無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)的探析

丁雪軍

【摘要】目前針對同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)方法與技術(shù)的研究多針對有刷同步發(fā)電機(jī)而言，較少涉及到針對無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)問題的研究。本文為彌補(bǔ)研究局限，嘗試對無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理進(jìn)行分析，并從單端注入方波電壓一點接地保護(hù)、疊加直流電壓一點接地保護(hù)兩個方面著手，就無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)手段與實現(xiàn)方式進(jìn)行了分析與探討，僅供參考與關(guān)注。

【關(guān)鍵詞】無刷勵磁同步發(fā)電機(jī);轉(zhuǎn)子;一點接地保護(hù)

現(xiàn)代電力工業(yè)中對同步發(fā)電機(jī)的應(yīng)用規(guī)模日益擴(kuò)大，電力系統(tǒng)生產(chǎn)中同步發(fā)電機(jī)所扮演作用是非常關(guān)鍵的，其運(yùn)行質(zhì)量直接對整個電力供應(yīng)系統(tǒng)的運(yùn)行性能產(chǎn)生影響。但受結(jié)構(gòu)以及安裝質(zhì)量等一系列因素的影響，同步發(fā)電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下轉(zhuǎn)子承受較大離心力作用，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子繞組頻頻出現(xiàn)絕緣故障，以繞組接地為最常見故障表現(xiàn)形式。

1 無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)概述

無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)主要構(gòu)成包括主發(fā)電機(jī)、旋轉(zhuǎn)整流器、交流勵磁機(jī)這幾個部分。主發(fā)電機(jī)為旋轉(zhuǎn)磁級同步發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)整流器為三相整流橋，交流勵磁機(jī)則為旋轉(zhuǎn)電樞同步發(fā)電機(jī)。無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)的基本運(yùn)行原理是：在原動機(jī)面向主發(fā)電機(jī)提供拖動作用力同時旋轉(zhuǎn)的過程當(dāng)中，交流勵磁機(jī)的轉(zhuǎn)子上電樞繞組對發(fā)電機(jī)剩磁進(jìn)行切割處理，此過程中基于自勵機(jī)制形成三相交流電，并在旋轉(zhuǎn)整流器的處理條件下將三相交流電經(jīng)整流形成直流電，在此基礎(chǔ)之上進(jìn)入主發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)達(dá)到勵磁目的。

2 單端注入方波電壓一點接地保護(hù)

下圖（如圖1）所示為無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)單端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的基本工作原理示意圖。采用單端注入方波電壓的一點接地保護(hù)模式在轉(zhuǎn)子負(fù)端與大地間增加一個方波電源壓，參考轉(zhuǎn)子繞組對地電容大小對注入電源所對應(yīng)切換頻率進(jìn)行動態(tài)調(diào)節(jié)，以滿足轉(zhuǎn)子一點接地電阻實時性求解需求。該一點接地保護(hù)反應(yīng)無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子對大軸絕緣電阻的下降。

圖1中，定義R為注入大功率電阻，Us為注入方波電源，Rm為測量回路電阻，Rg為轉(zhuǎn)子繞組相對于大軸的絕緣電阻水平，UL為無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)勵磁直流電壓。假定在α點出現(xiàn)一點接地故障，由于電氣量測量是在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下進(jìn)行，因此可以忽略接地電容水平對接地電阻的影響，將等效電路視作直流注入。

在無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)勵磁電壓保持恒定的情況下，方波電壓正半波周期內(nèi)，可形成如下關(guān)系式（1）：

在負(fù)半波條件下，方波除注入電壓極性發(fā)生變化以外，其他情況與正半波周期情況一致，因此可以得到如下關(guān)系式（2）：

在無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)勵磁電壓處于變化狀態(tài)的情況下（主要是因強(qiáng)勵磁、啟停機(jī)操作等因素影響），可以參考上式（1）對回路方程進(jìn)行編寫，參考方波電壓正半波、負(fù)半波周期的影響，可以得到如下式（3）所示關(guān)系：

結(jié)合上式（3），對于無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)而言，在勵磁電壓發(fā)生波動的情況下，已經(jīng)將勵磁電壓作用分量引入接地電阻計算公式當(dāng)中。實際情況下，注入式保護(hù)裝置沒有的針對勵磁電壓變化波動進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測的硬件電路配置，因而無法對勵磁電壓變化情況進(jìn)行動態(tài)反應(yīng)。勵磁電壓已發(fā)生變化的情況下，仍然按照傳統(tǒng)模式進(jìn)行計算，則導(dǎo)致計算結(jié)果存在一定誤差，具體誤差可以用如下式（4）所示方式表述：

3 疊加直流電壓一點接地保護(hù)

單純疊加直流電壓難以對接地電阻進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的計算。為彌補(bǔ)這一問題，可嘗試將切換采樣與疊加直流電壓相結(jié)合的方式，對一點接地保護(hù)進(jìn)行改進(jìn)，基于對疊加直流電壓的計算以及開關(guān)裝置切換形成回路方程，進(jìn)而使針對接地電阻的計算更為精確。

經(jīng)改進(jìn)后的疊加直流電壓一點接地保護(hù)基本原理如下圖（見圖3）所示。結(jié)合圖3，將大功率電阻定義為R，將采樣電阻定義為Rm，將接地點位置定義為α，將接地電阻定義為Rg。

4 結(jié)束語

在一點接地故障情況下，發(fā)電機(jī)仍然可持續(xù)投入運(yùn)行，但若繼續(xù)發(fā)生第二接地點故障，便會導(dǎo)致接地短路，影響同步發(fā)電機(jī)乃至整個電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。從這一角度上來說，必須通過配置轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)裝置的方式，可靠保護(hù)同步發(fā)電機(jī)運(yùn)行性能，預(yù)防第二接地故障點的發(fā)生。本文上述分析中嘗試就無刷勵磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)的關(guān)鍵技術(shù)手段與實現(xiàn)方式進(jìn)行了分析與探討，僅供參考與關(guān)注。

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