轉(zhuǎn)子接地保護及二次回路對地過電壓的分析

作者/孫道陽,華能聊城熱電有限公司

轉(zhuǎn)子接地保護及二次回路對地過電壓的分析

作者/孫道陽,華能聊城熱電有限公司

在發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地保護的二次回路中，一般將保護回路接到轉(zhuǎn)子繞組的正負兩端，對于600MW及以上的大型發(fā)電機來說，其中額定的勵磁電壓普遍較高，因此在運行過程中，容易出現(xiàn)二次回路中的絕緣系數(shù)不夠，從而影響這個回路的正常運行。本文對二次回路中產(chǎn)生地過電壓原因進行總結(jié)，并通過實際分析，總結(jié)了對回路中轉(zhuǎn)子接地保護的具體方法。

轉(zhuǎn)子接地保護；二次回路；過電壓

前言

在發(fā)電機運行過程中，往往會受到內(nèi)部元件老化或者外力破壞影響，導(dǎo)致發(fā)電機不能正常運行。在二次回路中，有很多電感線圈存在，這種電感線圈都帶有一定電感量，在發(fā)生意外事故時，容易導(dǎo)致反電勢的產(chǎn)生，而且幅值大，頻率高，這對發(fā)電機工作產(chǎn)生嚴重影響。

1. 二次回路中的接線方式

下面以注入式轉(zhuǎn)子接地保護為例，來介紹二次回路中接線方式。圖1是二次回路中一個常見的接線方式。

在注入式轉(zhuǎn)子接地過程中，Cy和Ry是轉(zhuǎn)子中的繞組對發(fā)電機轉(zhuǎn)子大軸的分布參數(shù)，Rf是出現(xiàn)接地故障時產(chǎn)生的過度電阻，在圖1中，接地故障出現(xiàn)在F點中。在故障出現(xiàn)之后，保護裝置內(nèi)部將會產(chǎn)生一個幾十伏電壓信號，這種電壓信號通過耦合電阻的傳導(dǎo)（圖1中用R1表示），進入發(fā)電機繞組回路中，此時對于回路中內(nèi)部電阻Rm1來說，由于接觸到故障信號，會有泄漏電流產(chǎn)生。而回路中的外部電阻對整個二次回路起到分壓器作用，為整個回路安全運行提供了更多保障。

圖1 轉(zhuǎn)子接地保護以及轉(zhuǎn)子電壓測量

在圖1中，直接繞組和勵磁繞組在正負極上連接的電纜總稱為二次回路電纜，一般來說，都是通過風壓電阻R2或者是耦合電阻R1接到保護裝置中，這也是二次電纜具體定義。

2. 轉(zhuǎn)子勵磁回路中的過電壓

在發(fā)電機正常運轉(zhuǎn)和非正常運轉(zhuǎn)過程中，轉(zhuǎn)子勵磁回路中會出現(xiàn)很多不同形式的過電壓，這其中主要包括以下幾種形式：第一，換相過電壓，這種過電壓主要出現(xiàn)在可控硅的整流橋上。第二，操作過電壓，這種過電壓主要出現(xiàn)在定子側(cè)或者轉(zhuǎn)子側(cè)中，是由斷路器的通斷現(xiàn)象所引起。第三，運行過電壓，這是由于在發(fā)電機工作過程中，由于三相不協(xié)調(diào)對稱，或者沒有進行全相運行，從而造成運行過電壓的產(chǎn)生。第四，傳遞過電壓，當定子側(cè)在接地時發(fā)生故障或者雷擊時，勵磁變壓器就會出現(xiàn)耦合現(xiàn)象，從而導(dǎo)致過電壓產(chǎn)生。

根據(jù)對上述原因分析和總結(jié)，在勵磁系統(tǒng)設(shè)計過程中加入了多種電壓抑制和保護措施，來保證轉(zhuǎn)子繞組中正負兩端不會差生太大的電壓差距，為此，相關(guān)人員還制定了公式，從而保障勵磁繞組能夠在工作中發(fā)揮有效發(fā)揮出自己的作用：

上式中，Ufd.n代表的是額定勵磁電壓；Um是實際試驗中測試電壓。

通過對相關(guān)標準參照，可以確定在實際計算過程中實驗電壓的幅值大約在30%到50%之間，而且在過電壓保護設(shè)計中，設(shè)計值一般不會超過實驗中電壓幅值的70%。另外，在過電壓中，有一種特殊共模性質(zhì)的過電壓，這種過電壓在轉(zhuǎn)子繞組正負兩端所體現(xiàn)出來的電壓差是保持不變的，但如果回路和轉(zhuǎn)子兩端電壓都提升時，會使勵磁變壓器中的傳遞電壓數(shù)值發(fā)生變化，其具體變化如圖2所示。

圖2 勵磁變壓器耦合過程中的等值電路

根據(jù)圖2所示，在勵磁變壓器的高壓一端，如果出接地或者遭受雷擊后，會產(chǎn)生一種特殊電壓UH0,這種電壓在后來被人們稱為對地零序電壓，這種電壓也會在勵磁變壓器中得到有效傳遞，并通過電容C12傳遞到變壓器的低壓一端，對地電容用C20表示。而對于零序電壓來說，當其到達勵磁變壓器低壓側(cè)一端時，會零序電壓剛開始差生之時存在一種關(guān)系，該關(guān)系可表示為：

UL0就是這種零序電壓到達變壓器低壓側(cè)之后的具體數(shù)值。在以往勵磁變壓器設(shè)計中，會在各個高低壓線圈中安裝屏蔽網(wǎng)，避免變壓機在工作過程中受到系統(tǒng)靜電影響。另外，將屏蔽網(wǎng)安裝在低壓線圈之外，從而引出接地裝置。通過這種方式，增加了C20，減小了C12，而且使得C12幾乎接近于零，這樣，根據(jù)上述公式分析可以得出，UL0的數(shù)值也會接近與零。

3. 二次回路中防范地過電壓的有效措施

在工作過程中，一旦出現(xiàn)電感回路被切斷時，就會差生較強的干擾電壓，根據(jù)上述分析，可以確定一下防范措施：

3.1 在線圈兩端并聯(lián)非線性電阻

對于這種非線性電阻來說，二極管最合適不過。為了有效防止在工作過程中地過電壓的出現(xiàn)，經(jīng)常在線圈兩端并聯(lián)一個非線性電阻，如果回路中的電感電流被切斷，反電勢會大大增加，由于二極管自身特點，這種反電勢會通過二極管，并且出現(xiàn)短路現(xiàn)象，讓線圈中的電流得到有效衰減，一般來說這種衰減呈指數(shù)規(guī)律。同樣的道理，在二極管兩端出現(xiàn)的降壓情況，會遠遠小于電源的電壓值，所以也不會在回路中產(chǎn)生振蕩電壓，但是這種現(xiàn)象只適用于直流發(fā)電機。

3.2 在線線圈兩頓并聯(lián)阻容支路

對于這種方式來說，通過并聯(lián)阻容支路，改變回路中整個電阻的數(shù)值，使電阻達到臨界數(shù)值，可以有效保證感應(yīng)線圈中電流一旦突然被切斷，不會在感應(yīng)線圈周圍產(chǎn)生振蕩電流。另外，由于各個支路具有相同的時間常數(shù)，不斷電路中的電流在單位時間內(nèi)受到怎樣的影響，在兩只回路中流過的電流總量大小相同，方向相反。因此，對于這種接線方式來說，可以有效緩解回路中地過電壓的產(chǎn)生，同時也實現(xiàn)了在負載被切斷時，開關(guān)這種不會產(chǎn)生電弧。

3.3 在電纜外側(cè)加裝金屬屏蔽層

如果二次回路距離電纜較近時，由于電纜具有較高電壓，通過二次回路連接，容易出現(xiàn)電纜中的電容互相傳遞，為了減少這種傳遞，人們在電纜外側(cè)加裝金屬屏蔽層，并將屏蔽層兩端進行接地，有效保證電壓磁力在屏蔽層附近集中，使其不會進入電纜內(nèi)部，有效避免了過電壓的專遞。

4. 二次回路中電纜絕緣的選擇

根據(jù)上述研究可知，在勵磁變壓器設(shè)計過程中將耦合電容保持到最小數(shù)值，并且增加了對地電容，同時，在考慮到實際工作中勵磁繞組也會產(chǎn)生較大的對地電容量，所以在設(shè)計過程中，UL0的數(shù)值盡量保持在0.1%UH0。在高壓側(cè)中，由于加裝了避雷設(shè)備等，實現(xiàn)了對過電壓的有效抑制，UH0也不會特別高，從對比中可以看出，UL0的影響完全可以忽略不計。

以700MW的水電機組為例，按照圖1中的接線方式，根據(jù)規(guī)格可以得知，發(fā)電機勵磁額定電壓為456V。在二次回路設(shè)計過程中，轉(zhuǎn)子接地保護以及A點所在的線路保護絕緣按照2kV來進行設(shè)計，通過上述分析數(shù)據(jù)可知，如果單獨從勵磁系統(tǒng)轉(zhuǎn)子繞組的正負兩端引入5kV設(shè)計效果會更好。在經(jīng)過分壓器進行分壓之后，保護裝置中的電纜要按照3.5kV來設(shè)計。對于這種設(shè)置要求來說，由于高壓電纜在鋪設(shè)過程中距離較長，工作量較大，而且造價昂貴，不論是5kV還是3.5kV，實際建設(shè)起來較為困難，所以說，這種電纜絕緣方法的使用不利于轉(zhuǎn)子接地保護及二次回路對地過電壓的研究，也為電纜長期安全運行增加了巨大隱患。

5. 總結(jié)

綜上所述，在勵磁回路中如果出現(xiàn)了過電壓，而且在正負兩端出現(xiàn)接地故障時，就會造成二次回路中產(chǎn)生較大的過電壓，從而影響回路正常運轉(zhuǎn)。在實際工作中，過電壓和接地故障同時發(fā)生的概率較小，但因為其威脅能力較強，不得不對其提高警惕和重視。根據(jù)上述研究結(jié)果，二次回路中的電纜耐壓程度不同，直接影響了轉(zhuǎn)子繞組的連接情況，因此，在轉(zhuǎn)子接地保護中，應(yīng)該采用獨立注入方式，并且要在勵磁屏蔽柜中安裝相應(yīng)保護裝置，從而使縮短二次回路中的電纜安裝距離，實現(xiàn)成本降低的同時，提高了回路的安全性和可靠性。

＊ [1]霍新霞,許廣義.淺議變電站PT二次回路中性點安裝過電壓保護的重要性[J].電子測試,2016,(01)：80—81.

＊ [2]李謙.電壓互感器二次回路中性點安裝過電壓保護的必要性研究—接地短路故障和雷擊時地網(wǎng)電位分布的計算分析[J].廣東電力,2016,(03)：1—5.

＊ [3]李謙.電壓互感器二次回路中性點安裝過電壓保護的必要性研究—二次回路中性點雷電傳遞過電壓的試驗和計算分析[J].廣東電力,2015,(02)：6—10+48.