发电机转子一点接地保护在三峡电站的运用与效果评估

2015-07-28刘先科李小文吴宝增

水电站机电技术 2015年6期

关键词：发电机

刘先科，李小文，曾　鹏，吴宝增

（三峡电厂，湖北宜昌 443133）

发电机转子一点接地保护在三峡电站的运用与效果评估

刘先科，李小文，曾鹏，吴宝增

（三峡电厂，湖北宜昌 443133）

摘要：转子一点接地保护能发现发电机转子回路内部的缺陷和故障，对机组安全稳定运行至关重要。本文主要论述了三峡电站转子一点接地保护的配置及基本原理，对保护装置的运行效果进行了评估，并介绍了三峡电站转子一点接地保护的运用经验。

关键词：发电机；转子；转子一点接地；三峡电站

0　引言

发电机转子回路故障一般有3个类型，即转子匝间故障、转子回路一点接地故障、转子回路两点接地故障。轻微的匝间短路不会影响机组正常运行，但如果故障继续发展，将会使转子电流增加，绕组温度升高，甚至导致接地故障发生。出现转子回路一点接地故障时，不会形成闭合通路，不会造成直接危害，但再发生转子回路二点接地故障时，将会出现很大的故障电流，烧伤转子本体、励磁气隙失衡、转子磁化、损伤轴系等严重后果。因此，配备合适有效的转子一点接地保护对发电机的安全稳定运行有重要的意义。

发电机转子一点接地保护一般有注入式和乒乓式两种原理。注入式转子一点接地保护通过在转子绕组两端或一端注入方波信号电源，用以区分正常运行和接地故障。乒乓式转子一点接地保护在发电机运行时轮流测量转子绕组正极、负极的对地电流，并根据测得的结果计算出转子绕组或励磁回路的对地电阻，从而判断出接地故障的位置及接地电阻的量值。

1　三峡电站现行转子一点接地保护配置及基本原理

三峡电站拥有32台额定容量777.8 MVA的水轮发电机组，均配置了发电机转子一点接地保护，一般以注入式保护为主用，乒乓式保护做备用。三峡电站转子一点接地保护经历了多次换型改造和升级，现行配置如表1。

表1　三峡电站现行转子一点接地保护配置

1.1三峡左岸电站ALSTOM机组SIEMENS低频

方波电压注入式转子一点接地保护三峡左岸电站ALSTOM机组采用SIEMENS公司低频方波电压注入式转子一点接地保护，原理如图1所示。

保护注入电压由7XT71串联装置提供，经过电阻单元7XR6004与励磁回路经高电阻对称耦合，同时通过低阻值的测量电阻m连接到大轴接地电刷（地电位），注入电压和充电电流通过变送器MU1和MU2分别变换为控制电压control和测量电压meas送入保护装置，转子接地电流由测量电压反映，由此计算出接地电阻，实际接地电阻由电压meas决定，该值与成比例，测量电压的直流分量由滤波器平均值决定，测量值为稳态值。

图1　SIEMENS电压注入转子绕组的连接示意图

1.2三峡右岸电站能事达公司变极性叠加直流原理的转子一点接地保护

能事达公司生产的变极性叠加直流原理转子一点接地保护装置LDP2094为三峡右岸电站的主用转子接地保护。其原理如图2所示。

图2　能事达LDP2094 变极性叠加直流转子一点接地保护原理图

1.3三峡右岸电站许继集团公司乒乓式转子一点接地保护

许继公司WFB-801/S发电机组保护装置内置一套乒乓式转子一点接地保护，用于右岸电站。保护接线图如图3所示。

图3　许继WFB-801/S乒乓式转子一点接地保护接线示意图

保护采用乒乓式开关切换原理，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻值和位置。保护原理示意图见图4所示，励磁电压经过降压回路后分为两路，一路接励磁电压测量，另一路接保护乒乓切换回路，虚线框内为励磁降压回路，其中2为由微机控制的电子开关为接地电阻，α为接地点位置为转子电压。

图4　许继WFB-801/S乒乓式转子一点接地保护原理示意图

图5　南瑞RCS-985乒乓式转子接地保护接线原理图

1.4三峡南瑞RCS-985转子一点接地保护

南瑞RCS-985转子一点接地保护配置于三峡左岸电站VGS机组以及地下电站27FB、29FB机组，内置注入式转子接地保护RCS-985RE-2TP和乒乓式转子接地保护RCS-985RS-2TP，其中，乒乓式转子接地保护接线原理图如图5，注入式转子接地保护接线原理图如图6。

切换图5中S1、S2电子开关，得到相应的回路方程，通过求解方程，可以得到转子接地电阻g，接地位置α。

图6　南瑞RCS-985注入式转子接地保护接线原理图

1.5三峡地下电站许继转子一点接地保护

许继公司WFB-823A微机发电机转子接地保护配置于三峡地下电站28F、30F、31F、32F机组，内置外加低频方波电源和乒乓切换式保护各一套，可互为冷备用。

注入电源从转子绕组的正负两端与大轴之间注入一个方波电源，实时检测转子回路对地绝缘状况。许继外加低频方波电源内置于装置插件中，其输出频率可方便调整，适应现场转子绕组对地电容的不同，使接地电阻和接地位置的测量不受转子绕组对地电容的影响。双端注入保护接线示意图见图7。

许继乒乓式原理转子接地保护原理图见图8，接线示意图见图9。其中：S1、S2为由微机控制的电子开关，g为接地电阻，α为接地点位置（转子电压负端为0，转子电压正端为100%），为转子电压，1为测量电阻。当g小于接地电阻高定值时，经延时发转子一点接地信号，当g小于接地电阻低定值时，经延时保护动作。

图7　许继WFB-823A双端注入保护接线示意图

图8　许继WFB-823A乒乓式保护切换采样原理示意图

图9　许继WFB-823A乒乓式转子接地保护接线示意图

2　三峡电站发电机转子接地保护的应用经验

2.1三峡电站采用的各型转子一点接地保护性能评估

左岸电站ALSTOM机组最初采用ABB公司平衡电桥型转子一点接地保护，该型保护存在保护附件YWX111-11发热、保护抗干扰能力不足、保护灵敏度不够、保护动作逻辑整定不合理等问题，仅短期运用后即换型为SIEMENS电压注入式转子一点接地保护，并沿用至今。

左岸VGS机组原配SIEMENS电压注入式转子一点接地保护，近期已随发变组主保护改造一并换型为南瑞RCS985型保护。

能事达转子一点接地保护是右岸电站主用转子接地保护，也曾在三峡地下电站27FB/29FB投产初期短期运用，该型保护装置本身故障率较高，加上型号老化、备件缺乏，27FB/29FB已换型为南瑞RCS985型保护，右岸电站也将逐步改造为许继WFB-823A型保护。

许继公司WFB-801/S乒乓式转子一点接地保护是右岸电站备用转子接地保护，该型保护运行多年来故障率低，性能稳定，但型号老化、维护不易。

南瑞RCS-985型和许继WFB-823A型转子接地保护均内置注入式和乒乓式保护各一套，在三峡电站运用时间较短，但装置性能优越，有较好的运用前景。

表2　三峡各型转子一点接地保护装置性能对比

表2为三峡电站多年来各型转子接地保护装置性能的相关统计（不计ABB装置）。

从表2可知，能事达公司产保护装置故障率最高，而且曾出现误动拒动，SIEMENS电压注入式保护故障数仅次于能事达产装置，南瑞与许继公司产转子接地保护装置性能稳定，其新型号产品是三峡电站未来的配置方向。

2.2运用发电机转子一点接地保护发现和消除设备缺陷

三峡电站发电机转子外径尺寸超过18m，由转子支架、磁轭和磁极等组成，结构复杂，组成元件多，在风洞内封闭运行，转子内部的故障和缺陷很难通过一般途径发现。三峡历年来发现的转子回路的故障或缺陷大多借助于转子一点接地保护。表3是三峡电站多年来转子一点接地保护动作原因的统计。（注：不含ABB装置误动、不计试验、同问题处理期间多次动作计1次）

表3　转子一点接动作原因统计

由表3可见，转子内部短路或者接地故障导致转子一点接地保护动作的可能性最高，出现转子接地后很有必要进入发电机内部检查，通过这种检查，三峡电站多次发现发电机转子回路的缺陷，并得以整改，以下为几个典型事例。

（1）发现某机组转子磁极紧固件缺陷

三峡电站某机组运行中发电机横差保护动作跳闸，故障发生后测量定子绝缘合格、转子绝缘为零，事故时有转子接地保护动作信号，遂深入检查发电机转子，发现磁极固定块与磁轭之间有数处电弧放电迹象，将放电磁极固定块拆除后发现，固定拉杆绝缘垫块处存在较多的铁屑和粉尘，且拉杆尾端与磁该型发电机相邻磁极由极间支撑分开，支撑件通过鸽尾形固定块和两根金属螺杆固定磁极软连接接头，鸽尾形固定块与阻尼环软连接间安装拉杆，分析发现这种结构存在固有缺陷，即拉杆在固定块的绝缘垫块处属凹陷死角，易积累铁屑粉尘等杂质，造成绝缘降低，且拉杆尾端与磁轭距离较近，安装后无法观测间距。由此，三峡电站放大了这些部件的安装间距、清扫了凹陷死角，避免了类似故障再次发生。

（2）发现某机型转子阻尼绕组软连接结构缺陷

三峡电站某机型机组多次出现转子一点接地动作，检查时均发现转子磁极间有不明来源金属丝，后拆开机组上下挡风板检查，发现磁极阻尼绕组软连接存在大范围断股及撕裂现象，而部分未损伤软连接片也有很严重的变形现象。

该型机组磁极阻尼环间有软连接结构，软连接由镀银铜丝软辫子多层叠加而成，端部通过铜板压接。检查发现铜辫子结构松散，无安装余量，连接铜板有向磁极中部拉伸现象。软连接损伤和连接铜板的变形，说明阻尼环软连接处受到了强大的电动力作用，该力首先将软连接向磁极中心拉，软连接无法变形后再作用于连接铜板，最后导致软连接磨损甚至断裂，产生大量铜丝及粉末，形成桥接，造成发电机短路、接地。有鉴于此，三峡电站对阻尼绕组软连接进行了改造，取消铜辫子式连接，更换成铜片式软连接并保留足够安装余量。

（3）改进某机型发电机推导轴承油雾吸收技术

三峡电站某机型机组转子接地保护动作频率比其他机型高，打开发电机盖板检查发电机内部，发现该型机组转子内部积累油污较多，油污沾染大量灰尘、金属屑等，导致接地频发，而油污来源于机组的推导油槽产生的油雾。分析该机型推导油雾吸收结构有固有缺陷，导致油雾过多、吸收效率低下，污染发电机。为彻底解决该问题，三峡电站拆除原有的推导油雾吸收装置，包括油雾吸收装置本体及管路、回油箱及其相关管路等，更换了一整套复合油档及油雾净化机，改善发电机的洁净度。