無刷勵磁同步發電機轉子一點接地保護的探析

丁雪軍

【摘要】目前針對同步發電機轉子一點接地保護方法與技術的研究多針對有刷同步發電機而言，較少涉及到針對無刷勵磁同步發電機轉子一點接地保護問題的研究。本文為彌補研究局限，嘗試對無刷勵磁同步發電機的運行原理進行分析，并從單端注入方波電壓一點接地保護、疊加直流電壓一點接地保護兩個方面著手，就無刷勵磁同步發電機轉子一點接地保護的關鍵技術手段與實現方式進行了分析與探討，僅供參考與關注。

【關鍵詞】無刷勵磁同步發電機;轉子;一點接地保護

現代電力工業中對同步發電機的應用規模日益擴大，電力系統生產中同步發電機所扮演作用是非常關鍵的，其運行質量直接對整個電力供應系統的運行性能產生影響。但受結構以及安裝質量等一系列因素的影響，同步發電機在高速旋轉狀態下轉子承受較大離心力作用，導致轉子繞組頻頻出現絕緣故障，以繞組接地為最常見故障表現形式。

1 無刷勵磁同步發電機概述

無刷勵磁同步發電機主要構成包括主發電機、旋轉整流器、交流勵磁機這幾個部分。主發電機為旋轉磁級同步發電機，旋轉整流器為三相整流橋，交流勵磁機則為旋轉電樞同步發電機。無刷勵磁同步發電機的基本運行原理是：在原動機面向主發電機提供拖動作用力同時旋轉的過程當中，交流勵磁機的轉子上電樞繞組對發電機剩磁進行切割處理，此過程中基于自勵機制形成三相交流電，并在旋轉整流器的處理條件下將三相交流電經整流形成直流電，在此基礎之上進入主發電機轉子繞組內達到勵磁目的。

2 單端注入方波電壓一點接地保護

下圖（如圖1）所示為無刷勵磁同步發電機單端注入式轉子接地保護的基本工作原理示意圖。采用單端注入方波電壓的一點接地保護模式在轉子負端與大地間增加一個方波電源壓，參考轉子繞組對地電容大小對注入電源所對應切換頻率進行動態調節，以滿足轉子一點接地電阻實時性求解需求。該一點接地保護反應無刷勵磁同步發電機轉子對大軸絕緣電阻的下降。

圖1中，定義R為注入大功率電阻，Us為注入方波電源，Rm為測量回路電阻，Rg為轉子繞組相對于大軸的絕緣電阻水平，UL為無刷勵磁同步發電機勵磁直流電壓。假定在α點出現一點接地故障，由于電氣量測量是在穩態環境下進行，因此可以忽略接地電容水平對接地電阻的影響，將等效電路視作直流注入。

在無刷勵磁同步發電機勵磁電壓保持恒定的情況下，方波電壓正半波周期內，可形成如下關系式（1）：

在負半波條件下，方波除注入電壓極性發生變化以外，其他情況與正半波周期情況一致，因此可以得到如下關系式（2）：

在無刷勵磁同步發電機勵磁電壓處于變化狀態的情況下（主要是因強勵磁、啟停機操作等因素影響），可以參考上式（1）對回路方程進行編寫，參考方波電壓正半波、負半波周期的影響，可以得到如下式（3）所示關系：

結合上式（3），對于無刷勵磁同步發電機而言，在勵磁電壓發生波動的情況下，已經將勵磁電壓作用分量引入接地電阻計算公式當中。實際情況下，注入式保護裝置沒有的針對勵磁電壓變化波動進行動態監測的硬件電路配置，因而無法對勵磁電壓變化情況進行動態反應。勵磁電壓已發生變化的情況下，仍然按照傳統模式進行計算，則導致計算結果存在一定誤差，具體誤差可以用如下式（4）所示方式表述：

3 疊加直流電壓一點接地保護

單純疊加直流電壓難以對接地電阻進行準確可靠的計算。為彌補這一問題，可嘗試將切換采樣與疊加直流電壓相結合的方式，對一點接地保護進行改進，基于對疊加直流電壓的計算以及開關裝置切換形成回路方程，進而使針對接地電阻的計算更為精確。

經改進后的疊加直流電壓一點接地保護基本原理如下圖（見圖3）所示。結合圖3，將大功率電阻定義為R，將采樣電阻定義為Rm，將接地點位置定義為α，將接地電阻定義為Rg。

4 結束語

在一點接地故障情況下，發電機仍然可持續投入運行，但若繼續發生第二接地點故障，便會導致接地短路，影響同步發電機乃至整個電力系統的安全運行。從這一角度上來說，必須通過配置轉子一點接地保護裝置的方式，可靠保護同步發電機運行性能，預防第二接地故障點的發生。本文上述分析中嘗試就無刷勵磁同步發電機轉子一點接地保護的關鍵技術手段與實現方式進行了分析與探討，僅供參考與關注。

參考文獻：

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