新聞主題	發電機勵磁回路一點和兩點接地保護

 

發電機勵磁回路（包括轉子繞組）絕緣破壞會引起轉子繞組匝間短路和勵磁回路一點接地故障以及兩點接地故障。發電機勵磁回路一點接地故障很常見，而兩點接地故障也時有發生。勵磁回路一點接地故障對發電機不會造成危害，如果發生兩點接地故障，則將嚴重威脅發電機的安全。當發電機勵磁回路發生兩點接地故障時，由于故障點流過相當大的故障電流而燒傷轉子本體；由于部分繞組被短接，勵磁電流增加，可能因過熱而燒傷勵磁繞組；同時，部分繞組被短接后，使得氣隙磁通失去平衡，從而引起轉子振動，特別是多極發電機會引起嚴重的振動，甚至會造成災難性的后果。此外，柴油發電機勵磁回路兩點接地，還可能使軸系和柴油機磁化。因此，應該避免勵磁回路的兩點接地故障。

 

過去，柴油發電機都裝設一點接地保護，動作于信號，不裝設兩點接地保護。中小型柴油發電機只裝設可供定期檢測用的絕緣檢查電壓表和正常不投入運行的兩點接地保護，不裝設一點接地保護。當用絕緣檢查電壓表檢出一點接地故障后，再把兩點接地保護裝置投入。兩點接地保護動作后，經延時停機。現在，大型柴油發電機均裝設一點接地保護，一般一點接地保護動作于信號，裝設兩點接地保護動作于跳閘；也有采用一點接地保護動作于停機的。最常用的轉子接地保護有切換采樣式一點接地保護和定子二次諧波電壓兩點接地保護。

 

一、切換采樣式發電機勵磁回路一點接地保護

 

切換采樣式轉子一點接地保護是利用輪流對不同采樣點分別進行獨立采樣測量的原理構成的，微機型轉子一點接地保護切換采樣原理如圖1所示。圖中，S1、S2是兩個由微機控制的電子開關，保護工作時按一定的時鐘脈沖頻率輪流開合，即S1閉合時，S2斷開；S1斷開時，S2閉合。二者交替開、合，如同打乒乓球，故該保護簡稱為乒乓式轉子一點接地保護。

 

圖1 轉子一點接地保護切換采樣原理圖

 

設發電機轉子繞組在k點經過渡電阻R_t接地，負極至接地點k的繞組匝數與總匝數的比值為α。U_fd為勵磁電壓，則轉子負極與k點之間的勵磁電壓為αU_fd，k點與轉子正極之間的電壓為（1-α）U_fd。保護裝置中的四個分壓電阻的電阻值均為R。R₁為測量電阻，保護裝置通過測量不同狀態R₁兩端的電壓可計算出接地電阻R_t的大小和α值。

在第一采樣時刻（S1閉合，S2斷開），保護測量并讀取R1兩端的電壓U1和勵磁電壓U_fd1，由采樣等值電路可知

 

 

在第二采樣時刻（S1斷開，S2閉合），保護測量并讀取R1兩端的電壓U2和勵磁電壓U_fd2，且有

 

 

 

考慮到因勵磁電壓的波動可能使兩次采樣時刻測量的勵磁電壓不等，為消除由此引起的計算誤差，計算中引入系數K＝U_fd1/U_fd2。令ΔU＝U₁-KU₂，并將式（2-43）、式（2-44）代入得

 

 

由式（2-45）解得

 

 

將式（2-45）代入式（2-43）整理得

 

 

保護裝置按式（2-46）、式（2-47）計算出R_t和α，將R_t與整定值比較來判斷轉子繞組的接地程度。

轉子一點接地保護的程序邏輯框圖如圖2所示。此保護由兩段組成，高定值I段和低定值II段。

 

圖2 轉子一點接地保護的程序邏輯框圖

 

（1）I段的動作判據為

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

式中 R_set．h——高接地電阻整定值，一般R_set．H≥10kΩ。

高定值段延時動作發信號，動作時限t₁＝4～10s。

（2）II段的動作判據為

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

式中 R_set.1——低接地電阻整定值，一般R_set.1＜10kΩ。

低定值段延時動作發信號，動作時限t₁＝1～4s。

為防止勵磁電壓下降及計算溢出引起保護誤動作，裝置設置了啟動元件，動作判據為

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

保護裝置將實時計算出的R_t和α值記憶儲存，并在單元管理機上實時顯示出來，供值班人員掌握發電機轉子絕緣狀況和一點接地位置。同時還將α值提供給轉子兩點接地保護，方便地實現轉子兩點接地故障的識別。

切換采樣原理構成的轉子繞組一點接地保護具有靈敏度高、誤差小、動作無死區的特點，且其動作特性不受勵磁電壓波動及轉子繞組對地電容的影響，靈敏度不因故障點位置的變化而變化；同時在啟、停機時也能夠實施保護，并且原理簡單、調試方便、易于實現。目前，國產大型機組的微機型發變組保護廣泛采用這一算法。

 

二、反應發電機定子電壓二次諧波分量的勵磁回路兩點接地保護

 

這種發電機轉子兩點接地及匝間短路保護基于反應發電機定子電壓二次諧波分量的原理。當發電機轉子繞組兩點接地或匝間短路故障時，氣隙磁通分布的對稱性遭到破壞，出現偶次諧波，發電機定子繞組每相感應電動勢也就出現了偶次諧波分量。因此利用定子電壓的二次諧波分量，就可以實現轉子兩點接地及匝間短路保護。

 

通過分析可以發現，轉子側發生兩點接地或匝間短路故障在定子側形成的二次諧波電壓的相序和發電機外部不對稱短路產生的負序電流所形成的定子二次諧波電壓相序相反。利用此特征可以實現靈敏度更高的轉子兩點接地保護。二次諧波電壓轉子兩點接地保護的程序邏輯框圖如圖3所示。

 

保護從發電機機端電壓互感器取三相電壓，由軟件濾取二次諧波電壓分量，將其與整定值比較來判別轉子兩點接地故障。保護的動作判據為

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

動作電壓按躲過額定運行情況下機端二次諧波電壓值整定，即

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

式中 K_rel——可靠系數，一般取2.5～3；

U_2ω unb.N——發電機額定負荷時，機端二次諧波電壓實測值。

為防止誤動作，保護受轉子一點接地保護閉鎖，當轉子繞組發生一點接地后，自動將轉子兩點接地保護投入工作。

保護經一定延時后動作于跳閘，以躲過外部短路暫態過程的影響和瞬時轉子繞組兩點接地短路，延時時間t一般取0.5～1.0s。

 

圖3 二次諧波電壓轉子兩點接地保護的程序邏輯框圖

 

三、反應接地位置變化的轉子繞組兩點接地保護

 

發電機轉子繞組出現一點接地后，當另一點又發生接地時，改變了轉子繞組的電壓分布，即轉子負極至接地點的有效匝數與全繞組有效匝數的比值α發生了變化。k1點接地時α₁ = ，當k2點再接地時α2＝。顯然有Δα＝｜α2-α1｜＞0，被短接的匝數越多，Δα越大。利用測量Δα大小即可構成反應接地位置變化的轉子繞組兩點接地保護。

 

該保護與切換采樣式轉子一點接地保護配合使用，可共享一點接地保護測得的接地位置數據α。兩點接地保護由連續測得的即時值α2與前一次測得并記憶的值α1計算出變化量Δα＝α2-α1，并與整定值比較，以確定保護是否動作。保護的動作判據為

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

式中 α_set ——轉子繞組兩點接地位置變化整定值。

反應接地位置變化的轉子兩點接地保護的動作時限按躲過瞬時出現的兩點接地故障整定，一般取t＝0.5～1.0s。

 

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