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1、发电机转子接地保护原理综述发电机转子绝缘损坏时引起的励磁回路接地故障是常见的故障，据统计，1999 年全国 100MW 及以上发电机发生转子接地故障九次，占发电机本体故障的 30，可见转子接地保护对于保护发电机本体遭受更大的损害有非常重要的意义。在研制保护装置之前，首先要了解发电机转子接地保护原理。发电机转子接地保护分为一点接地保护和两点接地保护两种。本文主要分析了各种保护的基本原理，它们的优缺点以及改进。一、转子一点接地保护发电机转子一点接地保护方法主要有电桥法，叠加直流电压法，叠加交流电压法（主要是导纳法） ，乒乓法。下面分别介绍他们的工作原理及优缺点。（一） 电桥法 yRfR2R1JFL
2、QJ()a ()b1RRFLQf 2R图 11 电桥式一点接地保护原理图(a)正常情况下；（b）经过渡电阻一点接地利用电桥原理构成的一点接地保护，其原理图如图 11 所示。(a),(b)分别是正常情况和一点接地情况下的原理图。集中电阻 表yR示绕组对地绝缘分布电阻。励磁绕组 LE 的电阻构成构成电桥的两个臂，外接电阻 R1 和 R2 构成另外两个臂。正常情况下，调节电阻R1 和 R2，使流过继电器 J 的不平衡电流最小，使继电器的动作电流大于这一不平衡电流。当一点经过渡电阻接地后，电桥失去平衡，此时继电器的动作。电流的大小决定于 k 点的位置以及过渡电阻 Rf的大小。当电流大于继电器 J 的动
3、作电流时，继电器动作。当励磁绕组的正端或负端发生接地故障时，这种保护装置的灵敏度很高，然而，当故障点位于励磁绕组中点附近时，即使是金属性接地，保护装置也不能动作。这是电桥法的根本缺陷。为了消除这一缺陷，在电桥的 臂中串接一只非线性电阻 。1RfR非线性电阻 ，其中 是常数，当电压 升高，电流 i 非线性0fRui0u地增加，电阻 下降;反之，则 上升。因此，串接这个非线性电f f阻后，电桥的平衡条件会随着励磁电压的改变而变化。在某一电压下的死区，在另一电压下变为动作区，从而减小了拒动的几率。非线性电阻 的存在，同时也打破了正常运行条件下的平衡条件，因fR而保护装置的动作电流整定值也要稍有提高。
4、为了彻底消除励磁回路一点接地保护的死区，国产 JZJ21 性保护装置利用了发电机正常运行时在励磁回路具有小量的交流分量电流，这是由于发电机实际存在的转子偏心和磁路不对称所造成的。由经验可知：励磁绕组中点接地故障时，电桥对角线上的直流电流确实很小，但是仍有一定的交流电流通过，正确地利用这个电流，就可以使励磁回路一点接地保护没有死区。这种装置只需要把图中的普通继电器 J 改为将对角线上的交流电流先经过整流滤波，而后接入继电器的整流型继电器，这样上述交流分量也作为继电器的动作量，消除了死区。综上所述，普通电桥法在励磁绕组中点故障时有死区，在电桥的一臂串接一只非线性电阻的方法减少了拒动的概率，利用交流
5、分量法可以完全消除死区，但是在不同的接地点发生故障时，灵敏度变换相当大，这一缺点没有得到改善。所以电桥法是需要改进才能投入工程实践的。（二）叠加直流电压一点接地法如图 1-2 所示将一直流电压 U。经一继电器 J 顺向加到励磁绕组的一端与地之间，构成迭加直流电压式一点接地保护。图 12 叠加直流电压法原理图设励磁电压为 ，励磁绕组对地绝缘电阻为 并集中于励磁绕组feUyRJyRFLQBZU:0U0IfeU12fd的中点。将外加电压 在励磁绕组中的压降略去不计，则可作出图 1-3(a)所示的正常情况下的等效电路。正常情况下流过继电器的电流为，（11）012fdkyUIR0UKyR0I2fd0UK
6、RyR0I2fdUf0UKyR0I2fdf2fd(a)正常情况下 （b）负端经过渡电阻接地时（c）正端经过渡电阻接地时图 13 叠加直流法等效电路图继电器 J 的动作电流整定值要大于 10。在励磁绕组上不同点接地时，流过继电器的电流相差很大，因而不同点接地时，灵敏度也有很大差别。图 1-3(b)为负端经过渡电阻 Rf 接地时图 1-2 的等效电路。由图可得到流过继电器的电流011()2yffdkkyfURI（12） 考虑到 ，式化简为如下的形式，ykR:0 01kfUIR（13）图 1 -3 (c) 为正端经过渡电阻 接地时图 1-2 的等效电路。由图可fR得到流过继电器的电流，（14）011
7、2()fyeyekkfRUIR同样，考虑到 ，式(1-4)可化简为如下的形式，y:（15）01ekyIR比较式(1-3)和式(1-5)，可以看到，在励磁绕组负端接地时，灵敏度最低;在励磁绕组正端接地时，灵敏度最高。所以，在实际设计中要使当负端接地时，保护装置的灵敏度要满足要求。叠加直流法一点接地适用于只有一个引出端正极或负极的励磁绕组的接地保护。当发电机励磁机端仅接有一只电刷，由转子绕组的正极或负极引出时，发电机接地保护的原理和转子测量电刷完全不匹配， 这时候有两种解决方案方案一：硬件改造，增加转子绕组的正极引线。优点是无需更改保护装置，变更保护原理；不需要从新研制新的软件。缺点是将转子励磁绕
8、组解体，从转子正极引线；必须由发电机制造厂家专业人员完成，改造费用昂贵，达一百万元以上；改造后需要对发电机的本体结构进行全面的预防试验。方案二：软件改造，修改转子接地保护原理。保持一次硬件回路不变，更改保护软件，采用叠加电源转子接地保护原理，测量转子回路对地的电阻，当测量值小于整定值时，转子一点接地保护动作发信号，无须确定接地位置，此时可手动投入两点接地保护，当发现两点接地时，定子二次谐波负序电压大于整定值时动作于跳闸。优点；弥补了电机结构上的缺陷，无须将电机解体引接线；改造费用低，一般在 620 万左右。缺点；需要变更原理设计；在国内外通过一极电刷测量电阻实现两点接地保护的原理不成熟，可靠性
9、不高，因此，只要发现一点接地，即可转移负荷，安排停机。有的文章指出，利用叠加电源法还可以实现在发电机停机或空转状态，仍然可以检测发电机转子绕组对地的绝缘。当然这只需要对原来的电路做一些修正即可。（三）叠加交流电压一点接地法如图 1-4 所示，将一交流电压经过一电流继电器 J 和一隔直藕合电容 C图 14 叠加交流电压一点接地保护原理图迭加到励磁绕组的一端与地之间，就构成了迭加交流电压式一点接地保护。继电器的动作电流要躲过正常情况下流过继电器的不平衡JyRFLQB(50)UHz0UICyZC电流。图中励磁绕组上某一点经过渡电阻 接地，流过继电器的fR电流大于整定值时，继电器动作。目前用迭加交流电
10、压构成的励磁回路一点接地保护主要有三种类型。1)第一类以加交流电压测量励磁绕组对地全电流方法构成一点接地保护装置，其动作判据为: , ，其中 。CLdZI,CLLdZdZIUI为迭加电作用下励磁绕组通过地的全电流; 为迭加电压后励磁CLI绕组对地的测量阻抗; 为整定阻抗。这种类型的保护广泛用于励dZ磁绕组仅有较小对地电容的中小型发电机组。2) 第二类以迭加交流电压测量励磁绕组对地导纳方法构成一点接地保护装置，其动作判据为: ，其中 . 为CLdZg1,CLdZdgRCLg励磁绕组对地的测量电导; 为励磁绕组对地电容的等效并联电阻; CLR为整定电导; 为整定电阻。dZgdZ3) 第三类以迭加交
11、流电压利用霍尔元件测量励磁绕组对地全电流中电阻分量构成一点接地保护装置，其动作判据为: ，其中CLRdZI。 为励磁绕组对地全电流中的电阻分量; 1,CLRdZRdZIUICLRI为整定有功电流。dZ最常见的是导纳型的继电器。导纳型的继电器，可以反映励磁回路任一点发生的接地故障，没有死区，灵敏度一致。此外，在的条件下，只要仔细调整，可以做到灵敏度不受接地电容 的0bx yC影响。但在实际中由于测量回路中存在电感电抗或者调整不精确或者接地碳刷与滑环间有接地电阻，因而受接地电容的影响，整定电阻的调整相当困难，这是它的缺点。所以在为了提高精度，必须注意一下几方面；50HZ 带通滤波器的调整由于主励磁
12、机采用可控硅控制整流的励磁回路，经谐波检测分析可知，含有 150HZ 和 300HZ 谐波分量，如果此分量进入测量回路，势必影响测量精度，需要精确调整 50HZ 带通滤波器以扼制 150HZ和 300HZ 谐波分量对测量数值地影响。南京自动化设备厂调试大纲中的方法忽略了转子线圈的电感量，实际试验电路应该考虑 数值，0L在模拟接入转子接入线圈的情况下进行 50HZ 的串联谐振调试。大轴间的接地电容值对装置精确度的影响实际上由于装置中各元件的性能不能以理想状态工作，所以其影响还是有的，特别是当接地电容达到一定值时尤明显，励磁系统接地电容随着发电机转子转速，发电机的容量以及励磁绕组的温度而有一定的改
13、变。南京自动化设备厂转子一点接地元件接入不同的模拟对地电容，动作值的影响分析可说明上述问题。试验表明，当接地电容大于 时，接地电阻的变化很大，亦即装置的测量误差很2F大。 的调整。,mnR由于励磁绕组，50HZ 带通滤波器和中间变压器原边绕组等的漏抗作用，等电导圆的圆心 将不在实轴 g 上，此时整定圆将不与等mg电导圆重合，这将影响继电器的动作测定值的精确度，必须精确调整 。发电机转子接地保护装置征订精度的影响因素,mnR但在实际运行中导纳型保护曾多次频繁误动，有时甚至无法投入运行。其原因主要有：继电器的 没有呈现纯阻 ，即有一定的感性或容性的电抗，使bZbR等电导圆直径不在 g 轴上，改进的
14、方法是在电路图中增设 支路。cZ整定值 太大。这种原理的继电器，当 较小时(例如 1，2，4ysetRysetR),动作区区分很清楚，但是当 时，动作区就模糊了，K8ysetK的区间还不及 的大，如果整定动作值为8yset24ysetR，很可能由于继电器动作界线不清，当 还不动20stR 15ysetRK作，或者 继电器已经动作，造成动作值的不确切，为此，5ysetK这种继电器的不能整定的太灵敏，一般应取 10yset轴电刷与轴滑环之间的接触电阻 对导纳继电器的影响。由经验xR可知（a） 越大， 对 的影响越大。yCxRCL（b）当 很小时， 的导纳型继电器不会误动。x 3,5yysetuFR
15、K当 时，保护装置测得的 将远小于转子绕组实际的对10xRCL地电阻 ，极有可能造成误动。因此，为防止误动，应力求降低该y接触电阻，使其在运行中的任何时刻都小于 50 欧姆。（四）乒乓式一点接地保护乒乓式励磁回路一点接地保护的设计思想是:切换电桥两臂电阻值的大小，使电桥没有一个固定的平衡点，因此保护就不会有死区。一点接地保护反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。图 (1 -5) 是一点接地保护测量电路原理图，R 为高阻桥臂电阻(如lO ) , 为过渡电阻。 为接地点距绕组负端匝数百分比(绕组接Kf 地位置)，E 为励磁线圈两端的电压。图 15 乒乓式一点接地保护原理图S1 和 S2 为电子开关。设 S1 闭合 S2 断开为状态 1, Sl 断开 S2 闭合为状态 2。开关在状态 1，2 下分别可以列回路方程如下:1211221()ffRIEVE（16）1221212()ffRIEIVE（17）由方程组(1-6), (1-7)可以得到过渡电阻和接地位置RE(1)E1S 2SRf1I2I2V1 121221221(4)()fVRRV（18） 计算出过渡电阻 就可以决定保护的动作行为。由(3-3)和(3-4)的fR式子都可以看到 与故障点位置 无关，灵敏度不随故障点位置改变。f 一点接地的动作判据为: f
