淺談發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

李明

摘 要：本文主要討論了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障的現(xiàn)象和危害，以及轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)子;接地;保護(hù)原理

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速很高，離心力極大，承受的電負(fù)荷又重，一次勵(lì)磁繞組絕緣容易破壞。繞組導(dǎo)線(xiàn)碰接鐵芯，就會(huì)造成轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路的一點(diǎn)接地是比較常見(jiàn)的故障，由于不會(huì)形成電流通路，所以對(duì)發(fā)電機(jī)無(wú)直接危害，因此發(fā)電機(jī)可繼續(xù)運(yùn)行。但發(fā)生一點(diǎn)接地以后，勵(lì)磁回路對(duì)地電壓會(huì)有所升高，例如當(dāng)負(fù)極接地，勵(lì)磁繞組正極對(duì)地電壓即增加到工作勵(lì)磁電壓值;正極接地，勵(lì)磁繞組負(fù)極對(duì)地電壓也增加到工作勵(lì)磁電壓值。因此當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生一點(diǎn)接地后，如發(fā)電機(jī)仍然繼續(xù)運(yùn)行，遇上勵(lì)磁繞組其他點(diǎn)絕緣水平降低時(shí)，就有可能發(fā)生轉(zhuǎn)子回路的第二點(diǎn)接地。勵(lì)磁回路兩點(diǎn)接地后構(gòu)成短路電流通路，可能燒壞轉(zhuǎn)子繞組和鐵芯。由于部分勵(lì)磁繞組被短接，破壞了氣隙磁場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性，引起機(jī)組振動(dòng)，特別是多機(jī)組振動(dòng)更嚴(yán)重。此外，轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地還可能使汽輪發(fā)電機(jī)組的軸系統(tǒng)和汽缸磁化。因此，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地以后，應(yīng)該對(duì)勵(lì)磁回路進(jìn)行認(rèn)真檢查.同時(shí)是否會(huì)有保護(hù)誤動(dòng)作：根據(jù)某些保護(hù)構(gòu)成原理，檢查是不是因?yàn)樘克⒔佑|不良所引起.此外，還可以倒換備用勵(lì)磁以找出接地范圍.如果一旦確認(rèn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地，應(yīng)該投入轉(zhuǎn)子2點(diǎn)接地保護(hù)，這時(shí)候，嚴(yán)禁在勵(lì)磁回路上工作，以防保護(hù)誤動(dòng)作。需要指出的是，在轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地的同時(shí)，若發(fā)電機(jī)出現(xiàn)振動(dòng)，則應(yīng)該立即解列停機(jī)。

一.轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)

1.絕緣檢測(cè)裝置

用一個(gè)電壓表定期測(cè)量勵(lì)磁回路正負(fù)極對(duì)地電壓，其接線(xiàn)如下圖所示。

圖中元件1為勵(lì)磁繞組，元件2為接地炭刷。勵(lì)磁繞組對(duì)地存在著絕緣電阻，設(shè)這些絕緣電阻對(duì)地均勻分布，如圖中的r1，r2，…，rn-1，rn。當(dāng)勵(lì)磁繞組絕緣良好時(shí)，所測(cè)得的正極對(duì)地電壓和于負(fù)極對(duì)地電壓。如果正極接地，則負(fù)極對(duì)地電壓為工作勵(lì)磁電壓;如果負(fù)極接地，則正極對(duì)地電壓為工作勵(lì)磁電壓。如果勵(lì)磁繞組其他點(diǎn)接地，一般情況下，正極對(duì)地電壓不等于負(fù)極電壓，而且所測(cè)得的電壓低于工作勵(lì)磁電壓。但是如果勵(lì)磁繞組中部接地，則所測(cè)得的正極對(duì)地電壓將等于負(fù)極對(duì)地電壓，且為工作勵(lì)磁電壓的一半。利用圖中的切換開(kāi)關(guān)S和電壓表PV可以進(jìn)行上述各種測(cè)量。

2.疊加交流電壓式一點(diǎn)接地保護(hù)

疊加交流電壓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置的原理圖如下圖所示。

圖中CmE為勵(lì)磁繞組對(duì)地電容，RmE為勵(lì)磁繞組對(duì)地電阻。U∽為勵(lì)磁繞組整定交流分量。Ci為隔直電容，其作用是使勵(lì)磁電壓產(chǎn)生的直流電流不會(huì)流經(jīng)交流電源回路。K為繼電器，其阻抗為RK。UV為電壓變換器，主要起到隔離作用，將交流電源和轉(zhuǎn)子回路隔開(kāi)，并將交流電壓降低到保護(hù)裝置所需要的電壓。

正常運(yùn)行時(shí)，流過(guò)繼電器的電流為

當(dāng)勵(lì)磁繞組對(duì)地絕緣降低時(shí)，流過(guò)繼電器的電流將增大，達(dá)到保護(hù)整定值時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

這種保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是消耗功率小，沒(méi)有死區(qū)。缺點(diǎn)是流過(guò)繼電器的電流受勵(lì)磁繞組對(duì)地電容和勵(lì)磁電壓中交流分量的影響。

3.乒乓采樣式一點(diǎn)接地保護(hù)

乒乓式原理轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置的原理接線(xiàn)圖如下圖所示。

乒乓式原理轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)裝置內(nèi)部的電子開(kāi)關(guān)，在時(shí)序電路控制下周期性地導(dǎo)通、截止，即轉(zhuǎn)子的正負(fù)極人為地周期性接地來(lái)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子的對(duì)地絕緣狀況。保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)是通過(guò)乒乓式工作原理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

在下圖中，設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的d點(diǎn)經(jīng)接地電阻Rjd一點(diǎn)接地。UL為勵(lì)磁電壓，U1為轉(zhuǎn)子正極與d點(diǎn)之間的電壓，U2為d點(diǎn)與轉(zhuǎn)子負(fù)極之間的電壓，R0為保護(hù)裝置內(nèi)設(shè)電阻，S1與S2為兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)，由時(shí)鐘脈沖控制其狀態(tài)為S1閉合時(shí)，S2打開(kāi);S1打開(kāi)時(shí)， S2閉合（S1 、S2同時(shí)打開(kāi)），二者循環(huán)交替運(yùn)行。類(lèi)似推來(lái)?yè)跞サ钠古仪颉?/p>

S1閉合S2打開(kāi)時(shí)，直流穩(wěn)態(tài)電流、電導(dǎo)分別為

S2閉合S1打開(kāi)時(shí)，直流穩(wěn)態(tài)電流、電導(dǎo)分別為

由于第一個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻與第二個(gè)采樣點(diǎn)時(shí)刻是同一個(gè)接點(diǎn)地d。

上式表明，當(dāng)接地電阻越小，則測(cè)定電導(dǎo)G越大， 所以將上式作為轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)，當(dāng)RjdGzd（整定電導(dǎo)）時(shí)保護(hù)動(dòng)作。

二.轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)

1.電橋平衡式轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)

保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)是測(cè)量橋平衡是否被破壞，采樣電阻R上是否有激勵(lì)量輸出來(lái)判斷轉(zhuǎn)子接地故障。

轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)裝置.在發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)是不投入運(yùn)行的，即下圖中的開(kāi)關(guān)S不投，出口壓板解除。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)一點(diǎn)接地故障時(shí)，由轉(zhuǎn)子回路的一點(diǎn)接地保護(hù)裝置發(fā)出告警信號(hào)。運(yùn)行人員就地解除一點(diǎn)接地保護(hù)的出口壓板，兩點(diǎn)接地保護(hù)裝置投入運(yùn)行（即下圖中的S開(kāi)關(guān)投入），調(diào)節(jié)平衡器使電壓表的讀數(shù)為零，即下面等式成立：

K1/K2=R1/R2

然后投入出口壓板。

當(dāng)轉(zhuǎn)子出現(xiàn)兩點(diǎn)接地時(shí)，電橋失去平衡等式不成立，采樣電阻R有激勵(lì)量輸出，保護(hù)動(dòng)作。

另外：無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)與以往同軸三機(jī)靜態(tài)勵(lì)磁系統(tǒng)比較，由于勵(lì)磁電流經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流二極管引入發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子，因此沒(méi)有引入勵(lì)磁大電流的滑環(huán)。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，轉(zhuǎn)子繞組至少需要引出一端，采用外加電源原理，通常引出轉(zhuǎn)子繞組的負(fù)端，由于無(wú)刷勵(lì)磁系統(tǒng)的滑環(huán)容量較小，碳刷不宜長(zhǎng)期與發(fā)電機(jī)滑環(huán)緊密接觸，否則會(huì)出現(xiàn)碳刷磨損及滑環(huán)表面出現(xiàn)電腐蝕情況，不但縮短了滑環(huán)的使用壽命，也大大增加了運(yùn)行維護(hù)的工作量。正是鑒于以上考慮，DL400-91《繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置技術(shù)規(guī)程》中第2.2.11.3規(guī)定“對(duì)旋轉(zhuǎn)整流勵(lì)磁的發(fā)電機(jī)，宜裝設(shè)一點(diǎn)接地故障定期檢測(cè)裝置”。一般由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器控制定時(shí)啟動(dòng)舉刷裝置進(jìn)行接地檢測(cè)。對(duì)微機(jī)保護(hù)來(lái)講，如果無(wú)法引出轉(zhuǎn)子繞組的一端，將無(wú)法監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地故障?？梢杂眯D(zhuǎn)勵(lì)磁機(jī)交流中性點(diǎn)經(jīng)滑環(huán)引接出中性線(xiàn)N，N經(jīng)一個(gè)過(guò)電壓繼電器接地.過(guò)電壓繼電器可以選用CV-8等型號(hào).去微機(jī)保護(hù)，來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地。