中国中原对外工程有限公司
摘要：鉴于C-2机组ABB UNS 3020保护装置运行不可靠，因此采用南瑞继保的RCS-985RE装置对其进行改造。本文分析了UNS 3020装置存在的缺点，介绍了RCS-985RE的特点并描述了改造过程以及总结了改造经验。
关键词：UNS 3020；发电机转子接地保护；RCS-985RE；改造
0.引言
2012年7月26日，巴基斯坦C-2机组由于触发转子接地一点保护跳闸段而导致停机。在停机期间，又发生多次报警现象。经厂家人员检查，发现是保护装置长时间未进行标定，导致偏离整定值，属于保护误报警和误动作。C-2机组发电机转子接地保护使用ABB励磁系统配套的UNS 3020装置。据了解，该装置在国内自投运以来运行状况不良，已发生多起误动作事件。已有一些火电厂（如乌沙山发电厂一期[1]、国华宁海电厂一期）、核电厂（秦山一期）对其进行改造，以保证发电机转子的安全以及电厂的稳定可靠运行。
1.UNS 3020装置的原理和缺点
C-2机组UNS 3020装置安装在汽轮机厂房发电机励磁系统分线柜内，其测量原理为惠斯通电桥平衡式，转子绕组与大轴接地之间的分布电容CR加上隔离电容CK1、CK2和高值电阻R构成电桥桥臂中的一条，另一条桥臂为匹配电容CX支路和高值电阻R支路，当电桥平衡时，输出电势U+非常小（一般调整到50mV以内）。一旦转子绕组接地或者发电机大轴接地点接触不良时，电桥平衡被破坏，U+输出值变大，保护装置根据电压大小判断转子接地状况。当大轴接地点接触不良时，U+一般在0.7至2V之间，保护装置发报警信号。当转子发生接地故障时，U+大于2V，发跳闸信号。
因此保护设置两段，一段（STAGE 1）为报警，二段（STAGE 2）为跳闸，ABB推荐的两段整定值为一段2000?，延时3s动作，二段为500?，延时3s动作。
经过工程验证，UNS 3020装置存在以下缺点[2]：
1）该装置对于外部测量回路的接线、接地碳刷与发电机大轴的接触情况等要求比较高，容易受发电机大轴接地状况影响，转子一点接地保护易误报警和误动；
2）只具有转子一点接地保护功能，不能区分一点接地和两点接地故障；
3）当转子绕组中点附近发生接地故障时灵敏度低；
4）在发电机额定空载、并网后的不同负荷情况下，发电机大轴上的轴电压等实际情况会对测量回路产生影响，需定期（一般3个月）对匹配电容进行标定，对于电厂维护人员带来不便；
5）该装置在停机时将闭锁，不能实时对转子进行保护；
6）该装置为集成电路型设备，不带自检功能，无法在线有效监测转子绝缘状况以及转子正负极对地电压大小。
2.改造方案的选取
考虑到南京南瑞继保有限公司（以下简称南瑞）是C-2机组发电机和变压器组保护（以下简称发变组）RCS-985G的供货商以及曾经对一些使用ABB UNS 3020装置的电厂进行过改造，因此公司对南瑞的转子接地保护装置进行调研，并准备了两套改造方案。
方案一：集成在发变组保护RCS-985G中；
方案二：采用专用的转子接地保护RCS-985RE替换。
调研结论如下：
方案一：C-2机组发电机保护装置设计时应设计院的要求增加了发电机断路器失灵保护以及发电机惰走保护，这是典型RCS-985G保护配置中不具备的。由于设计院没有要求在RCS-985G中配置转子接地保护，编程人员将转子接地保护删去给上述增加的保护腾出内存空间。虽然C-2机组的发变组保护具备转子接地保护的硬件，但由于内存不足，无法通过添加软件程序的方式实现保护功能。方案一不可行。
方案二：RCS-985RE采用注入低频方波电压式新型保护原理，已在多个电厂使用，至今运行良好。且装置尺寸大小与UNS 3020相近，可方便替换。
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3.RCS-985RE装置原理和特点
该装置采用了直流双端注入式原理，在发电机大轴与转子正负端注入一个低频方波电源，实时求解接地电阻Rg。保护能反映发电机转子对大轴绝缘电阻的变化，当测得的转子接地电阻Rg小于整定值，转子一点接地保护动作，并显示接地点α位置，经延时可自动（南瑞建议手动）投入两点接地保护。当接地位置α改变达到一定值时判为转子两点接地，动作于跳闸[3]。其中Ry为大功率电阻（大小约为47kΩ），Rx为测量回路电阻。Us为注入方波电源（大小为48V），注入电源的频率可根据转子绕组对地电容的大小进行调节，通常方波周期范围1至10s。Ur为转子电压。
南瑞推荐的整定值为转子一点接地保护设定20k?，延时5s动作于报警，转子两点接地保护定值为α变化3%，延时1s动作于跳闸。
南瑞RCS-985RE的特点如下：
1）采用自产的低频方波电源，可根据转子绕组接地电容调整注入电源的频率，避免对保护测量回路的影响，受外部环境影响小；
2）有独立的转子一点接地和转子两点接地保护；
3）转子接地电阻的计算与接地位置无关，保护没有死区；
4）转子接地电阻的计算与有无励磁电压无关，即使在未加励磁的状态下，也能实时测量接地电阻大小，监视转子的绝缘情况，起到对绝缘老化监视的作用；
5）具有智能化人机对话界面，能够从液晶显示面板上查看转子电压（Ur+、Ur-），转子对大轴绝缘电阻（Rg）和转子一点接地位置α；
6）具有自检功能，装置内部故障可发信并进行闭锁。
4.改造方案论证
方案一：转子接地保护装置就地安装在励磁系统分线柜内。优点：由于装置需要分别接到转子绕组正负端以及大轴碳刷，安装在灭磁屏附近时接转子绕组和大轴更方便，接线简单，无需将发电机转子回路引到励磁系统外部，可节省电缆投资。缺点：分线柜内有大电流交流母排和直流母排，运行环境较差。
方案二：转子接地保护装置安装在核岛电气厂房EX520房间发变组保护装置内。优点：环境温度稳定，干扰源少。主控室就在EX520房间隔壁，可方便人员监视和操作。缺点：需通过电缆将转子电压回路引入发变组保护屏，且敷设距离较长（约250m），增加了励磁回路接地故障概率。
考虑到C-2机组已完成临时验收，方案二中敷设长距离电缆难以实施，所以最终决定采用方案一进行改造。
5.方案实施
本次改造秉持的原则是以最少的工作量完成电厂实际需要，改造完成后装置使用遵循人性化、易操作的原则。本次改造工作在C2机组第一次换料大修（RFO-1）期间完成，具体实施过程如下：
1）从回路两侧将原ABB UNS 3020装置的电源回路、输出回路全部拆除；
2）在整流灭磁柜分线柜前柜门上开孔安装新装置；
3）为了便于在一点保护动作后手动投入两点接地保护，在分线柜面板上安装投两点接地保护的万转开关；
4）装置外壳通过柜体接地点接地；
5）装置电源回路：利用已有220V DC供电回路和空开对装置供电；
6）输出部分：转子一点接地（报警）和两点接地（跳闸）信号输出利用已有接线，新增装置闭锁/报警信号通过已有电缆备用芯送发变组保护A屏和主控室光字牌；
7）修改和替换发电机保护A屏以及光字牌原有标签，光字牌上增加转子接地保护装置报警和闭锁的标签。
6.经验总结
1）保护装置宜采用全封闭铝合金机箱，外壳须通过柜体接地点接地，以保证装置不受外部环境干扰；
2）保护装置信号输出回路电缆宜选用双层屏蔽电缆，防止信号干扰；
3）转子绕组引入保护装置的电缆宜采用铠装屏蔽电缆，且电缆的绝缘强度要加强，其耐压水平可按大于7倍转子额定电压考虑；
4）在新建项目设计时，转子接地保护应集成在发变组保护中，当配置有两套时正常运行只能投入一套，另外一套不设计回路或采取必要的隔离措施。
7.结语
C2机组更换的转子接地保护装置已运行一年多，至今运行情况良好。新装置可实时监测转子正负母线对地电压和转子绕组对地绝缘电阻，使运行和维护人员可对转子绝缘状况有实时的了解，避免了故障扩大至转子两点接地，保证了转子该重要设备的安全以及整个发电机组的可靠运行。
参考文献
[1]刘建平，ABB发电机转子接地保护装置国产化改造的研究与应用，浙江电力，2012，1：49-51
[2]夏克宁，600MW发电机转子接地保护装置的改造，浙江电力，2009，2；62-67
[3]南瑞继保电气有限公司，RCS-985RE注入式发电机转子接地保护装置技术和使用说明书，2008
论文作者:张艺
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年17期
论文发表时间:2019/11/25
标签：转子论文; 发电机论文; 装置论文; 回路论文; 保护装置论文; 绕组论文; 电阻论文; 《建筑学研究前沿》2019年17期论文;