UNS3020 型转子接地保护装置原理及维护措施

朱 鹏，张冰冰

（1.江苏国信靖江发电有限公司，江苏靖江 214500；2.华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏宜兴 214205）

0 引言

UNITROL 6000 励磁系统利用可控硅整流桥电路，控制历次电流，从而实现了对同步发电机机端电压和无功功率的控制和调节。UNTITROL 6000 励磁系统可大致分为以下几个单元：励磁变压器单元，两个相互独立的励磁调节器单元，可控硅整流桥单元，起励单元和灭磁单元。另外，系统还配备了UNS3020带有专门的转子接地保护检测装置。

发电机转子式直流系统，通过滑环与外部直流电源连接，转子绕组有绝缘保护，与转子间没有电的联系。在发电机故障中，转子接地故障最为常见。转子接地可以分为一点接地和两点接地：当转子一点接地时，不满足形成闭合通路的条件，所以励磁绕组参数并不会发生相应的变化，危害较小；当转子两点接地时，这时形成了闭合的回路，此时，故障点电流急剧增大，进而导致转子本体温度较高甚至燃烧转子本体，而由于励磁绕组被短接使得气隙磁通失去平衡引起振动，这些将会造成不可挽回的后果，严重威胁发电机的安全。所以针对发电机最常见的故障——转子接地故障而言，装配相关的保护装置对于电机的安全稳定运行极为重要。

1 UNS3020 型转子接地保护装置的工作原理

UNS3020 型转子接地保护装置具有两级保护：一级时针对轻微的转子一点接地情况，发出警示信号；另一级时针对转子一点接地情况较为严重时发出跳闸指令。该装置还具有自检功能，用来检测其所有的电子线路工作是否正常[2]。

UNS3020 型转子接地保护装置采用惠斯通电桥原理（图1），利用变压器T2 可以有效的将220 V/50 Hz 的交流电变为50 V 的交流电，为桥电路提供了电源。分布电容CR 和C10、C11 以及轴电压抑制器电容C04、C05（R04、R05 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、电阻R2 一起构成桥电路。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+。

正常运行时桥臂平衡，UAB和U+均小于150 mV。而在发生转子接地时，平衡被迅速打破，输出电势上升，产生不平衡电压UAB，经转换后的U+大于报警设定值（Stage 1 Alarm）或跳闸设定值（Stage 2 Trip）。

图1 接地检测装置原理

1.1 测量桥电路

保护输入电路的端子X1：2 通过匹配电容C10 与C11 与励磁线圈相连，端子X1：1 与碳刷联在接地转子的大轴上。输入电路两个部分构成，一个部分是有两个大电阻，另一个部分是相关电容和调整电容，UNS3020 保护装置的R/C 测量桥电路主要是由3 个电容构成，分别为自然电容CR、匹配电容C10 和C11。测量桥辅助电源的供电可以来由独立的交流电源提供也可以来源于发电机出口PT 提供，基接线如图2 所示。

1.2 动作跳闸

有接地故障发生时，由于故障漏电阻的分流作用，导致电桥平衡状态被打破。整定值可通过设置漏电阻Rf的阻值和tA的值来设定，而动作值可以通过调节Rf1、Rf2、tA1、tA2这些参数的数值来设定。

1.3 装置电源

保护的电源是根据额定输入电压设计的。直流及交流都连在双端子X3：3/X3：4 和X3：1/X3：2 上。

图2 接地检测装置接线

1.4 测量桥电源

测量桥装设一个110 V±30%或220 V±30%交流电源，如用110 V 电源则可由发电机出口PT 供电，加在端子X2：14 及X2：15 上，这种供电方式只有当发电机投入运行时保护才运作。它的优点在于发电机投入励磁时保护不必外加信号将装置闭锁。

2 UNS3020 转子接地保护装置安装要求

首先，测量线路应选用截面积不小于2.5 mm2的电缆。其次，用于连接匹配电容与保护装置和励磁绕组的电缆线路的绝缘标准应不低于3 kV。可以直接将转子大轴接地碳刷与接地保护端子X1：1 相连，但必须保证碳刷与转子绕组及大轴良好接触。选用测量精度较高的电容测量仪器测量转子绕组与大轴接地之间的自然电容，保证其测量精度可靠。选用与实际测量值最接近并且性能优越的电容元件作为电路的匹配电容。无论时处于静态还是动态，都需要将其电桥调试至平衡。针对碳刷以及固定碳刷的弹簧压力大小，必须调整到一个合适的高度，让其与转子大轴有良好的接触。必须保证测量桥供电电源电压的可靠稳定供电。因此对于UNS3020 的转子接地保护装置的安装过程中，要注重以上所提，才有可能使测量桥的平衡达到最优，也才能确保装置安全可靠运行。

3 UNS3020 转子接地保护装置误动原因

3.1 轴电压对转子接地保护的影响

轴电压是旋转机械的严重负担，会导致旋转机械遭到破坏，针对大型汽轮发电机，静止励磁系统的加入，相当于在汽轮发电机中加入一个高频谐波电压源，给旋转机械造成了严重的损坏，同时，由于发电机转轴表面的旋转速度较快，同过汽轮机端接地降低轴电压这种传统的方式已经不能有效消除轴电压。为了有效消除使用了精致励磁系统汽轮机的轴电压，可以搭建轴电压吸收回路，就是在转子绕组与大轴之间接入一个RC 回路，其中R 的电阻值很小，且根据轴电压吸收回路中的电容匹配大小，此吸收电容对转子接地检测装置性能的影响程度不同，电容值越大，转子接地检测装置越易受影响误动作[3]。

3.2 从保护装置的回路分析误动作的原因

首先，电容配置器以及电桥平衡，是否与该保护装置达到最优协调。通常情况下很难达到最有协调，所以即使在相关发电机组正常工作时，在U+端的电压不可能为0，这样导致误动的可能性就增加了[2]。

机组是否能在平稳的环境中运行，或者在运行过程中是否能平稳也至关重要，机组外部物理环境的振动和机组自身的振动严重时可能会导致接地碳刷与大轴接触不良，这会导致U+电压提高，从而误动作。

接地碳刷和大轴滑环作为转子接地保护测量回路中至关重要的一部分，两者的接触是否良好，直接会影响到转子接地保护回路的性能，接触不良时就会造成误动作。

为使转子接地保护可靠动作，应确保接地碳刷与转子大轴之间接触良好，清擦转子大轴油污可以有效保证其接触良好。

也可以采用增加电刷与大轴之间的压力的方法，保证其良好的接触。对接地碳刷与转子大轴之间作用力的监控和接触电阻的监视，也可有效保证其良好的接触，减少误动作。

4 转子一点接地的现象及处理

4.1 现象

当发电机转子一点接地时，由于不能构成回路，所以无故障电流的产生，故障点也就没有故障电流流过，因此励磁系统能够保持正常运行，不影响其他发电机组的运行，也不会对电网产生影响。

针对无明显故障现场产生的发电机一点接地故障。判断故障的方法如下：通过检查“转子一点接地”报警装置是否能够成功复归。如果能有效的复归，可以判断此时的故障为瞬时接地故障；如果不能成功复归，那就要做进一步的排查：首先检查转子一点接地保护是否正常，如果正常，通过切换开关，利用转子电压表测量正极和负极的对地电压，从而判定是否某一极发生了接地。如果测量值中一个显示为零，而另一个显示为全电压，即可证明该极的确发生了一点接地。

4.2 处理建议

首先应该排除是否由于人工作引起，如果的确是由于工作人员导致，应及时矫正。其次，检查励磁回路，是否存在裂缝或者有较多污渍，因为污渍也可能导致接地。接下来检查相关的回路，是否存在回路损坏。然后逐一排查，接地是在励磁回路产生还是在测量保护回路产生的。找出原因，精准排除故障。

如果能准确判定为一点接地且为金属性接地，故障点的具体位置难以查明定位，可以通过人工两点接地的手段使其跳匝，然后停机处理。