陈国栋

(大唐淮南洛河发电厂，安徽 淮南 232008)

0 引言

发电机转子发生一点接地故障时，由于没有构成电流通路，对发电机不会造成直接的危害，发电机可以继续运行。但此时接地极对地电压降低，非故障极对地电压升高；当接地为金属性接地时，接地极电压为0，非故障极电压升高为转子电压，就有可能再发生第2 个接地故障点。若再次发生另一点接地而形成2 点接地故障时，不仅故障电流可能会造成转子铁芯或护环严重烧坏，而且由于一部分转子绕组被短接而破坏了转子磁场的对称性，使得机组发生剧烈的振动和转子铁芯被磁化。因此，当发现转子绕组发生一点接地时，应迅速采取措施消除故障，恢复机组正常运行。

1 机组运行方式

某电厂5 号发电机组为上海电机厂生产的QFS-600-2 型水氢氢冷却发电机组，发电机励磁方式采用机端自并励方式，发电机出口并接1 台山东金曼克公司生产的ZLS-6 300/20 干式励磁变(Yd11，20/0.88 kV)作为励磁电源。励磁调节器选用上海成套发电设备研究所引进瑞士ABB 公司技术生产的Unitrol 5000 励磁调节器，它通过可控硅整流桥控制励磁电流来调节同步发电机端电压和无功功率。系统配备专门的转子接地保护检测装置UNS 3020a 来检测同步发电机励磁绕组的接地故障。

2 转子接地保护工作原理

转子接地保护装置UNS 3020a 是一个独立保护继电器，采用惠斯顿电桥原理来测量转子绕组与大轴之间的接地电容，以监视转子绕组对地绝缘水平(见图1)。

图1 转子接地保护原理

保护输入电路一端利用匹配电容(CK1，CK2)连接到励磁绕组的正负极，另一端经接地碳刷连接在大轴上。2 只高值电阻R 和调整电容CX、转子绕组与大地之间的自然电容CR，匹配电容CK1和CK2 共同组成R/C 测量电桥，正常情况下CK1 和CK2 大于CR。测量桥的辅助电源既可由独立的交流电源供电，也可由发电机出口电压互感器供电。电桥按标准非故障情况校准平衡，即跨越电桥的电压值U最小。与大轴相连的桥臂应在最初安装时，通过测量转子绕组，包括所有转子供电电缆的电容来进行初始化。当发电机转子绕组发生接地故障时，转子绕组电容被故障漏电阻分流，则电桥平衡被打破，跨越电桥的电压值U上升，根据U的大小决定发出报警(Stage l alarm)或跳闸(Stage 2 trip)。

该保护装置的特点是：保护两段设置，I 段报警，II 段跳闸，每段接地电阻设定值和延时时间可单独调整；保护接线简单，没有死区，励磁绕组上任一点的接地灵敏度基本相近，可用作整个发电机转子回路(包括功率可控硅和励磁变压器二次侧)接地故障保护。但是，电桥平衡容易受转子碳刷和大轴接地碳刷接触电阻的影响；对叠加交流电源的频率要求较严格；测量臂为复数臂，因此调节电桥平衡比较麻烦。

3 异常现象

2011-05-06，电厂5 号发电机小修后启动，进行发电机空载试验。当发电机端电压升至80 %额定值(16 kV)时，转子一点接地保护I 段报警信号发出。测量转子一点接地保护装置电桥输出电压约600 mV 且有上升趋势；立即对励磁系统直流侧进行检测，发电机转子电压正负对地均为52 V左右，且对称变化。继续升压至额定值(20 kV)，稳定运行约2 min，转子一点接地保护装置电桥输出电压升至2 000 mV，转子一点接地保护II 段动作跳闸。发电机跳闸后，使用500 V 摇表测量发电机转子线棒绝缘电阻为2 MΩ；测量转子一点接地保护装置电桥输出电压稳定于50 mV。

重新对发电机进行空载升压，同时密切监视转子一点接地保护装置电桥输出电压的变化趋势。发现该电压值随着发电机端电压的升高而逐渐增大。当发电机端电压升高至额定值时，该电压值再次达到2 000 mV，转子一点接地保护II段再次动作跳闸。

4 检查及处理经过

4.1 发电机转子绕组绝缘检测

机组启动前，测量发电机转子绕组对地绝缘电阻为1.5 MΩ。在发电机转速为3 000 r/min 且未加励磁情况下，测量转子回路对地绝缘电阻大于1 MΩ，可以排除“发电机转子绕组存在接地现象”这一原因。

4.2 发电机大轴接地碳刷检查

发电机大轴接地碳刷在运行中经常会因磨损、积灰尘等原因造成接触不良。大轴接地碳刷接触不好时，在大轴上会产生轴电压。轴电压中含有基波、高次谐波和噪声分量，它们经过大轴与转子绕组间的分布电容到达转子绕组，经由转子接地装置的电容和轴电压抑制器到达电桥一臂，越过电容达到接地信号测量端(U)，造成输出电压不规则波动。分布电容的变化能造成转子接地装置误发接地报警信号，甚至在极端条件下可能误发跳闸信号。

就地检查发电机大轴2 块接地碳刷，接触良好，无跳跃、冒火等异常现象；碳刷辫与连接电缆接触完整，连接牢固。因此，可以排除“由于接地碳刷接触因素而影响转子接地保护输出”这一原因。

4.3 发电机滑环碳刷检查

发电机碳刷与转子滑环接触不良也会造成电桥平衡被破坏，从而影响保护装置测量端输出的电压信号。

对发电机转子滑环及碳刷进行检查：各碳刷接触面完好，刷辫无断股或松动，均压弹簧安装牢固、压力均匀、活动自如，盘车时无跳动现象；滑环表面清洁、圆整，无划伤和发热痕迹；风道畅通。因此，可以排除“发电机滑环碳刷与转子滑环接触不良”这一原因。

4.4 机组运行工况检查

机组运行过程中，振动突变造成接地碳刷与大轴接触不良、励磁通道切换产生的高频电压脉冲、发电机出口电压波动等因素可能引起转子一点接地保护装置电桥输出电压的突然增大。转子一点接地保护2 次动作跳闸时，机组维持3 000 r/min 的转速，各轴承振动均小于70μm，无明显变化；励磁调节器A 通道运行，B 通道自动跟踪，未切换；转子接地保护装置采用UPS 装置供电方式，发电机端电压变动也不会引起保护装置电桥输出电压增大。因此，可以排除“由于运行工况变化而影响保护装置输出”这一原因。

4.5 转子接地保护装置UNS 3020a 检查

若保护装置匹配电容配制及电桥平衡没有调到最优状态，则在发电机正常运行期间，装置输出电压始终存在一定的电压，且电压值与不平衡度成正比关系。依据转子一点接地保护装置调试导则，在发电机未加励磁情况下，通过电容匹配，调整接地保护装置电桥输出电压低于60 mV。在2 次保护动作发电机灭磁后，测量电桥输出电压约53 mV，因此可以排除“转子一点接地保护装置电桥不匹配”这一原因。

4.6 励磁回路交流侧检查

根据发电机升压后转子一点接地保护输出电压的变化趋势以及上述检测情况分析判断，励磁回路确实存在接地点，且接地点可能在励磁变低压侧，在整流柜可控硅导通期间，转子绕组对地电容短接(见图2)，使电桥平衡破坏，引起电桥输出电压上升。

图2 三相桥式整流电路

使用500 V 摇表测量励磁变低压侧三相对地绝缘电阻，发现C 相对地绝缘电阻为0，其余两相绝缘电阻正常。因此，对一次回路进行详细查找，发现励磁变低压侧C 相出口至共箱母线软连接线与外壳伸缩节处的橡胶皮接触。将软连接线与橡胶皮分离后，C 相对地绝缘电阻恢复正常。

处理后再次将发电机升压至额定值，接地保护装置输出电压小于200 mV，远低于600 mV 的报警值，转子回路正负极对地绝缘电阻也均正常，机组成功并网运行。

5 防范措施

由于发电机转子在运行中高速旋转，长期运行后在离心力的作用下，转子线棒会发生轻微松动、移位并磨损绝缘，再加上励磁电流热效应造成的绝缘劣化，会引发一点接地故障。在发电机转子发生一点接地故障时，不应局限在直流回路查找故障点，而应将检查范围扩大到励磁装置的交流侧，以免贻误时机，造成故障的扩大。

此外，发电机组检修期间，因各设备单体绝缘监督测量的需要，对发变组各设备间软连接进行拆接工作。在恢复接线工作时，必须严格执行检修工艺要求，确保设备对地绝缘保持足够安全距离。

6 结束语

发电机组在未加励磁状况下，由于可控硅元件未导通，因此机组启动前的定转子绝缘检测无法反映励磁回路交流侧对地绝缘情况，所以在出现发电机转子对地绝缘下降的异常时，不仅要详细检查直流回路对地绝缘，还应该结合现场实际，对励磁回路交流侧进行查找。