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大型水輪發電機轉子一點接地保護應用研究

文檔作者：王翠翠，易亞文，朱遲銳文檔來源：向家壩水力發電廠		點擊數：	更新時間： 2025年05月30日
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第35卷第5期 水電站機電技術
2012年1O月 Mechanical＆Electrical Technique of Hydropower Station
Vol_35 No．5
Oct．2012 87
大型水輪發電機轉子一點接地保護應用研究
王翠翠，易亞文，朱遲銳
(向家壩水力發電廠，四川I宜賓644612)
摘要：介紹了發電機轉子一點接地保護發生的原因和產生的危害，結合向家壩電站轉子一點接地保護的配置情況闡
述了乒乓式和注入式兩種轉子一點接地保護的原理和應用，分析了其各自的優缺點，提出了一些運行維護注意事項。
關鍵詞：轉子一點接地；乒乓式；注入式；故障分析
中圖分類號：TK730．3 文獻標識碼：B 文章編號：1672—5387(2012)05—0087—03
1引言
發電機正常運行時，轉子回路對地之間有一定
的絕緣電阻和分布電容，其大小與發電機轉子的結
構、冷卻方式等因素有關。當轉子絕緣損壞時，就可
能引起轉子回路接地故障，常見的是一點接地。通常
發電機轉子發生一點接地時，線圈與大地之間尚未
形成電氣回路，在接地點沒有電流通過，勵磁系統保
持正常勵磁，對發電機無直接危害，發電機可繼續運
行。但是如果繼發第二點接地故障時，接地點流過的
故障電流將燒傷轉子本體。部分轉子繞組被短接，勵
磁繞組中電流增加將因過熱而燒傷。部分勵磁繞組
被短接以后氣隙磁場發生的畸變會造成轉子振動的
加劇，這一點對于水輪發電機尤其嚴重。此外兩點接
地后還可能發生軸系的磁化。這些都將嚴量威脅發
電機的安全。因此，為了防止事故進一步擴大，避免
發電機遭受大的損害，必須裝設性能可靠、靈敏度高
的轉子一點接地保護裝置。
轉子一點接地保護根據原理不同，可以分為注
人式和非注入式兩大類。乒乓式轉子一點接地保護
屬于非注入式，疊加方波電壓式轉子一點接地保護
屬于注入式。向家壩電站單臺水輪發電機組單機容
量為800 MW，每臺機組配置兩套轉子一點接地保
護，分別是乒乓式轉子一點接地保護和疊加方波電
壓式注人式轉子一點接地保護，下文將對這兩種保
護方案進行分析說明。
2 乒乓式轉子一點接地保護原理及應用分析
2．1保護原理
乒乓式轉子一點接地保護在大型機組保護中采
用的非常普遍，保護原理如圖1所示：
fl E
圖l乒乓式轉子一點接地保護原理圖
圖中S 、s 為2個電子開關，由微機控制電子開
關的通斷切換；R 為接地電阻；K為轉子繞組接地點
的位置，在距負端K發生接地。當s 閉合，Js：打開時
為狀態1，R 兩端壓降為u；5 打開， 閉合時為狀
態2，R 兩端壓降為U’；設勵磁回路直流電動勢為E
(考慮切換過程中轉子勵磁電壓的變化，新的電動勢
以E 表示)。
在狀態1(S。閉合，S 斷開)下，可列出：
(R+R1+Rg)I1一(Rl+Rg)，2
一(R1+Rg)Il+(2R+R1+Rg) 2=(1一．j})E
U=置(‘一 )
在狀態2(s 斷開，s2閉合)下，可列出：
(2R+曩+ ，J，j一( + ) =kE’
一(R。+R )Ii+(R+R。+尺 )t=(1一k)E
U’= ( ：一
由以上式1一式6聯立求解可得：
= 一墨一
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
收稿日期：2012—07—09
作者簡介：王翠翠(1984一)，女，助理工程師，從事電力系統繼電保
護維護工作。
萬方數據
88 水電站機電技術 第35卷
， -E Uv 1
+ -
3(E。 —E ’) 3 (8)
在實測采樣取得E、 、 、 ’后，就可求得過渡
電阻 的大小，并確定故障點位置 。這種原理的
一點接地保護，由于測量的是穩態電流，所以與轉子
回路對地電容的大小無關，也與電感無關，因此可以
獲得很高的靈敏度，但是此時靈敏度 受勵磁電壓
大小的影響。若不考慮勵磁電壓的變化，設開關切換
前后勵磁回路直流電動勢都為。則式7和式8可變
為：
R ：旦一R 一 (9)
3(u— 、 3
． 1
3f U + -3 (10)
一 1
2_2 應用分析
由以上分析可知，乒乓切換式保護具有電路簡
單、測量方便、易于微機實現的優點。但這種保護是
基于穩態直流工況，未考慮慣性元件在切換過程中
的暫態影響，也未考慮開關在切換過程中勵磁電壓
變化，即認為勵磁電壓為常數。所以在切換過程中，
若元件參數選取不合適會對保護的精度和靈敏度帶
來較大的影響。
在切換采樣的過程中，需要微機控制電子開關
頻繁地開閉，在長期的使用中對電子開關本身的質
量和性能要求很高。在保護設備長時間的運行中，測
量電阻由于發熱，阻值會發生變化，這將直接影響保
護的測量精度。因此切換采樣式保護對測量電阻的
阻值穩定性也提出很高要求。
另外這種原理的保護是建立在發電機勵磁電壓
存在，并且其大小要在一定的數值之上。在發電機啟
停過程中，勵磁電壓變化幅度較大，計算所得電阻誤
差極大，可能導致保護的誤動或拒動；也就是說在發
電機的啟停機過程當中，轉子接地保護可能會失去
有效的作用。
3雙端注入式轉子一點接地保護原理及應用
分析
3．1保護原理
注人式轉子接地保護分為雙端注人式和單端注
入式，即在轉子繞組的正負兩端或其中一端(通常選
擇負端)與大軸之間注入一個電源，實時監視轉子對
地絕緣電阻值，注人電壓由保護裝置自產，保護反映
發電機轉子對大軸絕緣電阻的下降。向家壩電站采
用雙端注人式，下面以雙端注入式為例進行分析。
2雙端注人式轉子接地保護原理圖
圖2為雙端注入式轉子接地保護原理圖，其中
為注入電源模塊，K為接地點，R 為轉子繞組對
大軸的絕緣電阻， 為注人大功率電阻。 為勵磁
電壓，令 =c~Uia，則U2=(1一a) 搿。R 為測量回
路電阻，其上電電壓為 。
由上圖可列出低頻方波正半周、負半周作用時
相應的回路方程為：
‘( + )一，2 =c~U1d+ + (11)
( + )～，l =(1一a) 一 一 (12)
( + )一 =a 一 + (13)
( + )一 =(1一a) + 一 (14)
= (厶一Ix)R (15)
’
= (12’一‘’) (16)
式中，l、，2為 正半周作用時的回路電流，相應
的勵磁電壓為 ，測量電壓為 ；Jt 、 為 負半
周作用時的回路電流，相應的勵磁電壓為 ，測量
電壓為 ；由11～l6解得：
一
)
a： 一 ：±
2 Uia U 一忌
一 x (18)
式中 為注入方波低頻電源負半周與正半周期
間勵磁電壓只比，即k= rd ／ 。當勵磁電壓在正
負周期內不變，即k=l時，
州 一
(19)
a： 一 ±
2 【， U (20)
發電機不加勵磁電壓時測量的絕緣電阻為：
Rg：一 一( 一粵)
或
= R—cR一 (21)
～ 0 ～ ．．．． ～
一～ ． 一
～ 、、 、 ， ～
_ ．1 一
～ 曼 ～
～ 盤； ～
～ 一 一
一～ ．． ^ ≯ =矗，～ r ¨ 0．．． ．～一～
萬方數據
王翠翠，等：大型水輪發電機轉子一點接地保護應用研究 89
3．2 應用分析
雙端注人式轉子接地保護采用自適應有源切換
技術，注入電源的頻率可自適應調整，保護不受機組
運行狀況影響，不受勵磁繞組對地電容大小的影響，
也不受勵磁繞組與轉子大軸間接人的RE串聯回路
中c大小的影響，無死區、靈敏度高?？蓹z測出轉子
一點接地的位置，為檢修提供方便。根據一點接地的
位置變化，進而實現轉子兩點接地保護。
由于注入方波低頻電源的作用，故發電機不加
勵磁電壓的情況下仍可以檢測轉子絕緣狀況，但測
不出接地位置，必須在轉子有一定電壓時才能測出
轉子繞組的接地位置。
4運行維護注意事項
(1)轉子接地保護一般采用兩套裝置來配置雙
重化保護，但是轉子一點接地保護正常運行時，只能
投入一套，另一套作為備用，否則會相互影響，兩套
轉子接地保護i貝0得的接地電阻都不準。
(2)在裝置上電重啟或運行傳送定值時，轉子電
壓輸入空開須處于斷開狀態，裝置運行燈亮后再合
上轉子電壓空氣開關，因為裝置上電初始需要檢測
轉子電壓采樣零漂，自動跟蹤零點，否則易造成電阻
測量誤差。
(3)由于發電機轉子接地實際上是轉子接軸，然
后通過發電機大軸接地碳刷接地，所以必須選擇性
能優良的接地碳刷，同時加強對發電機大軸接地碳
刷的檢查和維護，確保碳刷接觸良好。
(4)乒乓式轉子一點接地中的電子開關和注入
式轉子一點接地中方波電源發生器是保護中的重要
元件，必須保證穩定可靠，同時定期檢查維護并校驗
其波形。
(5)通常的轉子接地保護，當轉子發生一點接地
后，由于影響不大，只發報警信號。但方波電壓注入
原理的轉子接地保護不區分一點接地還是兩點接
地，只要裝置計算出的接地阻值小于設定值就報警
或者跳閘，這對保護裝置的可靠性要求相對較高。因
此，要加強對保護裝置的檢查維護和檢驗工作，同時
在碳刷或勵磁回路上工作時一定要小心謹慎，嚴格
按照運行規程或檢修規程進行工作，切實做好防止
回路一點接地的相關措施。
(6)當保護裝置報出轉子接地信號時，首先嘗試
復歸信號，若能復歸則為瞬時接地，若不能復歸，則
用萬用表測量轉子正負極對地電壓，如果某極對地
電壓降為零，另一極對地電壓升至全電壓，說明確實
發生了一點接地。此時應首先檢查勵磁回路是否有
人工作，如果是人為引起，應立即糾正。其次，檢查勵
磁回路各部位有無明顯損傷或因臟污接地，如果是
臟污引起，應立即進行吹掃。再次，應該對有關回路
進行詳細檢查，區分接地是在勵磁回路還是在測量
回路。如果轉子接地為穩定金屬l生接地，且無法查明
故障點排除故障，應立即停機。
(7)在某些特殊運行方式下，當勵磁回路一點接
地保護動作發信號后，為了機組的安全，應立即轉移
負荷，實現平穩的停機檢修。
5結語
向家壩電站水輪發電機組單機容量世界第一，
一旦發電機勵磁繞組從一點接地故障轉化為兩點接
地，從而造成保護動作跳閘，將會對發電機造成嚴重
的危害，對電網也可能會造成不小的擾動。通過采用
乒乓式一點接地保護和雙端注入式一點接地保護相
互配合，兩種轉子接地保護動作判據優勢互補，實現
了無死區、高靈敏度的大型水輪發電機轉子一點接
地保護
參考文獻：
? 許麗娜，張波濤．注入式轉子一點接地保護原理U1．云南
電力技術，2010，38(3)：67—69
f2】蘭華，張波，李衛國，等．乒乓式勵磁繞組接地保護若干
問題的分析Ⅱ]_電力系統保護與控制，2010，38(15)：28—32．

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