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大型水轮发电机转子一点接地保护应用研究

文档作者：王翠翠，易亚文，朱迟锐文档来源：向家坝水力发电厂		点击数：	更新时间： 2025年05月30日
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第35卷第5期 水电站机电技术
2012年1O月 Mechanical＆Electrical Technique of Hydropower Station
Vol_35 No．5
Oct．2012 87
大型水轮发电机转子一点接地保护应用研究
王翠翠，易亚文，朱迟锐
(向家坝水力发电厂，四川I宜宾644612)
摘要：介绍了发电机转子一点接地保护发生的原因和产生的危害，结合向家坝电站转子一点接地保护的配置情况阐
述了乒乓式和注入式两种转子一点接地保护的原理和应用，分析了其各自的优缺点，提出了一些运行维护注意事项。
关键词：转子一点接地；乒乓式；注入式；故障分析
中图分类号：TK730．3 文献标识码：B 文章编号：1672—5387(2012)05—0087—03
1引言
发电机正常运行时，转子回路对地之间有一定
的绝缘电阻和分布电容，其大小与发电机转子的结
构、冷却方式等因素有关。当转子绝缘损坏时，就可
能引起转子回路接地故障，常见的是一点接地。通常
发电机转子发生一点接地时，线圈与大地之间尚未
形成电气回路，在接地点没有电流通过，励磁系统保
持正常励磁，对发电机无直接危害，发电机可继续运
行。但是如果继发第二点接地故障时，接地点流过的
故障电流将烧伤转子本体。部分转子绕组被短接，励
磁绕组中电流增加将因过热而烧伤。部分励磁绕组
被短接以后气隙磁场发生的畸变会造成转子振动的
加剧，这一点对于水轮发电机尤其严重。此外两点接
地后还可能发生轴系的磁化。这些都将严量威胁发
电机的安全。因此，为了防止事故进一步扩大，避免
发电机遭受大的损害，必须装设性能可靠、灵敏度高
的转子一点接地保护装置。
转子一点接地保护根据原理不同，可以分为注
人式和非注入式两大类。乒乓式转子一点接地保护
属于非注入式，叠加方波电压式转子一点接地保护
属于注入式。向家坝电站单台水轮发电机组单机容
量为800 MW，每台机组配置两套转子一点接地保
护，分别是乒乓式转子一点接地保护和叠加方波电
压式注人式转子一点接地保护，下文将对这两种保
护方案进行分析说明。
2 乒乓式转子一点接地保护原理及应用分析
2．1保护原理
乒乓式转子一点接地保护在大型机组保护中采
用的非常普遍，保护原理如图1所示：
fl E
图l乒乓式转子一点接地保护原理图
图中S 、s 为2个电子开关，由微机控制电子开
关的通断切换；R 为接地电阻；K为转子绕组接地点
的位置，在距负端K发生接地。当s 闭合，Js：打开时
为状态1，R 两端压降为u；5 打开， 闭合时为状
态2，R 两端压降为U’；设励磁回路直流电动势为E
(考虑切换过程中转子励磁电压的变化，新的电动势
以E 表示)。
在状态1(S。闭合，S 断开)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 )
在状态2(s 断开，s2闭合)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联立求解可得：
= 一墨一
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
收稿日期：2012—07—09
作者简介：王翠翠(1984一)，女，助理工程师，从事电力系统继电保
护维护工作。
万方数据
88 水电站机电技术 第35卷
， -E Uv 1
+ -
3(E。 —E ’) 3 (8)
在实测采样取得E、 、 、 ’后，就可求得过渡
电阻 的大小，并确定故障点位置 。这种原理的
一点接地保护，由于测量的是稳态电流，所以与转子
回路对地电容的大小无关，也与电感无关，因此可以
获得很高的灵敏度，但是此时灵敏度 受励磁电压
大小的影响。若不考虑励磁电压的变化，设开关切换
前后励磁回路直流电动势都为。则式7和式8可变
为：
R ：旦一R 一 (9)
3(u— 、 3
． 1
3f U + -3 (10)
一 1
2_2 应用分析
由以上分析可知，乒乓切换式保护具有电路简
单、测量方便、易于微机实现的优点。但这种保护是
基于稳态直流工况，未考虑惯性元件在切换过程中
的暂态影响，也未考虑开关在切换过程中励磁电压
变化，即认为励磁电压为常数。所以在切换过程中，
若元件参数选取不合适会对保护的精度和灵敏度带
来较大的影响。
在切换采样的过程中，需要微机控制电子开关
频繁地开闭，在长期的使用中对电子开关本身的质
量和性能要求很高。在保护设备长时间的运行中，测
量电阻由于发热，阻值会发生变化，这将直接影响保
护的测量精度。因此切换采样式保护对测量电阻的
阻值稳定性也提出很高要求。
另外这种原理的保护是建立在发电机励磁电压
存在，并且其大小要在一定的数值之上。在发电机启
停过程中，励磁电压变化幅度较大，计算所得电阻误
差极大，可能导致保护的误动或拒动；也就是说在发
电机的启停机过程当中，转子接地保护可能会失去
有效的作用。
3双端注入式转子一点接地保护原理及应用
分析
3．1保护原理
注人式转子接地保护分为双端注人式和单端注
入式，即在转子绕组的正负两端或其中一端(通常选
择负端)与大轴之间注入一个电源，实时监视转子对
地绝缘电阻值，注人电压由保护装置自产，保护反映
发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。向家坝电站采
用双端注人式，下面以双端注入式为例进行分析。
2双端注人式转子接地保护原理图
图2为双端注入式转子接地保护原理图，其中
为注入电源模块，K为接地点，R 为转子绕组对
大轴的绝缘电阻， 为注人大功率电阻。 为励磁
电压，令 =c~Uia，则U2=(1一a) 搿。R 为测量回
路电阻，其上电电压为 。
由上图可列出低频方波正半周、负半周作用时
相应的回路方程为：
‘( + )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为 正半周作用时的回路电流，相应
的励磁电压为 ，测量电压为 ；Jt 、 为 负半
周作用时的回路电流，相应的励磁电压为 ，测量
电压为 ；由11～l6解得：
一
)
a： 一 ：±
2 Uia U 一忌
一 x (18)
式中 为注入方波低频电源负半周与正半周期
间励磁电压只比，即k= rd ／ 。当励磁电压在正
负周期内不变，即k=l时，
州 一
(19)
a： 一 ±
2 【， U (20)
发电机不加励磁电压时测量的绝缘电阻为：
Rg：一 一( 一粤)
或
= R—cR一 (21)
～ 0 ～ ．．．． ～
一～ ． 一
～ 、、 、 ， ～
_ ．1 一
～ 曼 ～
～ 盘； ～
～ 一 一
一～ ．． ^ ≯ =矗，～ r ¨ 0．．． ．～一～
万方数据
王翠翠，等：大型水轮发电机转子一点接地保护应用研究 89
3．2 应用分析
双端注人式转子接地保护采用自适应有源切换
技术，注入电源的频率可自适应调整，保护不受机组
运行状况影响，不受励磁绕组对地电容大小的影响，
也不受励磁绕组与转子大轴间接人的RE串联回路
中c大小的影响，无死区、灵敏度高。可检测出转子
一点接地的位置，为检修提供方便。根据一点接地的
位置变化，进而实现转子两点接地保护。
由于注入方波低频电源的作用，故发电机不加
励磁电压的情况下仍可以检测转子绝缘状况，但测
不出接地位置，必须在转子有一定电压时才能测出
转子绕组的接地位置。
4运行维护注意事项
(1)转子接地保护一般采用两套装置来配置双
重化保护，但是转子一点接地保护正常运行时，只能
投入一套，另一套作为备用，否则会相互影响，两套
转子接地保护i贝0得的接地电阻都不准。
(2)在装置上电重启或运行传送定值时，转子电
压输入空开须处于断开状态，装置运行灯亮后再合
上转子电压空气开关，因为装置上电初始需要检测
转子电压采样零漂，自动跟踪零点，否则易造成电阻
测量误差。
(3)由于发电机转子接地实际上是转子接轴，然
后通过发电机大轴接地碳刷接地，所以必须选择性
能优良的接地碳刷，同时加强对发电机大轴接地碳
刷的检查和维护，确保碳刷接触良好。
(4)乒乓式转子一点接地中的电子开关和注入
式转子一点接地中方波电源发生器是保护中的重要
元件，必须保证稳定可靠，同时定期检查维护并校验
其波形。
(5)通常的转子接地保护，当转子发生一点接地
后，由于影响不大，只发报警信号。但方波电压注入
原理的转子接地保护不区分一点接地还是两点接
地，只要装置计算出的接地阻值小于设定值就报警
或者跳闸，这对保护装置的可靠性要求相对较高。因
此，要加强对保护装置的检查维护和检验工作，同时
在碳刷或励磁回路上工作时一定要小心谨慎，严格
按照运行规程或检修规程进行工作，切实做好防止
回路一点接地的相关措施。
(6)当保护装置报出转子接地信号时，首先尝试
复归信号，若能复归则为瞬时接地，若不能复归，则
用万用表测量转子正负极对地电压，如果某极对地
电压降为零，另一极对地电压升至全电压，说明确实
发生了一点接地。此时应首先检查励磁回路是否有
人工作，如果是人为引起，应立即纠正。其次，检查励
磁回路各部位有无明显损伤或因脏污接地，如果是
脏污引起，应立即进行吹扫。再次，应该对有关回路
进行详细检查，区分接地是在励磁回路还是在测量
回路。如果转子接地为稳定金属l生接地，且无法查明
故障点排除故障，应立即停机。
(7)在某些特殊运行方式下，当励磁回路一点接
地保护动作发信号后，为了机组的安全，应立即转移
负荷，实现平稳的停机检修。
5结语
向家坝电站水轮发电机组单机容量世界第一，
一旦发电机励磁绕组从一点接地故障转化为两点接
地，从而造成保护动作跳闸，将会对发电机造成严重
的危害，对电网也可能会造成不小的扰动。通过采用
乒乓式一点接地保护和双端注入式一点接地保护相
互配合，两种转子接地保护动作判据优势互补，实现
了无死区、高灵敏度的大型水轮发电机转子一点接
地保护
参考文献：
⋯ 许丽娜，张波涛．注入式转子一点接地保护原理U1．云南
电力技术，2010，38(3)：67—69
f2】兰华，张波，李卫国，等．乒乓式励磁绕组接地保护若干
问题的分析Ⅱ]_电力系统保护与控制，2010，38(15)：28—32．

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