羅紅俊，吳禮貴（三峽水力發(fā)電廠，湖北宜昌443000）

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注入式轉(zhuǎn)子接地保護在三峽電廠的應(yīng)用與改進

羅紅俊，吳禮貴
（三峽水力發(fā)電廠，湖北宜昌443000）

摘要：南瑞RCS-985RE注入式轉(zhuǎn)子接地保護應(yīng)用到三峽電廠機組中，靜態(tài)試驗時測試結(jié)果準確，動態(tài)試驗時測量波動范圍較大，難以滿足轉(zhuǎn)子接地保護的基本要求。為解決該問題，對注入式轉(zhuǎn)子接地保護原理進行研究和分析，找出了測量誤差大的原因。根據(jù)三峽電廠機組勵磁電壓特點、機組機械轉(zhuǎn)速、保護裝置采樣計算原理及轉(zhuǎn)子分布電容特點，結(jié)合試驗得出了合理的濾波窗時間和注入電源切換周期，并在計算時考慮多段平均法，使保護裝置測量準確。根據(jù)分析及試驗結(jié)果，對保護程序進行了升級，升級后的注入式轉(zhuǎn)子一點接地保護靜態(tài)和動態(tài)測量結(jié)果均比較準確、測量滿足現(xiàn)場運行要求。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子接地保護；轉(zhuǎn)子分布電容；濾波窗；機械轉(zhuǎn)速

1引言

轉(zhuǎn)子接地是發(fā)電機常見故障之一，當轉(zhuǎn)子一點接地時，沒有形成閉合回路，其不會對勵磁系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如果再發(fā)生第二點接地的情況會出現(xiàn)故障點電流過大而燒壞轉(zhuǎn)子本體、勵磁繞組被短接而使氣隙磁通失去平衡引起振動以及軸系轉(zhuǎn)子磁化等嚴重后果[1,2]。三峽電廠發(fā)電機組單機容量大，非正常停機造成的損失比較大，為保證發(fā)電機的安全運行必須配備更加完善和可靠的轉(zhuǎn)子接地保護。

三峽電廠機組保護更新后選擇了南瑞發(fā)變組保護，其轉(zhuǎn)子接地保護一套為注入式轉(zhuǎn)子一點接地（RCS-985RE），另一套為乒乓式轉(zhuǎn)子一點接地保護（RCS-985RS），兩套保護互為備用，正常運行時投入注入式。轉(zhuǎn)子接地保護調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)注入式轉(zhuǎn)子一點接地保護靜態(tài)試驗時其測量值精確，接地位置判斷準確。在動態(tài)試驗時，發(fā)現(xiàn)測量值波動范圍大，模擬18 kΩ接地時，測量電阻在13 kΩ～33 kΩ波動（定值為20 kΩ），且不能可靠動作，不滿足保護要求。本文從RCS-985RE轉(zhuǎn)子接地保護測量原理和三峽電廠機組特點等出發(fā)進行研究和分析，并結(jié)合試驗，找出了測量誤差大的諸多原因。

2注入式轉(zhuǎn)子接地測量原理及誤差分析

雙端注入式轉(zhuǎn)子接地其測量原理如圖1所示。正常運行時，注入電源Usq產(chǎn)生的電流先流過測量電阻Rx，經(jīng)大軸電纜至大軸（接地），再通過轉(zhuǎn)子對地電容Cg注入到發(fā)電機轉(zhuǎn)子，然后分別經(jīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子正、負極（圖中LZ611、LZ612）通過大功率電阻Ry返回到注入電源。正常運行時只能通過轉(zhuǎn)子對地電容注入，電流非常小，保護裝置測出的接地電阻非常大。當發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地時，注入電源經(jīng)過接地電阻Rg和轉(zhuǎn)子對地電容Cg注入轉(zhuǎn)子回路。注入式轉(zhuǎn)子接地保護切換一次注入電源，通過計算可求得接地電阻Rg大小[3]。

圖1　注入式轉(zhuǎn)子接地保護原理圖

根據(jù)發(fā)電機運行情況，假設(shè)接地電阻為Rg，勵磁電壓為U，接地點到轉(zhuǎn)子正極LZ611的電壓為（1-a）U，接地點到轉(zhuǎn)子負極LZ612的電壓為aU。當注入電源為正極性，即注入電壓為Usq時，此時轉(zhuǎn)子正負極注入電流分別為I1I、I2I，流過Rx的電流為I3I。當切換注入電源至注入電壓為0時，此時轉(zhuǎn)子正負極注入電流分別為I1II、I2II，流過Rx的電流為I3II。根據(jù)以上假設(shè)，注入式轉(zhuǎn)子接地保護注入電源每切換一個周期即可求得接地電阻Rg。

當注入電源為正極性Usq時，此時勵磁電壓為U1可得如下方程：

當注入電源為0時，此時勵磁電壓為U2可得如下方程：

解以上方程可得

I3II、I3I可通過兩次測量Rx上的電壓獲得（即泄漏電流），Usq、Rx、Ry為已知，U1、U2為保護裝置測量勵磁電壓所得，通過一次注入電壓切換即可由式（7）、（8）求得接地位置a和接地電阻Rg的大小。

以上求解轉(zhuǎn)子接地電阻方程時，需要測量兩次轉(zhuǎn)子勵磁電壓和兩次泄露電流。發(fā)電機運行環(huán)境比較復(fù)雜，兩個時間點所受的干擾可能不同，同時勵磁電壓波動對測量也會有一定的影響，運行環(huán)境復(fù)雜時就會造成每個周期計算出的接地電阻不同，反映到測量值就是測量值波動，嚴重時可能造成保護裝置不正確動作。

Rg的最后一項式為（a-1/2）×（U2-U1）/（I3II-I3I），假設(shè)勵磁電壓測量的誤差為ΔU，可以畫出如圖2所示的測量誤差關(guān)系曲線。圖中陰影部分為誤差范圍，通過分析可知，當接地點發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組中點處（即a=1/2時），此項誤差為0，隨著接地位置向兩端靠近，誤差逐步放大，在接地位置達到轉(zhuǎn)子正、負極時，誤差達到最大。

圖2　接地電阻測量誤差曲線

做轉(zhuǎn)子接地動態(tài)試驗時，在轉(zhuǎn)子的正極或者負極通過電阻接地，模擬轉(zhuǎn)子接地情況，試驗時測量結(jié)果就是測量誤差最大點。通過在轉(zhuǎn)子正、負極處模擬接地可以發(fā)現(xiàn)注入式轉(zhuǎn)子接地的最大測量誤差，也是對注入式轉(zhuǎn)子接地保護性能最好的測試方法。

為減小測量誤差，將勵磁電壓測量電纜曾更換為屏蔽電纜，更換后試驗表明，電纜更換后和更換前結(jié)果無任何區(qū)別，證明電纜干擾不是造成測量誤差大的原因。分析認為，造成采樣誤差大的原因可能為裝置內(nèi)部采樣原理不適應(yīng)現(xiàn)場運行環(huán)境，必須對采樣原理進行分析，對定值進行合理整定。

3RCS-985RE采樣原理對測量結(jié)果影響分析及改進方法

圖3為開機試驗?zāi)M接地電阻為15 kΩ時的保護裝置錄波圖，其中最上面一行為勵磁電壓，可以看出勵磁電壓成鋸齒波形狀，有明顯的波動。第三行為泄漏電流測量值，由圖中可看出泄漏電流測量值波動很大。第四行為接地電阻測量值，從錄波圖可看出在不同的周期接地電阻測量值的變化，此變化反應(yīng)到裝置顯示即為測量結(jié)果的波動，最大的測量值達到了24 kΩ，影響了保護的動作行為。

圖3　轉(zhuǎn)子一點接地錄波圖

RCS-985RE注入式轉(zhuǎn)子接地保護采樣采用的濾波窗口為200 ms，計算接地電阻時，在每個切換周期的末段取一段值進行計算，即采用了單點計算方法。理論分析勵磁電壓為直流，但實際運行時，勵磁電壓受外界干擾，如果濾波窗口周期不合適，將不能消除干擾，增加了勵磁電壓測量誤差，考慮到機組是轉(zhuǎn)動設(shè)備，在不同的轉(zhuǎn)角受到的干擾都不同，為消除轉(zhuǎn)動設(shè)備帶來的影響，使濾波效果更好，分析認為應(yīng)對濾波窗進行試驗，找到合適的濾波窗時間。因程序計算接地電阻時采用了單點計算方法，此計算方法可能會造成一定的偶然性誤差，為此提出了采用多點平均法來代替單點計算方法，以消除偶然性誤差。

為做到以上兩點，要求廠家將濾波窗時間設(shè)定開放，同時將多點平均法做進程序。程序滿足試驗條件后，對轉(zhuǎn)子接地進行了試驗，在勵磁電壓為173 V的條件下分別采用了100 ms，800 ms，600 ms濾波窗進行試驗，試驗結(jié)果如表1所示。

表1　不同的濾波窗下試驗結(jié)果（采用多點平均法）

試驗完成后，又將原程序板插入進行試驗，即采用了單點計算方法及濾波窗為200 ms的程序，試驗結(jié)果如表2所示。

表2　原采樣原理試驗結(jié)果

通過試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，原采樣板測量波動范圍更大。一般轉(zhuǎn)子接地保護裝置動作整定延時為5s，其在接近保護裝置整定值20 kΩ附近時，由于測量波動范圍大，會造成保護裝置不能正確動作，降低轉(zhuǎn)子接地保護的靈敏度，不利于轉(zhuǎn)子絕緣問題的及時發(fā)現(xiàn)。采用多點平均法后的程序試驗結(jié)果，可明顯看出波動范圍小了，測量結(jié)果更接近于真實值。由試驗結(jié)果可知，600 ms和800 ms的濾波窗時間試驗結(jié)果明顯好于100 ms的濾波窗，600 ms和800 ms的濾波窗接近三峽電廠發(fā)電機轉(zhuǎn)動頻率，此時其波動范圍更小。三峽電廠機轉(zhuǎn)速為75 r/min，計算出的轉(zhuǎn)動周期為800 ms，試驗結(jié)果也表明濾波窗時間接近于發(fā)電機轉(zhuǎn)頻時，濾波效果更好，能更好的消除周期性干擾。通過分析和試驗發(fā)現(xiàn)采用了多點平均法及發(fā)電機轉(zhuǎn)頻濾波窗時間的保護程序測量結(jié)果更準確更穩(wěn)定。

4分布電容對測量結(jié)果影響分析

注入電源要在Usq和0之間切換，由于轉(zhuǎn)子對地電容的存在，轉(zhuǎn)子注入電源會對轉(zhuǎn)子對地電容進行充放電，泄漏電流與注入電壓之間的關(guān)系如圖4所示，泄漏電流即保護測量量I3II、I3I。

圖4　

由圖4可知，當接地電阻為無窮大時，泄漏電流最終衰減為0，此時的轉(zhuǎn)子接地電阻測量值也為無窮大。當接地電阻為5 kΩ時，泄漏電流也會衰減，因為存在接地電阻，會衰減到一個穩(wěn)態(tài)值。通過此穩(wěn)態(tài)電流計算出的接地電阻比較準確。在泄漏電流未進入穩(wěn)定狀態(tài)就進行計算，會造成測量誤差[4,5]。

通過以上分析可知，選擇合適的注入電源切換周期，會對保護測量結(jié)果造成重要影響。切換周期的整定值必須通過計算得到合適的切換周期，確保接地電阻Rg的測量精度。結(jié)合圖1進行分析，由于轉(zhuǎn)子對地電容Cg的存在，當注入電源切換時，會對對地電容進行充放電，充放電時間常數(shù)t=RCg，R為從電容Cg往外看的等效電阻，其正常情況下為千歐級。無專用軸電壓吸收回路的大型發(fā)電機組轉(zhuǎn)子對地電容一般不超過8μF，三峽電廠機組容量大，無軸電壓吸收回路，轉(zhuǎn)子對地電容相對較大，以8 μF做考慮。根據(jù)轉(zhuǎn)子附件情況，從電容Cg往外看的等效電阻約為23.5 kΩ。計算充放電時間約為0.2 s，考慮到保護裝置濾波窗時間為0.8 s，1 s的切換周期能保證其最終進入穩(wěn)態(tài)，并完成一個完整濾波周期的濾波。試驗也證明了1 s作為注入電源切換周期整定值，既保證了測量準確性，防止泄露電流未進入穩(wěn)態(tài)就進行計算造成誤差，又能夠及時反應(yīng)轉(zhuǎn)子的對地絕緣。

5程序升級

在對注入式轉(zhuǎn)子一點接地測量誤差分析及試驗完成后，對三峽電廠所有RCS-985RE轉(zhuǎn)子接地保護裝置程序進行了升級。

將轉(zhuǎn)子接地保護裝置的濾波窗口設(shè)定為800ms，與三峽電廠發(fā)電機轉(zhuǎn)動周期一致，消除發(fā)電機轉(zhuǎn)動過程產(chǎn)生的干擾。采用多點平均法對測量結(jié)果進行處理，以消除單點計算方法造成的偶然性的影響。多點平均法原理為：在切換時刻前穩(wěn)態(tài)泄漏電流波形上間隔一定時間取多個點計算出各時刻的轉(zhuǎn)子接地電阻，然后進行平均，以取得較準確的測量電阻值。多段平均法可以將個別誤差大的點導(dǎo)致測量值偏大或者偏小的影響降低，獲得比較接近真實值的結(jié)果。同時根據(jù)分析結(jié)果，將所有轉(zhuǎn)子接地保護裝置的注入源切換周期整定為1 s。

1號機開機試驗進行了程序升級后的轉(zhuǎn)子接地動態(tài)試驗，測量結(jié)果如表3所示。

表3　1號機動態(tài)試驗測量數(shù)據(jù)

測量結(jié)果較程序升級前明顯變好，在定值附近波動范圍小，此測量結(jié)果也優(yōu)于三峽電廠以前用的西門子注入式轉(zhuǎn)子接地保護，進一步說明研究結(jié)果和程序升級是有效的。

27號機組開機進行了轉(zhuǎn)子接地動態(tài)試驗，測量結(jié)果如表4所示。

表4　27號機動態(tài)試驗測量數(shù)據(jù)

相對于未改進前的數(shù)據(jù)，測量結(jié)果明顯好轉(zhuǎn)。

經(jīng)過程序升級后的注入式轉(zhuǎn)子接地保護，能滿足現(xiàn)場運行的要求，同時具有通用性，未發(fā)現(xiàn)某臺機組試驗結(jié)果不理想的情況。

6結(jié)論

通過以上對注入式轉(zhuǎn)子接地保護測量誤差的分析和程序升級，可得出如下結(jié)論：

（1）勵磁電壓測量誤差對測量結(jié)果影響很大，在轉(zhuǎn)子正極和負極接地時，造成測量結(jié)果誤差最大。

（2）由于轉(zhuǎn)子對地電容的影響，注入電源切換周期對接地電阻測量結(jié)果造成影響，必須選擇合適的注入電源切換周期。

（3）由于發(fā)電機轉(zhuǎn)動的影響，采用發(fā)電機轉(zhuǎn)動周期作為濾波窗時間，保護裝置采樣濾波效果更好。

（4）通過多段平均法的處理、合適的濾波窗時間和注入電源切換周期使測量結(jié)果明顯好轉(zhuǎn)，滿足現(xiàn)場要求。

目前改進后的注入式轉(zhuǎn)子接地保護在三峽電廠機組多次動態(tài)試驗中均滿足要求，運行情況良好，且具備通用性。

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作者簡介：羅紅俊（1973-），男，高級工程師，從事發(fā)電廠運行和管理相關(guān)工作。

收稿日期：2015-04-23

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.03.021

中圖分類號：TM312

文獻標識碼：B

文章編號：1672-5387（2016）03-0068-04