作者/孙道阳,华能聊城热电有限公司

转子接地保护及二次回路对地过电压的分析

作者/孙道阳,华能聊城热电有限公司

在发电机转子接地保护的二次回路中，一般将保护回路接到转子绕组的正负两端，对于600MW及以上的大型发电机来说，其中额定的励磁电压普遍较高，因此在运行过程中，容易出现二次回路中的绝缘系数不够，从而影响这个回路的正常运行。本文对二次回路中产生地过电压原因进行总结，并通过实际分析，总结了对回路中转子接地保护的具体方法。

转子接地保护；二次回路；过电压

前言

在发电机运行过程中，往往会受到内部元件老化或者外力破坏影响，导致发电机不能正常运行。在二次回路中，有很多电感线圈存在，这种电感线圈都带有一定电感量，在发生意外事故时，容易导致反电势的产生，而且幅值大，频率高，这对发电机工作产生严重影响。

1. 二次回路中的接线方式

下面以注入式转子接地保护为例，来介绍二次回路中接线方式。图1是二次回路中一个常见的接线方式。

在注入式转子接地过程中，Cy和Ry是转子中的绕组对发电机转子大轴的分布参数，Rf是出现接地故障时产生的过度电阻，在图1中，接地故障出现在F点中。在故障出现之后，保护装置内部将会产生一个几十伏电压信号，这种电压信号通过耦合电阻的传导（图1中用R1表示），进入发电机绕组回路中，此时对于回路中内部电阻Rm1来说，由于接触到故障信号，会有泄漏电流产生。而回路中的外部电阻对整个二次回路起到分压器作用，为整个回路安全运行提供了更多保障。

图1 转子接地保护以及转子电压测量

在图1中，直接绕组和励磁绕组在正负极上连接的电缆总称为二次回路电缆，一般来说，都是通过风压电阻R2或者是耦合电阻R1接到保护装置中，这也是二次电缆具体定义。

2. 转子励磁回路中的过电压

在发电机正常运转和非正常运转过程中，转子励磁回路中会出现很多不同形式的过电压，这其中主要包括以下几种形式：第一，换相过电压，这种过电压主要出现在可控硅的整流桥上。第二，操作过电压，这种过电压主要出现在定子侧或者转子侧中，是由断路器的通断现象所引起。第三，运行过电压，这是由于在发电机工作过程中，由于三相不协调对称，或者没有进行全相运行，从而造成运行过电压的产生。第四，传递过电压，当定子侧在接地时发生故障或者雷击时，励磁变压器就会出现耦合现象，从而导致过电压产生。

根据对上述原因分析和总结，在励磁系统设计过程中加入了多种电压抑制和保护措施，来保证转子绕组中正负两端不会差生太大的电压差距，为此，相关人员还制定了公式，从而保障励磁绕组能够在工作中发挥有效发挥出自己的作用：

上式中，Ufd.n代表的是额定励磁电压；Um是实际试验中测试电压。

通过对相关标准参照，可以确定在实际计算过程中实验电压的幅值大约在30%到50%之间，而且在过电压保护设计中，设计值一般不会超过实验中电压幅值的70%。另外，在过电压中，有一种特殊共模性质的过电压，这种过电压在转子绕组正负两端所体现出来的电压差是保持不变的，但如果回路和转子两端电压都提升时，会使励磁变压器中的传递电压数值发生变化，其具体变化如图2所示。

图2 励磁变压器耦合过程中的等值电路

根据图2所示，在励磁变压器的高压一端，如果出接地或者遭受雷击后，会产生一种特殊电压UH0,这种电压在后来被人们称为对地零序电压，这种电压也会在励磁变压器中得到有效传递，并通过电容C12传递到变压器的低压一端，对地电容用C20表示。而对于零序电压来说，当其到达励磁变压器低压侧一端时，会零序电压刚开始差生之时存在一种关系，该关系可表示为：

UL0就是这种零序电压到达变压器低压侧之后的具体数值。在以往励磁变压器设计中，会在各个高低压线圈中安装屏蔽网，避免变压机在工作过程中受到系统静电影响。另外，将屏蔽网安装在低压线圈之外，从而引出接地装置。通过这种方式，增加了C20，减小了C12，而且使得C12几乎接近于零，这样，根据上述公式分析可以得出，UL0的数值也会接近与零。

3. 二次回路中防范地过电压的有效措施

在工作过程中，一旦出现电感回路被切断时，就会差生较强的干扰电压，根据上述分析，可以确定一下防范措施：

3.1 在线圈两端并联非线性电阻

对于这种非线性电阻来说，二极管最合适不过。为了有效防止在工作过程中地过电压的出现，经常在线圈两端并联一个非线性电阻，如果回路中的电感电流被切断，反电势会大大增加，由于二极管自身特点，这种反电势会通过二极管，并且出现短路现象，让线圈中的电流得到有效衰减，一般来说这种衰减呈指数规律。同样的道理，在二极管两端出现的降压情况，会远远小于电源的电压值，所以也不会在回路中产生振荡电压，但是这种现象只适用于直流发电机。

3.2 在线线圈两顿并联阻容支路

对于这种方式来说，通过并联阻容支路，改变回路中整个电阻的数值，使电阻达到临界数值，可以有效保证感应线圈中电流一旦突然被切断，不会在感应线圈周围产生振荡电流。另外，由于各个支路具有相同的时间常数，不断电路中的电流在单位时间内受到怎样的影响，在两只回路中流过的电流总量大小相同，方向相反。因此，对于这种接线方式来说，可以有效缓解回路中地过电压的产生，同时也实现了在负载被切断时，开关这种不会产生电弧。

3.3 在电缆外侧加装金属屏蔽层

如果二次回路距离电缆较近时，由于电缆具有较高电压，通过二次回路连接，容易出现电缆中的电容互相传递，为了减少这种传递，人们在电缆外侧加装金属屏蔽层，并将屏蔽层两端进行接地，有效保证电压磁力在屏蔽层附近集中，使其不会进入电缆内部，有效避免了过电压的专递。

4. 二次回路中电缆绝缘的选择

根据上述研究可知，在励磁变压器设计过程中将耦合电容保持到最小数值，并且增加了对地电容，同时，在考虑到实际工作中励磁绕组也会产生较大的对地电容量，所以在设计过程中，UL0的数值尽量保持在0.1%UH0。在高压侧中，由于加装了避雷设备等，实现了对过电压的有效抑制，UH0也不会特别高，从对比中可以看出，UL0的影响完全可以忽略不计。

以700MW的水电机组为例，按照图1中的接线方式，根据规格可以得知，发电机励磁额定电压为456V。在二次回路设计过程中，转子接地保护以及A点所在的线路保护绝缘按照2kV来进行设计，通过上述分析数据可知，如果单独从励磁系统转子绕组的正负两端引入5kV设计效果会更好。在经过分压器进行分压之后，保护装置中的电缆要按照3.5kV来设计。对于这种设置要求来说，由于高压电缆在铺设过程中距离较长，工作量较大，而且造价昂贵，不论是5kV还是3.5kV，实际建设起来较为困难，所以说，这种电缆绝缘方法的使用不利于转子接地保护及二次回路对地过电压的研究，也为电缆长期安全运行增加了巨大隐患。

5. 总结

综上所述，在励磁回路中如果出现了过电压，而且在正负两端出现接地故障时，就会造成二次回路中产生较大的过电压，从而影响回路正常运转。在实际工作中，过电压和接地故障同时发生的概率较小，但因为其威胁能力较强，不得不对其提高警惕和重视。根据上述研究结果，二次回路中的电缆耐压程度不同，直接影响了转子绕组的连接情况，因此，在转子接地保护中，应该采用独立注入方式，并且要在励磁屏蔽柜中安装相应保护装置，从而使缩短二次回路中的电缆安装距离，实现成本降低的同时，提高了回路的安全性和可靠性。

＊ [1]霍新霞,许广义.浅议变电站PT二次回路中性点安装过电压保护的重要性[J].电子测试,2016,(01)：80—81.

＊ [2]李谦.电压互感器二次回路中性点安装过电压保护的必要性研究—接地短路故障和雷击时地网电位分布的计算分析[J].广东电力,2016,(03)：1—5.

＊ [3]李谦.电压互感器二次回路中性点安装过电压保护的必要性研究—二次回路中性点雷电传递过电压的试验和计算分析[J].广东电力,2015,(02)：6—10+48.