发电机励磁回路接地保护

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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。
对于水轮发电机，都装设一点接地保护，动作 与信号，不装设两点接地保护。中小型汽轮发电机 只装设可供定期检测用的绝缘检查电压表和正常不 投入运行的两点接地保护，不装设一点接地保护。 当用绝缘检查电压表检出一点接地故障后，再把两 点接地保护装置投入。两点接地保护动作后，经延 时停机。
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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。
及
Ra Ry Rk Ry Rk
（3-3-10）
若 Rk 和 Ry 是给定值，则式（3-3-9）算出的 Rf 值为
最小灵敏度。反之，若最小灵敏度 Rf 为给定值，在设
计上应使 Rk 满足式（3-3-9）。对于空冷或氢冷转子，Ry
值很大；对于水冷转子，Ry 很小。要使继电器适用于
不同冷却方式的机组，则要按 Ry 值最小的情况确定 值，这样整定的结果，必然使保护的灵敏度不高。
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（三）励磁回路一点接地保护
1、电桥式一点接地保护
LE
D LE
Ry
RL1
RL2
Rf
R1
K
R2
Rn1
A
(a)
Ik R1
K R2
Rn1
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 Rf 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。
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
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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
Rf ，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 Rf ()。
图35 叠加直流电压式一点接地保护原理图
Rk
U0
I0
1
2 U fd
Ry
图36 正常情况下，图35的等效电路
地保护。 设励磁电压为 U fd ，
励磁绕组对地绝缘电阻 为 Ry 并集中于励磁绕组 的中点。将外加电压 U0 在励磁绕组中产生的压
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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：
Rk U0
I1
1 2 U fd
Ry
1 2 U fd
Rf
I1 U0 Rk Rf
（3-3-4）
显然，在励磁绕组负
端接地时，灵敏度最低。
图38 正端经过渡电阻 Rf 接地时， 图35的等效电路
当励磁绕组正端经过 渡电阻 Rf 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
的电流：
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（二）发电机励磁回路接地保护的现状
励磁回路发生一点接地故障后，继发第二点接 地的可能性较大，因为在一点接地后，转子绕组已 确立地电位基准点，当系统发生各种扰动时，定子 绕组的暂态过程必在转子绕组中感应暂态电压，使 转子绕组对地电压可能出现较大值，引发第二点接 地故障，给发电机造成严重后果，所以大型汽轮发 电机也没有必要在发生一点接地后继续维持运行。
I0
U0
1 2
U
fd
Rk Ry
（3-3-2）
继电器K的动作电流整定值要大于 I0 。对于空冷
或氢冷式发电机，Ry的数值为兆欧级，故 I0的大小为微
安级；对于水冷转子的发电机，Ry只有几千欧，因而 I0
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
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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大型发电机的转子绕组及其外部励磁回 路，对地电容比较大，而且机组容量不同、 结构不同时，其对地电容值也不同。任何原 理的励磁回路一点接地保护，均应采取技术 措施，减少或完全消除对地电容对转子一点 接地保护的不良影响。
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（1 图33）。因为非线性电阻
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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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。
Rk
U0 I1
Rf
1 2 U fd Ry
同。而且相差很大，因而 不同点接地时，灵敏度也 有很大差别。下面分析两 个极端情况。
图37 负端经过渡电阻 Rf 接地时， 图35的等效电路
设励磁绕组负端经过 渡电阻 Rf 接地，此时，等
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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：
I1 U0 Ry Rf
U0 Rf Ry Rk Ry Rf
1U 2
R fd 0 f
Ry Rk
Krel U0 U fdn Rk Ry
（3-3-8）
由此可解出表示最小灵敏度的过渡电阻值为：
Rf
U0 Ry 1.5 U0 U fdn Ra 0.5U0 1.5U fdn 0.5U fd 0
（3-3-9）
0.5
RL1 // RL2 0.5R f Rk
式中：U fd —发电机励磁电压；
（3-3-1）
Rk —继电器K的内阻；
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RL1 、RL2 —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 RL2 ，Ik 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
1U 2
fd
Rf
Rk Ry Rk Ry
Rf
（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 Rf ，表示负端对地电阻下降 到 Rf () 时继电器动作。
对于空冷或氢冷发电机，一般要求 Rf 20k 时动 作，而这种发电机的 Ry 值为兆欧级，这时就有 Ry Rf 的关系，据此把式（3-3-3）简化成如下形式：
I1
Ry Rf
U0
1 2
U
fd
1 2
U
fd
Ry
Rk Ry Rk Ry Rf
（3-3-5）
同样，当 Ry Rf 时，式（3-3-5）可简化为：
I1 U0 U fd Rk Rf
（3-3-6）
此时，由于U fd 的作用，继电器的灵敏度最高。
综上所述，当正端或负端接地时，保护装置的灵
敏度相差很大。当负端地，继电器的动作条件
为：
I1 Krel I0
（3-3-7）
其中，I0 按式（3-3-2）确定，而励磁电压U fd 按强励
电压为 2U fdn 考虑，U fdn 为额定励磁电压；I1 按式（3-3-3）
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为确可定靠，系而数式，中可励取磁电Kre压l 按1.5空。载则励动磁作电条压件U可fd写0 考为虑：。Krel
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