发电机转子接地保护

正常运行时，发电机转子电压（直流电压）仅有几百伏，且转子绕组及励磁系统对地是绝缘的。因此，当转子绕组或励磁回路发生一点接地时，不会构成对发电机的危害。但是，当发电机转子绕组出现不同位置的两点接地或匝间短路时，很大的短路电流可能烧伤转子本体；另外，由于部分转子绕组被短路，使气隙磁场不均匀或发生畸变，从而使电磁转矩不均匀并造成发电机振动，损坏发电机。

为确保发电机组的安全运行，当发电机转子绕组或励磁回路发生一点接地后，应立即发出信号，告知运行人员进行处理；若发生两点接地时，应立即切除发电机。因此，对发电机组装设转子一点接地保护和转子两点接地保护是非常必要的。

规程规定，对于汽轮发电机，在励磁回路出现一点接地后，可以继续运行一定时间（但必须投入转子两点接地保护）；而对于水轮发电机，在发现转子一点接地后，应立即安排停机。因此，水轮发电机一般不设置转子两点接地保护。

一 发电机转子一接地保护

1 转子一点接地保护的类别

转子一点接地保护的种类较多，主要有叠加直流式、乒乓式及测量转子绕组对地导纳式（实质是叠加交流式）。目前，在国内叠加直流式转子一点接地保护及乒乓式转子一点接地保护得到了广泛应用。

2 叠加直流式转子一点接地保护 （1）构成原理

叠加直流式转子一点接地保护的构成原理是：在发电机转子绕组的一极（正极或负极）对大轴之间，加一个直流电压，通过计算直流电压的输出电流，来测量转子绕组或励磁回路的对地绝缘。其构成原理框图如图43所示。

转子绕组UipR大轴

图43 叠加直流式转子一点保护原理图

在图42中：U－外加直流电压； Ip－计算及测量元件；

R－转子接地电阻。

正常工况下，发电机转子绕组或励磁回路不接地，外加直流电压不会产生电流；当转子绕组或励磁回路中发生一点接地时（设接地电阻为R），则外加直流电压通过部分转子绕组、接地电阻、发电机大轴构成回路，产生电流ip。接地电阻越小，ip越大；反之亦反。

测量计算装置根据电流ip的大小，便可计算出接地电阻值。

（2）叠加直流电源

在转子一点接地保护中采用的叠加直流电源，可以采用外加电源，也可以采用由保护装置自产直流电压。

外加直流电源，通常是将发电机机端TV二次某一相间电压通过单相桥式整流后取得。 在DGT801系列发电机变压器保护装置中，将保护装置的外加直流电源，通过逆变变压器变成高频交流，再将该高频交流通过整流及滤波产生50V左右的直流，供转子一点接地保护用。

叠加直流电源由装置自产的转子一点接地保护主要优点是：转子一点接地保护的工况不受发电机运行工况的影响，从而在发电机停运时也能正确地检测转子绕组及励磁回路的对地绝缘。

3 乒乓式转子一点接地保护

乒乒式转子一点接地保护的构成原理，实质是：在发电机运行时轮流测量转子绕组正极、负极的对地电流，并根据测得的结果计算出转子绕组或励磁回路的对地电阻，从而判断出接地故障的位置及接地电阻的量值。

设在转子绕组上K点经电阻Rg接地。则转子一点接地保护的构成原理图如图44所示。

Ud+Ud-KRgS2S1R1RR

图44 乒乓式转子一点接地保护原理接线图 在图44中：S1、S2－可控的电子开关，轮流闭合及断开； Ud－转子绕组电压；

－接地位置距转子正极的电气百分距离； R－降压电阻； R1－测量电阻。

由于转子绕组的直流电阻很小，则由图44可知，当电子开关S1闭合、S2断开时，测量电阻R1上的电压为

U1RR1RgUd•R1 ………………………………………………（46）

当电子开关S2闭合、S1断开时，测量电阻R1上的电压为 U1(1)Ud•R1 ………………………………………………（47）

RR1Rg在式（46）及式（47）中：R1、R已知，U1、U2为测量电压，转子电压可测量。因此，式（46）及式（47）为具有两个未知数Rg及的两个方程。解方程组，便可求出Rg及。

4 对两种接地保护的比较

理论分析及运行实践表明：上述两种（叠加直流式及乒乓式）接地保护均能正确检测转子绕组及励磁回路的对地绝缘电阻，且无有死区，不同位置接地故障时保护的动作灵敏度均匀。

叠加电压由装置自产的叠加直流式转子一点接地保护有以下优点：

（1） 机组停运行时也能检测转子绕组及励磁系统的对地绝缘，具有较高的经济意义； （2） 受转子电压中高次谐波的影响相对小，不受转子过电压的影响； （3） 也可以用于无刷励磁的发电机。

乒乓式转子一点接地保护的优点是可近似估算出接地点的电气位置。

5 动作逻辑框图

在DGT801系列装置中，转子一点接地保护的逻辑框图如图45所示。

信号转子一点接地保护投入软压板RgRg1t10&转子一点接地保护投入硬压板RgRg2投入转子两点接地保护信号t20出口

图45 转子一点接地保护逻辑框图

在图45中：Rg－测量电阻； Rg1－动作电阻高定值； Rg2－动作电阻低定值。

6 定值整定

目前，发电机转子电压最高只有500V~600V。若按避免转子两点接地时损坏发电机方面考虑，转子一点接地保护的高定值Rg1取8~10KΩ，低定值Rg2可取2 KΩ。

对于水轮发电机，转子一点接地保护应只投信号。 转子一点接地保护的动作延时，可取6~10S。

二 发电机转子两点接地保护

1 转子两点接地保护的种类

转子两点接地保护的主要类别有：电桥平衡原理的两点接地保护、反应接地位置变化的两点接地保护及反应定子电压中二次谐波序量的两点接地保护。

2 利用电桥平衡原理构成的转子两点接地保护

该保护与发电机转子绕组两极相连，其输入电压为转子全电压。其构成原理接线如图46所示。

r1Kr2SBmvKLPr3r4L

图46 电桥平衡式转子两点接地保护原理接线图

在图46中：R－滑线电阻；

L－电感线圈（滤高次谐波用）； K－电流继电器；

SB－接入毫伏表mv的按钮（调平衡时按下）； LP－保护投入压板 mv－直流毫伏表。

设发电机在运行中转子绕组在K点发生接地，则接地点将转子绕组分成其电阻分别为r1及r2的两部分。另外，电阻R的滑动头将该电阻分成r3及r4两部分。此时r1、r2、r3及r4便构成一四臂电桥。根据电桥平衡原理，当R1•R4R2•R3时电桥平衡，流过电流继电器的直流等于零。

当出现转子绕组一点接地之后，运行人员按下试验按钮SB，调节电阻R的滑动头，使毫伏表的指示电压为零。然后松开试验按钮SB，投入压板LP，则转子两点接地保护便投入运行。

当转子绕组上再出现另外一点接地故障时，四臂电桥的平衡被破坏，电流流过继电器K，继电器K动作后切除发电机。

该保护有以下缺点： （1）有死区

当两个接地点之间的电气距离很近时，继电器K不能动作。

（2）当第一个接地点发生在转子绕组极端部或转子绕组外部的励磁系统上时，保护无法投

入（因为r1或r2等于零，无法调平衡）。 （3）该保护只能在转子绕组发生一点接地并经运行人员调平衡后，才能投入运行，若发生两次接地故障之间的间格很短时，因来不及投运危及发电机安全。

3 反映接地位置变化（）的转子两点接地保护

在转子绕组发生一点接地故障之后，投入转子两点接地保护。转子两点接地保护的动作方程为

op ………………………………………………（48）

式（48）中：－转子绕组两个接地点之间的电气距离百分数，等于12（1－

第一个接地点距转子正极端部的电气距离，2－第二个接地点距正极端部的电气距离）。

op－转子两点接地位置变化的整定值。

保护的整定：op可整定为5~10%；为防止瞬间转子两点接地故障时保护误动，可取

0.3秒的动作延时。

该保护有以下缺点：

（1） 有死区，op越大，死区越大；

（2） 运行实践表明，在转子绕组或励磁系统中发生不稳定的一点接地故障时，保护容易

误动。

（3） 不能用于无刷励磁的发电机。

4 反应定子电压中二次谐波序量的转子两点接地保护 （1）构成原理

发电机正常运行时，定子电压中只有基波很小的奇次谐波分量，这是由于气隙磁通的空间分布完全对称于横轴，将其按福里叶级展开，其中没有偶次谐波。因此，不会在定子绕组中产生偶次谐波电势。

当发电机转子绕组发生两点接地短路或匝间短路时，气隙磁通分布均匀性被破坏，在定子绕组中将产生二次谐波电压。分析表明，在三相定子绕组中产生反相序的二次谐波电压，定子二次谐波电压式转子两点接地保护，就是根据上述原理构成的。 （2）逻辑框图

在DGT801系列装置中，转子两点接地保护的逻辑框图如图47所示。

U22U2op&&信号t0出口U22U21转子一点接地保护动作

图47 转子二点接地保护逻辑框图

在图47中：

U22、U21－分别为反相序的二次谐波电压和正相序的二次谐波电压； U2op－二次谐波电压元件动作电压整定值。

正常运行时，该保护退出运行。当转子绕组或励磁系统发生一点接地故障时自动投入运行。其优点是：不受外部故障或其他机组转子两点接地时在定子绕组中出现二次谐波电压的影响。

（3）定值的整定

U2op可按实际测量值整定，可取

U2op＝KHU22g ………………………………………………（49） 式（49）中：KH－可靠系数，取10；

U22g－空载额定电压时的测量值。 通常U2op＝1.5~2V。

动作延时可取0.3~0.5秒，以躲过外部故障时在定子绕组中产生的暂态二次谐波电压及瞬间转子两点接地。

（4）正常运行时定子绕组中的二次谐波电压

理论分析表明：正常运行时发电机定子电压中不含有二次谐波分量。但实际上由于转子偏心等原因，定子绕组中会出现二次谐波电压。测量表明：定子线电压中只含有0.03~0.1%的二次谐波电压分量；另外，二次谐波分量只与发电机电压的高低有关，而与发电机负载无关。

在运行工况下，对100~300MW发电机定子绕组中二次谐波电压的测量结果列于下表。

发电机二次谐波电压实测值 容 量 （万千瓦） 10 10 10 10 10 12.5 12.5 12.5 12.5 20 30 冷却方式 氢 内 冷 氢 内 冷 氢 内 冷 氢 内 冷 氢 内 冷 双 水 内 冷 双 水 内 冷 双 水 内 冷 双 水 内 冷 双 水 内 冷 双 水 内 冷 Uab Ubc Uca （毫伏） 60.5 52 80 70 30 95 95 100 90 43 115 （毫伏） 66 52 76.5 70 27 90 85 85 90 41.5 105 （毫伏） 60 52 55 62.5 30 105 105 90 105 38.5 95