地位置、接地電阻、接觸電阻、轉(zhuǎn)子電壓。其中接地位置靠近負(fù)極，測(cè)量值偏小，保護(hù)易誤動(dòng)，靠近正極，測(cè)量值偏大，保護(hù)易拒動(dòng)；其他因素僅影響偏差值的大小，不影響正負(fù)符號(hào)。

實(shí)際上大軸接地碳刷接觸不良的情況時(shí)有發(fā)生，大軸碳刷振動(dòng)、碳刷污染或定期更換碳刷時(shí)，保護(hù)裝置均會(huì)報(bào)警和啟動(dòng)。針對(duì)這種情況，應(yīng)重視大軸碳刷的運(yùn)行狀態(tài)，提前消除隱患，在定期檢查、更換碳刷時(shí)宜退出保護(hù)跳閘功能。有條件的可以在大軸X與Y 2個(gè)方向上裝設(shè)大軸碳刷，以減少碳刷本身接觸不良引起的誤動(dòng)和拒動(dòng)；也可以加裝另一套不同原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)（對(duì)大軸接觸電阻不敏感原理優(yōu)先）。

DL/T 684-2012《大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》建議低定值段整定為0.5～10 kΩ，而DL/T 671-2010《發(fā)電機(jī)變壓器組保護(hù)裝置通用技術(shù)條件》對(duì)動(dòng)作誤差的要求：當(dāng)整定值為1～5 kΩ時(shí)，允許差±0.5 kΩ，當(dāng)整定值大于5 kΩ時(shí)，允許差±10%。因此發(fā)生保護(hù)誤動(dòng)的機(jī)組，建議適當(dāng)?shù)販p小定值。

大型發(fā)電機(jī)組因?yàn)榧尤肓溯S電壓吸收及其他附加回路，轉(zhuǎn)子對(duì)地分布電容一般大于10 μF，保護(hù)的單個(gè)注入電阻為47 kΩ。因此整個(gè)測(cè)量回路的RC時(shí)間常數(shù)τ均大于0.24 s?？紤]到穩(wěn)態(tài)充放電時(shí)間為5τ和一定裕度，因此將電源注入周期整定為2.5～3 s以上，可以保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)分析

2.1 工作原理

985RE具備有檢測(cè)第2點(diǎn)接地的能力，但此功能仍具有較大的局限性。其原因?yàn)樵谟谟?jì)算第2點(diǎn)接地電阻和接地位置時(shí)，必須依賴(lài)第1點(diǎn)接地電阻和接地位置。當(dāng)?shù)?點(diǎn)接地電阻發(fā)生變化，會(huì)影響第2點(diǎn)接地的測(cè)量。轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地等效電路見(jiàn)圖5。

圖4 Rg，α，E，Rz對(duì)ΔRg的影響

圖5 兩點(diǎn)接地等效電路

根據(jù)圖5可以列出基爾霍夫電壓方程組：

式中：β為轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地短路的匝數(shù)比；Rh為第2點(diǎn)接地等效電阻。

經(jīng)化簡(jiǎn)消去I3，并結(jié)合注入電源的2個(gè)狀態(tài)，可以建立方程組。

最終可得到第2點(diǎn)接地電阻與接地位置為：

式（10）有意義的條件也是轉(zhuǎn)子電壓E與E′不為零，且Rg為已知?？梢?jiàn)只有在準(zhǔn)確測(cè)得一點(diǎn)接地電阻Rg后才能計(jì)算第2點(diǎn)接地位置β和第2點(diǎn)接地電阻Rh。實(shí)際上保護(hù)在檢測(cè)到第1點(diǎn)接地電阻小于接地電阻靈敏段后，如果轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地不投跳閘，則開(kāi)始檢測(cè)第2點(diǎn)接地。若檢測(cè)到第2點(diǎn)接地位置β≠α，且第2點(diǎn)接地電阻Rh達(dá)到高定值段則出口跳閘。該現(xiàn)象已在某600 MW機(jī)組大修試驗(yàn)中多次出現(xiàn)，為保證機(jī)組穩(wěn)定性，應(yīng)在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中退出該保護(hù)的兩點(diǎn)接地跳閘功能。

2.2 應(yīng)注意的問(wèn)題

轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地檢測(cè)需要在穩(wěn)定測(cè)得轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地電阻的前提下進(jìn)行，如果轉(zhuǎn)子第1點(diǎn)接地電阻時(shí)刻發(fā)生變化，那按此種原理無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得第2點(diǎn)接地的電阻與位置。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，保護(hù)在設(shè)計(jì)上采用了記憶功能。即測(cè)得一點(diǎn)接地以后，裝置記錄下Rg與α，并保持?jǐn)?shù)分鐘，在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，若接地電阻發(fā)生變化，也不再重新計(jì)算，即使接地點(diǎn)絕緣緩慢恢復(fù)正常，也仍然當(dāng)有接地點(diǎn)存在。此時(shí)若保護(hù)檢測(cè)到第2點(diǎn)接地，則出口跳閘。因此這種原理的兩點(diǎn)接地保護(hù)存在較大的誤動(dòng)可能性?？紤]到兩點(diǎn)接地保護(hù)原理的弊端與規(guī)程的要求，不建議投入該種保護(hù)的兩點(diǎn)接地保護(hù)功能。

3 結(jié)語(yǔ)

985RE保護(hù)具有全數(shù)字化，保護(hù)功能相對(duì)完善，軟硬件穩(wěn)定性高，校驗(yàn)簡(jiǎn)單，在不加勵(lì)磁電壓的情況下也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣的優(yōu)點(diǎn)，在大型發(fā)電機(jī)組中獲得了廣泛的應(yīng)用。但是也存在保護(hù)受接觸電阻影響大，兩點(diǎn)接地保護(hù)過(guò)于依賴(lài)一點(diǎn)接地檢測(cè)值，所以在現(xiàn)場(chǎng)使用中也出現(xiàn)過(guò)一些問(wèn)題。此外基于這種注入式原理的保護(hù)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙重化，因此建議搭配一種其他工作原理的保護(hù)來(lái)彌補(bǔ)不足，以提高轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的運(yùn)行水平，確保發(fā)電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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（本文編輯：楊勇）

Application of 985RE Rotator Earth Fault Protection in Large Units

XIAN Xiao
（Shenhua Guohua Zhejiang Zheneng Power Generation Co.,Ltd.,Ningbo Zhejiang 315612,China）

Earth fault protection of 985RE digital generator rotator has been widely applied in large generator units.This paper briefly presents the software and hardware architecture and the feature of 985RE protection device and particularly analyzes principles of one-point grounding resistance and the location，two-point grounding resistances and the locations.In addition，it proposes problems that need attention during protection setting and puts forward suggestions on problems in practical use，expecting to provide reference for protection application and enhance generator stator earth fault protection.

generator；rotator earth fault；protection；985RE；experience；analysis

TM772

：B

：1007-1881（2014）03-0054-04

2013-07-16

鮮霄（1982-），男，杭州人，工程師，從事發(fā)電廠(chǎng)繼電保護(hù)與自動(dòng)裝置的管理工作。