静止励磁轴电压滤波回路对发电机转子接地保护装置的影响

李毅，张文斌，李洲，王智高

(西安热工研究院有限责任公司，西安 710032)

0 引言

转子接地是发电机较常见的故障。转子一点接地时，由于没有形成闭合通路，励磁绕组参数没有改变，所以并不会造成直接危险。但如果发生2点接地故障，则会出现故障点电流过大而造成转子本体烧伤、励磁绕组短接，导致气隙磁通失去平衡、引起振动以及转子磁化等故障，严重威胁发电机安全［1］。GB/T 14285—2006《继电保护和安全自动装置技术规程》规定1 MW及以上的发电机应装设专用的转子一点接地保护装置，使信号延时动作，以减负荷平稳停机，有条件时可动作于程序跳闸［2］。

目前，转子接地保护形式主要有切换采样式(乒乓式)、注入方波电源式、注入直流电压式、注入交流电压式及电桥式等。其中乒乓式和电桥式采用非注入式原理，依靠励磁绕组本身的电气量构成保护依据;注入方波电源式、注入直流电压式及注入交流电压式采用注入式原理，需要外加辅助电源注入转子绕组，采集相关的电气量构成保护。

本文分别以有励磁轴电压滤波回路，采用切换采样式和注入方波电源式转子接地保护的机组为例，对保护装置测量发电机转子绕组的接地阻值异常情况进行了分析，并提出了相应对策和注意事项。

1 2种保护原理

1.1 乒乓式保护原理

乒乓式转子接地保护工作电路如图1所示，图中S1，S2为电子开关，得到相应的回路方程，通过求解方程，可以得到转子接地电阻Rf和接地位置α。

图1 切换采样式转子接地保护原理

式中:Rf为接地电阻;I1，I2，E 为 S1闭合、S2断开时的回路电流和转子电压;I1'，I2'，E'为 S2闭合、S1断开时的回路电流和转子电压;R，R1为保护装置测量电阻;U1为S1闭合、S2断开时R1上的压降;U2为S2闭合、S1断开时R1上的压降;ΔU是U1与kU2的差值。

1.2 注入方波电源式保护原理

注入式转子接地保护原理如图2所示。在转子绕组的正、负两端或其中一端(通常选择负端)与大轴之间注入电压，通过装置内部电子开关定时切换，实时求解转子对地绝缘电阻值，注入电压由保护装置自产，在未加转子电压的情况下，也能监视转子的绝缘情况［3］。接地电阻计算公式如下。

图2 注入方波电源式转子接地保护原理

式中:Rm为测量电阻;Rc为耦合电阻;Us为方波电源;I1，I2为方波电压正、负时的测量电流，设方波电源正、负时转子电压不变。

2 励磁轴电压滤波回路原理

目前，大型发电机组一般采用静止励磁系统，静止励磁系统使汽轮发电机增加一个相当大的高频谐波轴电压源，由于发电机转轴表面旋转的速度很高，通过汽轮机机端轴接地消除轴电压已经不再可靠［4］。为了抑制轴电压的幅值，有些励磁系统装设了轴电压吸收回路，用来滤去谐波电流，如图3所示。

图3 轴电压吸收回路

3 转子接地保护调试中出现的问题

山东某2×350 MW热电联产电厂采用中国东方电气集团有限公司生产的QFSN-350-2-20型发电机，国电南瑞科技股份有限公司生产的SAVR5000型静止励磁装置，许继集团有限公司生产的WFB-800A型发电机变压器组成套保护装置，配置乒乓式转子接地保护。其轴电压滤波回路的滤波电阻、电容分别是10 Ω和2 μF。机组整套启动时，汽轮机转速为3000r/min定速，转子绕组绝缘电阻大于50 MΩ，励磁绕组带电后，乒乓式转子接地保护测量的发电机转子绕组的接地阻值始终是26 kΩ，接近报警定值20 kΩ，但与转子绕组实际的绝缘阻值相差很大。拆除轴电压滤波回路，保护测量的发电机转子绕组的接地阻值显示655.36 kΩ，可认为是无穷大，与定速时测量的转子绕组绝缘相当。

越南某电厂2×622.5 MW火力发电项目，采用中国东方电气集团有限公司生产的QFSN-622.5-2-22型发电机和T6S-O/U251-S6000型静止励磁装置，南京南瑞继保电气有限公司RCS-985RE型注入式转子接地保护装置。其滤波电阻、电容分别是10Ω和2μF。绕组静态转子绕组绝缘电阻大于50MΩ，注入式转子接地保护装置测量的转子绕组的接地阻值78kΩ，也出现了转子绕组实际的绝缘阻值相差很大的情况。同样，拆除轴电压滤波回路后，保护测量的发电机转子绕组的接地阻值显示300.00 kΩ，可认为是无穷大，与绕组静态转子绕组绝缘电阻相当。

上述2个电厂静止励磁装置使用了轴电压滤波回路，都出现了出现接地保护装置测量的发电机转子绕组的接地阻值与实际转子绕组绝缘电阻值偏差较大的情况。

4 问题分析

DL/T 671—1999《微机发电机变压器组保护装置通用技术条件》中规定，发电机转子一点接地保护，应能适用于转子回路对地分布电容不大于8 μF的各种非旋转励磁方式的发电机励磁回路。大机组转子绕组本身对地电容最大为1～2μF，电厂静止励磁装置使用了轴电压滤波回路后，转子绕组对地的电容增加了很多，电容接近8 μF，在工程实例中，乒乓式转子接地保护和注入式转子接地保护装置均出现测量值偏差，严重影响保护性能。

4.1 注入方波电源式转子接地保护

图2所示乒乓式转子接地保护原理，在不考虑转子对地电容和滤波回路电容，转子的对地绝缘良好，Rf阻值较高时，可认为此时I1，I2均为0，根据式(1)可知Rf为无穷大。

含有滤波回路注入方波电源式接地保护原理如图4所示。回路简化成一阶电路，可列出方程

式中:C为回路等效电容;u0为电容初始电压;i为回路电流;τ为时间常数;t为时间;uc为等效电容上的压降。

电流衰减到稳态基本需3～5 τ，即0.3～0.5 s，方波电源的切换时间0.5 s，不能保证完全小于电容的充、放电时间，式(1)中的I1，I2就会有差异，根据式(1)可知Rf有一定的阻值，导致保护装置测量值出现偏差。

图4 含有滤波回路注入方波电源式接地保护原理

4.2 乒乓式转子接地保护

图1所示切换采样式转子接地保护原理，不考虑转子对地电容和滤波回路电容，转子的对地绝缘良好，Rf阻值较高时，可认为Rf处回路电阻无穷大，此时电子开关S1或S2闭合，均有

根据式(1)可知Rf为无穷大。

含有滤波回路乒乓式转子接地保护原理如图5所示。转子的对地绝缘良好、Rf阻值较高时，Rf处回路电阻无穷大。根据保护厂家资料，图5装置中回路的电阻约为10 kΩ，滤波回路电容为2×2 μF，时间常数τ=RC=10000×0.000004=0.04(s)，电流衰减到稳态基本需3～5 τ，即0.12～0.20 s，而保护装置1 s中实际计算接地的次数为2次，保护装置在电子开关关断前读取采样电流I1和I2，如果I1，I2不能衰减成稳态电流，由电流计算的采样电压也不是稳态的电压。

图5 含有滤波回路切换采样式转子接地保护原理

切换采样原理(乒乓式)的转子接地保护，电子开关切换后的电流测量必须达到稳态。只要(保护装置)测定的电流I1，I2确实是稳态值，则此保护装置与励磁回路对地电容无关［5-9］;如果没有达到稳态值，保护装置出现测量值偏差，无法正常工作，则可能出现误动。

5 接地保护及轴电压滤波回路参数配合

在机组基建的过程中，安装好完整的励磁回路，一般时间已临近机组整套启动时间，如果出现上述问题，现场解决的方法往往是拆除轴电压滤波回路，以保证转子接地保护性能。拆除轴电压滤波回路，等于失去了一个抑制轴电压的手段，从机组长期安全运行角度来看不值得提倡。

乒乓式转子接地保护、注入式转子接地保护装置具有电路简单、测量方便、精度高、易于微机实现等优点，目前在数字式微机保护中得到相当普遍的应用。这2种保护测量有简化后阶跃电路的特点，电流衰减到稳态，计算时只有电流是稳态的，才能说明接地电阻与转子回路对地电容的大小无关。

保护装置的电子开关或方波电源切换后，测量回路的暂态电流的衰减速率主要和保护测量回路电阻、转子绕组及其外部励磁回路的电容有关。如果减小测量回路的电阻，则会影响保护测量的准确度和精度;如果减小转子外部的励磁回路电容，则达不到滤去谐波电流作用。延长保护装置电子开关、注入方波切换的时间，可以得到稳态电流，但会减少单位时间内的计算次数，保护的性能会下降。因此，励磁装置和保护厂家在具体的工程中，应加强联系，改进参数降低时间常数，使综合性能达到最优。

6 结束语

大型发电机的转子绕组及其外部励磁回路，对地电容比较大，且机组容量及结构不同时，其对地电容值也不同。任何原理的励磁绕组回路一点接地保护均应采取技术措施，减少或完全消除对地电容对转子一点接地保护的不利影响。同时，在转子回路设计增加对地电容时，也应充分考虑对保护装置的影响。

［1］王维俭.发电机变压器继电保护应用［M］.2版.北京:中国电力出版社，2005:158-173.

［2］继电保护和安全自动装置技术规程:GB/T 14285—2006［S］.

［3］AMMANLL C.静止励磁的发电机中产生的轴电压问题和解决的方法［J］.国外大电机，2005(3):27-34.

［4］吴笃贵.静止励磁系统保护配置方案［J］.电力系统自动化，2006:29(19):72-75.

［5］陈俊，王光，严伟，等.关于发电机转子接地保护几个问题的探讨［J］.电力系统自动化，2008:32(1):90-92.

［6］张侃君，尹项根，陈德树.乒乓式励磁绕组接地保护若干问题的探讨［J］.电力系统自动化，)2006(11):56-60.

［7］夏勇军，尹项根，杨经超，等.发电机乒乓式转子接地保护电路设计［J］.电力自动化设备，2004(12):52-55.

［8］兰华，张波，李卫国.乒乓式励磁绕组接地保护若干问题的分析［J］.电力系统保护与控制，2010(15):28-32.

［9］吴仕宏，程琨，张海宁，等.乒乓式转子接地保护的分析与完善［J］.沈阳农业大学学报，2014(1):126-128.