張萬(wàn)里

摘要：本文結(jié)合切換采樣原理的介紹與分析，設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁回路接地檢測(cè)電路，分析了硬件回路設(shè)計(jì)的要點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)。文章為實(shí)現(xiàn)微機(jī)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)提供了完整的設(shè)計(jì)方案，具有較高的設(shè)計(jì)實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；轉(zhuǎn)子；接地；硬件電路

1 前言

發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于轉(zhuǎn)子內(nèi)部受潮、冷卻介質(zhì)泄露、絕緣老化以及機(jī)械振動(dòng)等原因，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子對(duì)地絕緣水平降低，進(jìn)而引發(fā)轉(zhuǎn)子接地故障。當(dāng)轉(zhuǎn)子發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，由于此時(shí)并不構(gòu)成閉合回路，不會(huì)有短路電流通過(guò)故障點(diǎn)，理論上不會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)本身造成直接的危害；但是如果繼而產(chǎn)生兩點(diǎn)接地，故障點(diǎn)形成閉合回路，會(huì)產(chǎn)生很大的故障電流，嚴(yán)重威脅發(fā)電機(jī)的安全。

針對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地故障檢測(cè)式有多種，本文根據(jù)切換采樣原理，實(shí)現(xiàn)了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地的微機(jī)保護(hù)，能夠準(zhǔn)確判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地，并且通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)了保護(hù)邏輯。在正常運(yùn)行情況下一點(diǎn)接地保護(hù)投入，兩點(diǎn)接地保護(hù)退出；當(dāng)檢測(cè)到一點(diǎn)接地故障后，迅速發(fā)告警信號(hào)并自動(dòng)投入二點(diǎn)接地保護(hù)；此時(shí)如果二點(diǎn)接地產(chǎn)生，則保護(hù)立即動(dòng)作跳閘。保護(hù)采用切換采樣原理（乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理），結(jié)合微機(jī)繼電保護(hù)的電路設(shè)計(jì)，具有接線簡(jiǎn)單、原理方案易行、采樣速度快、檢測(cè)靈敏可靠的特點(diǎn)。

2 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理

2.1 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)原理

乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護(hù)原理如圖所示。

SI、S2為靜態(tài)聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)，設(shè)法通過(guò)脈沖控制其開(kāi)關(guān)狀態(tài)，SI與S2開(kāi)關(guān)彼此交替閉合：即SI接通時(shí)S2斷開(kāi)，SI斷開(kāi)時(shí)S2接通，循環(huán)交替變換。

如圖E為發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓，正實(shí)數(shù)α反應(yīng)轉(zhuǎn)子接地位置，因此O≤α≤1，當(dāng)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組在K點(diǎn)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，假設(shè)其接地電阻為Rf，K點(diǎn)到正極勵(lì)磁電壓等效為aE，到負(fù)極勵(lì)磁電壓為（1-α）E?；芈分?個(gè)電阻R為高阻值電阻，R1為低阻值測(cè)量電阻。

當(dāng)SI接通，S2斷開(kāi)時(shí)，可以列出

當(dāng)SI斷開(kāi)，S2接通時(shí)，設(shè)此時(shí)勵(lì)磁回路電動(dòng)勢(shì)，相應(yīng)電流分別為，可以列出

聯(lián)解上述公式可得：

在實(shí)際應(yīng)用中，可以實(shí)際測(cè)得數(shù)值，進(jìn)而求出接地電阻Rf及故障點(diǎn)位置。在一點(diǎn)接地位發(fā)生得情況下，近似為O，Rf應(yīng)為無(wú)窮大數(shù)值。

2.2 轉(zhuǎn)子二點(diǎn)接地保護(hù)原理

轉(zhuǎn)子繞組發(fā)生一點(diǎn)接地后，發(fā)生第二點(diǎn)接地。假設(shè)此時(shí)接地電阻分別為Rfl和RI2

當(dāng)SI閉合，S2斷開(kāi)，可得

當(dāng)S2閉合，SI斷開(kāi)，可得

由于Rfl、均在一點(diǎn)接地故障下計(jì)算得出，并且、可以實(shí)際測(cè)得數(shù)值，所以可以通過(guò)上述公式計(jì)算得到Rf2與，其中

已經(jīng)發(fā)生一點(diǎn)轉(zhuǎn)子接地故障的情況下，通過(guò)測(cè)量運(yùn)算得出與Rf（或Rfl）。在此基礎(chǔ)上，相繼發(fā)生第二點(diǎn)轉(zhuǎn)子接地，這時(shí)測(cè)量計(jì)算得出的數(shù)值將發(fā)生變化。因此可以認(rèn)為當(dāng)超過(guò)某一設(shè)定的閾值時(shí)，即已經(jīng)發(fā)生了兩點(diǎn)接地故障，此時(shí)應(yīng)立即發(fā)跳閘信號(hào)。這樣可以提高保護(hù)計(jì)算的效率，省略了Rf2與的復(fù)雜計(jì)算。為了增加保護(hù)判別的可靠性，可以連續(xù)對(duì)與Rf進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)2-3次計(jì)算數(shù)值不變，認(rèn)為發(fā)生一點(diǎn)接地故障；此后超過(guò)設(shè)定數(shù)值，則為兩點(diǎn)接地故障。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 電壓采樣回路

設(shè)計(jì)電路如圖所示，左端為采樣電壓的輸入端，分別接至采樣電壓正、負(fù)端。考慮到現(xiàn)場(chǎng)勵(lì)磁電壓較高，為便于采樣計(jì)算，在輸入的第一級(jí)需要通過(guò)電阻對(duì)勵(lì)磁電壓進(jìn)行分壓處理（圖示電路中未包含分壓電路部分）。經(jīng)過(guò)分壓處理的信號(hào)輸入至隔離原件將，采樣的電壓進(jìn)行隔離處理，可有效防止因過(guò)壓擊穿而損壞核心元件。

在慮波環(huán)節(jié)中采用OPA2277高精度運(yùn)放，可以有效改善噪聲、輸出電壓擺幅特性，并以一半的靜態(tài)電流提供了2倍的速度，具有低輸入失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、高共模信號(hào)抑制比和電源抑制比特性，能夠很好的提供串?dāng)_一致能力并降低相互干擾。這樣勵(lì)磁電壓經(jīng)隔離、濾波等環(huán)節(jié)后進(jìn)入A＼D轉(zhuǎn)換芯片，再由MCU完成采樣運(yùn)算工作。

3.2 電壓采樣回路

模擬切換開(kāi)關(guān)回路電路如圖所示。

“UD+”與“UD-”分別接至勵(lì)磁電壓正極與負(fù)極。兩個(gè)聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)由耐高壓、容量大的三極管實(shí)現(xiàn)。通過(guò)MCU的輸出管腳對(duì)兩個(gè)三極管的控制，模擬兩個(gè)聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)，可以交替獲得采樣電壓UI，U2。MCU具有高速I(mǎi)/O，操作簡(jiǎn)單方便，并且抗干擾能力強(qiáng)。每次模擬聯(lián)動(dòng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)切換完成后，即可進(jìn)行采樣計(jì)算，這樣在每個(gè)切換周期內(nèi)，均能夠可靠完成采樣運(yùn)算任務(wù)，避免了因切換不同步而產(chǎn)生的計(jì)算錯(cuò)誤。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 啟動(dòng)邏輯

有前述公式可以開(kāi)出，當(dāng)發(fā)生一點(diǎn)接地時(shí)，或者（為動(dòng)作閾值）實(shí)際在程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程中，為避免引入過(guò)多誤差或者發(fā)生溢出，往往采用（為動(dòng)作閾值）公式中由正常運(yùn)行狀態(tài)下的最大采樣和計(jì)算誤差決定，需要注意的是采用后一種判據(jù)時(shí)，與兩次采樣的電動(dòng)勢(shì)變化有關(guān)。

4.2 轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地

在未發(fā)生接地情況下，實(shí)測(cè)的Rf應(yīng)為無(wú)窮大數(shù)值；當(dāng)發(fā)生一點(diǎn)接地情況時(shí)，這一數(shù)值迅速變小，一般為5-50kQ或更大值。因此，一點(diǎn)接地故障時(shí)，判據(jù)為上面所論述。

4.3 轉(zhuǎn)子兩點(diǎn)接地

兩點(diǎn)接地需在一點(diǎn)接地狀態(tài)下投入，并且在一點(diǎn)接地時(shí)需要連續(xù)地穩(wěn)定計(jì)算出Rf及值。如果發(fā)生改變，滿(mǎn)足次判據(jù)時(shí)即為兩點(diǎn)接地故障，則有保護(hù)動(dòng)作與跳閘，并且滅磁、停機(jī)。

4.4 程序流程

根據(jù)上述保護(hù)原理及邏輯，可以設(shè)計(jì)如下程序流程：

5 結(jié)論

本文在參考有關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單易行的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子接地保護(hù)電路，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了程序設(shè)計(jì)，達(dá)到了檢測(cè)、監(jiān)視發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地與兩點(diǎn)接地的功能。采用微機(jī)式繼電保護(hù)設(shè)計(jì)具有較高的可靠性，能夠滿(mǎn)足電廠的應(yīng)用需求，具有很大的實(shí)用價(jià)值。