双端注入式转子接地保护在无刷励磁发电机中的运用

王 佼，徐 岩

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定071003)

0 引言

无刷励磁发电机取消了直流机励磁系统中的机械整流部分和半导体励磁中的炭刷、集电环，所以，无刷励磁发电机具有噪声小、无碳粉铜末、无火花的优点，但是转子的电压、电流及温度难以直接测量，转子接地故障监测比较困难。发电机励磁回路一点接地故障很常见［1－4］，其对发电机本体并未造成危害，若相继发生第二点接地故障，则会出现故障点电流过大烧伤转子本体、励磁绕组被短接气隙磁通失去平衡引起振动及轴系转子磁化等灾难性的后果。因此，为了保障发电机的安全，本文提出将无刷励磁机组采用定时举刷方式，使转子绕组的引出方式变更为正、负两端引出，然后用双端注入原理对转子进行一点接地监测。

1 无刷励磁发电机的结构特点和工作原理

无刷励磁发电机［5－7］由主发电机、交流励磁机、旋转整流器等主要部分组成，如图1所示。主发电机转子、励磁机电枢和旋转整流器都装在同轴上一起旋转，励磁机磁极固定在定子内侧。主发电机结构大同小异，都是转场式的，有隐极和凸极，交流励磁机为转枢式的。同步发电机由有刷进化到无刷主要是有了交流励磁机和旋转整流器。

当原动机拖动主发电机旋转时，励磁机转子上的电枢绕组首先切割剩磁自励发出交流电，然后经旋转整流器变成直流电后进入主发电机转子绕组以励磁。主发电机转子的励磁绕组建立磁场后旋转，在定子的电枢绕组上产生电势及电流。这就是无刷励磁发电机的基本原理。

图1 无刷励磁发电机结构

2 无刷励磁发电机转子一点接地保护

2.1 无刷励磁发电机转子自动举刷装置

目前，多数无刷励磁机组只在励磁端接有1只测量电刷，固定引出转子绕组的负端，一点接地故障只能采用单端注入式原理进行监测［8－11］。由于单端注入式原理没有同时引出转子绕组的正、负两端，故无法计算转子接地故障的位置。

考虑到励磁机转子的原有设计结构和转子接地保护的实际情况，无刷励磁机组宜采用自动举刷的方式，保留转子绕组的负极测量电刷，再从转子绕组正极引出1根线来增加转子绕组的正极引线。这样，转子绕组正、负两端均引出，则可以采用双端注入式原理对转子接地故障进行监测，同时可以计算转子接地故障的位置。无刷励磁发电机转子自动举刷装置如图2所示。

图2 自动举刷装置原理接线图

2.2 双端注入式转子一点接地保护

现场采用定时举刷方式后，转子绕组的引出方式变更为正、负两端均引出。注入电源从转子绕组的正负两端与大轴之间注入，注入电源的切换周期可根据转子绕组对地电容的大小进行调整，实时求解转子一点接地电阻，保护反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。双端注入式转子接地保护的工作电路如图3所示。

图3 双端注入式转子接地保护原理

假设在距离负端α点发生接地。方波注入式保护由于在稳态下测量，所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用，因此在每半波周期内，电路可以看作是直流注入。

2.2.1 励磁电压UL不变

在方波的正半波可列出回路电流方程组为

设Um为采样电阻 Rm两端电压，Um=(I1+I2)Rm，由式(1)、式(2)可得到Um的表达式为

方波在负半波时，除注入电压极性改变以外，其它均与正半波时情况相同。因此同理可以得到U'm的表达式为

由式(3)、式(4)可得

将式(5)代入式(3)可得

2.2.2 励磁电压UL变化

无刷励磁发电机在强励或者启、停机时，励磁电压将发生变化。当励磁电压变化时，通过图3列写回路方程，可以推导出R'g计算公式为

由式(5)减去式(7)可得

分析式(9)可知，当励磁电压UL变化时，计算出的接地电阻与实际的接地电阻会有一定误差，当α=0.5时，误差为零;随着向转子两端靠近，误差逐渐增大;当α=0或1时，误差最大。正负半波测量过程中励磁电压变化得越大，误差也越大;外加电压越高，励磁电压变化引入的误差越小。据此可以画出误差ΔRg和励磁电压变化量ΔUL的关系曲线，如图4所示。

图4 接地电阻随励磁电压变化关系图

2.2.3 一点接地动作判据

一点接地的动作判据为

式中Rgset为一点接地过渡电阻整定值，一般可取为5～50 kΩ或者更大［12］。当一点接地故障发生后，保护装置可以根据动作判据式(10)作为整定判据，动作于信号。

3 无刷励磁发电机转子一点接地仿真分析

3.1 仿真模型介绍

在图3所示电路的基础上，采用Matlab软件构建励磁绕组接地故障仿真模型［13］，如图5所示。励磁绕组用4段π型等效电路来表示。额定电压为475.9 V，空载电压为 191.8 V，电阻 Re=0.102 9 Ω，电感 Le=1.58 mH，对地电阻 Ry=5 MΩ，对地电容 Cy=1.264 μF，Re1=0.25Re，Le1=0.25Le，Re2=0.15Re，Le2=0.15Le，Re3=0.10Re，Le3=0.10Le，Ry1=8Ry，Cy1=Cy/8，Ry2=4Ry，Cy2=Cy/4，ZS为励磁系统内阻，阻值很小。

在图5模型中，假设励磁电压不变化，仿真过程中UL为固定值，用Rg、Cg模拟转子的接地电阻和电容。用1个脉冲发生器模块叠加50 V增益控制受控电压源，模拟±50 V的方波电源Us，通过改变脉冲发生器的周期，改变方波的周期。

3.2 仿真试验结果

a.设置UL=500 V，改变Rg的大小，检测保护的灵敏度和精度，其结果如表1所示。由表1可知，随着Rg的增加，测量值和实际值之间的偏差也有所增大，但灵敏度满足要求。

b.设置Rg=20 kΩ，改变UL的数值，检测相关测量数值的变化，结果如表2所示。由表2可知，励磁电压变化时，测量值和实际值之间的偏差并不太大，灵敏度高且一致。

图5 无刷励磁发电机转子绕组一点接地故障仿真模型

表1 一点接地保护灵敏度和精度试验结果

表2 励磁电压变化时一点接地保护试验结果

c.设置UL=0 V，改变Rg的数值，检测保护的灵敏度和精度，结果如表3所示。由表3可知，双端注入式转子接地保护原理可在静止或未加励磁状态下监视转子接地故障。

d.设置 UL=500 V，Rg=50 kΩ，改变 α 的数值检测保护的灵敏度和精度，结果如表4所示。由表4可知，双端注入式转子接地保护灵敏度与转子接地位置无关。

表3 未加励磁时一点接地保护试验结果

表4 接地点位置变化时一点接地保护试验结果

3.3 仿真结果分析

从仿真试验结果分析可知，双端注入原理可实时计算转子接地位置，接地电阻测量精度高;可在未加励磁电压的情况下，也能监视转子绝缘情况;保护灵敏度与转子接地位置无关，保护无死区，在转子绕组上任一点接地都有很高的灵敏度;具有定时和手动举刷功能，能满足无刷励磁机组转子接地保护的要求。

4 结论

通过上述分析与仿真，结果表明，双端注入式原理在未加励磁电压的情况下也能监视转子绝缘，在转子绕组上任一点接地时，接地电阻测量精度高，保护具有一致的高灵敏度，能够精确计算出转子接地故障位置，能够满足无刷励磁机组转子接地保护的要求。

［1］夏晶华.微机式转子一点接地保护原理分析［J］.东北电力技术，2003，24(6):25 －27.

［2］郭光荣.发电机转子绕组接地保护［J］.电力系统自动化，2003，27(20):73 －76.

［3］屠黎明，吴济安，胡敏强，等.大型水轮发电机不完全差动保护的配置及其灵敏度分析［J］.电力自动化设备，2002，22(1):6－10.

［4］兰华，袁天刚，张木子，等.励磁绕组接地保护的分析［J］.黑龙江电力，2010，32(6):408 －412.

［5］高仕红，黄勇，钟建伟，等.无刷同步电机转子绕组接地检测新原理的研究［J］.电力系统保护与控制，2009，37(13):32－37.

［6］刘念，谢驰.无刷励磁同步发电机旋转整流器故障的模糊神经网络诊断［J］.继电器，2003，31(8):8－10.

［7］安光辉，武亚娟.330 MW发电机无刷励磁系统运行分析［J］.电网与清洁能源，2008，24(6):45 －47.

［8］陈俊，陈佳胜，张琦雪，等.超超临界机组发电机定子和转子接地保护方案［J］.电力系统自动化，2008，32(30):101－103.

［9］GanZhijun，Khinchahp，ElangovanS.New ground fault protection system for the field winding of a brushless generator［J］.Electric Machines and PowerSystems，1997，25(5):475 －483.

［10］侯有韬，张丽丽.外加电源式定子接地保护影响因素的分析［J］.继电器，2005，33(12):27 －31.

［11］李宾，屠黎明，苏义，等.发电机转子绕组接地保护综述［J］.电力设备，2006，7(11):33 －36.

［12］张侃君，尹项根，陈德树.乒乓式励磁绕组接地保护方式的改进与分析［J］.电网技术，2007，31(12):28 －32.

［13］卢继平，张向军，王晓健，等.交流励磁发电机转子绕组一点接地保护［J］.继电器，2008，36(1):5 －8.