励磁系统发电机转子接地保护继电器的改善和调定

【摘要】本文结合电厂两台2X350MW发电机采用的机端自并励静态励磁系统的实际运行情况，介绍了发电机转子接地保护的构成原理及特点。并对#2发电机转子接地保护经常误发1级信号现象，进行了分析，提出了解决办法和防范措施。

【关键词】发电机转子接地保护；1级报警；原因分析；解决办法

南阳鸭河口电厂一期两台机组容量为2X350MW，励磁系统采用的是机端自并励静态励磁系统，瑞士ABB公司生产的UNITROL P微机型双通道励磁调节器，发电机二次CT、PT单组输入，整个励磁系统由励磁变压器、控制柜+1ER、功率整流柜+2EG、起励和灭磁柜+3EE组成。发电机转子接地继电器保护安装在励磁系统起励灭磁柜（+3EE），型号为UNS 3020a，它的主要工作原理是靠电桥平衡原理来实现的，主要用于探测额定在1000V以下的同步发电机励磁电路中的接地故障。发电机正常运行时，转子接地保护投入运行，电桥电源由发电机PT二次侧A、C相交流电压供电，幅值100V左右，正常运行时电桥两端不完全平衡电压不能完全为零，存在不平衡电压50MV左右，电桥电源分配在四个桥臂的电压相等，电桥两端不平衡电压较低输出，继电器不动作；当发电机转子绕组出现非金属电阻接地故障时，电桥平衡被破坏，电桥两端输出不平衡电压，动作于电子线路继电器，至不平衡电压1低值经延时启动1级继电器报警；至不平衡电压2高值经延时启动2级继电器跳闸。

它的主要动作判据为：当励磁母线接地电阻≤5KΩ延时5S，励磁系统1级报警，电桥不平衡电压U+对GND≥0.336V；当励磁母线接地电阻≤1KΩ延时2S励磁系统2级跳闸，电桥不平衡电压U+对GND≥1V。

UNS 3020a转子接地保护装置广泛用于ABB UNITROL系列励磁调节器中，该保护装置作为励磁回路接地检测，较之发电机保护配置的转子一点接地、两点接地更为可靠，大多数用户选用励磁系统配置的转子接地保护装置作为发电机励磁回路接地检测，分别动作于跳闸和信号，该装置具有自检功能，并能实现就地、远方重启和闭锁。转子接地保护装置的阻容回路一方面是作为保护装置本身所需惠斯通平衡桥回路的一部分；另一方面，阻容回路也是一套发电机轴电压吸收器，用于保护自并励火电机组的大轴。

UNS 3020a转子接地保护根据发电机励磁电路对地的接触电阻值的大小来决定该保护是否动作，发电机励磁回路不允许直接接地，它比转子励磁回路两点接地保护更可靠，当励磁回路对地泄漏电阻值在5kΩ保护1级报警，当对地泄漏电阻值在1kΩ保护2级跳闸；它不象以往的转子两点接地保护根据发电机转子绕阻已接地情况来判别是否动作，发电机转子绕阻1点接地报警可以短暂运行，2点接地直接跳闸。

UNS 3020a转子接地保护装置原理图如图1所示：

图1中惠斯通电桥补偿电容CX：

图1中R为高值电阻器约为2.2KΩ，两只电阻器R代表电桥的两个臂；CX为整定电容器，作为电桥的一个臂，它根据U+对GND之间的电压交流量来整定校准电容并用电烙铁焊死，它的整定理论电容值由以上公式计算，也可以在实际中不断变换电容值焊接测定不平衡电压值来估算；最后一个测量桥臂由发电机转子绕组和轴接地之间的固有电容CR，与耦合电容器CK1、CK2串联一起构成R/C测量电桥的一个臂，如图X1：1与X1：2之间，X1：1端子直接接至发电机汽机侧大轴接地碳刷，X1：2经耦合电容器CK1、CK2接至励磁母线。Rf1、Rf2用于设定1、2级保护动作电压，TA1、TA2用于设定保护1、2级延时时限。我厂发电机大轴接地设计有两个方面考虑，一方面在发电机汽机侧大轴，经接地碳刷四只接地以消除轴电压轴；另一方面在发电机励磁端大轴，装有两只接地碳刷经轴滤波器接地，滤波器（R/C元件）用来防止电压尖峰损坏发电机轴承，只要碳刷接触良好，轴电压就能被限制在3V以下。

我厂的转子接地继电器保护报警频繁，与转子大轴接地碳刷有一定的关系，转子接地碳刷有两个，固定在大轴的两侧并同时接地。它们的作用是一方面当发电机大轴有轴电压存在时可以直接消耗掉轴电压，另一方面与发电机转轴接在一起并接地，可以测量发电机转子绕组和轴接地之间的固有电容CR，同时与耦合电容CK1、CK2串联一起构成R/C测量电桥的一个臂。因此要经常检查接地碳刷的工作状态、工作环境是否良好，以防止大轴接地不良。

我厂转子接地保护经常误发一级报警，保护信号能复归掉，我认为有以下原因和解却办法：

①电桥桥臂整定电容Cx未整定好。测量电桥不平衡电压U+对GND输出的交流值，观察其是否达到0.336V，如果达到此值则停机检查转子绕组、转子电压母线、碳刷、碳刷架各自对地的绝缘看是否是由于碳粉堆积造成转子绕组一极虚拟接地；如果一切正常，可重新整定电容Cx，整定时最好在发电机带负荷时约180MW，整定时须退掉该保护2级跳闸出口，根据转子绕组对地电容CR的实际值，使电桥不平衡电压U+对GND的AC量在10～50mv之间为最佳，不得超过50mv。

②动作值1级报警值偏低定值为0.336V，实际测量为0.324V，调节Rf1值，提高1级报警的门槛电压，调节时置1级报警延时TA1于“0”位。

③发电机带负荷时，通过在转子绕组的正极（或负极）与地之间连接一只可调电阻器，用于测定1级、2级电桥动作时的泄漏电阻值。一端接入励磁母线，另一端接地，模拟转子接地，校验报警信号及延时是否正确，取下电阻后查看信号复归是否完好，不满足要求时调整Rf1、TA1、Rf2、TA2。测试时发电机转子需接入回路，发电机已在额定转速下运行并部分带负荷。

④重点检查发电机转子接地继电器桥臂耦合电容CK1、CK2，检查其是否损坏，外表有无异常，电容耐压等级是否达到。

⑤发电机转子接地保护电缆屏蔽不良，致使外部回路干扰影响发电机接地保护装置误动作，建议将转子接地保护所用电缆全部更换为屏蔽电缆，并将屏蔽层可靠接地。

⑥发电机密封瓦密封不严，长期运行中密封油在发电机大轴处积累，长期以来容易形成油污，导致发电机大轴与接地碳刷之间电阻增大或不导通，此时发电机大轴产生轴电压，此时转子接地保护测量电阻中无电流流过，但如果接地碳刷与大轴瞬时导通，此时接地保护将动作信号。建议对发电机大轴接地碳刷更换，并清理发电机大轴处的脏污，保证接地碳刷可靠导通。

⑦用压缩空气对发电机励磁碳刷小室进行吹扫，以防止碳粉通过碳刷架构成非金属性接地。并测量发电机大轴电压是否超过3V以上。检查发电机大轴汽机侧和励磁侧接地碳刷是否有火花产生，如果存在，调整接地碳刷弹簧与发电机大轴夹持程度或更换接地碳刷。

通过以上的测量和整定，较好的解决了我厂#2发电机转子接地保护经常误发1级报警问题，快速消除我厂机组励磁系统存在的运行隐患。后来发现发电机停机检修后，检查励磁母线正极绝缘偏低只有0.5MΩ，经过仔细检查发现碳刷架一侧有一处绝缘损坏，经过处理绝缘恢复正常，从而彻底解决了我厂转子接地保护经常误发一级报警。

参考文献

[1]《UNITROL-P励磁系统调节器维修手册》.

[2]《发电厂励磁调节器》.

作者简介：牛俊甫（1974—），男，河南许昌人，大学本科，电力工程工程师，研究方向：继电保护、励磁系统方面的检修。