王亮

【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，以及采用乒乓式和電橋式原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的原理及應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】轉(zhuǎn)子；接地；電橋式；乒乓式

0.引言

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子回路對(duì)地之間有一定的絕緣電阻和分布電容，它們的大小與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)、冷卻方式等因素有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)子絕緣損壞時(shí)，就可能引起轉(zhuǎn)子接地故障，常見(jiàn)的是一點(diǎn)接地故障，如不及時(shí)處理，還可能接著發(fā)生兩點(diǎn)接地故障。轉(zhuǎn)子回路的一點(diǎn)接地故障，由于構(gòu)不成電流通路，對(duì)發(fā)電機(jī)不會(huì)構(gòu)成直接的危害，對(duì)轉(zhuǎn)子回路一點(diǎn)接地故障的危害，主要是擔(dān)心再發(fā)生第二點(diǎn)接地故障，因?yàn)樵谝稽c(diǎn)接地故障后，轉(zhuǎn)子回路對(duì)地電壓將有所提高，就有可能再發(fā)生第二個(gè)接地故障點(diǎn)。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路發(fā)生兩點(diǎn)接地故障的危害表現(xiàn)為：

（1）轉(zhuǎn)子繞組的一部分被短路，另一部分的電流增加，這就破壞了發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的對(duì)稱性，引起發(fā)電機(jī)的劇烈振動(dòng)，同時(shí)無(wú)功出力降低。

（2）轉(zhuǎn)子電流通過(guò)轉(zhuǎn)子本體，如果轉(zhuǎn)子電流比較大（通常以1500A為界限），就可能燒損轉(zhuǎn)子，有時(shí)還造成轉(zhuǎn)子和汽輪機(jī)葉片等部件被磁化。

（3）由于轉(zhuǎn)子本體局部通過(guò)轉(zhuǎn)子電流，引起局部發(fā)熱，使轉(zhuǎn)子發(fā)生緩慢變形而形成偏心，進(jìn)一步加劇振動(dòng)。

1.轉(zhuǎn)子接地保護(hù)基本工作原理

1.1直流電橋原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

直流電橋原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。可調(diào)電阻R接于勵(lì)磁繞組的兩端，當(dāng)發(fā)現(xiàn)勵(lì)磁繞組一點(diǎn)接地后，勵(lì)磁繞組的直流電阻被分成r1和r2兩部分，這時(shí)運(yùn)行人員接通按鈕SB，并調(diào)節(jié)電阻R，以改變r(jià)3和r4，使電橋平衡（r1/r2=r3/r4），此時(shí)毫伏表mv的指示最?。ɡ碚撋蠟榱悖?。然后斷開(kāi)SB而將連片XB接通，投入勵(lì)磁繞組兩點(diǎn)接地保護(hù)。這時(shí)由于電橋平衡，繼電器K內(nèi)因無(wú)電流或流有很小的不平衡電流而不動(dòng)作。當(dāng)勵(lì)磁繞組再有一點(diǎn)（如K2點(diǎn)）接地時(shí)，已調(diào)整好的電橋平衡關(guān)系被破壞，繼電器K內(nèi)將有電流流過(guò)，其大小與K2點(diǎn)距K1點(diǎn)的距離有關(guān)。K2與K1間的距離越大，電橋越不平衡，繼電器K中的電流越大，只要這個(gè)電流大于K的整定電流，它就動(dòng)作，跳開(kāi)發(fā)電機(jī)。在繼電器K的線圈回路中接電感L的目的，是阻止交流電流分量對(duì)保護(hù)動(dòng)作的影響。

按電橋原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但存在以下缺點(diǎn)：

（1）若第二點(diǎn)接地距第一點(diǎn)接地較近，兩點(diǎn)接地保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，即有死區(qū)。

（2）若第一點(diǎn)接地發(fā)生在轉(zhuǎn)子滑環(huán)附近，則不論第二個(gè)接地點(diǎn)在何處，保護(hù)都不會(huì)動(dòng)作（因無(wú)法投保護(hù)）。

（3）對(duì)于具有直流勵(lì)磁機(jī)的發(fā)電機(jī)，如第一個(gè)接地點(diǎn)發(fā)生在勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁回路時(shí)，保護(hù)也不能使用。因?yàn)楫?dāng)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)變阻器時(shí)，會(huì)破壞電橋的平衡，使保護(hù)誤動(dòng)作。

（4）本保護(hù)裝置只能轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地后投入，如果第二點(diǎn)接地發(fā)生的很快，保護(hù)來(lái)不及投入。

1.2乒乓式原理構(gòu)成的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

乒乓式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)動(dòng)作原理分析，S1、S2是兩個(gè)電子開(kāi)關(guān)，由時(shí)鐘脈沖控制它們的狀態(tài)為：S1閉合時(shí)S2打開(kāi)，S1打開(kāi)時(shí)S2閉合，兩者像打乒乓球一樣循環(huán)交替的閉合又打開(kāi)，因此稱之為乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。

設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的K點(diǎn)經(jīng)Rjd電阻一點(diǎn)接地，UL為勵(lì)磁電壓，U1為轉(zhuǎn)子正極與K點(diǎn)之間的電壓，U2為K點(diǎn)與轉(zhuǎn)子負(fù)極之間的電壓。S1閉合S2打開(kāi)時(shí)，直流穩(wěn)態(tài)電流為

I1=U1/R0+RE （1-1）

S2閉合S1打開(kāi)時(shí)，直流穩(wěn)態(tài)電流為：

I2=U2/R0+RE （1-2）

電導(dǎo)

G1=I1/UL=K1/ R0+RE （1-3）

G2=I2/UL=K2/ R0+RE （1-4）

系數(shù) K1=U1/UL；K2=U2/UL

上面各式中，I1、U1、UL、G1、K1為第一個(gè)采樣時(shí)刻（S1閉合S2打開(kāi)）的值，I2、U2、UL、G2、K2為第二個(gè)采樣時(shí)刻（S2閉合S1打開(kāi)）的值。系數(shù)K1或K2之值正比于接地點(diǎn)K與轉(zhuǎn)子正極或負(fù)極之間的繞組匝數(shù)，而不管UL是否變化。由于第一個(gè)采樣時(shí)刻與第二個(gè)采樣時(shí)刻是同一個(gè)接地點(diǎn)K，K點(diǎn)的位置未變，所以

K1+K2=1 （1-5）

G1+G2=1/ R0+RE （1-6）

式中R0—保護(hù)裝置中的固定電阻（降壓電阻），為常數(shù)。

Re—接地電阻，是跟隨發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路對(duì)地絕緣水平變化的。

設(shè)

Gset=1/RO+RSET （1-7）

Gset=1/RO+RSET （1-8）

式中Rset——保護(hù)第一段的整定電阻。

Gset——保護(hù)第一段的整定電導(dǎo)。

Rset”——保護(hù)第二段的整定電阻。

G set”——保護(hù)第二段的整定電導(dǎo)。

因?yàn)镽set>Rset”，所以又稱第一段為高定值段，第二段為低定值段。根據(jù)式（1-6）、式（1-7）、式（1-8），設(shè)計(jì)該保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為：

當(dāng)Re≤Rset，即當(dāng)G1+G2≥Gset時(shí)，保護(hù)的高定值段動(dòng)作。

當(dāng)Re≤Rset”，即當(dāng)G1+G2≥G set”時(shí)，保護(hù)的低定值段動(dòng)作。

2.轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的應(yīng)用

2.1乒乓式原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在許繼WFB—800微機(jī)型發(fā)變組保護(hù)中的應(yīng)用

2.1.1一點(diǎn)接地保護(hù)

保護(hù)原理：采用乒乓式切換原理，通過(guò)求解兩個(gè)不同的接地回路方程，實(shí)時(shí)計(jì)算轉(zhuǎn)子接地電阻和接地位置，并記憶，為判斷轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地作準(zhǔn)備。為防止保護(hù)誤動(dòng)及溢出，特設(shè)啟動(dòng)判據(jù)：機(jī)端電壓E>30V。當(dāng)Re小于或等于接地電阻整定值時(shí)，經(jīng)延時(shí)發(fā)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地信號(hào)或作用于跳閘。

定值整定：接地電阻整定值取決于正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子回路的絕緣水平。接地電阻高定值可整定為10kΩ及以上，延時(shí)4—10s動(dòng)作于發(fā)信；低定值可整定為10kΩ以下，延時(shí)1s—4s動(dòng)作于跳閘。

2.1.2兩點(diǎn)接地保護(hù)

保護(hù)原理：一點(diǎn)接地保護(hù)原理同前所述，但在這里的一點(diǎn)接地電阻定值只有一段，通過(guò)延時(shí)發(fā)信。在一點(diǎn)接地故障后，保護(hù)裝置繼續(xù)測(cè)量接地電阻和接地位置，此后若再發(fā)生轉(zhuǎn)子另一點(diǎn)接地故障，則已測(cè)得K值變化，當(dāng)其變化值△K超過(guò)整定值時(shí)，保護(hù)裝置就確認(rèn)為已發(fā)生轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障，發(fā)電機(jī)被立即跳閘。保護(hù)判據(jù)為：

△K﹥Kset Kset為轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地位置變化整定值

定值整定：接地位置變化動(dòng)作值一般可整定為5—10%；動(dòng)作時(shí)限按躲過(guò)瞬時(shí)出現(xiàn)的兩點(diǎn)接地故障整定，一般為0.5—1s。

2.2新型原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)在南自DGT—801微機(jī)型發(fā)變組保護(hù)中的應(yīng)用

2.2.1一點(diǎn)接地保護(hù)

保護(hù)原理：采用新型的疊加直流方法，疊加源電壓為50V，內(nèi)阻大于50kΩ。利用微機(jī)智能化測(cè)量克服了傳統(tǒng)保護(hù)中繞組正負(fù)極靈敏度不均勻的缺點(diǎn)，能準(zhǔn)確計(jì)算出轉(zhuǎn)子對(duì)地的絕緣電阻值，范圍可達(dá)200 kΩ。轉(zhuǎn)子分布電容對(duì)測(cè)量無(wú)影響，電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子無(wú)電壓時(shí)保護(hù)并不失去作用。保護(hù)引入轉(zhuǎn)子負(fù)極與大軸接地線。

定值整定：Rg為接地故障發(fā)信定值（整定范圍1Ω—100kΩ）；Tyd為保護(hù)動(dòng)作延時(shí)（整定范圍1s—10s）。

2.2.2兩點(diǎn)接地保護(hù)

保護(hù)原理：反映定子電壓中二次諧波“負(fù)序”分量，此分量是由轉(zhuǎn)子繞組不對(duì)稱匝間短路時(shí)含二次諧波的磁場(chǎng)以同步轉(zhuǎn)速正向旋轉(zhuǎn)而在定子繞組中生成。保護(hù)受一點(diǎn)接地保護(hù)閉鎖，發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)保護(hù)自動(dòng)投入。保護(hù)引入機(jī)端三相電壓。

定值整定：Uld為二次諧波電壓動(dòng)作值（整定范圍0—10V）：Uld=Kk×Ubpn，Ubpn為額定負(fù)荷下二次諧波電壓實(shí)測(cè)值，Kk為可靠系數(shù)，可取2.5—3；Tld為保護(hù)動(dòng)作延時(shí)（整定范圍0.1s—2s），為增加可靠性而設(shè)。

3.結(jié)束語(yǔ)

隨著微機(jī)型發(fā)變組保護(hù)的日趨普及，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子保護(hù)的靈敏性及可靠性也在不斷提高，我想對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)所需采樣輸入信號(hào)，即轉(zhuǎn)子+、轉(zhuǎn)子—、發(fā)電機(jī)大軸電位的引接談?wù)勎业捏w會(huì)。轉(zhuǎn)子電壓一般取自滅磁開(kāi)關(guān)柜中整流輸出至發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組的直流電壓，這里需要指出的是：一般為了不使發(fā)電機(jī)軸端油膜有壓降。將大軸汽端通過(guò)電刷可靠接地，此時(shí)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)大軸電位應(yīng)取自發(fā)電機(jī)勵(lì)端接地電刷，這一點(diǎn)在調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)易被忽視。