发电机转子接地故障案例分析及对比探讨

沈晓晖，魏彦勋

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

发电机转子接地故障案例分析及对比探讨

沈晓晖，魏彦勋

(中核核电运行管理有限公司，浙江 海盐 314300)

作为发电机常见故障之一的转子接地故障严重影响机组和系统的安全。励磁系统中的接地探测器可自动对励磁机和主发电机转子绕组接地与否进行定期检查，并根据接地探测结果作出相应的报警动作。针对A核电厂2号机组发电机励磁系统故障导致停机停堆事件，对B核电厂1，2号机组励磁系统转子接地保护动作行为进行分析，并与A核电厂的转子接地保护进行对比研究。结果表明，B核电厂转子接地保护具有较合理的配置，能够有效避免类似事件的发生。

发电机；励磁系统；转子接地；接地探测器

0 引言

在现代电力工业中，同步发电机是一种最常用的交流发电机，广泛用于核电厂、水电厂和火电厂等各类发电企业，其性能的好坏对电厂的安全稳定生产起到至关重要的作用。发电机长期运行时，在高速旋转所产生的机械应力和电应力的作用下，转子绕组很容易因绝缘水平降低而发生接地故障，其中最常见的是转子一点接地故障。转子一点接地时，由于没有形成闭合回路，机组可以继续运行一段时间，对发电机不会造成直接的危害。但发生一点接地后，很容易引发转子的第2点接地故障；当发生转子两点接地故障时，由于转子绕组的一部分被短路，在故障点会流过相当大的短路电流，烧损转子本体，严重时还会引起发电机剧烈振动以及轴系和汽机的磁化，威胁发电机和系统的安全稳定。因此，为了确保发电机组的安全运行，有必要对大中型同步发电机装设转子接地保护装置。

以下对A核电厂一起因转子接地故障导致停机停堆的事件进行分析，并与B核电厂1，2号机组励磁系统转子接地保护动作行为进行对比，从而验证B厂转子接地保护的可靠性和应用前景。

1 A核电厂2号机组转子接地故障

1.1 事件经过

2015-10-21T12:02，A核电厂2号机组因发电机转子接地检测系统故障，导致主控出现2GPA631KA发电机转子接地告警(一段，定值4 kΩ，告警)。检修人员通过观察孔发现碳刷脏污，确认故障后迅速编制了检修方案，在方案生效后检修人员赶赴现场开展相关工作。

15:25，工作组开展工作，按检修方案退出了发电机转子接地保护出口压板，随后对转子接地保护送至控制器的跳闸信号接线进行临时解除。

15:45，通道1和通道2跳闸信号成功解除。但在解除通道3的跳闸信号时，2号机组发电机转子接地保护二段故障动作，触发励磁系统故障跳闸指令出口，导致汽轮发电机组跳闸。

16:05，因瞬态时3台蒸汽发生器水位持续上涨，导致1号蒸汽发生器达到高高水位，且P7(功率大于10 %)信号存在，触发反应堆保护系统动作，反应堆自动停堆。事件过程中，机组3道安全屏障保持完整，无放射性物质对外释放。

1.2 原因分析

A核电站2号机组所采用的发电机转子接地保护装置采用叠加交流电压式原理设计，其失效设备为AREVA制造的MX3IPG2A型发电机转子接地检测电刷，发电机转子接地停机出口逻辑如图1所示。通过对负极电刷注入40 V工频交流电压，测量回路电流，来计算接地电阻。当215XZ继电器测量电阻低于4 kΩ时，发转子绝缘一段故障报警；低于2 kΩ时，经发变组非电量保护柜发电机转子接地(二段)保护、励磁系统故障触发停机。

图1 发电机转子接地停机出口逻辑示意

从保护原理上分析，随着碳刷接触电阻的变化，实际测量电阻会有先减小再增大的过程，如图2所示，这是导致转子接地保护装置触发二段故障信号的原因。

从保护逻辑上分析，转子接地保护动作后会经过2个独立的压板分别向系统发出动作指令：一个是转子接地保护直接跳闸指令；另一个是励磁系统故障跳闸指令。无法有效屏蔽保护装置的跳闸命令也是事件的间接原因之一。

1.3 故障处理

机组停机后，对2号发电机转子接地检测电刷进行检查和试验，发现接地检测电刷脏污、卡涩。由于电刷存在卡涩，电刷和滑环之间的接触电阻影响了接地电阻测量计算的准确性，致使保护装置计算得到的接地电阻小于2 kΩ，导致2号发电机转子接地保护二段误动，励磁系统故障保护动作，触发停机指令。

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图2 接触电阻与接地电阻关系曲线

2 B核电厂转子接地保护动作行为分析

B核电厂1，2号机组励磁方式采用三机同轴无刷励磁，配备日本三菱公司生产的MEC5000系列AVR(automatic voltage regulator，自动电压调节器)。由于发电机励磁为无刷励磁系统，发电机和励磁机组装有用来探测发电机励磁回路绝缘的碳刷和线圈。

接地探测回路由将交流转换成直流100 V的整流回路、整定探测电阻的校正电阻和检测电流是否超出设定值的继电器组成。

碳刷的安装位置主要有2种：一种是安装在大轴和发电机励磁绕组之间；另一种是安装在大轴和励磁机中性点之间。

2.1 转子接地探测回路运行原理

(1) 大轴和发电机励磁绕组(直流侧)的连接方式。图3为一个典型励磁接地探测回路，点A，B，C为3个可能的接地点。当发生磁场接地时，电流的流动情况如图4所示。电流大小取决于电源电压和接地电阻，当接地电阻小于定值(一般为20 kΩ)时，继电器动作，检测到磁场接地(继电器动作设定值一般为5 mA)。

(2) 大轴和励磁机中性点(交流侧)的连接方式。交流励磁机中性点连接方式如图5所示，点A，B，C，D为4个可能的接地点。当发生磁场接地时，电流的流动情况如图6所示。

图3 直流侧（发电机励磁绕组）连接方式

图4 相对于图3的励磁回路接地时的电流流动情况

图5 交流侧(励磁机中性点)连接方式

在这种工况下，当交流励磁机运行过程中只有单一方向电流流过时，无法检测到励磁回路接地故障，因此，引入了转换器9GD，以避免死区。

① 当交流励磁机电压为0(即励磁机非运行状态)时，前述连接方式(1)中的描述同样适用，无论A，B，C，D中的任一点发生接地故障，电流只取决于电源电压和接地电阻。

② 当交流励磁机在运行状态时，对于点A，与上述不运行情况相同；对于点B和C，励磁机交流电压叠加，但继电器为直流驱动型，因此交流电压可忽略不计；对于点D，励磁机输出电压叠加，由于接地故障单凭励磁机输出电压无法探测到，故使用9GD改变极性，这样在保证能够准确检测的同时，还提高了探测的灵敏度。

采用这种连接方式的接地保护一般选用叠加直流电压式转子一点接地保护方式，其优点是转子一点接地保护的工况不受发电机运行工况的影响，从而在发电机停运时也能正确地检测转子绕组及励磁回路的对地绝缘。

图6 相对于图5的励磁回路接地时的电流流动情况

2.2 保护动作分析

B核电厂采用的就是这种连接方式，选用叠加直流电压式转子一点接地保护。由辅助滑环和安装在励磁机上的电磁线圈驱动的刷子，提供一个有直流电源的外部电路，来实现发电机的磁场接地探测。正常工况下，发电机转子绕组或励磁回路不接地，外加直流电压不会产生电流；当转子绕组或励磁回路中发生一点接地时，则外加直流电压通过部分转子绕组、接地电阻、发电机大轴构成回路，产生电流。此电流与绝缘电阻成反比，所以根据电流的大小便可计算出接地电阻值。

B核电厂发电机励磁回路接地探测部分有2个辅助滑环：一个接在励磁机轴上;另一个接在励磁机交流侧中性点上。其探测回路由2个回路构成：一是由100 V直流供电的，探测流过滑环电流的探测回路；二是自动驱动碳刷并改变其极性的自动探测回路。

其中，自动探测回路由3个计时器(64T，64T1，64T2)组成，其工作原理如图7所示。64T每24 h做1个循环，每6 h开启1次，每次开启时间15 min。在每一个循环中，64T首先被激励，滑环开始工作，2个滑环之间感应出电压，测量开始；同时探测回路接通，继电器64E1根据探测到的电流自动动作。15 s后64T2被激励(持续激励15 s)，通过转换器9GD改变滑环的极性；再过15 s后64T1被激励，自动测量结束。

图7 计时器工作原理

发电机励磁回路接地监测装置有2个选择开关，分别为43-64-1和43-64-2。

① 43-64-1正常运行时打到“AUTO”位置，探测回路由自动测量回路控制，有规律地运行。打到“measurement(+)”或“measurement(-)”位置时，手动启动探测回路。

② 43-64-2正常运行时在“NORMAL”位置。要校正继电器整定值时，打到“TEST”位置，调节校正电阻即可。当接地电阻小于定值时(一般为20 kΩ)，继电器便动作。

发电机转子一点接地保护动作仅发信号，而不动作跳闸，但运行人员应根据规程进行停机，以便维修人员进行检查和处理。

3 A，B核电厂转子接地保护对比探讨

根据A核电厂2号机组因转子接地故障导致的停机停堆事件，B厂进行了经验反馈，从各个层面对2个电厂的转子接地保护进行了对比探讨，具体内容如表1所示。通过对比可以确认，B核电厂转子接地保护装置较A核电厂更为合理，能够有效避免类似事件的发生。

表1 A，B厂转子接地保护对比

4 结束语

对A核电厂2号机组因转子接地故障导致停堆停机事件进行了说明，并对B核电厂转子接地保护情况进行了详细分析。理论分析和对比探讨结果表明，B核电厂采用的注入直流电源式转子接地保护的探测方法不受发电机运行状态的影响，可以在机组停运、启停机和正常运行过程中对转子一点接地进行可靠保护，且具有较高的精度和灵敏度，能够很好地避免类似A核电厂故障事件的发生，具有良好的应用前景。

1 王 佼．无刷励磁同步发电机转子一点接地保护的研究[D]．北京：华北电力大学，2012.

2 朱 方，赵红光，刘增煌，等．大区电网互联对电力系统动态稳定性的影响[J]．中国电机工程学报，2007，27(1)：1-7.

3 马艳涛，罗 军．发电机转子接地保护的分析与建议[J].电力安全技术，2015，17(6)：40-43.

2016-12-28；

2017-04-22。

沈晓晖(1989—)，女，助理工程师，主要从事电力系统继电保护工作，email：yuko1228@163.com。

魏彦勋(1986—)，男，工程师，主要从事电力系统继电保护工作。