雙端注入式轉子接地保護在無刷勵磁發電機中的運用

王 佼，徐 巖

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定071003)

0 引言

無刷勵磁發電機取消了直流機勵磁系統中的機械整流部分和半導體勵磁中的炭刷、集電環，所以，無刷勵磁發電機具有噪聲小、無碳粉銅末、無火花的優點，但是轉子的電壓、電流及溫度難以直接測量，轉子接地故障監測比較困難。發電機勵磁回路一點接地故障很常見［1－4］，其對發電機本體并未造成危害，若相繼發生第二點接地故障，則會出現故障點電流過大燒傷轉子本體、勵磁繞組被短接氣隙磁通失去平衡引起振動及軸系轉子磁化等災難性的后果。因此，為了保障發電機的安全，本文提出將無刷勵磁機組采用定時舉刷方式，使轉子繞組的引出方式變更為正、負兩端引出，然后用雙端注入原理對轉子進行一點接地監測。

1 無刷勵磁發電機的結構特點和工作原理

無刷勵磁發電機［5－7］由主發電機、交流勵磁機、旋轉整流器等主要部分組成，如圖1所示。主發電機轉子、勵磁機電樞和旋轉整流器都裝在同軸上一起旋轉，勵磁機磁極固定在定子內側。主發電機結構大同小異，都是轉場式的，有隱極和凸極，交流勵磁機為轉樞式的。同步發電機由有刷進化到無刷主要是有了交流勵磁機和旋轉整流器。

當原動機拖動主發電機旋轉時，勵磁機轉子上的電樞繞組首先切割剩磁自勵發出交流電，然后經旋轉整流器變成直流電后進入主發電機轉子繞組以勵磁。主發電機轉子的勵磁繞組建立磁場后旋轉，在定子的電樞繞組上產生電勢及電流。這就是無刷勵磁發電機的基本原理。

圖1 無刷勵磁發電機結構

2 無刷勵磁發電機轉子一點接地保護

2.1 無刷勵磁發電機轉子自動舉刷裝置

目前，多數無刷勵磁機組只在勵磁端接有1只測量電刷，固定引出轉子繞組的負端，一點接地故障只能采用單端注入式原理進行監測［8－11］。由于單端注入式原理沒有同時引出轉子繞組的正、負兩端，故無法計算轉子接地故障的位置。

考慮到勵磁機轉子的原有設計結構和轉子接地保護的實際情況，無刷勵磁機組宜采用自動舉刷的方式，保留轉子繞組的負極測量電刷，再從轉子繞組正極引出1根線來增加轉子繞組的正極引線。這樣，轉子繞組正、負兩端均引出，則可以采用雙端注入式原理對轉子接地故障進行監測，同時可以計算轉子接地故障的位置。無刷勵磁發電機轉子自動舉刷裝置如圖2所示。

圖2 自動舉刷裝置原理接線圖

2.2 雙端注入式轉子一點接地保護

現場采用定時舉刷方式后，轉子繞組的引出方式變更為正、負兩端均引出。注入電源從轉子繞組的正負兩端與大軸之間注入，注入電源的切換周期可根據轉子繞組對地電容的大小進行調整，實時求解轉子一點接地電阻，保護反應發電機轉子對大軸絕緣電阻的下降。雙端注入式轉子接地保護的工作電路如圖3所示。

圖3 雙端注入式轉子接地保護原理

假設在距離負端α點發生接地。方波注入式保護由于在穩態下測量，所以在計算接地電阻時可以不考慮接地電容的作用，因此在每半波周期內，電路可以看作是直流注入。

2.2.1 勵磁電壓UL不變

在方波的正半波可列出回路電流方程組為

設Um為采樣電阻 Rm兩端電壓，Um=(I1+I2)Rm，由式(1)、式(2)可得到Um的表達式為

方波在負半波時，除注入電壓極性改變以外，其它均與正半波時情況相同。因此同理可以得到U'm的表達式為

由式(3)、式(4)可得

將式(5)代入式(3)可得

2.2.2 勵磁電壓UL變化

無刷勵磁發電機在強勵或者啟、停機時，勵磁電壓將發生變化。當勵磁電壓變化時，通過圖3列寫回路方程，可以推導出R'g計算公式為

由式(5)減去式(7)可得

分析式(9)可知，當勵磁電壓UL變化時，計算出的接地電阻與實際的接地電阻會有一定誤差，當α=0.5時，誤差為零;隨著向轉子兩端靠近，誤差逐漸增大;當α=0或1時，誤差最大。正負半波測量過程中勵磁電壓變化得越大，誤差也越大;外加電壓越高，勵磁電壓變化引入的誤差越小。據此可以畫出誤差ΔRg和勵磁電壓變化量ΔUL的關系曲線，如圖4所示。

圖4 接地電阻隨勵磁電壓變化關系圖

2.2.3 一點接地動作判據

一點接地的動作判據為

式中Rgset為一點接地過渡電阻整定值，一般可取為5～50 kΩ或者更大［12］。當一點接地故障發生后，保護裝置可以根據動作判據式(10)作為整定判據，動作于信號。

3 無刷勵磁發電機轉子一點接地仿真分析

3.1 仿真模型介紹

在圖3所示電路的基礎上，采用Matlab軟件構建勵磁繞組接地故障仿真模型［13］，如圖5所示。勵磁繞組用4段π型等效電路來表示。額定電壓為475.9 V，空載電壓為 191.8 V，電阻 Re=0.102 9 Ω，電感 Le=1.58 mH，對地電阻 Ry=5 MΩ，對地電容 Cy=1.264 μF，Re1=0.25Re，Le1=0.25Le，Re2=0.15Re，Le2=0.15Le，Re3=0.10Re，Le3=0.10Le，Ry1=8Ry，Cy1=Cy/8，Ry2=4Ry，Cy2=Cy/4，ZS為勵磁系統內阻，阻值很小。

在圖5模型中，假設勵磁電壓不變化，仿真過程中UL為固定值，用Rg、Cg模擬轉子的接地電阻和電容。用1個脈沖發生器模塊疊加50 V增益控制受控電壓源，模擬±50 V的方波電源Us，通過改變脈沖發生器的周期，改變方波的周期。

3.2 仿真試驗結果

a.設置UL=500 V，改變Rg的大小，檢測保護的靈敏度和精度，其結果如表1所示。由表1可知，隨著Rg的增加，測量值和實際值之間的偏差也有所增大，但靈敏度滿足要求。

b.設置Rg=20 kΩ，改變UL的數值，檢測相關測量數值的變化，結果如表2所示。由表2可知，勵磁電壓變化時，測量值和實際值之間的偏差并不太大，靈敏度高且一致。

圖5 無刷勵磁發電機轉子繞組一點接地故障仿真模型

表1 一點接地保護靈敏度和精度試驗結果

表2 勵磁電壓變化時一點接地保護試驗結果

c.設置UL=0 V，改變Rg的數值，檢測保護的靈敏度和精度，結果如表3所示。由表3可知，雙端注入式轉子接地保護原理可在靜止或未加勵磁狀態下監視轉子接地故障。

d.設置 UL=500 V，Rg=50 kΩ，改變 α 的數值檢測保護的靈敏度和精度，結果如表4所示。由表4可知，雙端注入式轉子接地保護靈敏度與轉子接地位置無關。

表3 未加勵磁時一點接地保護試驗結果

表4 接地點位置變化時一點接地保護試驗結果

3.3 仿真結果分析

從仿真試驗結果分析可知，雙端注入原理可實時計算轉子接地位置，接地電阻測量精度高;可在未加勵磁電壓的情況下，也能監視轉子絕緣情況;保護靈敏度與轉子接地位置無關，保護無死區，在轉子繞組上任一點接地都有很高的靈敏度;具有定時和手動舉刷功能，能滿足無刷勵磁機組轉子接地保護的要求。

4 結論

通過上述分析與仿真，結果表明，雙端注入式原理在未加勵磁電壓的情況下也能監視轉子絕緣，在轉子繞組上任一點接地時，接地電阻測量精度高，保護具有一致的高靈敏度，能夠精確計算出轉子接地故障位置，能夠滿足無刷勵磁機組轉子接地保護的要求。

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