GE发电机转子接地保护的原理

GE发电机转子接地保护的原理作者：王建忠姜山李诚帅

来源：《中国新技术新产品》2019年第23期

摘; 要：发电机转子绕组回路对地有分布电容及电阻，其数值大小与大小受发电机的冷却方式及转子结构等因素有关。发电机在正常运行期间，转子转动速度很高，转子承受的离心力作用很大，又承受较重的电负荷，一旦励磁绕组绝缘出现问题，会引起转子回路发生接地故

障，一般接地故障多为一点接地，若不能及时处理，就可能导致转子两点接地故障，进一步危害损害发电机转子大轴，损坏转子励磁回路，导致发电机失磁，危机发电机的安全运行。该文主要介绍了不同原理的转子接地保护，并重点介绍了GE公司的注入式转子接地保护。

关键词：GE;G60;发电机转子接地保护;注入式

中图分类号：TM621; ; ; ; ; ; 文献标志码：A

0 引言

发电机在正常运行期间，转子转动速度很高，转子承受的离心力作用很大，又承受较重的电负荷，一旦励磁绕组绝缘出现问题，会引起转子回路发生接地故障，一般接地故障多为一点接地。发生一点接地后，虽然在转子回路上构不成电流回路，对地分布电容和绝缘电阻的参数未发生变化，理论上可以继续运行。但是，转子回路对地电压就会变大，在励磁系统退出或者一次主断路器跳闸后，将在发电机励磁回路中产生过电压（暂态），很容易造成励磁回路出现第二个接地点，造成转子两点接地故障。一旦发生两点接地：部分励磁绕组线匝被短接，绕组直流电阻变小，若短路匝数较多，会使发电机转子主磁通变小，发电机向外输出的无功功率就会减少，机端电压就会下降，定子电流也会急剧上升;由于绕组短接的磁极磁通变小，而其他磁极磁通势未变，发电机气隙磁场的对称性会被破坏，引起机组震动，还可能使轴系和汽轮机磁化;由于发电机转子绕组的两点之间构成回路，一部分励磁绕组被阻截，两点之间将产生很大的短路电流量，电流产生的电弧可能会烧坏励磁绕组及转子本体，甚至引发火灾。因此发电机转子回路一旦出现一点接地故障，应及时发出信号，通知运维人员处理;出现两点接地时立即跳机。

根据《DL/T684—1999大型发电机变压器继电保护整定计算导则》的要求，汽轮发电机出现转子一点接地时，可以继续维持运行一段时间。但随着汽轮机发电机组的容量不断增大，出于发电机的安全运行考虑，国外的转子接地保护只设置转子接地的高阻值和低阻值保护，高定值报警，低定值跳闸，不区分是否发生一点还是两点接地。

1 一点接地转子接地保护原理

目前，转子一点接地保护普遍采用乒乓式和注入式两大类，下面就分别介绍2种不同原理构成的转子接地保护。

1.1 乒乓式转子接地保护

乒乒式转子一点接地保护的原理：在发电机运行时依次测量励磁绕组正极、负极对地电流，根据测量结果计算出励磁绕组对地电阻，根据阻值进而判断出接地电阻阻值以及接地位置。

设在转子绕组上K点经电阻Rg接地。则注入式接地保护的原理图如图1所示。

在图1中：S1、S2-励磁绕组正极、负极可控开关，轮流分合。

Ud-励磁绕组全电压。

α-接地K点与励磁正极的位置。

R-装置内部固定电阻。

R1-装置测量电阻。

励磁绕组直流电阻阻值较小，则由图1可知，当正极开关S1闭合、负极开关S2断开时，电阻R1上的电压：

（1）

当负极开关S2闭合、正极开关S1断开时，电阻R1上的电压：

（2）

在以上2个公式中：R、R1为已知固定参数，U1、U2为装置测量电压，励磁电压也可测量。以上2个公式组成了二元一次方程，通过求解可算出为具有α和Rg2个未知数。

通过以上理论推导过程，我们可以看出乒乓式转子一点接地保护可以计算出接地的位置，但在机组停机时即未加励磁的情况下，就无法对转子接地情况进行有效监察。

注入式原理转子接地保护，顾名思义就是需要外部辅助的注入电源注入到励磁回路中，并采集相关电气量进行保护逻辑判断。

下面就以GE公司G60发电机保护的注入式接地保护进行介绍。

G60提供两段转子一点接地保护，分别设定一时限。注入式原理可以选择单端注入或双端注入2种方式。

1.2 单端注入式转子接地保护

在转子绕组一端（通常选择负端）与大轴之间注入方波电源，保护采集正负半周的数据实时求解转子对地绝缘电阻值。

VINJ1，VINJ2—注入方波正、负半周电压;

IG1，IG2—注入方波正、负半周电流;

ZF1，ZF2—转子绕组正、负极等效电阻;

RCL—注入方波電源内部电阻;

VEXC—励磁电压;

IEXC—励磁电流;

RG—转子绕组接地电阻。

由于励磁电压通常远大于注入电压，励磁绕组阻值远小于装置耦合电阻，因此注入电压VINJ对励磁绕组电流IEXC的影响可以忽略不计，所以可以认为ZF2上的电压保持固定。

VINJ2=IG2RG+IG2RCL+VF2 ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; （3）

VINJ1=IG1RG+IG1RCL+VF2; ; ; ; ; ; ; ; （4）

两式相减可得接地电阻RG：

（5）

故障点位置α：

（6）

1.3 双端注入一点接地保护

在转子绕组正负两端之间注入方波电源：

RC—注入式方波电源内部电阻。

VINJ1=15V， VINJ2=-15V，I11为施加VINJ1时的上路电流，I12为下路电流;I21为施加VINJ2时的上路电流，I22为下路电流。

与单端注入做同样假设：ZF2上电压保持不变。

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）

将（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）

将公式（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表示电流，G1表示物体的电流。