发电机大轴接地碳刷接触不良导致转子

发电机大轴接地碳刷接触不良导致转子

一点接地保护误发信的分析

王恒泽

摘要：通过转子一点接地故障，探讨转子一点接地原理、碳刷与大轴之间接触电阻影响，并提出了相应的对策。

关键词：乒乓式转子一点接地；接触电阻；接地电阻；接触不良

某发电厂装机容量为2ⅹ330MW，机组是采用上海电气公司的汽轮发电机组，发电机型号为：QFSN-330-2，发电机的额定转速为3000r/min。励磁系统采用南京南瑞所研发的型号为SAVR-2000的自并励静态可控硅励磁，具有电压波形平稳、响应速度快的特点。机组保护装置采用CSC-300数字式发电机变压器组成套保护装置，转子一点接地保护采用改进的“乒乓式”转子一点接地保护。

1、转子一点接地的危害

转子发生一点接地后，无电流通过接地点，不形成电流回路，励磁电流仍然保持正常，对发电机本身没有危害，但是转子绕组对地已经产生电压。当系统发生扰动时，极易造成两点接地，从而形成两点接地短路，有一部分的励磁绕组被短路，其后果为：1）故障点流过很大的短路电流，接地电流有可能使转子磁化和发生断路器跳闸事故，还有可能引起系统振荡、解列的恶性电力事故。2）有可能产生接地电弧，烧坏励磁绕组、转子本体以及铁芯。3）转子磁场发生畸变，造成力矩不平衡，引起机组的强烈振动，无功出力大幅降低。4）转子局部通过转子电流，引起局部发热，造成转子变形，从而使振动加剧。

2、事故经过

出现事故的机组为该电厂的#1发电机组，在发电机的正常运行情况下，转子一点接地保护频繁发信，并且在大轴接地碳刷的位置不时有接触不良导致的火星冒出（该厂的转子一点接地的保护定值为10KΩ，当接地电阻小于10KΩ时转子一点接地信号报警）。

3、保护原理与整定

3.1、保护原理

转子一点接地保护反映转子对大轴绝缘电阻的下降。保护采用“乒乓式”变电桥原理，其设计思想为：通过S1、S2开关轮流切换，改变电桥两臂的电阻值大小，通过求解三种状态下的回路方程，实现计算转子接地电阻和接地位置。

图1中U是额定励磁电压，R与R，为测量电阻，K为接地位置距离转子负极的距离比例因子，Rg为被测的过渡电阻，由于采样时刻的不同额定励磁电压设为U0与U0’。

转子一点接地保护原理如下：

当S1接通，S2断开时：

整理可得：

当S1断开，S2接通时：

整理可得：

联合以上方程可得：

由上式可以看出Rg与故障点的位置K无关，解决了因为励磁电压的变化而导致接地电阻计算的误差问题。通过上述计算可以得出过度电阻的大小与故障位置，所以保护发信或动作判据为：

Rg<Rs

式中：Rs为接地电阻的保护定值，分两段，高定值段为灵敏段，仅发信；低定值段可发信也可以出口。我厂的转子一点接地保护全部为发信，不出口。

逻辑框图

3.2、定值整定

Rg为保护动作的转子接地绝缘电阻值，对于空冷汽轮发电机组来说，将Rg整定为10KΩ。

转子一点接地的保护动作时间Tz1可整定为4-10s，Tz2通常可整定为1-4s。

4、故障分析及处理

4.1接触电阻对于保护的影响

接地碳刷与大轴接触不良，产生的接触电阻对于乒乓式转子一点接地保护的影响：

乒乓式转子一点接地保护的两种状态：

1、S1合入，S2断开，对应测量回路的电流分别为I1和I2；

2、S1断开，S2合入，对应测量回路的电流分别为I1‘和I2’。

为了简化分析，假设开关前后切换的两种状态的转子电压不变，公式中所取的数据全部为采样值的稳态值；根据上述的原理公式可得，当不考虑接触电阻时的接地电阻计算公式为：

由此可知，当接触电阻Rx不变时，测量出的接地电阻偏大Rx，但当接触不良时，接触电阻Rx往往是变化的，考虑最极端的情况，在开关切换的两种状态下，接触电阻为0或Rx。

两种情况分别为：

1、状态1时接触电阻为Rx，状态2时的接触电阻为0；

2、状态1时接触电阻为0，状态2时的接触电阻为Rx。

第一种情况下，计算的接地电阻的计算公式为：

可得误差为：

可见，当△Rg为正值时，保护计算的接地电阻值偏大，当△Rg为负值时，保护计算的接地电阻值偏小，同样第2种情况分析过程类似，保护计算的接地电阻值同样可能偏大或偏小。

4.2、故障处理

经过反复分析，排除了保护误动及保护本身的原因，同时排除了励磁系统的故障，发现大轴接地碳刷与转子一点接地保护的同用为一个碳刷，这样接触不良，将有可能导致测量的转子接地电阻偏小，当测量值小于保护定值（10KΩ）时，会导致保护频繁发信，这是转子一点接地装置频繁发信的主要原因，因此将其进行了改造，将转子一点接地保护退出，将一个接地碳刷改为两个，其中一个碳刷直接接地，其另外一个碳刷供转子一点接地使用并且同时可靠接地，改造后频发报警与碳刷冒火的故障完全消失，这样就可以为转子一点接地提供了稳定的电压参考点，以防止由于某一个碳刷接触不良造成转子一点接地保护动作。

由此可见，大轴接地碳刷必须可靠接地，不仅要防止较大的轴电流威胁设备安全，而且对转子一点接地保护有很大的影响。

参考文献：

[1]邵红权.转子一点接地保护误发信号原因分析.继电器，2004,32（6）：60-64.

[2]杨星明.电力系统自动装置[M].北京，中国电力出版社.2001.

[3]孙国凯，霍利民.电力系统继电保护原理[M].北京：中国水利水电出版社，2002.

[4]吴延宾.大型发电机定转子接地保护运行分析[J].大电机技术，2009.2.