淺談發電機轉子接地保護原理

李明

摘 要：本文主要討論了發電機轉子接地故障的現象和危害，以及轉子接地保護原理及應用。

關鍵詞：轉子;接地;保護原理

發電機正常運行時，轉子的轉速很高，離心力極大，承受的電負荷又重，一次勵磁繞組絕緣容易破壞。繞組導線碰接鐵芯，就會造成轉子一點接地故障。發電機勵磁回路的一點接地是比較常見的故障，由于不會形成電流通路，所以對發電機無直接危害，因此發電機可繼續運行。但發生一點接地以后，勵磁回路對地電壓會有所升高，例如當負極接地，勵磁繞組正極對地電壓即增加到工作勵磁電壓值;正極接地，勵磁繞組負極對地電壓也增加到工作勵磁電壓值。因此當轉子發生一點接地后，如發電機仍然繼續運行，遇上勵磁繞組其他點絕緣水平降低時，就有可能發生轉子回路的第二點接地。勵磁回路兩點接地后構成短路電流通路，可能燒壞轉子繞組和鐵芯。由于部分勵磁繞組被短接，破壞了氣隙磁場的對稱性，引起機組振動，特別是多機組振動更嚴重。此外，轉子兩點接地還可能使汽輪發電機組的軸系統和汽缸磁化。因此，轉子一點接地以后，應該對勵磁回路進行認真檢查.同時是否會有保護誤動作：根據某些保護構成原理，檢查是不是因為炭刷接觸不良所引起.此外，還可以倒換備用勵磁以找出接地范圍.如果一旦確認轉子一點接地，應該投入轉子2點接地保護，這時候，嚴禁在勵磁回路上工作，以防保護誤動作。需要指出的是，在轉子一點接地的同時，若發電機出現振動，則應該立即解列停機。

一.轉子一點接地保護

1.絕緣檢測裝置

用一個電壓表定期測量勵磁回路正負極對地電壓，其接線如下圖所示。

圖中元件1為勵磁繞組，元件2為接地炭刷。勵磁繞組對地存在著絕緣電阻，設這些絕緣電阻對地均勻分布，如圖中的r1，r2，…，rn-1，rn。當勵磁繞組絕緣良好時，所測得的正極對地電壓和于負極對地電壓。如果正極接地，則負極對地電壓為工作勵磁電壓;如果負極接地，則正極對地電壓為工作勵磁電壓。如果勵磁繞組其他點接地，一般情況下，正極對地電壓不等于負極電壓，而且所測得的電壓低于工作勵磁電壓。但是如果勵磁繞組中部接地，則所測得的正極對地電壓將等于負極對地電壓，且為工作勵磁電壓的一半。利用圖中的切換開關S和電壓表PV可以進行上述各種測量。

2.疊加交流電壓式一點接地保護

疊加交流電壓式轉子一點接地保護裝置的原理圖如下圖所示。

圖中CmE為勵磁繞組對地電容，RmE為勵磁繞組對地電阻。U∽為勵磁繞組整定交流分量。Ci為隔直電容，其作用是使勵磁電壓產生的直流電流不會流經交流電源回路。K為繼電器，其阻抗為RK。UV為電壓變換器，主要起到隔離作用，將交流電源和轉子回路隔開，并將交流電壓降低到保護裝置所需要的電壓。

正常運行時，流過繼電器的電流為

當勵磁繞組對地絕緣降低時，流過繼電器的電流將增大，達到保護整定值時保護動作。

這種保護的優點是消耗功率小，沒有死區。缺點是流過繼電器的電流受勵磁繞組對地電容和勵磁電壓中交流分量的影響。

3.乒乓采樣式一點接地保護

乒乓式原理轉子一點接地保護裝置的原理接線圖如下圖所示。

乒乓式原理轉子一點接地保護裝置內部的電子開關，在時序電路控制下周期性地導通、截止，即轉子的正負極人為地周期性接地來監測轉子的對地絕緣狀況。保護的動作判據是通過乒乓式工作原理來實現的。

在下圖中，設發電機轉子繞組的d點經接地電阻Rjd一點接地。UL為勵磁電壓，U1為轉子正極與d點之間的電壓，U2為d點與轉子負極之間的電壓，R0為保護裝置內設電阻，S1與S2為兩個電子開關，由時鐘脈沖控制其狀態為S1閉合時，S2打開;S1打開時， S2閉合（S1 、S2同時打開），二者循環交替運行。類似推來擋去的乒乓球。

S1閉合S2打開時，直流穩態電流、電導分別為

S2閉合S1打開時，直流穩態電流、電導分別為

由于第一個采樣點時刻與第二個采樣點時刻是同一個接點地d。

上式表明，當接地電阻越小，則測定電導G越大， 所以將上式作為轉子一點接地保護的動作判據，當RjdGzd（整定電導）時保護動作。

二.轉子兩點接地保護

1.電橋平衡式轉子兩點接地保護

保護的動作判據是測量橋平衡是否被破壞，采樣電阻R上是否有激勵量輸出來判斷轉子接地故障。

轉子兩點接地保護裝置.在發電機正常運行時是不投入運行的，即下圖中的開關S不投，出口壓板解除。當發電機轉子出現一點接地故障時，由轉子回路的一點接地保護裝置發出告警信號。運行人員就地解除一點接地保護的出口壓板，兩點接地保護裝置投入運行（即下圖中的S開關投入），調節平衡器使電壓表的讀數為零，即下面等式成立：

K1/K2=R1/R2

然后投入出口壓板。

當轉子出現兩點接地時，電橋失去平衡等式不成立，采樣電阻R有激勵量輸出，保護動作。

另外：無刷勵磁系統與以往同軸三機靜態勵磁系統比較，由于勵磁電流經旋轉整流二極管引入發電機轉子，因此沒有引入勵磁大電流的滑環。為了實現轉子一點接地保護，轉子繞組至少需要引出一端，采用外加電源原理，通常引出轉子繞組的負端，由于無刷勵磁系統的滑環容量較小，碳刷不宜長期與發電機滑環緊密接觸，否則會出現碳刷磨損及滑環表面出現電腐蝕情況，不但縮短了滑環的使用壽命，也大大增加了運行維護的工作量。正是鑒于以上考慮，DL400-91《繼電保護和安全自動裝置技術規程》中第2.2.11.3規定“對旋轉整流勵磁的發電機，宜裝設一點接地故障定期檢測裝置”。一般由勵磁調節器控制定時啟動舉刷裝置進行接地檢測。對微機保護來講，如果無法引出轉子繞組的一端，將無法監測轉子一點接地故障。可以用旋轉勵磁機交流中性點經滑環引接出中性線N，N經一個過電壓繼電器接地.過電壓繼電器可以選用CV-8等型號.去微機保護，來監測發電機轉子一點接地。