GE发电机转子接地保护的原理
王建忠 姜山 李诚帅
摘? 要：发电机转子绕组回路对地有分布电容及电阻，其数值大小与大小受发电机的冷却方式及转子结构等因素有关。发电机在正常运行期间，转子转动速度很高，转子承受的离心力作用很大，又承受较重的电负荷，一旦励磁绕组绝缘出现问题，会引起转子回路发生接地故障，一般接地故障多为一点接地，若不能及时处理，就可能导致转子两点接地故障，进一步危害损害发电机转子大轴，损坏转子励磁回路，导致发电机失磁，危机发电机的安全运行。该文主要介绍了不同原理的转子接地保护，并重点介绍了GE公司的注入式转子接地保护。
关键词：GE;G60;发电机转子接地保护;注入式
中图分类号：TM621? ? ? ? ? ? 文献标志码：A
0 引言
发电机在正常运行期间，转子转动速度很高，转子承受的离心力作用很大，又承受较重的电负荷，一旦励磁绕组绝缘出现问题，会引起转子回路发生接地故障，一般接地故障多为一点接地。发生一点接地后，虽然在转子回路上构不成电流回路，对地分布电容和绝缘电阻的参数未发生变化 ，理论上可以继续运行。但是，转子回路对地电压就会变大，在励磁系统退出或者一次主断路器跳闸后，将在发电机励磁回路中产生过电压（暂态），很容易造成励磁回路出现第二个接地点，造成转子两点接地故障。一旦发生两点接地 ：部分励磁绕组线匝被短接，绕组直流电阻变小，若短路匝数较多，会使发电机转子主磁通变小，发电机向外输出的无功功率就会减少，机端电压就会下降，定子电流也会急剧上升;由于绕组短接的磁极磁通变小，而其他磁极磁通势未变，发电机气隙磁场的对称性会被破坏，引起机组震动，还可能使轴系和汽轮机磁化;由于发电机转子绕组的两点之间构成回路，一部分励磁绕组被阻截，两点之间将产生很大的短路电流量，电流产生的电弧可能会烧坏励磁绕组及转子本体，甚至引发火灾。因此发电机转子回路一旦出现一点接地故障，应及时发出信号，通知运维人员处理;出现两点接地时立即跳机。
根据《DL/T684—1999大型发电机变压器继电保护整定计算导则》的要求，汽轮发电机出现转子一点接地时，可以继续维持运行一段时间。但随着汽轮机发电机组的容量不断增大，出于发电机的安全运行考虑，国外的转子接地保护只设置转子接地的高阻值和低阻值保护，高定值报警，低定值跳闸，不区分是否发生一点还是两点接地。
1 一点接地转子接地保护原理
目前，转子一点接地保护普遍采用乒乓式和注入式两大类，下面就分别介绍2种不同原理构成的转子接地保护。
1.1 乒乓式转子接地保护
乒乒式转子一点接地保护的原理：在发电机运行时依次测量励磁绕组正极、负极对地电流，根据测量结果计算出励磁绕组对地电阻，根据阻值进而判断出接地电阻阻值以及接地位置。
设在转子绕组上K点经电阻Rg接地。则注入式接地保护的原理图如图1所示。
在图1中：S1、S2-励磁绕组正极、负极可控开关，轮流分合。
Ud-励磁绕组全电压。
α-接地K点与励磁正极的位置。
R-装置内部固定电阻。
R1-装置测量电阻。
励磁绕组直流电阻阻值较小，则由图1可知，当正极开关S1闭合、负极开关S2断开时，电阻R1上的电压：
（1）
当负极开关S2闭合、正极开关S1断开时，电阻R1上的电压：
（2）
在以上2个公式中：R、R1为已知固定参数，U1、U2为装置测量电压，励磁电压也可测量。以上2个公式组成了二元一次方程，通过求解可算出为具有α和Rg2个未知数。
通过以上理论推导过程，我们可以看出乒乓式转子一点接地保护可以计算出接地的位置，但在机组停机时即未加励磁的情况下，就无法对转子接地情况进行有效监察。
注入式原理转子接地保护，顾名思义就是需要外部辅助的注入电源注入到励磁回路中，并采集相关电气量进行保护逻辑判断。
下面就以GE公司G60发电机保护的注入式接地保护进行介绍。
G60提供两段转子一点接地保护，分别设定一时限。注入式原理可以选择单端注入或双端注入2种方式。
1.2 单端注入式转子接地保护
在转子绕组一端（通常选择负端）与大轴之间注入方波电源，保护采集正负半周的数据实时求解转子对地绝缘电阻值。
VINJ1，VINJ2—注入方波正、负半周电压;
IG1，IG2—注入方波正、负半周电流;
ZF1，ZF2—转子绕组正、负极等效电阻;
RCL—注入方波電源内部电阻;
VEXC—励磁电压;
IEXC—励磁电流;
RG—转子绕组接地电阻。
由于励磁电压通常远大于注入电压，励磁绕组阻值远小于装置耦合电阻，因此注入电压VINJ对励磁绕组电流IEXC的影响可以忽略不计，所以可以认为ZF2上的电压保持固定。
VINJ2=IG2RG+IG2RCL+VF2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）
VINJ1=IG1RG+IG1RCL+VF2? ? ? ? ? ? ? ? （4）
两式相减可得接地电阻RG：
（5）
故障点位置α：
（6）
1.3 双端注入一点接地保护
在转子绕组正负两端之间注入方波电源：
RC—注入式方波电源内部电阻。
VINJ1=15V， VINJ2=-15V，I11为施加VINJ1时的上路电流，I12为下路电流;I21为施加 VINJ2时的上路电流，I22为下路电流。
与单端注入做同样假设：ZF2上电压保持不变。
I11RC+IG1RG +（1-α）Ufld-VINJ1=0 ? ? ? ? ? ? （7）
I21RC+IG1RG-αUfld-VINJ1=0? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）
I11+I21=IG1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）
I12RC+IG2RG+（1-α）Ufld-VINJ2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （10）
I22RC+IG2RG-αUfld-VINJ2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）
I12+I22=IG2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）
（7）-（10）：
（I11-I21）RC+（IG1-IG2）RG-（VINJ1-VINJ2）=0? ? ? ? ? ? ? （13）
（8）-（11）：
（I21-I22）RC+（IG1-IG2）RG-（VINJ1-VINJ2）=0 ? ? ? ? ? ? （14）
将（9）、（12）代入（14）：
（I12-I11）RC+（IG1-IG2）（RG+RC）-（VINJ1-VINJ2）=0 ? ? ? ? ? ? （15）
（13）+（15）：
（IG1-IG2）（2RG+RC）-2（VINJ1-VINJ2）=0 ? ? ? ? ? （16）
（17）
将公式（9）代入公式（7）：
-I21RC+IG1（RG+RC）+（1-α）Ufld-VINJ1=0? （18）
（1.3.2）+（1.3.12）：
IG1（2RG+RC）+（1-2α）Ufld-2VINJ1 （19）
（20）
IG1：I表示电流，G1表示物体的电流。
通过以上的原理介绍，我们可以得出：1）单端注入：在有励磁电压和无励磁电压时均能够测量接地电阻，有励磁电压时能够测量接地位置，缺点是正负极电压不平衡。2）双端注入：在有励磁电压和无励磁电壓时均能够测量接地电阻，有励磁电压时能够测量接地位置。
但是G60发电机保护并没有提供测量接地位置的功能，只能测量接地电阻，若要明确具体接地位置需按照上述公式进行计算。
2 实际应用分析
在实际应用过程中发现：寿光电厂励磁电压采用+-221V，分别施加在励磁绕组的正负两端。励磁接地装置整定为单端注入，接线图参考图1。当装置上电后，注入端电压EX-处电压降为0负，EX+端电压升至441 V。这是因为当励磁绕组未发生故障时，注入电压源和Rcl没有构成回路，即Rcl上没有电流流过，因此Rcl两端电压相同，等效于EX-经过一个20 k电阻接地;EX-电压与注入电压源相同，为±15 V方波，用电表直流档不能测量。而EX+相对于EX-的电压为441 V，因此EX+电压测量值升至441 V。
采用双端注入方式可以避免同样问题发生，双端注入方式在正负两端连接阻值相同的耦合电阻，因此可以保证中性点位置不变。通过运行及检修期间的校验结果看，G60发电机保护提供的双端注入式转子接地保护运行良好，接地电阻数值测量准确。
但在使用中应注意以下问题。1）G60与注入式电源的通信连接正确后，注入式电源的指示灯“POWER”和“INJECTION”灯亮，如果通信连接失败，则G60装置面板将保故障代码，查一下说明书代码表即可知道故障原因。且如果通信连接失败时，INJECTION指示灯不会亮，G60的FIELD 元件也加载不上来。2）G60与注入式电源通信串口必须专用，不能再并接其他设备，否则通信不上。3）如果是双套G60，则2台G60的FIELD GROUND元件必须配置一模一样，否则2台G60同时报错，请查故障代码。
3 结论
该文从理论角度分析了传统乒乓式接地保护和单、双端注入式接地保护的原理和优缺点，并从现场实际应用分析了GE公司G60提供的注入式转子接地保护的注意事项，为同类型机组提供了参考依据。
参考文献
[1]王维俭，候炳蕴.大型机组继电保护理论基础[M].北京：中国电力出版社，1989.
