励磁回路接地保护优化方案

1.电桥原理

利用电桥原理构成的一点接地保护，其原理如图718所示。图718中（a）、（b）分别是正常情况和一点接地情况下的原理图。其中电阻Ry表示绕组对地绝缘分布电阻，励磁绕组FLQ的电阻构成电桥的两个臂，外接电阻R1＋R2和R3构成另外两个臂。正常情况下，调节电阻R1，使流过继电器J的不平衡电流最小，使继电器的动作电流大于这一不平衡电流。当一点接地后，对地电阻Ry降低，电桥失去平衡，此时继电器动作。电流的大小决定于k点的位置以及过渡电阻R y的大小。当电流大于继电器J的动作电流时，继电器J动作。

图718　电桥式一点接地保护原理图

（a）正常情况下；（b）经过渡电阻一点接地

电桥原理的优点是原理简单，当励磁绕组的正极或负极发生接地故障时，这种保护装置的灵敏度很高。然而，当故障点位于励磁绕组中点附近时，即使是金属性接地，保护装置也不能动作，这是电桥原理的根本缺陷。

2.外加直流原理

图719　叠加直流电压原理电路图

如图719所示，将直流电压U经继电器J顺向加到励磁绕组的一端与地之间，构成叠加直流电压式一点接地保护。

设励磁电压为U fd，励磁绕组对地绝缘电阻为Ry并集中于励磁绕组的中点。将外加电压U0在励磁绕组中的压降略去不计，则可作出图720（a）所示的正常情况下的等效电路。正常情况下流过继电器的电流为

图720　叠加直流原理等效电路图

（a）正常情况下；（b）负端经过渡电阻接地时；（c）正端经过渡电阻接地时

继电器J的动作电流整定值要大于I 0。在励磁绕组上不同点接地时，流过继电器的电流相差很大。

不同点接地时，灵敏度也有很大差别。图720（b）为负端经过渡电阻Rf接地时图719的等效电路。由图719可得到流过继电器的电流

考虑到Ry≫Rk，式（739）化简为如下的形式

图720（c）为正端经过渡电阻Rf接地时图719的等效电路。由图720可得到流过继电器的电流

同样，考虑到Ry≫Rk，式（742）可化简为如下的形式

比较式（741）和式（743），可以看到，在励磁绕组负端接地时，灵敏度最低；在励磁绕组正端接地时，灵敏度最高。所以，在实际设计中要使当负端接地时，保护装置的灵敏度满足要求。外加直流原理的优点是励磁电压只需要引出单极性而且在无励磁电压时也可实现监视励磁回路对地的绝缘状况；缺点是保护性能与励磁电压引出极性有关，不能通用，不同地点接地的灵敏度变化大，只能实现励磁回路一点接地保护。

3.外加交流原理(www.xing528.com)

如图721所示，将一交流电压U经过一电流继电器J和一隔直耦合电容C叠加到励磁绕组的一端与地之间，就构成了叠加交流电压式一点接地保护。继电器的动作电流要躲过正常情况下流过继电器的不平衡电流。图中励磁绕组上某一点经过渡电阻Rf接地，流过继电器的电流大于整定值时，继电器动作。

目前用叠加交流电压构成的励磁回路一点接地保护主要有三种类型。

（1）以叠加交流电压测量励磁绕组对地全电流方法构成一点接地保护装置，其动作判据为：ICL＞Idz，其中ICL＝U/ZCL，Idz＝U/Zdz。ICL为叠加交流电压作用下励磁绕组通过地的全电流；ZCL为叠加电压后励磁绕组对地的测量阻抗；Zdz为整定阻抗。这种类型的保护广泛用于励磁绕组仅有较小对地电容的中小型发电机组。

（2）以叠加交流电压测量励磁绕组对地导纳方法构成一点接地保护装置，其动作判据为gCL＞gdz，其中gCL＝1/RCL，gdz＝1/Rdz。gCL为励磁绕组对地的测量电导；RCL为励磁绕组对地电容的等效并联电阻；gdz为整定电导；Rdz为整定电阻。

（3）以叠加交流电压利用霍尔元件测量励磁绕组对地全电流中电阻分量构成一点接地保护装置，其动作判据为：ICLR＞IdzR，其中ICLR＝U/RCL，IdzR＝U/Rdz。ICLR为励磁绕组对地全电流中的电阻分量；IdzR为整定有功电流。

外加交流原理的优点是励磁电压只需要引出单极性，接线简单，没有死区，整个励磁绕组上任意一点接地的灵敏度基本上相近，而且在无励磁电压时也可以进行励磁回路接地保护；缺点是参数调整困难，灵敏度低，只适用于励磁回路一点接地保护。

4.乒乓切换原理

乒乓式励磁回路一点接地保护的设计思想是：切换电桥两臂电阻值的大小，使电桥没有一个固定的平衡点，因此保护就不会有死区。一点接地保护反应发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。图722是一点接地保护测量电路原理图，R为高阻桥臂电阻（如10kΩ），Rf为过渡电阻，α为接地点距绕组负端匝数百分比（绕组接地位置），E为励磁线圈两端的电压，S1和S2为电子开关。

图721　叠加交流电压一点接地保护原理图

图722　乒乓式一点接地保护原理图

根据电路图，当S1闭合，S2断开时，有

当S2闭合，S1断开时，有

由式（746）和式（747）可得

计算出过渡电阻Rf就可以决定保护的动作行为。由式（748）可以看到Rf与故障点位置α无关，灵敏度不随故障点位置改变。一点接地的动作判据为

这种方法的优点为灵敏度高，其整定范围为5～80kΩ，刻度误差不超过10%；灵敏度不受转子对地电容，故障地点及转子电压各分量的影响。乒乓切换原理的优点是测量精度高，保护灵敏度和接地位置无关，在励磁绕组各点接地时都有较高的灵敏度，可以实现一点接地保护，也可以实现两点接地保护；缺点是必须引出励磁电压的双极，而且必须在有励磁电压时才能工作。

另外，励磁回路一点接地保护除了按照上述方法构成外，还有测量转子绕组对地导纳式，电桥叠加式等。