轉子接地保護及二次回路對地過電壓的分析

作者/孫道陽,華能聊城熱電有限公司

轉子接地保護及二次回路對地過電壓的分析

作者/孫道陽,華能聊城熱電有限公司

在發電機轉子接地保護的二次回路中，一般將保護回路接到轉子繞組的正負兩端，對于600MW及以上的大型發電機來說，其中額定的勵磁電壓普遍較高，因此在運行過程中，容易出現二次回路中的絕緣系數不夠，從而影響這個回路的正常運行。本文對二次回路中產生地過電壓原因進行總結，并通過實際分析，總結了對回路中轉子接地保護的具體方法。

轉子接地保護；二次回路；過電壓

前言

在發電機運行過程中，往往會受到內部元件老化或者外力破壞影響，導致發電機不能正常運行。在二次回路中，有很多電感線圈存在，這種電感線圈都帶有一定電感量，在發生意外事故時，容易導致反電勢的產生，而且幅值大，頻率高，這對發電機工作產生嚴重影響。

1. 二次回路中的接線方式

下面以注入式轉子接地保護為例，來介紹二次回路中接線方式。圖1是二次回路中一個常見的接線方式。

在注入式轉子接地過程中，Cy和Ry是轉子中的繞組對發電機轉子大軸的分布參數，Rf是出現接地故障時產生的過度電阻，在圖1中，接地故障出現在F點中。在故障出現之后，保護裝置內部將會產生一個幾十伏電壓信號，這種電壓信號通過耦合電阻的傳導（圖1中用R1表示），進入發電機繞組回路中，此時對于回路中內部電阻Rm1來說，由于接觸到故障信號，會有泄漏電流產生。而回路中的外部電阻對整個二次回路起到分壓器作用，為整個回路安全運行提供了更多保障。

圖1 轉子接地保護以及轉子電壓測量

在圖1中，直接繞組和勵磁繞組在正負極上連接的電纜總稱為二次回路電纜，一般來說，都是通過風壓電阻R2或者是耦合電阻R1接到保護裝置中，這也是二次電纜具體定義。

2. 轉子勵磁回路中的過電壓

在發電機正常運轉和非正常運轉過程中，轉子勵磁回路中會出現很多不同形式的過電壓，這其中主要包括以下幾種形式：第一，換相過電壓，這種過電壓主要出現在可控硅的整流橋上。第二，操作過電壓，這種過電壓主要出現在定子側或者轉子側中，是由斷路器的通斷現象所引起。第三，運行過電壓，這是由于在發電機工作過程中，由于三相不協調對稱，或者沒有進行全相運行，從而造成運行過電壓的產生。第四，傳遞過電壓，當定子側在接地時發生故障或者雷擊時，勵磁變壓器就會出現耦合現象，從而導致過電壓產生。

根據對上述原因分析和總結，在勵磁系統設計過程中加入了多種電壓抑制和保護措施，來保證轉子繞組中正負兩端不會差生太大的電壓差距，為此，相關人員還制定了公式，從而保障勵磁繞組能夠在工作中發揮有效發揮出自己的作用：

上式中，Ufd.n代表的是額定勵磁電壓；Um是實際試驗中測試電壓。

通過對相關標準參照，可以確定在實際計算過程中實驗電壓的幅值大約在30%到50%之間，而且在過電壓保護設計中，設計值一般不會超過實驗中電壓幅值的70%。另外，在過電壓中，有一種特殊共模性質的過電壓，這種過電壓在轉子繞組正負兩端所體現出來的電壓差是保持不變的，但如果回路和轉子兩端電壓都提升時，會使勵磁變壓器中的傳遞電壓數值發生變化，其具體變化如圖2所示。

圖2 勵磁變壓器耦合過程中的等值電路

根據圖2所示，在勵磁變壓器的高壓一端，如果出接地或者遭受雷擊后，會產生一種特殊電壓UH0,這種電壓在后來被人們稱為對地零序電壓，這種電壓也會在勵磁變壓器中得到有效傳遞，并通過電容C12傳遞到變壓器的低壓一端，對地電容用C20表示。而對于零序電壓來說，當其到達勵磁變壓器低壓側一端時，會零序電壓剛開始差生之時存在一種關系，該關系可表示為：

UL0就是這種零序電壓到達變壓器低壓側之后的具體數值。在以往勵磁變壓器設計中，會在各個高低壓線圈中安裝屏蔽網，避免變壓機在工作過程中受到系統靜電影響。另外，將屏蔽網安裝在低壓線圈之外，從而引出接地裝置。通過這種方式，增加了C20，減小了C12，而且使得C12幾乎接近于零，這樣，根據上述公式分析可以得出，UL0的數值也會接近與零。

3. 二次回路中防范地過電壓的有效措施

在工作過程中，一旦出現電感回路被切斷時，就會差生較強的干擾電壓，根據上述分析，可以確定一下防范措施：

3.1 在線圈兩端并聯非線性電阻

對于這種非線性電阻來說，二極管最合適不過。為了有效防止在工作過程中地過電壓的出現，經常在線圈兩端并聯一個非線性電阻，如果回路中的電感電流被切斷，反電勢會大大增加，由于二極管自身特點，這種反電勢會通過二極管，并且出現短路現象，讓線圈中的電流得到有效衰減，一般來說這種衰減呈指數規律。同樣的道理，在二極管兩端出現的降壓情況，會遠遠小于電源的電壓值，所以也不會在回路中產生振蕩電壓，但是這種現象只適用于直流發電機。

3.2 在線線圈兩頓并聯阻容支路

對于這種方式來說，通過并聯阻容支路，改變回路中整個電阻的數值，使電阻達到臨界數值，可以有效保證感應線圈中電流一旦突然被切斷，不會在感應線圈周圍產生振蕩電流。另外，由于各個支路具有相同的時間常數，不斷電路中的電流在單位時間內受到怎樣的影響，在兩只回路中流過的電流總量大小相同，方向相反。因此，對于這種接線方式來說，可以有效緩解回路中地過電壓的產生，同時也實現了在負載被切斷時，開關這種不會產生電弧。

3.3 在電纜外側加裝金屬屏蔽層

如果二次回路距離電纜較近時，由于電纜具有較高電壓，通過二次回路連接，容易出現電纜中的電容互相傳遞，為了減少這種傳遞，人們在電纜外側加裝金屬屏蔽層，并將屏蔽層兩端進行接地，有效保證電壓磁力在屏蔽層附近集中，使其不會進入電纜內部，有效避免了過電壓的專遞。

4. 二次回路中電纜絕緣的選擇

根據上述研究可知，在勵磁變壓器設計過程中將耦合電容保持到最小數值，并且增加了對地電容，同時，在考慮到實際工作中勵磁繞組也會產生較大的對地電容量，所以在設計過程中，UL0的數值盡量保持在0.1%UH0。在高壓側中，由于加裝了避雷設備等，實現了對過電壓的有效抑制，UH0也不會特別高，從對比中可以看出，UL0的影響完全可以忽略不計。

以700MW的水電機組為例，按照圖1中的接線方式，根據規格可以得知，發電機勵磁額定電壓為456V。在二次回路設計過程中，轉子接地保護以及A點所在的線路保護絕緣按照2kV來進行設計，通過上述分析數據可知，如果單獨從勵磁系統轉子繞組的正負兩端引入5kV設計效果會更好。在經過分壓器進行分壓之后，保護裝置中的電纜要按照3.5kV來設計。對于這種設置要求來說，由于高壓電纜在鋪設過程中距離較長，工作量較大，而且造價昂貴，不論是5kV還是3.5kV，實際建設起來較為困難，所以說，這種電纜絕緣方法的使用不利于轉子接地保護及二次回路對地過電壓的研究，也為電纜長期安全運行增加了巨大隱患。

5. 總結

綜上所述，在勵磁回路中如果出現了過電壓，而且在正負兩端出現接地故障時，就會造成二次回路中產生較大的過電壓，從而影響回路正常運轉。在實際工作中，過電壓和接地故障同時發生的概率較小，但因為其威脅能力較強，不得不對其提高警惕和重視。根據上述研究結果，二次回路中的電纜耐壓程度不同，直接影響了轉子繞組的連接情況，因此，在轉子接地保護中，應該采用獨立注入方式，并且要在勵磁屏蔽柜中安裝相應保護裝置，從而使縮短二次回路中的電纜安裝距離，實現成本降低的同時，提高了回路的安全性和可靠性。

＊ [1]霍新霞,許廣義.淺議變電站PT二次回路中性點安裝過電壓保護的重要性[J].電子測試,2016,(01)：80—81.

＊ [2]李謙.電壓互感器二次回路中性點安裝過電壓保護的必要性研究—接地短路故障和雷擊時地網電位分布的計算分析[J].廣東電力,2016,(03)：1—5.

＊ [3]李謙.電壓互感器二次回路中性點安裝過電壓保護的必要性研究—二次回路中性點雷電傳遞過電壓的試驗和計算分析[J].廣東電力,2015,(02)：6—10+48.