摘 要：某电厂发电机转子接地保护配置在ABB励磁系统 UNITROL 5000直流出线柜内，装置型号为UNS3020。该装置采用惠斯通电桥原理，运行中容易误动，造成发电机组停机；而且该装置功能简陋，不能实现转子绝缘实时监视，无故障录波功能。经调研分析，决定对发电机转子接地保护进行技术改造，采用南瑞继保生产的PRC85-30 转子接地保护柜，内置RCS-985RE（注入式）和RCS-985RS（乒乓式）两套转子接地保护装置。
关键字： 转子接地保护；技术改造；励磁系统；发变组保护；DCS系统
Transformation of Generator Rotor Earth Fault Protection in thermal power plant
Zhao Zhen-qi1,Sun Yan-song2,Ren shao-fu2Liu Hong-bo2
(Huainan Mining Group Power Company, Anhui Huainan 232131)
Abstract:a power plant generator rotor grounding protectionconfiguration in ABB excitation system UNITROL 5000 DC linecabinet, device model for UNS3020. The device adopts the principle of Wheatstone bridge, operationeasy to malfunction, causing outages of generating units; and the device features simple, can not achieve the rotor insulationmonitoring, fault wave recording. Through investigation and analysis, decided to carry out technological transformation of generator rotor grounding protection, the PRC85-30 rotor NARI-RELAYS production grounding protection cabinet, built-in RCS-985RE (injection) and RCS-985RS (ping pong) two sets of rotor grounding protection device.
Keywords: rotor grounding protection; technical transformation; excitation system; generator transformer unit protection; DCS system
作者简介：
赵振琪1，男，工程师，淮南矿业集团电力公司顾桥电厂总工程师。
孙岩松2，男，高级工程师，淮南矿业集团电力公司，从事电厂技术管理工作。
刘宏波2，男，助理工程师，陕西商洛发电有限公司，从事电厂继电保护维护和技术管理工作。
1引言
发电机安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性作用，同时发电机本身也是一个非常贵重的电气设备，因此对发电机配置性能完善且十分可靠的继电保护装置非常重要,特别是关乎发电机本体的定子保护和转子保护，本文将对某火电厂的转子接地保护改造进行研讨。
2012年07月09日，某火力发电厂（2*330MW）#2发电机转子一点接地报警，外部回路检查无异常，该机组被迫临时停机检查，检查发现转子接地保护装置中接地电阻测量电路的-R04电阻接线松动老化，导致转子接地报警，实际并未发生转子一点接地，属于保护误动。当真正发生转子两点接地故障时，故障电流将烧伤转子本体，震动加剧，此外还会使轴系和汽机磁化。鉴于转子接地保护的重要性，必须彻底解决该问题，以保证机组安全及系统稳定运行。
2原理分析
该电厂发电机转子接地保护配置在ABB励磁系统 UNITROL 5000直流出线柜内，装置型号为UNS3020，采用惠斯通电桥原理。装置原理如下图1所示：如图1 所示。以220 V 50 Hz的交流电源经变压器产生50 V 交流电压作为桥电路的电源，转子绕组与地之间的分布电容CR和C1、C2 以及轴电压抑制器电容C3、C4(R3、R4 阻值很小可以忽略不计)
构成其中一条桥臂, 与电容CX、电阻R1、R2 一起组成桥电路。桥不平衡电压UAB 经隔离、滤波等转换成与UAB 成正比的电压U+。正常情况下桥臂平衡, UAB 和U+基本为零。发生转子接地时, 桥臂平衡破坏, 产生不平衡电压UAB , 经转换后的U+大于整定值时报警或跳闸。
转子接地检测装置中, R1 = R2 = 2.2 kΩ,C1 = C2 = C3 = C4 = 2μf。其转子接地报警整定值为2kΩ 延时3S报警; 500Ω延时5S跳闸。运行中的CX值不容易测出, 可测正常运行时电源US = 50.27 V , UAE = 27.87 V , UDA = 41.81 V , UDB = 41.59 V , UBE = 28.24 V ,假设R1 和R2无误差, 根据电桥可计算得CX = 2.17μf（CX为匹配电容）, CR = 0.56μf。电桥等效电路如图4所示, 桥不平衡电压可以由式(1) -(3)所示。
R4碳化后具体阻值不得而知，但其接线端子碳化后电桥平衡被破坏，导致 U+峰值大于1.5 V，装置报警。图3为碳化后断线的实拍图（刚发现故障点时，接线柱碳化并未完全断开，图为
准备处理接线端子时的实拍图）由上面分析可知，R4接线端子碳化即可造成装置误报警，同理可得，R3、C1、C2、C3、C4等其他接线端子松动同样可以导致误报警，甚至导致U+大于3.7 V,造成误跳闸。另外业内其他电厂经验表明，该保护装置在发电机大轴接地电刷与大轴接触不可靠时同样会导致电桥不平衡造成保护误报警，甚至跳闸。由此看来该套保护确实灵敏度过高，只要电桥平衡破坏就会造成装置报警或动作，而且该套保护装置功能简陋，不能实现转子绝缘实时监视，无故障录波功能。这就给机组安全稳定运行带来了极大的隐患。若要彻底解决以上问题就必须对该保护装置进行技术改造，换用其他更为可靠安全的转子接地保护进行代替。
3确定方案
目前国内发电机转子接地保护服役种类大致有三类，第一类是注入式转子接地保护，注入式又分为叠加直流电压式转子接地保护、外加交流电压式转子接地保护和方波注入式转子接地保护等三种形式；第二类是乒乓式转子接地保护，此类保护装置均采用微机切换取样方式，利用方程求取转子接地电阻值。第三类就是电桥平衡式转子接地保护，该保护在工程应用中所占比例较小。
为了选择适合该厂的发电机转子接地保护，该厂组织了专业技术人员到其他电厂调研学习，并利用多渠道了解业内转子接地保护应用的现状，得出的结论是大多数电厂选择放弃UNITROL 5000励磁系统内部配置的UNS 3020转子接地保护，分别选用其他保护生产厂家生产的注入式或乒乓式保护。其中南瑞继保生产的PRC85-30 转子接地保护柜应用较为广泛，该保护柜内置RCS-985RE（注入式）和RCS-985RS（乒乓式）两套转子接地保护装置。正常运行只投一套转子接地保护，用户可以根据本厂的实际情况选择将哪一套保护作为主保护，另一套作为备用保护。
RCS-985RE注入式保护采用自适应有源切换技术，原理图如图4所示，双端注入式电源从转子正负两端注入，注入电源的频率可以根据转子绕组对地电容的大小进行调整；可实时求解转子绝缘电阻值，注入电压由保护装置自产；该保护没有死区，可以随时监视转子绝缘情况，并可以准确测量转子一点接地位置。
两种保护一点接地均设有两段动作值，灵敏段动作于报警，普通段可动作于信号也可以动作于跳闸。
鉴于PRC85-30 转子接地保护柜应用较为广泛，技术较为成熟，且涵盖了两种不同原理较为可靠的转子接地保护装置，保护配置实现了双重化，符合规程规定；另外该套保护具有故障录波功能，配备了打印机，转子接地保护报警或启动后，可以记录模拟采样量及保护动作情况，有利于事故分析。该厂决定选用该套设备，以彻底解决原转子接地保护误报警、功能简陋等问题。
4具体实施
转子接地保护改造在电厂技术改造中是一项重大工作，其涉及范围较广，包括励磁系统接线调整，发变组保护接线调整，DCS系统信号回路接线调整等等，每一个系统都是电厂生产的关键，专业技术要求较高。励磁系统、发变组保护接线调整中任何技术上的疏忽都可能造成重大事故，因此，该项工作必须做好相关组织和技术措施，限于篇幅本文只对技术方案做以介绍，具体方案如下：
4.1关于发电机转子接地保护装置
4.1.1保护设备
新设备采用南瑞继保生产的PRC85-30 转子接地保护柜，内置RCS-985RE（注入式）和RCS-985RS（乒乓式）两套转子接地保护装置，保护采用双重化配置，两套保护可以相互切换，运行中只投一套保护，每套装置均有故障录波功能，配有打印机。
4.1.2装置电源
保护装置电源由该厂DC 110V直流系统供给，交流辅助电源取自厂用电AC 220V。
4.1.3跳闸输出
保护装置可输出至少三付信号接点，每种原理的转子接地保护装置可分别启动发变组保护A柜全停1和发变组保护B柜全停1。跳闸输出为无源接点开出。每套保护装置的跳闸出口回路设置有可投、退的连接片。
4.1.4信号输出
转子接地保护装置设有装置闭锁、装置报警、接地保护跳闸、转子一点接地信号等信号干接点，直接输出到DCS系统电气I/O柜内，上电气报警光字牌。供运行人员监视使用。
4.1.5定值
按该电厂定值通知单整定。转子一点接地分灵敏段和普通段，灵敏度段报警，普通段跳闸，不设转子两点接地保护。具体定值见附录A
4.2关于励磁系统及原转子接地保护装置
该厂励磁调节柜安装在12.6m汽机平台励磁小室内，励磁系统采用瑞士ABB公司的 UNITROL 5000励磁调节系统。本次改造需要拆除UNITROL 5000系统配置的UNS3020转子接地保护装置及其相关的二次接线，所拆二次有关线路如下图6 UNS 3020装置拆除图，具体包括工作电源、信号回路、闭锁和报警复归回路、装置测量回路及匹配电容等。
新设保护柜需从励磁系统引入励磁电压及大轴接地回路，故将新设保护柜就近立于励磁柜旁。励磁电压及大轴接地回路具体引入方法是从调节柜端子排-X49上取转子电压（-X49:5，-X49:6）和大轴接地碳刷端子（-X49:12），接至PRC85-30 转子接地保护柜电压端子（1VD:1，1VD:3）和大轴接地端子（1VD:9），连接电缆选用由南瑞继保厂家提供的合格耐高压电缆，引入PRC85-30 转子接地保护柜的转子电压和大轴接地碳刷通过切换开关只能进入RCS-985RE（注入式）或RCS-985RS（乒乓式）中的一套转子接地保护装置，必须保证运行中的转子接地保护测量回路独立，以免引起测量不准，保护误动。
所有接线调整后必须不会对励磁系统调节装置产生影响。
4.3关于许继发变组保护装置
该厂发变组保护采用许继WFB-800A 系列微机发-变组保护装置，保护柜安装在集控楼5.3m继保小室内，新设转子接地保护不参与WFB-800A系列微机发-变组保护计算与逻辑判断，转子接地保护柜只借用许继发变组保护A、B柜的全停1 Lockout出口继电器，完成保护动作出口，与原装UNS 3020保护动作出口一致。改造后许继发变组A、B柜跳闸回路接线图如图7所示。
全停1包括：跳高压侧断路器一线圈;跳高压侧断路器二线圈;逆变灭磁;跳汽机;跳厂用A分支;跳厂用B分支;启动A分支快切;启动B分支快切；闭锁高压侧断路器合闸;闭锁A分支断路器合闸;闭锁B分支断路器合闸;启动失灵。
新装RCS-985RE注入式转子接地保护装置和RCS-985RS乒乓式转子接地保护装置可分别启动许继发变组保护A柜全停1继电器和发变组保护B柜全停1继电器，必须保证发变组保护A和发变组保护B柜跳闸继电器之间不应有任何电气连接，使两套保护出口相互独立，以免产生寄生回路，造成保护误动。转子接地保护柜与发变组A、B柜连接图如图8所示。
所有接线调整不应对许继发变组原来的保护产生任何影响。
5结论分析
改造工程全部结束后，保护投入运行。从运行效果看，完全满足改造前预期效果，新设转子接地保护可实现转子绝缘实时监视，转子电压采样监视，并拥有故障录波功能，转子接地保护报警或启动后，能记录模拟采样量及保护动作情况，有利于故障分析。两套不同原理的保护相互备用，实现保护双重化，大大增加了转子接地保护的可靠性，保证发电机组可靠运行。最重要的是避免了因为励磁系统自带转子保护误动，而引起机组非停，造成的直接和间接经济损失，由此看来转子接地保护改造意义重大。
参考文献
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[4]郭光荣，电力系统继电保护[M]，北京，高等教育出版社，2006:7
附录A
论文作者:赵振琪1，孙岩松2，刘宏波2
论文发表刊物:《科学与技术》2019年第05期
论文发表时间:2019/7/31
标签：转子论文; 保护装置论文; 发电机论文; 电压论文; 装置论文; 励磁论文; 回路论文; 《科学与技术》2019年第05期论文;