新聞主題	發(fā)電機勵磁回路一點和兩點接地保護(hù)

 

發(fā)電機勵磁回路（包括轉(zhuǎn)子繞組）絕緣破壞會引起轉(zhuǎn)子繞組匝間短路和勵磁回路一點接地故障以及兩點接地故障。發(fā)電機勵磁回路一點接地故障很常見，而兩點接地故障也時有發(fā)生。勵磁回路一點接地故障對發(fā)電機不會造成危害，如果發(fā)生兩點接地故障，則將嚴(yán)重威脅發(fā)電機的安全。當(dāng)發(fā)電機勵磁回路發(fā)生兩點接地故障時，由于故障點流過相當(dāng)大的故障電流而燒傷轉(zhuǎn)子本體；由于部分繞組被短接，勵磁電流增加，可能因過熱而燒傷勵磁繞組；同時，部分繞組被短接后，使得氣隙磁通失去平衡，從而引起轉(zhuǎn)子振動，特別是多極發(fā)電機會引起嚴(yán)重的振動，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的后果。此外，柴油發(fā)電機勵磁回路兩點接地，還可能使軸系和柴油機磁化。因此，應(yīng)該避免勵磁回路的兩點接地故障。

 

過去，柴油發(fā)電機都裝設(shè)一點接地保護(hù)，動作于信號，不裝設(shè)兩點接地保護(hù)。中小型柴油發(fā)電機只裝設(shè)可供定期檢測用的絕緣檢查電壓表和正常不投入運行的兩點接地保護(hù)，不裝設(shè)一點接地保護(hù)。當(dāng)用絕緣檢查電壓表檢出一點接地故障后，再把兩點接地保護(hù)裝置投入。兩點接地保護(hù)動作后，經(jīng)延時停機。現(xiàn)在，大型柴油發(fā)電機均裝設(shè)一點接地保護(hù)，一般一點接地保護(hù)動作于信號，裝設(shè)兩點接地保護(hù)動作于跳閘；也有采用一點接地保護(hù)動作于停機的。最常用的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)有切換采樣式一點接地保護(hù)和定子二次諧波電壓兩點接地保護(hù)。

 

一、切換采樣式發(fā)電機勵磁回路一點接地保護(hù)

 

切換采樣式轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)是利用輪流對不同采樣點分別進(jìn)行獨立采樣測量的原理構(gòu)成的，微機型轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)切換采樣原理如圖1所示。圖中，S1、S2是兩個由微機控制的電子開關(guān)，保護(hù)工作時按一定的時鐘脈沖頻率輪流開合，即S1閉合時，S2斷開；S1斷開時，S2閉合。二者交替開、合，如同打乒乓球，故該保護(hù)簡稱為乒乓式轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)。

 

圖1 轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)切換采樣原理圖

 

設(shè)發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組在k點經(jīng)過渡電阻R_t接地，負(fù)極至接地點k的繞組匝數(shù)與總匝數(shù)的比值為α。U_fd為勵磁電壓，則轉(zhuǎn)子負(fù)極與k點之間的勵磁電壓為αU_fd，k點與轉(zhuǎn)子正極之間的電壓為（1-α）U_fd。保護(hù)裝置中的四個分壓電阻的電阻值均為R。R₁為測量電阻，保護(hù)裝置通過測量不同狀態(tài)R₁兩端的電壓可計算出接地電阻R_t的大小和α值。

在第一采樣時刻（S1閉合，S2斷開），保護(hù)測量并讀取R1兩端的電壓U1和勵磁電壓U_fd1，由采樣等值電路可知

 

 

在第二采樣時刻（S1斷開，S2閉合），保護(hù)測量并讀取R1兩端的電壓U2和勵磁電壓U_fd2，且有

 

 

 

考慮到因勵磁電壓的波動可能使兩次采樣時刻測量的勵磁電壓不等，為消除由此引起的計算誤差，計算中引入系數(shù)K＝U_fd1/U_fd2。令ΔU＝U₁-KU₂，并將式（2-43）、式（2-44）代入得

 

 

由式（2-45）解得

 

 

將式（2-45）代入式（2-43）整理得

 

 

保護(hù)裝置按式（2-46）、式（2-47）計算出R_t和α，將R_t與整定值比較來判斷轉(zhuǎn)子繞組的接地程度。

轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)的程序邏輯框圖如圖2所示。此保護(hù)由兩段組成，高定值I段和低定值II段。

 

圖2 轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)的程序邏輯框圖

 

（1）I段的動作判據(jù)為

R_t<R_set.h...........................................  (2-48)

式中 R_set．h——高接地電阻整定值，一般R_set．H≥10kΩ。

高定值段延時動作發(fā)信號，動作時限t₁＝4～10s。

（2）II段的動作判據(jù)為

R_t<R_set.1........................................... (2-49)

式中 R_set.1——低接地電阻整定值，一般R_set.1＜10kΩ。

低定值段延時動作發(fā)信號，動作時限t₁＝1～4s。

為防止勵磁電壓下降及計算溢出引起保護(hù)誤動作，裝置設(shè)置了啟動元件，動作判據(jù)為

U_fd>50V........................................... (2-50)

保護(hù)裝置將實時計算出的R_t和α值記憶儲存，并在單元管理機上實時顯示出來，供值班人員掌握發(fā)電機轉(zhuǎn)子絕緣狀況和一點接地位置。同時還將α值提供給轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)，方便地實現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩點接地故障的識別。

切換采樣原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子繞組一點接地保護(hù)具有靈敏度高、誤差小、動作無死區(qū)的特點，且其動作特性不受勵磁電壓波動及轉(zhuǎn)子繞組對地電容的影響，靈敏度不因故障點位置的變化而變化；同時在啟、停機時也能夠?qū)嵤┍Ｗo(hù)，并且原理簡單、調(diào)試方便、易于實現(xiàn)。目前，國產(chǎn)大型機組的微機型發(fā)變組保護(hù)廣泛采用這一算法。

 

二、反應(yīng)發(fā)電機定子電壓二次諧波分量的勵磁回路兩點接地保護(hù)

 

這種發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩點接地及匝間短路保護(hù)基于反應(yīng)發(fā)電機定子電壓二次諧波分量的原理。當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組兩點接地或匝間短路故障時，氣隙磁通分布的對稱性遭到破壞，出現(xiàn)偶次諧波，發(fā)電機定子繞組每相感應(yīng)電動勢也就出現(xiàn)了偶次諧波分量。因此利用定子電壓的二次諧波分量，就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩點接地及匝間短路保護(hù)。

 

通過分析可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)生兩點接地或匝間短路故障在定子側(cè)形成的二次諧波電壓的相序和發(fā)電機外部不對稱短路產(chǎn)生的負(fù)序電流所形成的定子二次諧波電壓相序相反。利用此特征可以實現(xiàn)靈敏度更高的轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)。二次諧波電壓轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)的程序邏輯框圖如圖3所示。

 

保護(hù)從發(fā)電機機端電壓互感器取三相電壓，由軟件濾取二次諧波電壓分量，將其與整定值比較來判別轉(zhuǎn)子兩點接地故障。保護(hù)的動作判據(jù)為

U_2ω>U_{set ...........................................} (2-51)

動作電壓按躲過額定運行情況下機端二次諧波電壓值整定，即

U_set=K_relU_2ω unb.N...........................................  (2-52)

式中 K_rel——可靠系數(shù)，一般取2.5～3；

U_2ω unb.N——發(fā)電機額定負(fù)荷時，機端二次諧波電壓實測值。

為防止誤動作，保護(hù)受轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)閉鎖，當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點接地后，自動將轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)投入工作。

保護(hù)經(jīng)一定延時后動作于跳閘，以躲過外部短路暫態(tài)過程的影響和瞬時轉(zhuǎn)子繞組兩點接地短路，延時時間t一般取0.5～1.0s。

 

圖3 二次諧波電壓轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)的程序邏輯框圖

 

三、反應(yīng)接地位置變化的轉(zhuǎn)子繞組兩點接地保護(hù)

 

發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)一點接地后，當(dāng)另一點又發(fā)生接地時，改變了轉(zhuǎn)子繞組的電壓分布，即轉(zhuǎn)子負(fù)極至接地點的有效匝數(shù)與全繞組有效匝數(shù)的比值α發(fā)生了變化。k1點接地時α₁ = ，當(dāng)k2點再接地時α2＝。顯然有Δα＝｜α2-α1｜＞0，被短接的匝數(shù)越多，Δα越大。利用測量Δα大小即可構(gòu)成反應(yīng)接地位置變化的轉(zhuǎn)子繞組兩點接地保護(hù)。

 

該保護(hù)與切換采樣式轉(zhuǎn)子一點接地保護(hù)配合使用，可共享一點接地保護(hù)測得的接地位置數(shù)據(jù)α。兩點接地保護(hù)由連續(xù)測得的即時值α2與前一次測得并記憶的值α1計算出變化量Δα＝α2-α1，并與整定值比較，以確定保護(hù)是否動作。保護(hù)的動作判據(jù)為

| Δα | > α_set...........................................  (2-53)

式中 α_set ——轉(zhuǎn)子繞組兩點接地位置變化整定值。

反應(yīng)接地位置變化的轉(zhuǎn)子兩點接地保護(hù)的動作時限按躲過瞬時出現(xiàn)的兩點接地故障整定，一般取t＝0.5～1.0s。

 

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