GE發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的原理

王建忠 姜山 李誠(chéng)帥

摘? 要：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組回路對(duì)地有分布電容及電阻，其數(shù)值大小與大小受發(fā)電機(jī)的冷卻方式及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度很高，轉(zhuǎn)子承受的離心力作用很大，又承受較重的電負(fù)荷，一旦勵(lì)磁繞組絕緣出現(xiàn)問題，會(huì)引起轉(zhuǎn)子回路發(fā)生接地故障，一般接地故障多為一點(diǎn)接地，若不能及時(shí)處理，就可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障，進(jìn)一步危害損害發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大軸，損壞轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路，導(dǎo)致發(fā)電機(jī)失磁，危機(jī)發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行。該文主要介紹了不同原理的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，并重點(diǎn)介紹了GE公司的注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。

關(guān)鍵詞：GE;G60;發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù);注入式

中圖分類號(hào)：TM621? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

發(fā)電機(jī)在正常運(yùn)行期間，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)速度很高，轉(zhuǎn)子承受的離心力作用很大，又承受較重的電負(fù)荷，一旦勵(lì)磁繞組絕緣出現(xiàn)問題，會(huì)引起轉(zhuǎn)子回路發(fā)生接地故障，一般接地故障多為一點(diǎn)接地。發(fā)生一點(diǎn)接地后，雖然在轉(zhuǎn)子回路上構(gòu)不成電流回路，對(duì)地分布電容和絕緣電阻的參數(shù)未發(fā)生變化 ，理論上可以繼續(xù)運(yùn)行。但是，轉(zhuǎn)子回路對(duì)地電壓就會(huì)變大，在勵(lì)磁系統(tǒng)退出或者一次主斷路器跳閘后，將在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路中產(chǎn)生過電壓（暫態(tài)），很容易造成勵(lì)磁回路出現(xiàn)第二個(gè)接地點(diǎn)，造成轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障。一旦發(fā)生兩點(diǎn)接地 ：部分勵(lì)磁繞組線匝被短接，繞組直流電阻變小，若短路匝數(shù)較多，會(huì)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子主磁通變小，發(fā)電機(jī)向外輸出的無功功率就會(huì)減少，機(jī)端電壓就會(huì)下降，定子電流也會(huì)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(shì)未變，發(fā)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的對(duì)稱性會(huì)被破壞，引起機(jī)組震動(dòng)，還可能使軸系和汽輪機(jī)磁化;由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組的兩點(diǎn)之間構(gòu)成回路，一部分勵(lì)磁繞組被阻截，兩點(diǎn)之間將產(chǎn)生很大的短路電流量，電流產(chǎn)生的電弧可能會(huì)燒壞勵(lì)磁繞組及轉(zhuǎn)子本體，甚至引發(fā)火災(zāi)。因此發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子回路一旦出現(xiàn)一點(diǎn)接地故障，應(yīng)及時(shí)發(fā)出信號(hào)，通知運(yùn)維人員處理;出現(xiàn)兩點(diǎn)接地時(shí)立即跳機(jī)。

根據(jù)《DL/T684—1999大型發(fā)電機(jī)變壓器繼電保護(hù)整定計(jì)算導(dǎo)則》的要求，汽輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地時(shí)，可以繼續(xù)維持運(yùn)行一段時(shí)間。但隨著汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的容量不斷增大，出于發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行考慮，國(guó)外的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)只設(shè)置轉(zhuǎn)子接地的高阻值和低阻值保護(hù)，高定值報(bào)警，低定值跳閘，不區(qū)分是否發(fā)生一點(diǎn)還是兩點(diǎn)接地。

1 一點(diǎn)接地轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

目前，轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)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(gòu)成的轉(zhuǎn)子接地保護(hù)。

1.1 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)

乒乒式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)的原理：在發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)依次測(cè)量勵(lì)磁繞組正極、負(fù)極對(duì)地電流，根據(jù)測(cè)量結(jié)果計(jì)算出勵(lì)磁繞組對(duì)地電阻，根據(jù)阻值進(jìn)而判斷出接地電阻阻值以及接地位置。

設(shè)在轉(zhuǎn)子繞組上K點(diǎn)經(jīng)電阻Rg接地。則注入式接地保護(hù)的原理圖如圖1所示。

在圖1中：S1、S2-勵(lì)磁繞組正極、負(fù)極可控開關(guān)，輪流分合。

Ud-勵(lì)磁繞組全電壓。

α-接地K點(diǎn)與勵(lì)磁正極的位置。

R-裝置內(nèi)部固定電阻。

R1-裝置測(cè)量電阻。

勵(lì)磁繞組直流電阻阻值較小，則由圖1可知，當(dāng)正極開關(guān)S1閉合、負(fù)極開關(guān)S2斷開時(shí)，電阻R1上的電壓：

（1）

當(dāng)負(fù)極開關(guān)S2閉合、正極開關(guān)S1斷開時(shí)，電阻R1上的電壓：

（2）

在以上2個(gè)公式中：R、R1為已知固定參數(shù)，U1、U2為裝置測(cè)量電壓，勵(lì)磁電壓也可測(cè)量。以上2個(gè)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(gè)未知數(shù)。

通過以上理論推導(dǎo)過程，我們可以看出乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)可以計(jì)算出接地的位置，但在機(jī)組停機(jī)時(shí)即未加勵(lì)磁的情況下，就無法對(duì)轉(zhuǎn)子接地情況進(jìn)行有效監(jiān)察。

注入式原理轉(zhuǎn)子接地保護(hù)，顧名思義就是需要外部輔助的注入電源注入到勵(lì)磁回路中，并采集相關(guān)電氣量進(jìn)行保護(hù)邏輯判斷。

下面就以GE公司G60發(fā)電機(jī)保護(hù)的注入式接地保護(hù)進(jìn)行介紹。

G60提供兩段轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)，分別設(shè)定一時(shí)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(zhuǎn)子接地保護(hù)

在轉(zhuǎn)子繞組一端（通常選擇負(fù)端）與大軸之間注入方波電源，保護(hù)采集正負(fù)半周的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)求解轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣電阻值。

VINJ1，VINJ2—注入方波正、負(fù)半周電壓;

IG1，IG2—注入方波正、負(fù)半周電流;

ZF1，ZF2—轉(zhuǎn)子繞組正、負(fù)極等效電阻;

RCL—注入方波電源內(nèi)部電阻;

VEXC—?jiǎng)?lì)磁電壓;

IEXC—?jiǎng)?lì)磁電流;

RG—轉(zhuǎn)子繞組接地電阻。

由于勵(lì)磁電壓通常遠(yuǎn)大于注入電壓，勵(lì)磁繞組阻值遠(yuǎn)小于裝置耦合電阻，因此注入電壓VINJ對(duì)勵(lì)磁繞組電流IEXC的影響可以忽略不計(jì)，所以可以認(rèn)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(diǎn)位置α：

（6）

1.3 雙端注入一點(diǎn)接地保護(hù)

在轉(zhuǎn)子繞組正負(fù)兩端之間注入方波電源：

RC—注入式方波電源內(nèi)部電阻。

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

與單端注入做同樣假設(shè)：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(lì)磁電壓和無勵(lì)磁電壓時(shí)均能夠測(cè)量接地電阻，有勵(lì)磁電壓時(shí)能夠測(cè)量接地位置，缺點(diǎn)是正負(fù)極電壓不平衡。2）雙端注入：在有勵(lì)磁電壓和無勵(lì)磁電壓時(shí)均能夠測(cè)量接地電阻，有勵(lì)磁電壓時(shí)能夠測(cè)量接地位置。

但是G60發(fā)電機(jī)保護(hù)并沒有提供測(cè)量接地位置的功能，只能測(cè)量接地電阻，若要明確具體接地位置需按照上述公式進(jìn)行計(jì)算。

2 實(shí)際應(yīng)用分析

在實(shí)際應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)：壽光電廠勵(lì)磁電壓采用+-221V，分別施加在勵(lì)磁繞組的正負(fù)兩端。勵(lì)磁接地裝置整定為單端注入，接線圖參考圖1。當(dāng)裝置上電后，注入端電壓EX-處電壓降為0負(fù)，EX+端電壓升至441 V。這是因?yàn)楫?dāng)勵(lì)磁繞組未發(fā)生故障時(shí)，注入電壓源和Rcl沒有構(gòu)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(jīng)過一個(gè)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(cè)量。而EX+相對(duì)于EX-的電壓為441 V，因此EX+電壓測(cè)量值升至441 V。

采用雙端注入方式可以避免同樣問題發(fā)生，雙端注入方式在正負(fù)兩端連接阻值相同的耦合電阻，因此可以保證中性點(diǎn)位置不變。通過運(yùn)行及檢修期間的校驗(yàn)結(jié)果看，G60發(fā)電機(jī)保護(hù)提供的雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)運(yùn)行良好，接地電阻數(shù)值測(cè)量準(zhǔn)確。

但在使用中應(yīng)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(shí)，INJECTION指示燈不會(huì)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(shè)備，否則通信不上。3）如果是雙套G60，則2臺(tái)G60的FIELD GROUND元件必須配置一模一樣，否則2臺(tái)G60同時(shí)報(bào)錯(cuò)，請(qǐng)查故障代碼。

3 結(jié)論

該文從理論角度分析了傳統(tǒng)乒乓式接地保護(hù)和單、雙端注入式接地保護(hù)的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，并從現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用分析了GE公司G60提供的注入式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)的注意事項(xiàng)，為同類型機(jī)組提供了參考依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1]王維儉，候炳蘊(yùn).大型機(jī)組繼電保護(hù)理論基礎(chǔ)[M].北京：中國(guó)電力出版社，1989.