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新闻主题	发电机励磁回路一点和两点接地保护

 

发电机励磁回路（包括转子绕组）绝缘破坏会引起转子绕组匝间短路和励磁回路一点接地故障以及两点接地故障。发电机励磁回路一点接地故障很常见，而两点接地故障也时有发生。励磁回路一点接地故障对发电机不会造成危害，如果发生两点接地故障，则将严重威胁发电机的安全。当发电机励磁回路发生两点接地故障时，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短接，励磁电流增加，可能因过热而烧伤励磁绕组；同时，部分绕组被短接后，使得气隙磁通失去平衡，从而引起转子振动，特别是多极发电机会引起严重的振动，甚至会造成灾难性的后果。此外，柴油发电机励磁回路两点接地，还可能使轴系和柴油机磁化。因此，应该避免励磁回路的两点接地故障。

 

过去，柴油发电机都装设一点接地保护，动作于信号，不装设两点接地保护。中小型柴油发电机只装设可供定期检测用的绝缘检查电压表和正常不投入运行的两点接地保护，不装设一点接地保护。当用绝缘检查电压表检出一点接地故障后，再把两点接地保护装置投入。两点接地保护动作后，经延时停机。现在，大型柴油发电机均装设一点接地保护，一般一点接地保护动作于信号，装设两点接地保护动作于跳闸；也有采用一点接地保护动作于停机的。最常用的转子接地保护有切换采样式一点接地保护和定子二次谐波电压两点接地保护。

 

一、切换采样式发电机励磁回路一点接地保护

 

切换采样式转子一点接地保护是利用轮流对不同采样点分别进行独立采样测量的原理构成的，微机型转子一点接地保护切换采样原理如图1所示。图中，S1、S2是两个由微机控制的电子开关，保护工作时按一定的时钟脉冲频率轮流开合，即S1闭合时，S2断开；S1断开时，S2闭合。二者交替开、合，如同打乒乓球，故该保护简称为乒乓式转子一点接地保护。

 

图1 转子一点接地保护切换采样原理图

 

设发电机转子绕组在k点经过渡电阻R_t接地，负极至接地点k的绕组匝数与总匝数的比值为α。U_fd为励磁电压，则转子负极与k点之间的励磁电压为αU_fd，k点与转子正极之间的电压为（1-α）U_fd。保护装置中的四个分压电阻的电阻值均为R。R₁为测量电阻，保护装置通过测量不同状态R₁两端的电压可计算出接地电阻R_t的大小和α值。

在第一采样时刻（S1闭合，S2断开），保护测量并读取R1两端的电压U1和励磁电压U_fd1，由采样等值电路可知

 

 

在第二采样时刻（S1断开，S2闭合），保护测量并读取R1两端的电压U2和励磁电压U_fd2，且有

 

 

 

考虑到因励磁电压的波动可能使两次采样时刻测量的励磁电压不等，为消除由此引起的计算误差，计算中引入系数K＝U_fd1/U_fd2。令ΔU＝U₁-KU₂，并将式（2-43）、式（2-44）代入得

 

 

由式（2-45）解得

 

 

将式（2-45）代入式（2-43）整理得

 

 

保护装置按式（2-46）、式（2-47）计算出R_t和α，将R_t与整定值比较来判断转子绕组的接地程度。

转子一点接地保护的程序逻辑框图如图2所示。此保护由两段组成，高定值I段和低定值II段。

 

图2 转子一点接地保护的程序逻辑框图

 

（1）I段的动作判据为

R_t<R_set.h...........................................  (2-48)

式中 R_set．h——高接地电阻整定值，一般R_set．H≥10kΩ。

高定值段延时动作发信号，动作时限t₁＝4～10s。

（2）II段的动作判据为

R_t<R_set.1........................................... (2-49)

式中 R_set.1——低接地电阻整定值，一般R_set.1＜10kΩ。

低定值段延时动作发信号，动作时限t₁＝1～4s。

为防止励磁电压下降及计算溢出引起保护误动作，装置设置了启动元件，动作判据为

U_fd>50V........................................... (2-50)

保护装置将实时计算出的R_t和α值记忆储存，并在单元管理机上实时显示出来，供值班人员掌握发电机转子绝缘状况和一点接地位置。同时还将α值提供给转子两点接地保护，方便地实现转子两点接地故障的识别。

切换采样原理构成的转子绕组一点接地保护具有灵敏度高、误差小、动作无死区的特点，且其动作特性不受励磁电压波动及转子绕组对地电容的影响，灵敏度不因故障点位置的变化而变化；同时在启、停机时也能够实施保护，并且原理简单、调试方便、易于实现。目前，国产大型机组的微机型发变组保护广泛采用这一算法。

 

二、反应发电机定子电压二次谐波分量的励磁回路两点接地保护

 

这种发电机转子两点接地及匝间短路保护基于反应发电机定子电压二次谐波分量的原理。当发电机转子绕组两点接地或匝间短路故障时，气隙磁通分布的对称性遭到破坏，出现偶次谐波，发电机定子绕组每相感应电动势也就出现了偶次谐波分量。因此利用定子电压的二次谐波分量，就可以实现转子两点接地及匝间短路保护。

 

通过分析可以发现，转子侧发生两点接地或匝间短路故障在定子侧形成的二次谐波电压的相序和发电机外部不对称短路产生的负序电流所形成的定子二次谐波电压相序相反。利用此特征可以实现灵敏度更高的转子两点接地保护。二次谐波电压转子两点接地保护的程序逻辑框图如图3所示。

 

保护从发电机机端电压互感器取三相电压，由软件滤取二次谐波电压分量，将其与整定值比较来判别转子两点接地故障。保护的动作判据为

U_2ω>U_{set ...........................................} (2-51)

动作电压按躲过额定运行情况下机端二次谐波电压值整定，即

U_set=K_relU_2ω unb.N...........................................  (2-52)

式中 K_rel——可靠系数，一般取2.5～3；

U_2ω unb.N——发电机额定负荷时，机端二次谐波电压实测值。

为防止误动作，保护受转子一点接地保护闭锁，当转子绕组发生一点接地后，自动将转子两点接地保护投入工作。

保护经一定延时后动作于跳闸，以躲过外部短路暂态过程的影响和瞬时转子绕组两点接地短路，延时时间t一般取0.5～1.0s。

 

图3 二次谐波电压转子两点接地保护的程序逻辑框图

 

三、反应接地位置变化的转子绕组两点接地保护

 

发电机转子绕组出现一点接地后，当另一点又发生接地时，改变了转子绕组的电压分布，即转子负极至接地点的有效匝数与全绕组有效匝数的比值α发生了变化。k1点接地时α₁ = ，当k2点再接地时α2＝。显然有Δα＝｜α2-α1｜＞0，被短接的匝数越多，Δα越大。利用测量Δα大小即可构成反应接地位置变化的转子绕组两点接地保护。

 

该保护与切换采样式转子一点接地保护配合使用，可共享一点接地保护测得的接地位置数据α。两点接地保护由连续测得的即时值α2与前一次测得并记忆的值α1计算出变化量Δα＝α2-α1，并与整定值比较，以确定保护是否动作。保护的动作判据为

| Δα | > α_set...........................................  (2-53)

式中 α_set ——转子绕组两点接地位置变化整定值。

反应接地位置变化的转子两点接地保护的动作时限按躲过瞬时出现的两点接地故障整定，一般取t＝0.5～1.0s。

 

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