GE發電機轉子接地保護的原理

王建忠 姜山 李誠帥

摘? 要：發電機轉子繞組回路對地有分布電容及電阻，其數值大小與大小受發電機的冷卻方式及轉子結構等因素有關。發電機在正常運行期間，轉子轉動速度很高，轉子承受的離心力作用很大，又承受較重的電負荷，一旦勵磁繞組絕緣出現問題，會引起轉子回路發生接地故障，一般接地故障多為一點接地，若不能及時處理，就可能導致轉子兩點接地故障，進一步危害損害發電機轉子大軸，損壞轉子勵磁回路，導致發電機失磁，危機發電機的安全運行。該文主要介紹了不同原理的轉子接地保護，并重點介紹了GE公司的注入式轉子接地保護。

關鍵詞：GE;G60;發電機轉子接地保護;注入式

中圖分類號：TM621? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

0 引言

發電機在正常運行期間，轉子轉動速度很高，轉子承受的離心力作用很大，又承受較重的電負荷，一旦勵磁繞組絕緣出現問題，會引起轉子回路發生接地故障，一般接地故障多為一點接地。發生一點接地后，雖然在轉子回路上構不成電流回路，對地分布電容和絕緣電阻的參數未發生變化 ，理論上可以繼續運行。但是，轉子回路對地電壓就會變大，在勵磁系統退出或者一次主斷路器跳閘后，將在發電機勵磁回路中產生過電壓（暫態），很容易造成勵磁回路出現第二個接地點，造成轉子兩點接地故障。一旦發生兩點接地 ：部分勵磁繞組線匝被短接，繞組直流電阻變小，若短路匝數較多，會使發電機轉子主磁通變小，發電機向外輸出的無功功率就會減少，機端電壓就會下降，定子電流也會急劇上升;由于繞組短接的磁極磁通變小，而其他磁極磁通勢未變，發電機氣隙磁場的對稱性會被破壞，引起機組震動，還可能使軸系和汽輪機磁化;由于發電機轉子繞組的兩點之間構成回路，一部分勵磁繞組被阻截，兩點之間將產生很大的短路電流量，電流產生的電弧可能會燒壞勵磁繞組及轉子本體，甚至引發火災。因此發電機轉子回路一旦出現一點接地故障，應及時發出信號，通知運維人員處理;出現兩點接地時立即跳機。

根據《DL/T684—1999大型發電機變壓器繼電保護整定計算導則》的要求，汽輪發電機出現轉子一點接地時，可以繼續維持運行一段時間。但隨著汽輪機發電機組的容量不斷增大，出于發電機的安全運行考慮，國外的轉子接地保護只設置轉子接地的高阻值和低阻值保護，高定值報警，低定值跳閘，不區分是否發生一點還是兩點接地。

1 一點接地轉子接地保護原理

目前，轉子一點接地保護普遍采用乒乓式和注入式兩大類，下面就分別介紹2種不同原理構成的轉子接地保護。

1.1 乒乓式轉子接地保護

乒乒式轉子一點接地保護的原理：在發電機運行時依次測量勵磁繞組正極、負極對地電流，根據測量結果計算出勵磁繞組對地電阻，根據阻值進而判斷出接地電阻阻值以及接地位置。

設在轉子繞組上K點經電阻Rg接地。則注入式接地保護的原理圖如圖1所示。

在圖1中：S1、S2-勵磁繞組正極、負極可控開關，輪流分合。

Ud-勵磁繞組全電壓。

α-接地K點與勵磁正極的位置。

R-裝置內部固定電阻。

R1-裝置測量電阻。

勵磁繞組直流電阻阻值較小，則由圖1可知，當正極開關S1閉合、負極開關S2斷開時，電阻R1上的電壓：

（1）

當負極開關S2閉合、正極開關S1斷開時，電阻R1上的電壓：

（2）

在以上2個公式中：R、R1為已知固定參數，U1、U2為裝置測量電壓，勵磁電壓也可測量。以上2個公式組成了二元一次方程，通過求解可算出為具有α和Rg2個未知數。

通過以上理論推導過程，我們可以看出乒乓式轉子一點接地保護可以計算出接地的位置，但在機組停機時即未加勵磁的情況下，就無法對轉子接地情況進行有效監察。

注入式原理轉子接地保護，顧名思義就是需要外部輔助的注入電源注入到勵磁回路中，并采集相關電氣量進行保護邏輯判斷。

下面就以GE公司G60發電機保護的注入式接地保護進行介紹。

G60提供兩段轉子一點接地保護，分別設定一時限。注入式原理可以選擇單端注入或雙端注入2種方式。

1.2 單端注入式轉子接地保護

在轉子繞組一端（通常選擇負端）與大軸之間注入方波電源，保護采集正負半周的數據實時求解轉子對地絕緣電阻值。

VINJ1，VINJ2—注入方波正、負半周電壓;

IG1，IG2—注入方波正、負半周電流;

ZF1，ZF2—轉子繞組正、負極等效電阻;

RCL—注入方波電源內部電阻;

VEXC—勵磁電壓;

IEXC—勵磁電流;

RG—轉子繞組接地電阻。

由于勵磁電壓通常遠大于注入電壓，勵磁繞組阻值遠小于裝置耦合電阻，因此注入電壓VINJ對勵磁繞組電流IEXC的影響可以忽略不計，所以可以認為ZF2上的電壓保持固定。

VINJ2=IG2RG+IG2RCL+VF2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

VINJ1=IG1RG+IG1RCL+VF2? ? ? ? ? ? ? ? （4）

兩式相減可得接地電阻RG：

（5）

故障點位置α：

（6）

1.3 雙端注入一點接地保護

在轉子繞組正負兩端之間注入方波電源：

RC—注入式方波電源內部電阻。

VINJ1=15V， VINJ2=-15V，I11為施加VINJ1時的上路電流，I12為下路電流;I21為施加 VINJ2時的上路電流，I22為下路電流。

與單端注入做同樣假設：ZF2上電壓保持不變。

I11RC+IG1RG +（1-α）Ufld-VINJ1=0 ? ? ? ? ? ? （7）

I21RC+IG1RG-αUfld-VINJ1=0? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

I11+I21=IG1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

I12RC+IG2RG+（1-α）Ufld-VINJ2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）

I22RC+IG2RG-αUfld-VINJ2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

I12+I22=IG2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

（7）-（10）：

（I11-I21）RC+（IG1-IG2）RG-（VINJ1-VINJ2）=0? ? ? ? ? ? ? （13）

（8）-（11）：

（I21-I22）RC+（IG1-IG2）RG-（VINJ1-VINJ2）=0 ? ? ? ? ? ? （14）

將（9）、（12）代入（14）：

（I12-I11）RC+（IG1-IG2）（RG+RC）-（VINJ1-VINJ2）=0 ? ? ? ? ? ? （15）

（13）+（15）：

（IG1-IG2）（2RG+RC）-2（VINJ1-VINJ2）=0 ? ? ? ? ? （16）

（17）

將公式（9）代入公式（7）：

-I21RC+IG1（RG+RC）+（1-α）Ufld-VINJ1=0? （18）

（1.3.2）+（1.3.12）：

IG1（2RG+RC）+（1-2α）Ufld-2VINJ1 （19）

（20）

IG1：I表示電流，G1表示物體的電流。

通過以上的原理介紹，我們可以得出：1）單端注入：在有勵磁電壓和無勵磁電壓時均能夠測量接地電阻，有勵磁電壓時能夠測量接地位置，缺點是正負極電壓不平衡。2）雙端注入：在有勵磁電壓和無勵磁電壓時均能夠測量接地電阻，有勵磁電壓時能夠測量接地位置。

但是G60發電機保護并沒有提供測量接地位置的功能，只能測量接地電阻，若要明確具體接地位置需按照上述公式進行計算。

2 實際應用分析

在實際應用過程中發現：壽光電廠勵磁電壓采用+-221V，分別施加在勵磁繞組的正負兩端。勵磁接地裝置整定為單端注入，接線圖參考圖1。當裝置上電后，注入端電壓EX-處電壓降為0負，EX+端電壓升至441 V。這是因為當勵磁繞組未發生故障時，注入電壓源和Rcl沒有構成回路，即Rcl上沒有電流流過，因此Rcl兩端電壓相同，等效于EX-經過一個20 k電阻接地;EX-電壓與注入電壓源相同，為±15 V方波，用電表直流檔不能測量。而EX+相對于EX-的電壓為441 V，因此EX+電壓測量值升至441 V。

采用雙端注入方式可以避免同樣問題發生，雙端注入方式在正負兩端連接阻值相同的耦合電阻，因此可以保證中性點位置不變。通過運行及檢修期間的校驗結果看，G60發電機保護提供的雙端注入式轉子接地保護運行良好，接地電阻數值測量準確。

但在使用中應注意以下問題。1）G60與注入式電源的通信連接正確后，注入式電源的指示燈“POWER”和“INJECTION”燈亮，如果通信連接失敗，則G60裝置面板將保故障代碼，查一下說明書代碼表即可知道故障原因。且如果通信連接失敗時，INJECTION指示燈不會亮，G60的FIELD 元件也加載不上來。2）G60與注入式電源通信串口必須專用，不能再并接其他設備，否則通信不上。3）如果是雙套G60，則2臺G60的FIELD GROUND元件必須配置一模一樣，否則2臺G60同時報錯，請查故障代碼。

3 結論

該文從理論角度分析了傳統乒乓式接地保護和單、雙端注入式接地保護的原理和優缺點，并從現場實際應用分析了GE公司G60提供的注入式轉子接地保護的注意事項，為同類型機組提供了參考依據。

參考文獻

[1]王維儉，候炳蘊.大型機組繼電保護理論基礎[M].北京：中國電力出版社，1989.