广东粤电枫树坝发电有限责任公司广东省龙川517300
摘要：某水电厂一台100MW发电机组在扩容大修后，进行开机空载试验，当进行直流起励时，发电机转子接地保护动作，事后经过对发电机转子各部分进行绝缘检查及发电机转子接地保护装置和励磁装置检查均未发现问题，发电机组利用残压起励时，也并未发生转子接地保护动作情况，最后经分析确定此次转子接地保护动作是一起由直流系统绝缘监测装置引起的保护误动作。本文主要针对本次保护误动的原因进行分析并制定相应的改进措施。
关键词：发电机转子接地保护；乒乓式；直流系统；绝缘监测装置
发电机励磁回路发生一点接地故障不会形成电流通路，对发电机并未造成危害，因此发电机可继续运行。但发生一点接地以后，励磁回路对地电压会有所升高，如发电机仍然继续运行，遇上励磁绕组其他点绝缘水平降低时，就有可能发生转子回路的第二点接地。励磁回路两点接地后会构成短路电流通路，可能烧坏转子绕组和铁芯。由于部分励磁绕组被短接，破坏了气隙磁场的对称性，将会引起机组振动，严重威胁发电机的安全。该厂发电机所配置的转子接地保护为乒乓式采样原理的转子一点接地加两点接地保护。
一、乒乓式转子接地保护原理
乒乓式转子接地保护装置内部的电子开关，在时序电路控制下周期性地导通、截止，即转子的正负极人为地周期性接地来监测转子的对地绝缘状况。保护的动作判据是通过乒乓式工作原理来实现的。
如图1所示，其中：S1、S2为由微机控制的电子开关，S1闭合时，S2打开；S1打开时,S2闭合，二者循环交替运行，类似推来挡去的乒乓球。Rg为接地电阻，α为接地点位置，E为转子电压。两个降压电阻R，一个测量电阻R1，U1、U2为两个状态下R1上的测量电压。
当S1闭合，S2打开时：
（R+R1+Rg）I1-（R1+Rg）I2=αE
（2R+R1+Rg）I2-（R1+Rg）I1=（1-α）E
R1（I1-I2）=U1
当S1打开，S2闭合时：
（R+R1+Rg）I2’-（R1+Rg）I1’=（1-α）E’
（2R+R1+Rg）I1’-（R1+Rg）I2’=αE’
R1（I1’-I2’）=U2
由以上方程式推导可得：
接地电阻Rg=ER1/3ΔU-R1-2R/3
接地点位置α=1/3+U1/3ΔU
其中:ΔU=U1+(E/E’)U2
当接地电阻Rg小于等于接地电阻整定值时，转子一点接地保护经延时动作，发信。
图1乒乓式转子接地保护切换采样原理图
在转子一点接地保护动作后，保护装置继续测量接地电阻和接地位置，此后若发生第二点接地故障，则可计算出第二个接地点位置α’，并可得出两个接地点的位置变化值Δα=│α-α’│，若Δα超过整定值，保护装置就确认发生转子两点接地故障，转子两点接地保护动作，跳闸。
二、直流系统绝缘监测装置原理
该厂直流系统绝缘监测装置采用的是双平衡桥检测方式。在绝缘正常时，正负极电压基本平衡，当直流系统的绝缘下降时，系统正负极对地电压会发生偏差，装置通过检测对地电压的变化进行接地告警。
如图2所示，其中：1R，2R为绝缘监测桥电阻，K1、K2为切换开关，GND为大地，R3、R4为正负极接地电阻，I+、I-为正负极接地电流，V+、V-为正负极接地电压。绝缘监测桥电阻1R、2R阻值不相同，不管接地电阻如何，K1、K2切换时，正负极对地电压均有变化，
K1闭合时，正负极对地电压偏移为V+1、V-1，则可得：
V+1/(1R//R3)=V-1/(2R//R4)
K2闭合时，正负极对地电压偏移为V+2、V-2，则可得：
V+2/(2R//R3)=V-2/(1R//R4)
通过以上两个方程式可以计算得出R3、R4两个接地电阻，若R3小于等于整定值，则报正极绝缘下降，若R4小于等于整定值，则报负极绝缘下降。
图2双桥式绝缘监测装置原理图
由于绝缘监测装置工作时，K1、K2不停切换，会造成系统对地电压一直有波动，波动幅度取决于1R、2R的比值，两者相差越大，波动就越大，可能导致保护误动。
三、保护误动原因分析
转子接地保护动作发生在发电机组直流起励阶段，发电机励磁系统起励电源由直流系统接入，也就是说此时直流系统母线也在转子接地保护范围内。
由上面保护原理阐述可知：装置是根据测量转子电压值E和测量电阻两端的电压值U1、U2算出接地电阻值和接地位置的，再与整定值进行比较来判断是否发生转子接地故障的。
而由上面直流系统绝缘监测装置原理的介绍中可知：切换K、K2时会使直流系统正负极对地电压产生波动，从绝缘电阻测量准确度考虑，绝缘监测电阻差越大，电压波动越大，但准确度越高；从安全性考虑，为减小电压波动，绝缘监测电阻差越小越好。
在保护动作原因排查试验过程中，绝缘监测装置投入时，实际测量直流母线正极对地电压在155V-128V之间波动，负极对地电压在105V-77V之间波动，利用上面公式计算可得出接地电阻和接地位置变化量都已满足保护动作条件，实际直流起励试验时，发电机转子接地保护可靠动作了。绝缘监测装置退出时，实际测量直流母线正极对地电压稳定在118V左右，负极对地电压稳定在113V左右。实际直流起励试验时，发电机转子接地保护可靠不动作。
结论：由上面的理论分析和现场试验结果可以确定，此次发电机转子接地保护动作为误动作，误动的原因是直流系统绝缘监测装置的投入，导致直流系统母线正负极对地电压波动幅度过大，干扰了保护装置的正常判断。
四、改进措施
该厂发电机正常运行时，励磁系统使用残压起励，只有极少数的特殊情况下发电机转子剩磁不足时，才使用直流起励。因此，正常生产运行时，转子接地保护并不会发生误动。
1、当发电机投入直流起励时，在保证直流系统没有绝缘降低故障可能性的前提下，可以短时间退出直流系统绝缘监测装置，来避开对转子接地保护的干扰。此措施可以作为临时的应对措施。
2、对直流系统绝缘监测装置进行升级改造，使用例如平衡桥加切换桥检测原理等新技术的设备，在保证绝缘监测准确度的同时，将直流系统正负极对地电压波动降到最低。这样不仅可以避免保护误动，还可以保证开关控制回路中的重要继电器不会发生误动和拒动。
参考文献
[1]陈俊，王光，严伟等.关于发电机装置接地保护几个问题的探讨[J].电力系统自动化2008，（1）
[2]WFB-810系列微机发电机变压器保护装置技术说明书（Ver-2.5），许继电气股份有限公司.
[3]WJY3000型微机绝缘监测仪技术说明书，深圳奥特迅电力设备有限公司.