发电机励磁回路接地保护

k
1 0
f
fd
y
f
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效电路如图37所示，由图可求出流过继电器的电流：
1 I1 U 0 Ry R f U fd R f Rk Ry Rk Ry R f 2
（3-3-3）
当 I1 等于继电器的动作电流时，此时，由式（3-33）可算出相应的过渡电阻 R f ，表示负端对地电阻下降 到 R f () 时继电器动作。 对于空冷或氢冷发电机，一般要求 R f 20k 时动 作，而这种发电机的 Ry 值为兆欧级，这时就有 Ry R f 的关系，据此把式（3-3-3）简化成如下形式：
（3-3-8）
由此可解出表示最小灵敏度的过渡电阻值为：
Rf U 0 Ry 1.5 U 0 U fdn Ra 0.5U 0 1.5U fdn 0.5U fd 0
及
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样上述交流电流也作为继电 器的动作量，消除了死区。 R 利用非线性电阻或或利 用固有交流分量的方法，前 U K 者可以护 A R 装置的性能。但在不同点发 图34 利用交流分量消灭死区的电桥 生接地故障时，保护装置有 式一点接地保护的原理接线图 不同的灵敏度，而且相差悬 殊，这一缺点没有得到明显改善。因此，对于大机组 来说，电桥式一点接地保护是不够完善的。励磁绕组 中点的固有交流分量的大小是不能改变的，利用这种 交流分量的普遍有效性尚需积累资料。 12
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非线性电阻 Rn1的存在，同时也打破了正常运行条 件（由空载励磁电压到强励电压）下的平衡条件，因 此保护装置的动作电流整定值也要稍有提高。 对于空冷或氢冷发电机，其励磁绕组对地绝缘电 阻在几兆欧及以上，正常情况下电桥平衡条件打破后 流过继电器的不平衡电流变化不大。而对于水内冷发 电机，对地绝缘电阻相当低，则流过继电器的不平衡 电流要有较大的变化。由图33(b)可求出继电器K中的 电流 I k 为（设 R1 R2 ）：
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确定，而式中励磁电压按空载励磁电压 U fd 0 考虑。 K rel 为可靠系数，可取 Krel 1.5 。则动作条件可写为：
U 0 R f Ry 1 U fd 0 R f K rel U 0 U fdn 2 Rk Ry Rk Ry R f Ry Rk
RL1 U fd 0.5 RL1 RL 2 Ik RL1 // RL 2 0.5R f Rk
（3-3-1）
U fd —发电机励磁电压； 式中： Rk —继电器K的内阻；
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RL1 、 RL 2 —转子绕组LE在D点接地时D点两侧绕组的电阻
显然当故障点D位于绕组中点时，RL1 RL 2 ，I k 0 ， 继电器K拒动。 为了完全消除励磁回路一点接地保护的动作死区, 国产JZJ-11型保护装置利用了发电机正常运行时在励 磁回路中具有的小量交流分量电流。该电流是由于发 电机实际存在的转子偏心和磁路不完全对称造成的。 励磁绕组中点接地故障时，电桥对角线上的直流电流 确实很小，但是仍有一定数量的交流电流通过，正确 地利用这个交流电流，就可使励磁回路一点接地保护 没有死区。这种保护装置的原理图如图34所示，它仅 是把图33中的普通继电器K改为将对角线的交流电流 先经整流滤波，而后接入继电器的整流型继电器，这
2、励磁回路一点接地 发电机励磁回路一点接地故障也是常见的故障 形式之一，两点接地故障也时有发生。励磁回路一 点接地故障对发电机并未造成危害，但若再相继发 生第二点接地故障，则将严重威胁发电机的安全。 当发生两点接地故障时，由于故障点流过相当 大的故障电流而烧伤转子本体；由于部分绕组被短 接，励磁绕组中电流增加，可能因过热而烧伤；由 于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡，从而引 起振动，特别是多极电机会引起更加严重的振动， 甚至会因此而造成灾难性的后果。此外，汽轮发电 机励磁回路两点接地，还可能使轴系和汽机磁化。 因此，励磁回路两点接地故障的后果是严重的。
R1 Rn1
K A
R2
R1 Rn1
Ik
K A
R2


(a)


(b)
图33 电桥式一点接地保护原理图 (a) 正常情况下；(b) D点经过渡电阻 R f 一点接地
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利用电桥原理构成的一点接地保护，其原理图如 图33所示。励磁绕组对地绝缘电阻为分布参数，将此 分布电阻用集中于励磁绕组中点的集中电阻 Ry 表示。 励磁绕组电阻构成电桥的两个臂，而外接电阻 R1 和 R2 构成电桥的另外两个臂。在 R1和 R2 的连接点A与地之 间，接入继电器K，相当于把继电器K与绝缘电阻 Ry 串 联后接于电桥的对角线上。在正常情况下，调节电阻 R1 和 R2 ，使流过继电器K的不平衡电流最小，并使继电 器的动作电流大于这一不平衡电流。 当励磁绕组上某一点D经过渡电阻 R f 接地后，电 桥失去平衡。此时，流过继电器K的电流，其值决定 于D点的位置和过渡电阻 R f 的大小，当电流大于继电 器K的动作电流时，继电器动作。见图33(b)。 当励磁绕组的正端或负端发生接地故障时，这种
fd

0
0
k
fd
y
k
0
0
fd
y
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降略去不计，则可作出图36所示的正常情况下的等效 电路。由该等效电路可知，流过继电器的电流为：
1 I 0 U 0 U fd 2
R
k
Ry
（3-3-2）
继电器K的动作电流整定值要大于 I 0 。对于空冷 R y 的数值为兆欧级，故 I 0 的大小为微 或氢冷式发电机， 安级；对于水冷转子的发电机，Ry只有几千欧，因而 I 0 可达到几十到几百毫安。由于励磁电压 U fd 的作用，在 励磁绕组上不同点接地时，流过继电器的电流也不相 R 同。而且相差很大，因而 不同点接地时，灵敏度也 1 I U R R U 有很大差别。下面分析两 2 个极端情况。 设励磁绕组负端经过 图37 负端经过渡电阻 R 接地时， 图35的等效电路 渡电阻 R f 接地，此时，等
f
LE
1
2
n1
2、叠加直流电压式一点接地保护 将一直流电压 U 0 经 一继电器K顺向加到励磁 TVA U 绕组的一端与地之间， U K I LE U 1 如图35所示，则构成了 U 2 U R R 叠加直流电压式一点接 地保护。 图35 叠加直流电压式一点接地保护原理图 设励磁电压为 U fd ， R 励磁绕组对地绝缘电阻 1 I U R 为 Ry 并集中于励磁绕组 U 2 的中点。将外加电压 U 0 在励磁绕组中产生的压 图36 正常情况下，图35的等效电路
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保护装置的灵敏度很高，例如某些型式的继电器，在 额定励磁电压下，励磁绕组正端或负端经400~600k 过渡电阻接地时，就能可靠动作。 然而，当故障点在励磁绕组中点附近时，即使是 金属性接地，保护装置也不能动作，因而存在一定的 死区。这是电桥式一点接地保护的根本缺陷。 为消除这一缺陷，一种方法是在电桥的 R1 臂中串 联接入一只非线性电阻 Rn（图 33）。因为非线性电阻 1 Rn1 u0i ，其中 是常数，当电压 u0 升高时，电流 i 非线性地增加，电阻 Rn1下降；反之，则 Rn1上升。从而 随着励磁电压 U fd 变化，改变着电桥的平衡条件，在 某一电压下的死区，在另一电压下变为动作区，从而 减小了拒动的几率。
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况随着系统的发展，一台机组的停运检修，对负荷 影响很小。 励磁回路的一点接地保护，除简单、可靠这些 一般要求之外，还要求能够反应在励磁回路中任一 点发生的接地故障，并且要有足够高的灵敏度。在 评价励磁回路一点接地保护时，灵敏度是用故障点 对地之间的过渡电阻大小来定义的，若过渡电阻为 R f ，保护装置处于动作边界上，则称保护装置在该 点的灵敏度为 R f () 。 由于目前尚缺少选择性好、灵敏度高、经常投 运且运行经验成熟的励磁回路两点接地保护装置， 所以也有不装设此保护的意见。进口大型发电机组 一般不装设此保护。
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近年来，大型汽轮发电机装设一点接地保护已 属定论，国内外均无异议。但在一点接地保护动作 于信号或是动作于跳闸的问题上，存在着不同的看 法。主张动作于信号者，则考虑装设两点接地保护； 主张动作于停机者，则认为不必再装设两点接地保 护，这有利于避免发生汽机磁化。 对于大型汽轮发电机，鉴于励磁回路一点接地 故障无直接严重后果，相应保护应动作于信号，避 免毫无必要的大机组突然跳闸。应当指出，这里所 说的一点接地时动作于信号，不是为了长期带一点 接地故障运行，而是认为在发出一点接地信号之后， 应当主动转移负荷，尽快安排停机。虽然中小型机 组有带一点接地故障长期运行的经验，但对于大机 组，这种带故障点长期运行的方式，仍然是不可取 的，因为励磁回路两点接地故障后果严重，何
发电机励磁回路接地保护
（一）转子绕组绝缘破坏常见的故障形式 1、转子绕组匝间短路 转子绕组匝间短路多发生在沿槽高方向的上层 线匝，对于气体冷却的转子，这种匝间短路不会直接 引起严重后果，也无需立即消除缺陷，所以并不要求 装设转子绕组匝间短路保护。但是转子绕组匝间短路 必然使励磁电流增大（此时发电机的输出无功功率将 减小），机组振动加剧，局部过热而损坏主绝缘和铜 线，因此对于水内冷的转子，由于匝数少、电流密度 大，不容许带着匝间短路长期运行。由此可见，转子 绕组匝间短路的故障处理没有统一的标准。一旦发现 这类故障，发电机是否继续运行应综合考虑现有的运 行经验、故障的形式和特点、故障发现在机组运行期 间或预防性试验中或机组安装时等诸多因素。 1
I1 U 0
Rk I 1 1 U fd U0 2 Ry
1 U fd 2
R
k
Rf

（3-3-4）
Rf
图38 正端经过渡电阻 R f 接地时， 图35的等效电路
显然，在励磁绕组负 端接地时，灵敏度最低。 当励磁绕组正端经过 渡电阻 R f 接地时，等效 15
电路如图38所示。同理，由图38可求出流过继电器 1 1 的电流： R R U U U R