发电机励磁回路接地保护

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）
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பைடு நூலகம்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
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。
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：
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
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
敏度相差很大。当负端接地时，最小灵敏度应能满足
要求。
设负端经过渡电阻 Rf 接地，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
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。
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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 ()。
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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。
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LE
样上述交流电流也作为继电
器的动作量，消除了死区。
Rf
利用非线性电阻或或利
U
用固有交流分量的方法，前
K
者可以减少拒动的几率，后
R1
R2
C VS
者可以消除死区，改善保护
Rn1
A
图34 利用交流分量消灭死区的电桥
装置的性能。但在不同点发 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
2、叠加直流电压式一点接地保护
TVA
•
U
U K I0 U0 Rk
U fd
LE
1 2
U
fd
Ry
将一直流电压U0 经 一继电器K顺向加到励磁 绕组的一端与地之间， 如图35所示，则构成了 叠加直流电压式一点接
Rk
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3、叠加交流电压式一点接地保护
简单的叠加交流电压式一点接地保护
如图39所示，将
K
一交流电压 U•0，经过 • TVA
一普通电流继电器K
U 50Hz
•
U0
LE
i
Rf
Ry
Cy Zy
和一隔直耦合电容C，
叠加到励磁绕组的一 端与地之间，就构成 图39 简单的叠加交流电压式一点接地保护原理图
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
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
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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。
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。
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：
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
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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。
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：
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。
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 Ik为（设 R1 R2 ）：
Ik
U fd
RL1 RL1 RL2
当励磁绕组上某一点D经过渡电阻 Rf 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 Rf 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
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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。