浅谈发电机转子接地保护

王亮

【摘 要】本文主要讨论了发电机转子接地故障的现象，以及采用乒乓式和电桥式原理构成的转子接地保护的原理及应用。

【关键词】转子；接地；电桥式；乒乓式

0.引言

发电机正常运行时，转子回路对地之间有一定的绝缘电阻和分布电容，它们的大小与发电机转子的结构、冷却方式等因素有关。当转子绝缘损坏时，就可能引起转子接地故障，常见的是一点接地故障，如不及时处理，还可能接着发生两点接地故障。转子回路的一点接地故障，由于构不成电流通路，对发电机不会构成直接的危害，对转子回路一点接地故障的危害，主要是担心再发生第二点接地故障，因为在一点接地故障后，转子回路对地电压将有所提高，就有可能再发生第二个接地故障点。发电机转子回路发生两点接地故障的危害表现为：

（1）转子绕组的一部分被短路，另一部分的电流增加，这就破坏了发电机气隙磁场的对称性，引起发电机的剧烈振动，同时无功出力降低。

（2）转子电流通过转子本体，如果转子电流比较大（通常以1500A为界限），就可能烧损转子，有时还造成转子和汽轮机叶片等部件被磁化。

（3）由于转子本体局部通过转子电流，引起局部发热，使转子发生缓慢变形而形成偏心，进一步加剧振动。

1.转子接地保护基本工作原理

1.1直流电桥原理构成的转子接地保护

直流电桥原理构成的转子接地保护。可调电阻R接于励磁绕组的两端，当发现励磁绕组一点接地后，励磁绕组的直流电阻被分成r1和r2两部分，这时运行人员接通按钮SB，并调节电阻R，以改变r3和r4，使电桥平衡（r1/r2=r3/r4），此时毫伏表mv的指示最小（理论上为零）。然后断开SB而将连片XB接通，投入励磁绕组两点接地保护。这时由于电桥平衡，继电器K内因无电流或流有很小的不平衡电流而不动作。当励磁绕组再有一点（如K2点）接地时，已调整好的电桥平衡关系被破坏，继电器K内将有电流流过，其大小与K2点距K1点的距离有关。K2与K1间的距离越大，电桥越不平衡，继电器K中的电流越大，只要这个电流大于K的整定电流，它就动作，跳开发电机。在继电器K的线圈回路中接电感L的目的，是阻止交流电流分量对保护动作的影响。

按电桥原理构成的转子接地保护结构简单，但存在以下缺点：

（1）若第二点接地距第一点接地较近，两点接地保护不会动作，即有死区。

（2）若第一点接地发生在转子滑环附近，则不论第二个接地点在何处，保护都不会动作（因无法投保护）。

（3）对于具有直流励磁机的发电机，如第一个接地点发生在励磁机励磁回路时，保护也不能使用。因为当调节磁场变阻器时，会破坏电桥的平衡，使保护误动作。

（4）本保护装置只能转子一点接地后投入，如果第二点接地发生的很快，保护来不及投入。

1.2乒乓式原理构成的发电机转子接地保护

乒乓式发电机转子一点接地保护动作原理分析，S1、S2是两个电子开关，由时钟脉冲控制它们的状态为：S1闭合时S2打开，S1打开时S2闭合，两者像打乒乓球一样循环交替的闭合又打开，因此称之为乒乓式转子一点接地保护。

设发电机转子绕组的K点经Rjd电阻一点接地，UL为励磁电压，U1为转子正极与K点之间的电压，U2为K点与转子负极之间的电压。S1闭合S2打开时，直流稳态电流为

I1=U1/R0+RE （1-1）

S2闭合S1打开时，直流稳态电流为：

I2=U2/R0+RE （1-2）

电导

G1=I1/UL=K1/ R0+RE （1-3）

G2=I2/UL=K2/ R0+RE （1-4）

系数 K1=U1/UL；K2=U2/UL

上面各式中，I1、U1、UL、G1、K1为第一个采样时刻（S1闭合S2打开）的值，I2、U2、UL、G2、K2为第二个采样时刻（S2闭合S1打开）的值。系数K1或K2之值正比于接地点K与转子正极或负极之间的绕组匝数，而不管UL是否变化。由于第一个采样时刻与第二个采样时刻是同一个接地点K，K点的位置未变，所以

K1+K2=1 （1-5）

G1+G2=1/ R0+RE （1-6）

式中R0—保护装置中的固定电阻（降压电阻），为常数。

Re—接地电阻，是跟随发电机励磁回路对地绝缘水平变化的。

设

Gset=1/RO+RSET （1-7）

Gset=1/RO+RSET （1-8）

式中Rset——保护第一段的整定电阻。

Gset——保护第一段的整定电导。

Rset”——保护第二段的整定电阻。

G set”——保护第二段的整定电导。

因为Rset>Rset”，所以又称第一段为高定值段，第二段为低定值段。根据式（1-6）、式（1-7）、式（1-8），设计该保护的动作判据为：

当Re≤Rset，即当G1+G2≥Gset时，保护的高定值段动作。

当Re≤Rset”，即当G1+G2≥G set”时，保护的低定值段动作。

2.转子接地保护的应用

2.1乒乓式原理构成的转子接地保护在许继WFB—800微机型发变组保护中的应用

2.1.1一点接地保护

保护原理：采用乒乓式切换原理，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置，并记忆，为判断转子两点接地作准备。为防止保护误动及溢出，特设启动判据：机端电压E>30V。当Re小于或等于接地电阻整定值时，经延时发转子一点接地信号或作用于跳闸。

定值整定：接地电阻整定值取决于正常运行时转子回路的绝缘水平。接地电阻高定值可整定为10kΩ及以上，延时4—10s动作于发信；低定值可整定为10kΩ以下，延时1s—4s动作于跳闸。

2.1.2两点接地保护

保护原理：一点接地保护原理同前所述，但在这里的一点接地电阻定值只有一段，通过延时发信。在一点接地故障后，保护装置继续测量接地电阻和接地位置，此后若再发生转子另一点接地故障，则已测得K值变化，当其变化值△K超过整定值时，保护装置就确认为已发生转子两点接地故障，发电机被立即跳闸。保护判据为：

△K﹥Kset Kset为转子两点接地位置变化整定值

定值整定：接地位置变化动作值一般可整定为5—10%；动作时限按躲过瞬时出现的两点接地故障整定，一般为0.5—1s。

2.2新型原理构成的转子接地保护在南自DGT—801微机型发变组保护中的应用

2.2.1一点接地保护

保护原理：采用新型的叠加直流方法，叠加源电压为50V，内阻大于50kΩ。利用微机智能化测量克服了传统保护中绕组正负极灵敏度不均匀的缺点，能准确计算出转子对地的绝缘电阻值，范围可达200 kΩ。转子分布电容对测量无影响，电机启动过程中转子无电压时保护并不失去作用。保护引入转子负极与大轴接地线。

定值整定：Rg为接地故障发信定值（整定范围1Ω—100kΩ）；Tyd为保护动作延时（整定范围1s—10s）。

2.2.2两点接地保护

保护原理：反映定子电压中二次谐波“负序”分量，此分量是由转子绕组不对称匝间短路时含二次谐波的磁场以同步转速正向旋转而在定子绕组中生成。保护受一点接地保护闭锁，发生一点接地时保护自动投入。保护引入机端三相电压。

定值整定：Uld为二次谐波电压动作值（整定范围0—10V）：Uld=Kk×Ubpn，Ubpn为额定负荷下二次谐波电压实测值，Kk为可靠系数，可取2.5—3；Tld为保护动作延时（整定范围0.1s—2s），为增加可靠性而设。

3.结束语

随着微机型发变组保护的日趋普及，发电机转子保护的灵敏性及可靠性也在不断提高，我想对汽轮发电机转子接地保护所需采样输入信号，即转子+、转子—、发电机大轴电位的引接谈谈我的体会。转子电压一般取自灭磁开关柜中整流输出至发电机励磁绕组的直流电压，这里需要指出的是：一般为了不使发电机轴端油膜有压降。将大轴汽端通过电刷可靠接地，此时转子接地保护大轴电位应取自发电机励端接地电刷，这一点在调试现场易被忽视。