转子接地保护原理

发电机转子接地保护原理
发电机正常运行时，转子的转速很高，离心力极大，承受的电负荷又重，一次励磁绕组绝缘容易破坏。

绕组导线碰接铁芯，就会造成转子一点接地故障。

发电机励磁回路的一点接地是比较常见的故障，由于不会形成电流通路，所以对发电机无直接危害，因此发电机可继续运行。

但发生一点接地以后，励磁回路对地电压会有所升高，例如当负极接地，励磁绕组正极对地电压即增加到工作励磁电压值；正极接地，励磁绕组负极对地电压也增加到工作励磁电压值。

因此当转子发生一点接地后，如发电机仍然继续运行，遇上励磁绕组其他点绝缘水平降低时，就有可能发生转子回路的第二点接地。

励磁回路两点接地后构成短路电流通路，可能烧坏转子绕组和铁芯。

由于部分励磁绕组被短接，破坏了气隙磁场的对称性，引起机组振动，特别是多机组振动更严重。

此外，转子两点接地还可能使汽轮发电机组的轴系统和汽缸磁化。

因此，转子一点接地以后,应该对励磁回路进行认真检查.同时是否会有保护误动作:根据某些保护构成原理,检查是不是因为炭刷接触不良所引起.此外,还可以倒换备用励磁以找出接地范围.如果一旦确认转子一点接地,应该投入转子2点接地保护,这时候,严禁在励磁回路上工作,以防保护误动作。

需要指出的是,在转子一点接地的同时,若发电机出现振动,则应该立即解列停机。

一．转子一点接地保护
1.绝缘检测装置
用一个电压表定期测量励磁回路正负极对地电压，其接线如下图所示。

图中元件1为励磁绕组，元件2为接地炭刷。

励磁绕组对地存在着绝缘电阻，设这些绝缘电阻对地均匀分布，如图中的r1,r2,…，r n－1，r n。

当励磁绕组绝缘良好时，所测得的正极对地电压和于负极对地电压。

如果正极接地，则负极对地电压为工作励磁电压；如果负极接地，则正极对地电压为工作励磁电压。

如果励磁绕组其他点接地，一般情况下，正极对地电压不等于负极电压，而且所测得的电压低于工作励磁电压。

但是如果励磁绕组中部接地，则所测得的正极对地电压将等于负极对地电压，且为工作励磁电压的一半。

利用图中的切换开关S 和电压表PV可以进行上述各种测量。

2.叠加交流电压式一点接地保护
叠加交流电压式转子一点接地保护装置的原理图如下图所示。

图中C mE 为励磁绕组对地电容，R mE 为励磁绕组对地电阻。

U ∽为励磁绕组整定交流分量。

C i 为隔直电容，其作用是使励磁电压产生的直流电流不会流经交流电源回路。

K 为继电器，其阻抗为R K 。

UV 为电压变换器，主要起到隔离作用，将交流电源和转子回路隔开，并将交流电压降低到保护装置所需要的电压。

正常运行时，流过继电器的电流为
I -=X R X R X R U U mE
mE mE mE
ci K m j j j ---+.~.
21 式中 －j X R X R mE mE mE mE
j -——C mE 的容抗和R mE 并联后的阻抗。

当励磁绕组对地绝缘降低时，流过继电器的电流将增大，达到保护整定值时保护动作。

这种保护的优点是消耗功率小，没有死区。

缺点是流过继电器的电流受励磁绕组对地电容和励磁电压中交流分量的影响。

3.叠加直流电压式一点接地保护
叠加直流电压式转子一点接地保护装置的原理接线图如下图所示。

图中电压变换器UV 将交流电源电压变换成适当的电压，再经过全波整流变换成直流电压叠加在励磁绕组上。

回路中还串有继电器K ，其电阻为R K ；RmE 为发电机正常运行时励磁绕组对地绝缘电阻，假设集中于励磁绕组的中部。

正常运行时，继电器中流过的电流为
I r =R R U U mE K r ++=21
当励磁绕组对地绝缘降低时，继电器中流过的电流为
I r /=R R U U mE K r /
21++= 由于励磁绕组绝缘电阻R mE /比R mE 小，故电流I r /大于I r ，因此继电器将在励磁绕组对
地绝缘电阻降低到保护整定值时动作。

这类保护的优点是不受励磁绕组对地电容和励磁电压中交流分量的影响，保护无死区；但是对于励磁绕组对地绝缘电阻RmE 本身就很低的发电机，如双水内冷发电机，由于RmE 太小，将使正常运行时流过继电器的电流Ir 大于保护的整定值，以致保护正常运行时就处于动作状态，因此对于这类发电机，不能应用这种保护。

4.乒乓采样式一点接地保护
乒乓式原理转子一点接地保护装置的原理接线图如下图所示。

乒乓式原理转子一点接地保护装置内部的电子开关，在时序电路控制下周期性地导通、截止，即转子的正负极人为地周期性接地来监测转子的对地绝缘状况。

保护的动作判据是通过乒乓式工作原理来实现的。

在下图中，设发电机转子绕组的d 点经接地电阻R jd 一点接地。

U L 为励磁电压，U 1为转子正极与d 点之间的电压，U 2为d 点与转子负极之间的电压，R 0为保护装置内设电阻，S 1与S 2为两个电子开关，由时钟脉冲控制其状态为S 1闭合时，S 2打开；S 1打开时, S 2闭合（S 1 、S 2同时打开），二者循环交替运行。

类似推来挡去的乒乓球。

S 1闭合S 2打开时，直流稳态电流、电导分别为
I 1＝U 1/(R 0＋R jd ) G 1＝I 1/U 1＝1/(R 0＋R jd )
S 2闭合S 1打开时，直流稳态电流、电导分别为
I 2＝U 2/(R 0＋R jd ) G 2＝I 2/U 2＝1/(R 0＋R jd )
由于第一个采样点时刻与第二个采样点时刻是同一个接点地d 。

上式表明，当接地电阻越小，则测定电导G 越大, 所以将上式作为转子一点接地保护的动作判据,当R jd ＜R zd (整定电阻)，即当G ＞Gzd(整定电导)时保护动作。

实质是电子开关在时序电路控制下周期性地导通、截止,即转子的正负极人为地周期性接地。

通过这种方法可检测发电机转子绕组的接地故障。

发生转子一点接地后，转子两点接地保护延时投入，根据一点接地位置的变化，即可实现转子两点接地保护。

5.（变极性）一点接地保护
如图所示，为变极性转子一点接地原理简图，从图中可看出T1、T4；T2、T3分别为两个桥臂，外加电源为E，经过R E电阻分别接到转子的正负极上，当发生转子一点接地时，接地电流经Rs产生电压Ui。

由计算机采集后，可求出大小。

图中CP脉冲和开关K由保护软件控制。

CP 脉冲周期大约为1秒，分别控制T1、T2、T3、T4轮流导通。

下面分析工作过程：假设CP为高电平，则T1、T4截止，T2、T3导通，E通过T3、Rc、Rg、Rs、R G、R E、T2回到E。

Rs上的电压为上“+”下“－”；同理当CP为低电平时，则T2、T3截止，T1、T4通，E通过T1、R E、R G、Rs、Rg、Rc、T4回到E。

Rs上的电压为上“－”下“+”；到此即为完成了一个采样周期。

采用变极性的目的是当转子有励磁时，能使得转子电压与外加电源总能同极性叠加，以提高转子不同位置发生接地时保护的动作灵敏度。

当测量的转子接地电流增大（转子对地绝缘下降）到启动值时，CP脉冲不再变化，计算机先测出此时的I1，然后再合上开关K，此时认为转子电压未发生大的变化，并测出此时的电流I2 (I2>I1)，联立I1、I2求出转子回路对地的绝缘电阻值，并与整定电阻比较。

如果小于整定值保护动作发信号，否则表示绝缘还未下降到整定值，保护返回继续测量。

二．转子两点接地保护
1．电桥平衡式转子两点接地保护
保护的动作判据是测量桥平衡是否被破坏，采样电阻R上是否有激励量输出来判断转子接地故障。

转子两点接地保护装置.在发电机正常运行时是不投入运行的，即下图中的开关S不投，出口压板解除。

当发电机转子出现一点接地故障时，由转子回路的一点接地保护装置发出告警信号。

运行人员就地解除一点接地保护的出口压板，两点接地保护装置投入运行（即下图中的S开关投入），调节平衡器使电压表的读数为零，即下面等式成立：
K1/K2=R1/R2
然后投入出口压板。

当转子出现两点接地时，电桥失去平衡等式不成立，采样电阻R有激励量输出，保护动作。

2.
⑴
⑵
⑶
另外：
无刷励磁系统与以往同轴三机静态励磁系统比较，由于励磁电流经旋转整流二极管引入发电机转子，因此没有引入励磁大电流的滑环。

为了实现转子一点接地保护，转子绕组至少需要引出一端，采用外加电源原理，通常引出转子绕组的负端，由于无刷励磁系统的滑环容量较小，碳刷不宜长期与发电机滑环紧密接触，否则会出现碳刷磨损及滑环表面出现电腐蚀情况，不但缩短了滑环的使用寿命，也大大增加了运行维护的工作量。

正是鉴于以上考虑，DL400-91《继电保护和安全自动装置技术规程》中第2.2.11.3规定“对旋转整流励磁的发电机，宜装设一点接地故障定期检测装置”。

一般由励磁调节器控制定时启动举刷装置进行接地检测。

对微机保护来讲,如果无法引出转子绕组的一端,将无法监测转子一点接地故障。

可以用旋转励磁机交流中性点经滑环引接出中性线N,N经一个过电压继电器接地.过电压继电器可以选用CV-8等型号.去微机保护,来监测发电机转子一点接地。

提出的发电机转子接地保护采用了一个简单的电阻电容网络接于转子的正、负极及大轴上,在网络的三个分支上设有开关和电流采样回路,通过按一定时序切换开关及采样保持由转子电压产生的电流,比较采样值,即可确定励磁回路对地绝缘电阻是否小于预定电阻值.采用高反压三极管作为开关,采用电抗互感器及其二次侧的电容进行电流采样及保持.本装置的优点是可以免除转子电压中谐波分量、励磁回路中的电感和对地分布电容及故障地点的影响,并且构造比较简单。