淺談發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護

王亮

【摘 要】本文主要討論了發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地故障的現(xiàn)象，以及采用乒乓式和電橋式原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護的原理及應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)子；接地；電橋式；乒乓式

0.引言

發(fā)電機正常運行時，轉(zhuǎn)子回路對地之間有一定的絕緣電阻和分布電容，它們的大小與發(fā)電機轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、冷卻方式等因素有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子絕緣損壞時，就可能引起轉(zhuǎn)子接地故障，常見的是一點接地故障，如不及時處理，還可能接著發(fā)生兩點接地故障。轉(zhuǎn)子回路的一點接地故障，由于構(gòu)不成電流通路，對發(fā)電機不會構(gòu)成直接的危害，對轉(zhuǎn)子回路一點接地故障的危害，主要是擔(dān)心再發(fā)生第二點接地故障，因為在一點接地故障后，轉(zhuǎn)子回路對地電壓將有所提高，就有可能再發(fā)生第二個接地故障點。發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路發(fā)生兩點接地故障的危害表現(xiàn)為：

（1）轉(zhuǎn)子繞組的一部分被短路，另一部分的電流增加，這就破壞了發(fā)電機氣隙磁場的對稱性，引起發(fā)電機的劇烈振動，同時無功出力降低。

（2）轉(zhuǎn)子電流通過轉(zhuǎn)子本體，如果轉(zhuǎn)子電流比較大（通常以1500A為界限），就可能燒損轉(zhuǎn)子，有時還造成轉(zhuǎn)子和汽輪機葉片等部件被磁化。

（3）由于轉(zhuǎn)子本體局部通過轉(zhuǎn)子電流，引起局部發(fā)熱，使轉(zhuǎn)子發(fā)生緩慢變形而形成偏心，進一步加劇振動。

1.轉(zhuǎn)子接地保護基本工作原理

1.1直流電橋原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護

直流電橋原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護。可調(diào)電阻R接于勵磁繞組的兩端，當(dāng)發(fā)現(xiàn)勵磁繞組一點接地后，勵磁繞組的直流電阻被分成r1和r2兩部分，這時運行人員接通按鈕SB，并調(diào)節(jié)電阻R，以改變r3和r4，使電橋平衡（r1/r2=r3/r4），此時毫伏表mv的指示最小（理論上為零）。然后斷開SB而將連片XB接通，投入勵磁繞組兩點接地保護。這時由于電橋平衡，繼電器K內(nèi)因無電流或流有很小的不平衡電流而不動作。當(dāng)勵磁繞組再有一點（如K2點）接地時，已調(diào)整好的電橋平衡關(guān)系被破壞，繼電器K內(nèi)將有電流流過，其大小與K2點距K1點的距離有關(guān)。K2與K1間的距離越大，電橋越不平衡，繼電器K中的電流越大，只要這個電流大于K的整定電流，它就動作，跳開發(fā)電機。在繼電器K的線圈回路中接電感L的目的，是阻止交流電流分量對保護動作的影響。

按電橋原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護結(jié)構(gòu)簡單，但存在以下缺點：

（1）若第二點接地距第一點接地較近，兩點接地保護不會動作，即有死區(qū)。

（2）若第一點接地發(fā)生在轉(zhuǎn)子滑環(huán)附近，則不論第二個接地點在何處，保護都不會動作（因無法投保護）。

（3）對于具有直流勵磁機的發(fā)電機，如第一個接地點發(fā)生在勵磁機勵磁回路時，保護也不能使用。因為當(dāng)調(diào)節(jié)磁場變阻器時，會破壞電橋的平衡，使保護誤動作。

（4）本保護裝置只能轉(zhuǎn)子一點接地后投入，如果第二點接地發(fā)生的很快，保護來不及投入。

1.2乒乓式原理構(gòu)成的發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護

乒乓式發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護動作原理分析，S1、S2是兩個電子開關(guān)，由時鐘脈沖控制它們的狀態(tài)為：S1閉合時S2打開，S1打開時S2閉合，兩者像打乒乓球一樣循環(huán)交替的閉合又打開，因此稱之為乒乓式轉(zhuǎn)子一點接地保護。

設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組的K點經(jīng)Rjd電阻一點接地，UL為勵磁電壓，U1為轉(zhuǎn)子正極與K點之間的電壓，U2為K點與轉(zhuǎn)子負極之間的電壓。S1閉合S2打開時，直流穩(wěn)態(tài)電流為

I1=U1/R0+RE （1-1）

S2閉合S1打開時，直流穩(wěn)態(tài)電流為：

I2=U2/R0+RE （1-2）

電導(dǎo)

G1=I1/UL=K1/ R0+RE （1-3）

G2=I2/UL=K2/ R0+RE （1-4）

系數(shù) K1=U1/UL；K2=U2/UL

上面各式中，I1、U1、UL、G1、K1為第一個采樣時刻（S1閉合S2打開）的值，I2、U2、UL、G2、K2為第二個采樣時刻（S2閉合S1打開）的值。系數(shù)K1或K2之值正比于接地點K與轉(zhuǎn)子正極或負極之間的繞組匝數(shù)，而不管UL是否變化。由于第一個采樣時刻與第二個采樣時刻是同一個接地點K，K點的位置未變，所以

K1+K2=1 （1-5）

G1+G2=1/ R0+RE （1-6）

式中R0—保護裝置中的固定電阻（降壓電阻），為常數(shù)。

Re—接地電阻，是跟隨發(fā)電機勵磁回路對地絕緣水平變化的。

設(shè)

Gset=1/RO+RSET （1-7）

Gset=1/RO+RSET （1-8）

式中Rset——保護第一段的整定電阻。

Gset——保護第一段的整定電導(dǎo)。

Rset”——保護第二段的整定電阻。

G set”——保護第二段的整定電導(dǎo)。

因為Rset>Rset”，所以又稱第一段為高定值段，第二段為低定值段。根據(jù)式（1-6）、式（1-7）、式（1-8），設(shè)計該保護的動作判據(jù)為：

當(dāng)Re≤Rset，即當(dāng)G1+G2≥Gset時，保護的高定值段動作。

當(dāng)Re≤Rset”，即當(dāng)G1+G2≥G set”時，保護的低定值段動作。

2.轉(zhuǎn)子接地保護的應(yīng)用

2.1乒乓式原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護在許繼WFB—800微機型發(fā)變組保護中的應(yīng)用

2.1.1一點接地保護

保護原理：采用乒乓式切換原理，通過求解兩個不同的接地回路方程，實時計算轉(zhuǎn)子接地電阻和接地位置，并記憶，為判斷轉(zhuǎn)子兩點接地作準(zhǔn)備。為防止保護誤動及溢出，特設(shè)啟動判據(jù)：機端電壓E>30V。當(dāng)Re小于或等于接地電阻整定值時，經(jīng)延時發(fā)轉(zhuǎn)子一點接地信號或作用于跳閘。

定值整定：接地電阻整定值取決于正常運行時轉(zhuǎn)子回路的絕緣水平。接地電阻高定值可整定為10kΩ及以上，延時4—10s動作于發(fā)信；低定值可整定為10kΩ以下，延時1s—4s動作于跳閘。

2.1.2兩點接地保護

保護原理：一點接地保護原理同前所述，但在這里的一點接地電阻定值只有一段，通過延時發(fā)信。在一點接地故障后，保護裝置繼續(xù)測量接地電阻和接地位置，此后若再發(fā)生轉(zhuǎn)子另一點接地故障，則已測得K值變化，當(dāng)其變化值△K超過整定值時，保護裝置就確認為已發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點接地故障，發(fā)電機被立即跳閘。保護判據(jù)為：

△K﹥Kset Kset為轉(zhuǎn)子兩點接地位置變化整定值

定值整定：接地位置變化動作值一般可整定為5—10%；動作時限按躲過瞬時出現(xiàn)的兩點接地故障整定，一般為0.5—1s。

2.2新型原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護在南自DGT—801微機型發(fā)變組保護中的應(yīng)用

2.2.1一點接地保護

保護原理：采用新型的疊加直流方法，疊加源電壓為50V，內(nèi)阻大于50kΩ。利用微機智能化測量克服了傳統(tǒng)保護中繞組正負極靈敏度不均勻的缺點，能準(zhǔn)確計算出轉(zhuǎn)子對地的絕緣電阻值，范圍可達200 kΩ。轉(zhuǎn)子分布電容對測量無影響，電機啟動過程中轉(zhuǎn)子無電壓時保護并不失去作用。保護引入轉(zhuǎn)子負極與大軸接地線。

定值整定：Rg為接地故障發(fā)信定值（整定范圍1Ω—100kΩ）；Tyd為保護動作延時（整定范圍1s—10s）。

2.2.2兩點接地保護

保護原理：反映定子電壓中二次諧波“負序”分量，此分量是由轉(zhuǎn)子繞組不對稱匝間短路時含二次諧波的磁場以同步轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)而在定子繞組中生成。保護受一點接地保護閉鎖，發(fā)生一點接地時保護自動投入。保護引入機端三相電壓。

定值整定：Uld為二次諧波電壓動作值（整定范圍0—10V）：Uld=Kk×Ubpn，Ubpn為額定負荷下二次諧波電壓實測值，Kk為可靠系數(shù)，可取2.5—3；Tld為保護動作延時（整定范圍0.1s—2s），為增加可靠性而設(shè)。

3.結(jié)束語

隨著微機型發(fā)變組保護的日趨普及，發(fā)電機轉(zhuǎn)子保護的靈敏性及可靠性也在不斷提高，我想對汽輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護所需采樣輸入信號，即轉(zhuǎn)子+、轉(zhuǎn)子—、發(fā)電機大軸電位的引接談?wù)勎业捏w會。轉(zhuǎn)子電壓一般取自滅磁開關(guān)柜中整流輸出至發(fā)電機勵磁繞組的直流電壓，這里需要指出的是：一般為了不使發(fā)電機軸端油膜有壓降。將大軸汽端通過電刷可靠接地，此時轉(zhuǎn)子接地保護大軸電位應(yīng)取自發(fā)電機勵端接地電刷，這一點在調(diào)試現(xiàn)場易被忽視。