新聞主題	發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路一點(diǎn)和兩點(diǎn)接地保護(hù)

 

發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路（包括轉(zhuǎn)子繞組）絕緣破壞會(huì)引起轉(zhuǎn)子繞組匝間短路和勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地故障以及兩點(diǎn)接地故障。發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地故障很常見(jiàn)，而兩點(diǎn)接地故障也時(shí)有發(fā)生。勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地故障對(duì)發(fā)電機(jī)不會(huì)造成危害，如果發(fā)生兩點(diǎn)接地故障，則將嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全。當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路發(fā)生兩點(diǎn)接地故障時(shí)，由于故障點(diǎn)流過(guò)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(lì)磁電流增加，可能因過(guò)熱而燒傷勵(lì)磁繞組；同時(shí)，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(dòng)，特別是多極發(fā)電機(jī)會(huì)引起嚴(yán)重的振動(dòng)，甚至?xí)斐蔀?zāi)難性的后果。此外，柴油發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路兩點(diǎn)接地，還可能使軸系和柴油機(jī)磁化。因此，應(yīng)該避免勵(lì)磁回路的兩點(diǎn)接地故障。

 

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

 

一、切換采樣式發(fā)電機(jī)勵(lì)磁回路一點(diǎn)接地保護(hù)

 

切換采樣式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)是利用輪流對(duì)不同采樣點(diǎn)分別進(jìn)行獨(dú)立采樣測(cè)量的原理構(gòu)成的，微機(jī)型轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)切換采樣原理如圖1所示。圖中，S1、S2是兩個(gè)由微機(jī)控制的電子開(kāi)關(guān)，保護(hù)工作時(shí)按一定的時(shí)鐘脈沖頻率輪流開(kāi)合，即S1閉合時(shí)，S2斷開(kāi)；S1斷開(kāi)時(shí)，S2閉合。二者交替開(kāi)、合，如同打乒乓球，故該保護(hù)簡(jiǎn)稱(chēng)為乒乓式轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)。

 

圖1 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)切換采樣原理圖

 

設(shè)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組在k點(diǎn)經(jīng)過(guò)渡電阻R_t接地，負(fù)極至接地點(diǎn)k的繞組匝數(shù)與總匝數(shù)的比值為α。U_fd為勵(lì)磁電壓，則轉(zhuǎn)子負(fù)極與k點(diǎn)之間的勵(lì)磁電壓為αU_fd，k點(diǎn)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(gè)分壓電阻的電阻值均為R。R₁為測(cè)量電阻，保護(hù)裝置通過(guò)測(cè)量不同狀態(tài)R₁兩端的電壓可計(jì)算出接地電阻R_t的大小和α值。

在第一采樣時(shí)刻（S1閉合，S2斷開(kāi)），保護(hù)測(cè)量并讀取R1兩端的電壓U1和勵(lì)磁電壓U_fd1，由采樣等值電路可知

 

 

在第二采樣時(shí)刻（S1斷開(kāi)，S2閉合），保護(hù)測(cè)量并讀取R1兩端的電壓U2和勵(lì)磁電壓U_fd2，且有

 

 

 

考慮到因勵(lì)磁電壓的波動(dòng)可能使兩次采樣時(shí)刻測(cè)量的勵(lì)磁電壓不等，為消除由此引起的計(jì)算誤差，計(jì)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(jì)算出R_t和α，將R_t與整定值比較來(lái)判斷轉(zhuǎn)子繞組的接地程度。

轉(zhuǎn)子一點(diǎn)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(diǎn)接地保護(hù)的程序邏輯框圖

 

（1）I段的動(dòng)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(shí)動(dòng)作發(fā)信號(hào)，動(dòng)作時(shí)限t₁＝4～10s。

（2）II段的動(dòng)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(shí)動(dòng)作發(fā)信號(hào)，動(dòng)作時(shí)限t₁＝1～4s。

為防止勵(lì)磁電壓下降及計(jì)算溢出引起保護(hù)誤動(dòng)作，裝置設(shè)置了啟動(dòng)元件，動(dòng)作判據(jù)為

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

保護(hù)裝置將實(shí)時(shí)計(jì)算出的R_t和α值記憶儲(chǔ)存，并在單元管理機(jī)上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，供值班人員掌握發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子絕緣狀況和一點(diǎn)接地位置。同時(shí)還將α值提供給轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)，方便地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障的識(shí)別。

切換采樣原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)子繞組一點(diǎn)接地保護(hù)具有靈敏度高、誤差小、動(dòng)作無(wú)死區(qū)的特點(diǎn)，且其動(dòng)作特性不受勵(lì)磁電壓波動(dòng)及轉(zhuǎn)子繞組對(duì)地電容的影響，靈敏度不因故障點(diǎn)位置的變化而變化；同時(shí)在啟、停機(jī)時(shí)也能夠?qū)嵤┍Ｗo(hù)，并且原理簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、易于實(shí)現(xiàn)。目前，國(guó)產(chǎn)大型機(jī)組的微機(jī)型發(fā)變組保護(hù)廣泛采用這一算法。

 

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

 

這種發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地及匝間短路保護(hù)基于反應(yīng)發(fā)電機(jī)定子電壓二次諧波分量的原理。當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地或匝間短路故障時(shí)，氣隙磁通分布的對(duì)稱(chēng)性遭到破壞，出現(xiàn)偶次諧波，發(fā)電機(jī)定子繞組每相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地及匝間短路保護(hù)。

 

通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)子側(cè)發(fā)生兩點(diǎn)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(jī)外部不對(duì)稱(chēng)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(shí)現(xiàn)靈敏度更高的轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地保護(hù)。二次諧波電壓轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)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(jī)機(jī)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(lái)判別轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地故障。保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)為

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

動(dòng)作電壓按躲過(guò)額定運(yùn)行情況下機(jī)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(jī)額定負(fù)荷時(shí)，機(jī)端二次諧波電壓實(shí)測(cè)值。

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

保護(hù)經(jīng)一定延時(shí)后動(dòng)作于跳閘，以躲過(guò)外部短路暫態(tài)過(guò)程的影響和瞬時(shí)轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地短路，延時(shí)時(shí)間t一般取0.5～1.0s。

 

圖3 二次諧波電壓轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)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(diǎn)接地保護(hù)

 

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組出現(xiàn)一點(diǎn)接地后，當(dāng)另一點(diǎn)又發(fā)生接地時(shí)，改變了轉(zhuǎn)子繞組的電壓分布，即轉(zhuǎn)子負(fù)極至接地點(diǎn)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(diǎn)接地時(shí)α₁ = ，當(dāng)k2點(diǎn)再接地時(shí)α2＝。顯然有Δα＝｜α2-α1｜＞0，被短接的匝數(shù)越多，Δα越大。利用測(cè)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(diǎn)接地保護(hù)。

 

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

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

式中 α_set ——轉(zhuǎn)子繞組兩點(diǎn)接地位置變化整定值。

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

 

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