雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)中的運(yùn)用

王 佼，徐 巖

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

0 引言

無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)取消了直流機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)中的機(jī)械整流部分和半導(dǎo)體勵(lì)磁中的炭刷、集電環(huán)，所以，無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)具有噪聲小、無(wú)碳粉銅末、無(wú)火花的優(yōu)點(diǎn)，但是轉(zhuǎn)子的電壓、電流及溫度難以直接測(cè)量，轉(zhuǎn)子接地故障監(jiān)測(cè)比較困難。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地故障很常見(jiàn)［1－4］，其對(duì)發(fā)電機(jī)本體并未造成危害，若相繼發(fā)生第二點(diǎn)接地故障，則會(huì)出現(xiàn)故障點(diǎn)電流過(guò)大燒傷轉(zhuǎn)子本體、勵(lì)磁繞組被短接氣隙磁通失去平衡引起振動(dòng)及軸系轉(zhuǎn)子磁化等災(zāi)難性的后果。因此，為了保障發(fā)電機(jī)的安全，本文提出將無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)組采用定時(shí)舉刷方式，使轉(zhuǎn)子繞組的引出方式變更為正、負(fù)兩端引出，然后用雙端注入原理對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行一點(diǎn)接地監(jiān)測(cè)。

1 無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)［5－7］由主發(fā)電機(jī)、交流勵(lì)磁機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器等主要部分組成，如圖1所示。主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、勵(lì)磁機(jī)電樞和旋轉(zhuǎn)整流器都裝在同軸上一起旋轉(zhuǎn)，勵(lì)磁機(jī)磁極固定在定子內(nèi)側(cè)。主發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)大同小異，都是轉(zhuǎn)場(chǎng)式的，有隱極和凸極，交流勵(lì)磁機(jī)為轉(zhuǎn)樞式的。同步發(fā)電機(jī)由有刷進(jìn)化到無(wú)刷主要是有了交流勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流器。

當(dāng)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)主發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子上的電樞繞組首先切割剩磁自勵(lì)發(fā)出交流電，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器變成直流電后進(jìn)入主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組以勵(lì)磁。主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的勵(lì)磁繞組建立磁場(chǎng)后旋轉(zhuǎn)，在定子的電樞繞組上產(chǎn)生電勢(shì)及電流。這就是無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的基本原理。

圖1 無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)

2 無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)

2.1 無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自動(dòng)舉刷裝置

目前，多數(shù)無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)組只在勵(lì)磁端接有1只測(cè)量電刷，固定引出轉(zhuǎn)子繞組的負(fù)端，一點(diǎn)接地故障只能采用單端注入式原理進(jìn)行監(jiān)測(cè)［8－11］。由于單端注入式原理沒(méi)有同時(shí)引出轉(zhuǎn)子繞組的正、負(fù)兩端，故無(wú)法計(jì)算轉(zhuǎn)子接地故障的位置。

考慮到勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子的原有設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的實(shí)際情況，無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)組宜采用自動(dòng)舉刷的方式，保留轉(zhuǎn)子繞組的負(fù)極測(cè)量電刷，再?gòu)霓D(zhuǎn)子繞組正極引出1根線來(lái)增加轉(zhuǎn)子繞組的正極引線。這樣，轉(zhuǎn)子繞組正、負(fù)兩端均引出，則可以采用雙端注入式原理對(duì)轉(zhuǎn)子接地故障進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以計(jì)算轉(zhuǎn)子接地故障的位置。無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子自動(dòng)舉刷裝置如圖2所示。

圖2 自動(dòng)舉刷裝置原理接線圖

2.2 雙端注入式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)

現(xiàn)場(chǎng)采用定時(shí)舉刷方式后，轉(zhuǎn)子繞組的引出方式變更為正、負(fù)兩端均引出。注入電源從轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)兩端與大軸之間注入，注入電源的切換周期可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電容的大小進(jìn)行調(diào)整，實(shí)時(shí)求解轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地電阻，保護(hù)反應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對(duì)大軸絕緣電阻的下降。雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的工作電路如圖3所示。

圖3 雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

假設(shè)在距離負(fù)端α點(diǎn)發(fā)生接地。方波注入式保護(hù)由于在穩(wěn)態(tài)下測(cè)量，所以在計(jì)算接地電阻時(shí)可以不考慮接地電容的作用，因此在每半波周期內(nèi)，電路可以看作是直流注入。

2.2.1 勵(lì)磁電壓UL不變

在方波的正半波可列出回路電流方程組為

設(shè)Um為采樣電阻 Rm兩端電壓，Um=(I1+I2)Rm，由式(1)、式(2)可得到Um的表達(dá)式為

方波在負(fù)半波時(shí)，除注入電壓極性改變以外，其它均與正半波時(shí)情況相同。因此同理可以得到U'm的表達(dá)式為

由式(3)、式(4)可得

將式(5)代入式(3)可得

2.2.2 勵(lì)磁電壓UL變化

無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)在強(qiáng)勵(lì)或者啟、停機(jī)時(shí)，勵(lì)磁電壓將發(fā)生變化。當(dāng)勵(lì)磁電壓變化時(shí)，通過(guò)圖3列寫(xiě)回路方程，可以推導(dǎo)出R'g計(jì)算公式為

由式(5)減去式(7)可得

分析式(9)可知，當(dāng)勵(lì)磁電壓UL變化時(shí)，計(jì)算出的接地電阻與實(shí)際的接地電阻會(huì)有一定誤差，當(dāng)α=0.5時(shí)，誤差為零;隨著向轉(zhuǎn)子兩端靠近，誤差逐漸增大;當(dāng)α=0或1時(shí)，誤差最大。正負(fù)半波測(cè)量過(guò)程中勵(lì)磁電壓變化得越大，誤差也越大;外加電壓越高，勵(lì)磁電壓變化引入的誤差越小。據(jù)此可以畫(huà)出誤差ΔRg和勵(lì)磁電壓變化量ΔUL的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 接地電阻隨勵(lì)磁電壓變化關(guān)系圖

2.2.3 一點(diǎn)接地動(dòng)作判據(jù)

一點(diǎn)接地的動(dòng)作判據(jù)為

式中Rgset為一點(diǎn)接地過(guò)渡電阻整定值，一般可取為5～50 kΩ或者更大［12］。當(dāng)一點(diǎn)接地故障發(fā)生后，保護(hù)裝置可以根據(jù)動(dòng)作判據(jù)式(10)作為整定判據(jù)，動(dòng)作于信號(hào)。

3 無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地仿真分析

3.1 仿真模型介紹

在圖3所示電路的基礎(chǔ)上，采用Matlab軟件構(gòu)建勵(lì)磁繞組接地故障仿真模型［13］，如圖5所示。勵(lì)磁繞組用4段π型等效電路來(lái)表示。額定電壓為475.9 V，空載電壓為 191.8 V，電阻 Re=0.102 9 Ω，電感 Le=1.58 mH，對(duì)地電阻 Ry=5 MΩ，對(duì)地電容 Cy=1.264 μF，Re1=0.25Re，Le1=0.25Le，Re2=0.15Re，Le2=0.15Le，Re3=0.10Re，Le3=0.10Le，Ry1=8Ry，Cy1=Cy/8，Ry2=4Ry，Cy2=Cy/4，ZS為勵(lì)磁系統(tǒng)內(nèi)阻，阻值很小。

在圖5模型中，假設(shè)勵(lì)磁電壓不變化，仿真過(guò)程中UL為固定值，用Rg、Cg模擬轉(zhuǎn)子的接地電阻和電容。用1個(gè)脈沖發(fā)生器模塊疊加50 V增益控制受控電壓源，模擬±50 V的方波電源Us，通過(guò)改變脈沖發(fā)生器的周期，改變方波的周期。

3.2 仿真試驗(yàn)結(jié)果

a.設(shè)置UL=500 V，改變Rg的大小，檢測(cè)保護(hù)的靈敏度和精度，其結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著Rg的增加，測(cè)量值和實(shí)際值之間的偏差也有所增大，但靈敏度滿(mǎn)足要求。

b.設(shè)置Rg=20 kΩ，改變UL的數(shù)值，檢測(cè)相關(guān)測(cè)量數(shù)值的變化，結(jié)果如表2所示。由表2可知，勵(lì)磁電壓變化時(shí)，測(cè)量值和實(shí)際值之間的偏差并不太大，靈敏度高且一致。

圖5 無(wú)刷勵(lì)磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地故障仿真模型

表1 一點(diǎn)接地保護(hù)靈敏度和精度試驗(yàn)結(jié)果

表2 勵(lì)磁電壓變化時(shí)一點(diǎn)接地保護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

c.設(shè)置UL=0 V，改變Rg的數(shù)值，檢測(cè)保護(hù)的靈敏度和精度，結(jié)果如表3所示。由表3可知，雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理可在靜止或未加勵(lì)磁狀態(tài)下監(jiān)視轉(zhuǎn)子接地故障。

d.設(shè)置 UL=500 V，Rg=50 kΩ，改變 α 的數(shù)值檢測(cè)保護(hù)的靈敏度和精度，結(jié)果如表4所示。由表4可知，雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)靈敏度與轉(zhuǎn)子接地位置無(wú)關(guān)。

表3 未加勵(lì)磁時(shí)一點(diǎn)接地保護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

表4 接地點(diǎn)位置變化時(shí)一點(diǎn)接地保護(hù)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 仿真結(jié)果分析

從仿真試驗(yàn)結(jié)果分析可知，雙端注入原理可實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子接地位置，接地電阻測(cè)量精度高;可在未加勵(lì)磁電壓的情況下，也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣情況;保護(hù)靈敏度與轉(zhuǎn)子接地位置無(wú)關(guān)，保護(hù)無(wú)死區(qū)，在轉(zhuǎn)子繞組上任一點(diǎn)接地都有很高的靈敏度;具有定時(shí)和手動(dòng)舉刷功能，能滿(mǎn)足無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)組轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的要求。

4 結(jié)論

通過(guò)上述分析與仿真，結(jié)果表明，雙端注入式原理在未加勵(lì)磁電壓的情況下也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣，在轉(zhuǎn)子繞組上任一點(diǎn)接地時(shí)，接地電阻測(cè)量精度高，保護(hù)具有一致的高靈敏度，能夠精確計(jì)算出轉(zhuǎn)子接地故障位置，能夠滿(mǎn)足無(wú)刷勵(lì)磁機(jī)組轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的要求。

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