沈曉暉，魏彥勛

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障案例分析及對比探討

沈曉暉，魏彥勛

(中核核電運行管理有限公司，浙江 海鹽 314300)

作為發(fā)電機常見故障之一的轉(zhuǎn)子接地故障嚴(yán)重影響機組和系統(tǒng)的安全。勵磁系統(tǒng)中的接地探測器可自動對勵磁機和主發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組接地與否進(jìn)行定期檢查，并根據(jù)接地探測結(jié)果作出相應(yīng)的報警動作。針對A核電廠2號機組發(fā)電機勵磁系統(tǒng)故障導(dǎo)致停機停堆事件，對B核電廠1，2號機組勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動作行為進(jìn)行分析，并與A核電廠的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)進(jìn)行對比研究。結(jié)果表明，B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)具有較合理的配置，能夠有效避免類似事件的發(fā)生。

發(fā)電機；勵磁系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子接地；接地探測器

0 引言

在現(xiàn)代電力工業(yè)中，同步發(fā)電機是一種最常用的交流發(fā)電機，廣泛用于核電廠、水電廠和火電廠等各類發(fā)電企業(yè)，其性能的好壞對電廠的安全穩(wěn)定生產(chǎn)起到至關(guān)重要的作用。發(fā)電機長期運行時，在高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的機械應(yīng)力和電應(yīng)力的作用下，轉(zhuǎn)子繞組很容易因絕緣水平降低而發(fā)生接地故障，其中最常見的是轉(zhuǎn)子一點接地故障。轉(zhuǎn)子一點接地時，由于沒有形成閉合回路，機組可以繼續(xù)運行一段時間，對發(fā)電機不會造成直接的危害。但發(fā)生一點接地后，很容易引發(fā)轉(zhuǎn)子的第2點接地故障；當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地故障時，由于轉(zhuǎn)子繞組的一部分被短路，在故障點會流過相當(dāng)大的短路電流，燒損轉(zhuǎn)子本體，嚴(yán)重時還會引起發(fā)電機劇烈振動以及軸系和汽機的磁化，威脅發(fā)電機和系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。因此，為了確保發(fā)電機組的安全運行，有必要對大中型同步發(fā)電機裝設(shè)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置。

以下對A核電廠一起因轉(zhuǎn)子接地故障導(dǎo)致停機停堆的事件進(jìn)行分析，并與B核電廠1，2號機組勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動作行為進(jìn)行對比，從而驗證B廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的可靠性和應(yīng)用前景。

1 A核電廠2號機組轉(zhuǎn)子接地故障

1.1 事件經(jīng)過

2015-10-21T12:02，A核電廠2號機組因發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地檢測系統(tǒng)故障，導(dǎo)致主控出現(xiàn)2GPA631KA發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地告警(一段，定值4 kΩ，告警)。檢修人員通過觀察孔發(fā)現(xiàn)碳刷臟污，確認(rèn)故障后迅速編制了檢修方案，在方案生效后檢修人員趕赴現(xiàn)場開展相關(guān)工作。

15:25，工作組開展工作，按檢修方案退出了發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護(hù)出口壓板，隨后對轉(zhuǎn)子接地保護(hù)送至控制器的跳閘信號接線進(jìn)行臨時解除。

15:45，通道1和通道2跳閘信號成功解除。但在解除通道3的跳閘信號時，2號機組發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護(hù)二段故障動作，觸發(fā)勵磁系統(tǒng)故障跳閘指令出口，導(dǎo)致汽輪發(fā)電機組跳閘。

16:05，因瞬態(tài)時3臺蒸汽發(fā)生器水位持續(xù)上漲，導(dǎo)致1號蒸汽發(fā)生器達(dá)到高高水位，且P7(功率大于10 %)信號存在，觸發(fā)反應(yīng)堆保護(hù)系統(tǒng)動作，反應(yīng)堆自動停堆。事件過程中，機組3道安全屏障保持完整，無放射性物質(zhì)對外釋放。

1.2 原因分析

A核電站2號機組所采用的發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置采用疊加交流電壓式原理設(shè)計，其失效設(shè)備為AREVA制造的MX3IPG2A型發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地檢測電刷，發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地停機出口邏輯如圖1所示。通過對負(fù)極電刷注入40 V工頻交流電壓，測量回路電流，來計算接地電阻。當(dāng)215XZ繼電器測量電阻低于4 kΩ時，發(fā)轉(zhuǎn)子絕緣一段故障報警；低于2 kΩ時，經(jīng)發(fā)變組非電量保護(hù)柜發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地(二段)保護(hù)、勵磁系統(tǒng)故障觸發(fā)停機。

圖1 發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地停機出口邏輯示意

從保護(hù)原理上分析，隨著碳刷接觸電阻的變化，實際測量電阻會有先減小再增大的過程，如圖2所示，這是導(dǎo)致轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置觸發(fā)二段故障信號的原因。

從保護(hù)邏輯上分析，轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動作后會經(jīng)過2個獨立的壓板分別向系統(tǒng)發(fā)出動作指令：一個是轉(zhuǎn)子接地保護(hù)直接跳閘指令；另一個是勵磁系統(tǒng)故障跳閘指令。無法有效屏蔽保護(hù)裝置的跳閘命令也是事件的間接原因之一。

1.3 故障處理

機組停機后，對2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地檢測電刷進(jìn)行檢查和試驗，發(fā)現(xiàn)接地檢測電刷臟污、卡澀。由于電刷存在卡澀，電刷和滑環(huán)之間的接觸電阻影響了接地電阻測量計算的準(zhǔn)確性，致使保護(hù)裝置計算得到的接地電阻小于2 kΩ，導(dǎo)致2號發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護(hù)二段誤動，勵磁系統(tǒng)故障保護(hù)動作，觸發(fā)停機指令。

再次，要將道德上有力量的人選用在中層管理崗位上。從一定程度上說，道德的力量往往有著不可低估的作用，尤其是對知識分子“集結(jié)”的大學(xué)來說。胡錦濤同志在紀(jì)念中國共產(chǎn)黨建黨90周年大會上的講話指出：“要堅持把干部的德放在首要位置，選拔任用那些政治堅定、有真才實學(xué)、實績突出、群眾公認(rèn)的干部，形成以德修身、以德服眾、以德領(lǐng)才、以德潤才、德才兼?zhèn)涞挠萌藢?dǎo)向。”[7]

圖2 接觸電阻與接地電阻關(guān)系曲線

2 B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)動作行為分析

B核電廠1，2號機組勵磁方式采用三機同軸無刷勵磁，配備日本三菱公司生產(chǎn)的MEC5000系列AVR(automatic voltage regulator，自動電壓調(diào)節(jié)器)。由于發(fā)電機勵磁為無刷勵磁系統(tǒng)，發(fā)電機和勵磁機組裝有用來探測發(fā)電機勵磁回路絕緣的碳刷和線圈。

接地探測回路由將交流轉(zhuǎn)換成直流100 V的整流回路、整定探測電阻的校正電阻和檢測電流是否超出設(shè)定值的繼電器組成。

碳刷的安裝位置主要有2種：一種是安裝在大軸和發(fā)電機勵磁繞組之間；另一種是安裝在大軸和勵磁機中性點之間。

2.1 轉(zhuǎn)子接地探測回路運行原理

(1) 大軸和發(fā)電機勵磁繞組(直流側(cè))的連接方式。圖3為一個典型勵磁接地探測回路，點A，B，C為3個可能的接地點。當(dāng)發(fā)生磁場接地時，電流的流動情況如圖4所示。電流大小取決于電源電壓和接地電阻，當(dāng)接地電阻小于定值(一般為20 kΩ)時，繼電器動作，檢測到磁場接地(繼電器動作設(shè)定值一般為5 mA)。

(2) 大軸和勵磁機中性點(交流側(cè))的連接方式。交流勵磁機中性點連接方式如圖5所示，點A，B，C，D為4個可能的接地點。當(dāng)發(fā)生磁場接地時，電流的流動情況如圖6所示。

圖3 直流側(cè)（發(fā)電機勵磁繞組）連接方式

圖4 相對于圖3的勵磁回路接地時的電流流動情況

圖5 交流側(cè)(勵磁機中性點)連接方式

在這種工況下，當(dāng)交流勵磁機運行過程中只有單一方向電流流過時，無法檢測到勵磁回路接地故障，因此，引入了轉(zhuǎn)換器9GD，以避免死區(qū)。

① 當(dāng)交流勵磁機電壓為0(即勵磁機非運行狀態(tài))時，前述連接方式(1)中的描述同樣適用，無論A，B，C，D中的任一點發(fā)生接地故障，電流只取決于電源電壓和接地電阻。

② 當(dāng)交流勵磁機在運行狀態(tài)時，對于點A，與上述不運行情況相同；對于點B和C，勵磁機交流電壓疊加，但繼電器為直流驅(qū)動型，因此交流電壓可忽略不計；對于點D，勵磁機輸出電壓疊加，由于接地故障單憑勵磁機輸出電壓無法探測到，故使用9GD改變極性，這樣在保證能夠準(zhǔn)確檢測的同時，還提高了探測的靈敏度。

采用這種連接方式的接地保護(hù)一般選用疊加直流電壓式轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)方式，其優(yōu)點是轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)的工況不受發(fā)電機運行工況的影響，從而在發(fā)電機停運時也能正確地檢測轉(zhuǎn)子繞組及勵磁回路的對地絕緣。

圖6 相對于圖5的勵磁回路接地時的電流流動情況

2.2 保護(hù)動作分析

B核電廠采用的就是這種連接方式，選用疊加直流電壓式轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)。由輔助滑環(huán)和安裝在勵磁機上的電磁線圈驅(qū)動的刷子，提供一個有直流電源的外部電路，來實現(xiàn)發(fā)電機的磁場接地探測。正常工況下，發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組或勵磁回路不接地，外加直流電壓不會產(chǎn)生電流；當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組或勵磁回路中發(fā)生一點接地時，則外加直流電壓通過部分轉(zhuǎn)子繞組、接地電阻、發(fā)電機大軸構(gòu)成回路，產(chǎn)生電流。此電流與絕緣電阻成反比，所以根據(jù)電流的大小便可計算出接地電阻值。

B核電廠發(fā)電機勵磁回路接地探測部分有2個輔助滑環(huán)：一個接在勵磁機軸上;另一個接在勵磁機交流側(cè)中性點上。其探測回路由2個回路構(gòu)成：一是由100 V直流供電的，探測流過滑環(huán)電流的探測回路；二是自動驅(qū)動碳刷并改變其極性的自動探測回路。

其中，自動探測回路由3個計時器(64T，64T1，64T2)組成，其工作原理如圖7所示。64T每24 h做1個循環(huán)，每6 h開啟1次，每次開啟時間15 min。在每一個循環(huán)中，64T首先被激勵，滑環(huán)開始工作，2個滑環(huán)之間感應(yīng)出電壓，測量開始；同時探測回路接通，繼電器64E1根據(jù)探測到的電流自動動作。15 s后64T2被激勵(持續(xù)激勵15 s)，通過轉(zhuǎn)換器9GD改變滑環(huán)的極性；再過15 s后64T1被激勵，自動測量結(jié)束。

圖7 計時器工作原理

發(fā)電機勵磁回路接地監(jiān)測裝置有2個選擇開關(guān)，分別為43-64-1和43-64-2。

① 43-64-1正常運行時打到“AUTO”位置，探測回路由自動測量回路控制，有規(guī)律地運行。打到“measurement(+)”或“measurement(-)”位置時，手動啟動探測回路。

② 43-64-2正常運行時在“NORMAL”位置。要校正繼電器整定值時，打到“TEST”位置，調(diào)節(jié)校正電阻即可。當(dāng)接地電阻小于定值時(一般為20 kΩ)，繼電器便動作。

發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)動作僅發(fā)信號，而不動作跳閘，但運行人員應(yīng)根據(jù)規(guī)程進(jìn)行停機，以便維修人員進(jìn)行檢查和處理。

3 A，B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)對比探討

根據(jù)A核電廠2號機組因轉(zhuǎn)子接地故障導(dǎo)致的停機停堆事件，B廠進(jìn)行了經(jīng)驗反饋，從各個層面對2個電廠的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)進(jìn)行了對比探討，具體內(nèi)容如表1所示。通過對比可以確認(rèn)，B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)裝置較A核電廠更為合理，能夠有效避免類似事件的發(fā)生。

表1 A，B廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)對比

4 結(jié)束語

對A核電廠2號機組因轉(zhuǎn)子接地故障導(dǎo)致停堆停機事件進(jìn)行了說明，并對B核電廠轉(zhuǎn)子接地保護(hù)情況進(jìn)行了詳細(xì)分析。理論分析和對比探討結(jié)果表明，B核電廠采用的注入直流電源式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的探測方法不受發(fā)電機運行狀態(tài)的影響，可以在機組停運、啟停機和正常運行過程中對轉(zhuǎn)子一點接地進(jìn)行可靠保護(hù)，且具有較高的精度和靈敏度，能夠很好地避免類似A核電廠故障事件的發(fā)生，具有良好的應(yīng)用前景。

1 王 佼．無刷勵磁同步發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)的研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2012.

2 朱 方，趙紅光，劉增煌，等．大區(qū)電網(wǎng)互聯(lián)對電力系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定性的影響[J]．中國電機工程學(xué)報，2007，27(1)：1-7.

3 馬艷濤，羅 軍．發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的分析與建議[J].電力安全技術(shù)，2015，17(6)：40-43.

2016-12-28；

2017-04-22。

沈曉暉(1989—)，女，助理工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作，email：yuko1228@163.com。

魏彥勛(1986—)，男，工程師，主要從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作。