王 佼，徐 巖

(華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，河北保定071003)

0 引言

無刷勵磁發(fā)電機取消了直流機勵磁系統(tǒng)中的機械整流部分和半導(dǎo)體勵磁中的炭刷、集電環(huán)，所以，無刷勵磁發(fā)電機具有噪聲小、無碳粉銅末、無火花的優(yōu)點，但是轉(zhuǎn)子的電壓、電流及溫度難以直接測量，轉(zhuǎn)子接地故障監(jiān)測比較困難。發(fā)電機勵磁回路一點接地故障很常見［1－4］，其對發(fā)電機本體并未造成危害，若相繼發(fā)生第二點接地故障，則會出現(xiàn)故障點電流過大燒傷轉(zhuǎn)子本體、勵磁繞組被短接氣隙磁通失去平衡引起振動及軸系轉(zhuǎn)子磁化等災(zāi)難性的后果。因此，為了保障發(fā)電機的安全，本文提出將無刷勵磁機組采用定時舉刷方式，使轉(zhuǎn)子繞組的引出方式變更為正、負(fù)兩端引出，然后用雙端注入原理對轉(zhuǎn)子進行一點接地監(jiān)測。

1 無刷勵磁發(fā)電機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理

無刷勵磁發(fā)電機［5－7］由主發(fā)電機、交流勵磁機、旋轉(zhuǎn)整流器等主要部分組成，如圖1所示。主發(fā)電機轉(zhuǎn)子、勵磁機電樞和旋轉(zhuǎn)整流器都裝在同軸上一起旋轉(zhuǎn)，勵磁機磁極固定在定子內(nèi)側(cè)。主發(fā)電機結(jié)構(gòu)大同小異，都是轉(zhuǎn)場式的，有隱極和凸極，交流勵磁機為轉(zhuǎn)樞式的。同步發(fā)電機由有刷進化到無刷主要是有了交流勵磁機和旋轉(zhuǎn)整流器。

當(dāng)原動機拖動主發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，勵磁機轉(zhuǎn)子上的電樞繞組首先切割剩磁自勵發(fā)出交流電，然后經(jīng)旋轉(zhuǎn)整流器變成直流電后進入主發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組以勵磁。主發(fā)電機轉(zhuǎn)子的勵磁繞組建立磁場后旋轉(zhuǎn)，在定子的電樞繞組上產(chǎn)生電勢及電流。這就是無刷勵磁發(fā)電機的基本原理。

圖1 無刷勵磁發(fā)電機結(jié)構(gòu)

2 無刷勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地保護

2.1 無刷勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子自動舉刷裝置

目前，多數(shù)無刷勵磁機組只在勵磁端接有1只測量電刷，固定引出轉(zhuǎn)子繞組的負(fù)端，一點接地故障只能采用單端注入式原理進行監(jiān)測［8－11］。由于單端注入式原理沒有同時引出轉(zhuǎn)子繞組的正、負(fù)兩端，故無法計算轉(zhuǎn)子接地故障的位置。

考慮到勵磁機轉(zhuǎn)子的原有設(shè)計結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子接地保護的實際情況，無刷勵磁機組宜采用自動舉刷的方式，保留轉(zhuǎn)子繞組的負(fù)極測量電刷，再從轉(zhuǎn)子繞組正極引出1根線來增加轉(zhuǎn)子繞組的正極引線。這樣，轉(zhuǎn)子繞組正、負(fù)兩端均引出，則可以采用雙端注入式原理對轉(zhuǎn)子接地故障進行監(jiān)測，同時可以計算轉(zhuǎn)子接地故障的位置。無刷勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子自動舉刷裝置如圖2所示。

圖2 自動舉刷裝置原理接線圖

2.2 雙端注入式轉(zhuǎn)子一點接地保護

現(xiàn)場采用定時舉刷方式后，轉(zhuǎn)子繞組的引出方式變更為正、負(fù)兩端均引出。注入電源從轉(zhuǎn)子繞組的正負(fù)兩端與大軸之間注入，注入電源的切換周期可根據(jù)轉(zhuǎn)子繞組對地電容的大小進行調(diào)整，實時求解轉(zhuǎn)子一點接地電阻，保護反應(yīng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子對大軸絕緣電阻的下降。雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護的工作電路如圖3所示。

圖3 雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護原理

假設(shè)在距離負(fù)端α點發(fā)生接地。方波注入式保護由于在穩(wěn)態(tài)下測量，所以在計算接地電阻時可以不考慮接地電容的作用，因此在每半波周期內(nèi)，電路可以看作是直流注入。

2.2.1 勵磁電壓UL不變

在方波的正半波可列出回路電流方程組為

設(shè)Um為采樣電阻 Rm兩端電壓，Um=(I1+I2)Rm，由式(1)、式(2)可得到Um的表達式為

方波在負(fù)半波時，除注入電壓極性改變以外，其它均與正半波時情況相同。因此同理可以得到U'm的表達式為

由式(3)、式(4)可得

將式(5)代入式(3)可得

2.2.2 勵磁電壓UL變化

無刷勵磁發(fā)電機在強勵或者啟、停機時，勵磁電壓將發(fā)生變化。當(dāng)勵磁電壓變化時，通過圖3列寫回路方程，可以推導(dǎo)出R'g計算公式為

由式(5)減去式(7)可得

分析式(9)可知，當(dāng)勵磁電壓UL變化時，計算出的接地電阻與實際的接地電阻會有一定誤差，當(dāng)α=0.5時，誤差為零;隨著向轉(zhuǎn)子兩端靠近，誤差逐漸增大;當(dāng)α=0或1時，誤差最大。正負(fù)半波測量過程中勵磁電壓變化得越大，誤差也越大;外加電壓越高，勵磁電壓變化引入的誤差越小。據(jù)此可以畫出誤差ΔRg和勵磁電壓變化量ΔUL的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 接地電阻隨勵磁電壓變化關(guān)系圖

2.2.3 一點接地動作判據(jù)

一點接地的動作判據(jù)為

式中Rgset為一點接地過渡電阻整定值，一般可取為5～50 kΩ或者更大［12］。當(dāng)一點接地故障發(fā)生后，保護裝置可以根據(jù)動作判據(jù)式(10)作為整定判據(jù)，動作于信號。

3 無刷勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地仿真分析

3.1 仿真模型介紹

在圖3所示電路的基礎(chǔ)上，采用Matlab軟件構(gòu)建勵磁繞組接地故障仿真模型［13］，如圖5所示。勵磁繞組用4段π型等效電路來表示。額定電壓為475.9 V，空載電壓為 191.8 V，電阻 Re=0.102 9 Ω，電感 Le=1.58 mH，對地電阻 Ry=5 MΩ，對地電容 Cy=1.264 μF，Re1=0.25Re，Le1=0.25Le，Re2=0.15Re，Le2=0.15Le，Re3=0.10Re，Le3=0.10Le，Ry1=8Ry，Cy1=Cy/8，Ry2=4Ry，Cy2=Cy/4，ZS為勵磁系統(tǒng)內(nèi)阻，阻值很小。

在圖5模型中，假設(shè)勵磁電壓不變化，仿真過程中UL為固定值，用Rg、Cg模擬轉(zhuǎn)子的接地電阻和電容。用1個脈沖發(fā)生器模塊疊加50 V增益控制受控電壓源，模擬±50 V的方波電源Us，通過改變脈沖發(fā)生器的周期，改變方波的周期。

3.2 仿真試驗結(jié)果

a.設(shè)置UL=500 V，改變Rg的大小，檢測保護的靈敏度和精度，其結(jié)果如表1所示。由表1可知，隨著Rg的增加，測量值和實際值之間的偏差也有所增大，但靈敏度滿足要求。

b.設(shè)置Rg=20 kΩ，改變UL的數(shù)值，檢測相關(guān)測量數(shù)值的變化，結(jié)果如表2所示。由表2可知，勵磁電壓變化時，測量值和實際值之間的偏差并不太大，靈敏度高且一致。

圖5 無刷勵磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子繞組一點接地故障仿真模型

表1 一點接地保護靈敏度和精度試驗結(jié)果

表2 勵磁電壓變化時一點接地保護試驗結(jié)果

c.設(shè)置UL=0 V，改變Rg的數(shù)值，檢測保護的靈敏度和精度，結(jié)果如表3所示。由表3可知，雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護原理可在靜止或未加勵磁狀態(tài)下監(jiān)視轉(zhuǎn)子接地故障。

d.設(shè)置 UL=500 V，Rg=50 kΩ，改變 α 的數(shù)值檢測保護的靈敏度和精度，結(jié)果如表4所示。由表4可知，雙端注入式轉(zhuǎn)子接地保護靈敏度與轉(zhuǎn)子接地位置無關(guān)。

表3 未加勵磁時一點接地保護試驗結(jié)果

表4 接地點位置變化時一點接地保護試驗結(jié)果

3.3 仿真結(jié)果分析

從仿真試驗結(jié)果分析可知，雙端注入原理可實時計算轉(zhuǎn)子接地位置，接地電阻測量精度高;可在未加勵磁電壓的情況下，也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣情況;保護靈敏度與轉(zhuǎn)子接地位置無關(guān)，保護無死區(qū)，在轉(zhuǎn)子繞組上任一點接地都有很高的靈敏度;具有定時和手動舉刷功能，能滿足無刷勵磁機組轉(zhuǎn)子接地保護的要求。

4 結(jié)論

通過上述分析與仿真，結(jié)果表明，雙端注入式原理在未加勵磁電壓的情況下也能監(jiān)視轉(zhuǎn)子絕緣，在轉(zhuǎn)子繞組上任一點接地時，接地電阻測量精度高，保護具有一致的高靈敏度，能夠精確計算出轉(zhuǎn)子接地故障位置，能夠滿足無刷勵磁機組轉(zhuǎn)子接地保護的要求。

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