转子一点接地原理突破

叠加交流电压式转子一点接地保护微机化设计探讨

张艳

哈尔滨电气集团阿城继电器有限责任公司哈尔滨阿城区150302

摘要：常规的叠加交流电压式转子一点接地保护由于受励磁回路对地分布电容的影响，易误动，灵敏度低，已被淘汰。设计中的微机型叠加交流电压式原理的转子一点接地保护，通过软件计算消除了励磁回路对地分布电容的影响，并保持了原有常规保护的优点，使之成为动作可靠、原理简单、精度高、造价低廉、在停机状况亦可对发电机提供保护的一种先进转子接地保护。叠加交流电压式转子一点接地保护的微机化极大的提高了该类保护的性能。

关键词：转子一点接地；叠加交流; 微机化；分布电容；复数计算

1.引言

常规的叠加交流电压式转子一点接地保护由于受转子励磁绕组对地分布电容的影响，灵敏度低，易误动，随着保护的微机化已被淘汰。当前主要替代应用的转子一点接地保护是乒乓式转子一点接地保护、低频注入式转子一点接地保护和微机式叠加直流电压原理的转子一点接地保护。前者在发电机停机状态不能给发电机提供保护，且由于引出碳刷的原因易误动，增加了维护人员的工作量；低频注入式转子一点接地保护原理复杂、造价昂贵、维护困难，且不能完全消除对地分布电容的影响。微机式叠加直流电压原理的转子一点接地保护是对常规叠加直流电压原理的微机化应用，但该保护在发生一点接地的情况下，会导致励磁电压的波动。下面我们探讨如何将叠加交流电压式转子一点接地保护进行微机化设计。

2.原理接线设计

常规的叠加交流电压式转子一点接地保护，接线简单，没有死区，整个励磁绕组任意一点接地的灵敏度相同，但其简单的将采集到的接地电流作为动作量，不可避免的受励磁回路对地分布电容的影响，应用在大中型机组上时，灵敏度很低。现随着继电保护的微机化，及此类保护新型微机原理的出现，已不再应用。为了将叠加交流电压式转子一点接地保护进行微机化，使其继承其原有的优点，克服其缺点，我们可以在设计上考虑同时采集注入的交流电压和电流矢量，现在我们参照该常规保护的原理接线，设计的接线图见图1。

图1中，左侧为转子一点接地测量装置。T1为注入变压器可设计变比为220/50，可采用UPS供电，保证发电机在停机和开机状态为保护提供持续稳定的注入电源。T2为微安级采集电流互感器可设计变比为1:10。R为限流注入电阻，电阻R的大小可依据机组的大小

来选择，大机组的对地电容f C 较大，仅励磁绕组对地即可达1~2uF,当注入电压为50Hz 时，

图1. 叠加交流电压式转子一点接地保护原理接线图

对地容抗仅有3.2~1.6k Ω，正常对地电流可达到31mA,对于旋转励磁的系统此电流可引起滑环接触碳刷的发热加速损耗，可选择适合的电阻R 对此电流加以限制。C 为隔直耦合电容，用于隔离直流励磁电压，仅其中的谐波成分和注入的基波可以通过，T1、T2对励磁电压中的谐波成分有一定的抑制作用，剩余的谐波谐波成分进入装置后，可经软件数字滤波技术完全滤除。f C 为转子励磁绕组对地分布电容，k R 为转子励磁绕组对地的绝缘电阻。 如图1所示，50Hz 交流220v 电压经注入降压变压器T1,通过采样互感器T2的原边、

电阻R 、电容C 注入到励磁绕组。装置将采集到的注入50Hz 电压U

,注入电流I 送入CPU 进行计算，当计算出的k R 小于整定值时保护动作，如何计算出k R 是设计的关键，下面推导k R 的计算公式看是否可消除对地分布电容f C 对其的影响。

3. 计算公式推导

我们可将原理回路中固有的元件参数输入到装置，参与接地电阻k R 的计算。

设隔直耦合电容C 的容抗为c X ,则C X C ω1=

设分布电容f C 的容抗为Cf X ,则f

cf C X ω1= 设k Z 为分布电容和绝缘电阻的并联阻抗， 则22222

2k //cf k cf k cf k cf Cf k Cf

k Cf k k X R X R j X R X R jX R X jR jX R Z +-+=--=-= （1）

若将励磁绕组中的交流压降和交变感应电动势忽略不计，则注入电流为

k

c Z jX R U I +-= 保护装置根据测量的U ,I n （n 为电流互感器T2的变比），阻抗角φ和公式

)sin (co s φφj Z U I += ，可计算出回路阻抗I

U Z =， 以复数的形式表示回路阻抗())sin -(cos sin -cos φφφφj I U j I

U Z == ，回路阻抗Z 减去回路固有的c jX R -即得到励磁绕组对地阻抗，即)()sin -(cos c k jX R j I

U Z --=φφ（2）,式（2）的复数可表达为)sin (cos k ααj Z Z k +=（3）

，这里 2

2sin -cos ⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝⎛-=C k X I U R I U Z φφ (5) ；k Z R I U -=φαcos cos (6) 接着我们推导出接地电阻k R 的计算公式，首先将式（1）代入式（3）可得到

222224224)(Cf k Cf k Cf k k Cf k Cf k X R X R X R R X R X Z +=++=

（7） =αcos 22

222)/(Cf k Cf

k

Cf k k Cf X R X Z X R R X +=+ (8) 式（7）除以式(8)得α

cos k

k Z R = (9)，将式（5）、（6）带入式（9）得 R I

U X I U R I U Z R C k k -⎪⎭⎫ ⎝⎛++⎪⎭⎫ ⎝

⎛-==φφφαcos sin -cos cos 22 （10） 从式（10）可看出通过测量的U ,I 计算出的绝缘电阻k

R 已完全消除了转子对地分布电容f C 的影响，且与励磁电压的大小和接地位置无关。这个计算公式在微机保护通过软件很容易实现。

4. 结论

综上所述，设计的微机式叠加交流电压式转子一点接地保护通过借鉴常规叠加交流电压式转子一点接地的原理，同时采集了注入电压和注入电流的矢量，经过巧妙的复数计算，彻