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转子一点接地保护误发讯号原因分析

　　 [摘　要] 本文介绍测量对地导纳原理的LD-3型发电机转子一点接地继电器的保护原理.分析了接地导纳型继电器运行中因接地碳刷与转子大轴接触不良引起一点接地讯号误动作的原因. 
　　[关键词] 接地保护；整定圆；误发

Analysis to misoperation of rotor one-point grounding protection

SHAO HongQuan

Henan Anfeng Electric Power Co,.Ltd ZhenZhou 451250, China 

　　 Abstract: The theme introduces the principle of LD-3 rotor grounding relay that measures the admittance against the ground.The method for the misoperation of the rotor grounding relay is because of the unstable touch of the ground bruch and the rotor shaft.
　　 Keyword: Ground protection Set circle Misoperation 

1 前言
　　现在大型机组励磁保护多采用微机型保护，如三峡水电站一期工程的14台发电机组，转子一点接地保护采用西门子电子电气公司的叠加变性方波电压方案和ABB公司的外加12.5HZ电压方案。但大多数旧机组仍采用电磁型或晶体管型保护.本文针对河南安峰电力有限公司#3 #4机组所用的许继生产的LD-3型测量转子绕组对地导纳原理的一点接地保护继电器的保护原理进行分析，同时，对此继电器在运行中出现误发信号的原因进行初步分析并提出解决讯号误发的办法.

2 转子一点接地的危害
　　发电机的励磁绕组高速旋转极易发生一点接地故障.发生一点接地后，无电流流过故障点，不形成电流通路，无电流流过故障点，励磁电流仍保持正常，对发电机并无直接危害，但转子绕组对地已产生电压，当系统发生各种扰动时，电压可能出现较大值，极易造成另外一点接地，从而形成两点接地短路，一部分励磁绕组被短接，其后果是：⑴ 转子磁场发生畸变，力矩不平衡，引起机体震动，无功出力降低。⑵ 故障点流过很大的短路电流，接地电弧将烧坏励磁绕组和转子本体. 接地电流可能使轴系和汽缸磁化.⑶转子本体局部通过转子电流，引起局部发热，使转子发生缓慢变形，而形成偏心加剧机体震动。
　　过去对中小型发电机都设有转子一点接地绝缘检测装置和两点接地保护.现在都广泛采用转子一点接地保护装置代替原来的转子一点接地绝缘检测装置，当一点接地讯号发出同时判断为永久性接地故障后，人为投入转子两点接地保护作用于跳闸，或者人为安排停机处理.
　　LD-3型转子一点接地继电器在实际运行中经常出现信号误发.有人认为接地碳刷与转子大轴间有接触电阻只会使一点接地信号拒发,不可能引起误发,其原因是：接触电阻的存在使测量回路阻值增加,故对地电阻的测量值比实际的电阻值大。其实这种判断是错误的.下面进行分析.

3 测量对地导纳的LD-3型一点接地继电器的组成
　　一般的转子一点接地继电器是以转子接地电流作为测量判据，而LD-3型转子一点接地继电器是以转子的接地电导作为测量判据，即测量转子对地电阻并进行监视，理论上不受接地位置的限制，没有死区，且灵敏系数不受转子对地分布电容的影响.但是由于测量回路中存在电感电抗或调整不精确或接地碳刷与滑环间有接触电阻，因而受接地电容的影响.

    图1为测量对地导纳的LD-3型一点接地继电器原理接线图，是属于叠加交流电压的一种接地保护，由整定回路、测量回路、比较回路和电源等组成.
　　测量回路为电流ⅰ流过的回路，即50HZ交流电压U经 R2、RP2、L、C1、C2、电抗变换器2TAM初级线圈、R4叠加到励磁绕组与地之间构成的回路,其中L、C1、C2组成50HZ带通滤波器.C1、C2接于正负两极，电容C1、C2可抑制转子回路高次谐波影响，另外还起着交直流隔离的作用.RP2为整定电阻.
　　整定回路为电流ⅰm通过的R、RP1、1TAM初级线圈、2TAM初级线圈和电流ⅰn通过的R1、1TAM初级线圈.其中ⅰm经可调电阻RP1接入回路以得到不同的接地电阻整定值.
　　比较回路由1TAM、2TAM次级绕组、二极管1V～4V、极化继电器KP、电容C3等组成.当转子，对地绝缘电阻下降到一定值时极化继电器KP动作，发出接地信号.
　　TVS为电源变压器，取自发电机出口PT二次侧或厂用电，经隔离和降压后供给测量回路和整定回路.

4 测量对地导纳的LD-3型一点接地继电器的动作原理
　　为方便分析假定变抗器1TAM、2TAM的参数完全相同，变比为1，初级漏抗及电抗略去不计，次级回路对称，各回路有效电阻分别计入Rb、Rm、Rn中.其中Rb、Rm、Rn分别为测量回路及整定回路等效电阻. 
　　⑴整定圆 
　　图1中迭加交流电压U经两个回路加入本装置.一个回路为测量回路，其电流为i；另一个回路为整定回路，其电流为im和in。动作量iact=|in -im| 接极化继电器的极性端产生动作力矩.
　　制动量ⅰbrk=|ⅰ-ⅰm| 接极化继电器的非极性端产生制动力矩.
　　对于同一电压U 则
　　动作导纳为 Yact= |Gn-Gm|
　　制动导纳为 Ybrk= |Y-Gm|
　　用导纳表示临界条件| Y-Gm|=| Gn-Gm| 方程式在导纳复平面上为一圆.

　　设导纳整定值为Yset,图2所示圆即为导纳整定圆, 其圆心为Ycset=Gm，半径为Yrset=|Gn-Gm|.整定圆内为动作区,即转子绕组对地绝缘电阻Re下降到一定值，Y=1/Z进入圆内时,|Y-Gm|＜|Gn-Gm|,保护装置动作发讯号。
　　⑵等电导圆和等电纳圆 
　　由图1中电流ⅰ流过的回路，可以作出如图3所示的等值回路.

    励磁回路对地分布电导和分布电纳用集中参数Ge=1/Re,Be=1/Xe=2πfCe表示 
Ye为发电机转子回路对地电导和对地电纳组成的对地导纳即

　　转子测量回路中滤波器、RP2、R2、R4和2TAM初级绕组中的电阻都归入Rb中，这些回路中的电抗都归入Xb中。
　　从GE端看到的测量导纳

　　①若令Ge为常数，Be为变量，则所对应的测量导纳Y在导纳复平面上的轨迹为一圆

　　对应一系列Be可得一圆族，称为等电纳圆组. 图4⑴虚线圆所示。

　　在正常情况下，测量导纳Y的端点A在图2中所示的整定圆外.当转子绕组对地绝缘降低或接地时，对地电导变大，使A点沿等电纳圆向动作区偏移，当进入圆内（动作区）时，继电器动作发讯号.
　　等电导圆的圆心落在g轴上，通过调整RP2,RP1使整定圆与Ge=Gset的等电导圆相重合时.Ce在0～∞的范围内变化，继电器的动作电导值不变，因此不必担心对地电容的影响.
　　图4⑴中阴影圆为Rset=2KΩ的整定圆与Re=2KΩ的等电纳圆相重合.

5 继电器的调试方法
　　⑴ 极化继电器的校验.
　　⑵ 通过调整继电器RP2值，满足Rb=Rn（Gb=Gn）的要求.
　　⑶ 通过调整继电器RP1值，改变动作特征圆半径，使之满足整定值的要求.

6　整定值不稳定或误动的原因
　　⑴整定值Rset太大，造成动作区模糊
　　图4⑴所示，这种原理的继电器当Rset较小时（例如1～4KΩ）动作区区分很清楚，但当Rset＞10KΩ时，动作区就模糊了，Rset=10KΩ～∞的区域和Rset=2KΩ～4KΩ的区域差不多，如果整定值为20 KΩ，很可能由于整定动作界限模糊，有可能Re＜15 KΩ不动作；而Re＞25 KΩ就可能动作，造成动作值不确切.故该保护从原理上讲动作电阻就不可能整定太大，一般应取小于10KΩ.
　　(2) 继电器Zb的电抗影响
　　继电器Zb有一定的感性或容性电抗，使等电导圆的圆心不在g轴上
　　（a）Zb=Rb纯阻性时，当转子回路对地绝缘完好（Re=∞，Ge=0）图4⑴中测量导纳导纳为坐标原点O，当发生转子绕组金属性接地 (Re=0，Ge=∞) 故障时,测量导纳对应图4⑴中的P点，该点有G=Gb=1/Rb
　　（b）Zb中含有容抗或感抗时，Yb=1/Zb为一复数，Yb不再在g轴上，Xb感性时等电导圆的OP线偏离g轴而位于第四象限；Xb容性时，等电纳圆的OP线偏离g轴而位于第一象限．但继电器的整定圆仍在原位置（对称于g轴），造成等电导圆与整定圆不能重合，测量对地导纳Ｙ进入整定圆内而使继电器动作的Re不再是Rset。
　　分析如下：由式（1）（2）（3）知
　　I 测量导纳

　　若Yb、Gb为常数，Ge（Re）取不同值，Be（Ce）变化（α随Be而变化），Y的末端为一圆族（等电导圆组）。

　　若Yb、 Gb为常数，Be（Ce）取不同值，Ge（Re）变化（β随Ge而变化），Y的末端为一圆族（等电纳圆组）。

　　图4⑵为Xb=0.5KΩ时的测量导纳圆图.
　　若继电器整定值Rset=2KΩ而实际上当Ce≥2μF时,Re下降到4KΩ时继电器就已经开始动作;当Ce≥4μF时,Re下降到10KΩ时继电器就已经开始动作，故灵敏度受转子对地电容Ce的影响。
　　可见Zb不为纯阻性时,动作值不再固定不变,且动作值与对地电容Ce密切相关。
　　⑶ 接地碳刷与转子大轴间的接触电阻△R对导纳继电器的影响
　　转子绕组与地（大轴）之间原有分布电导Ge和分布电容Ce相并联，进一步考虑接触电阻△R，其等效测量阻抗

　　由（4）（5）式联合，经数学推导：

　　下表1为 Re=100KΩ,△R及转子对地分布电容Ce（μf）变化时，测量电阻的计算值。注意表中每行划线的两个数一个大于10K另一个小于10K。由表知整定值为10K，接触电阻△R变化时，测量电阻可能小于整定值，此时继电器就会误发讯号。

　　画出整定圆和接触电阻（50欧500欧）、Rb=2K、Re(100K、20K、10K)时的测量圆(等电导圆和等电纳圆)，.图5所示。
　　由表1和图5可知：
　　（a）Ce越大，△R对的影响越大。
　　（b）当△R很小（例如小于50Ω）时，Ce≤2.5微法，Rset=10KΩ的导纳继电器不会误动。

　　当△R变大（例如大于500Ω）时，保护装置测的将远小于转子绕组实际对地电阻Re，继电器极有可能误动作。随着△R的增大保护装置测得的导纳圆将向左移动，当△R大到一定值时测量导纳圆与整定圆没有相交点，此时继电器反而拒动.
　　为使继电器正确动作,必须确切保证接地碳刷与转子大轴间的接触电阻△R≤50Ω,为此应增加电刷与大轴间的压力，如更换碳刷，或改为均压刷架或增设一对碳刷（为防止刷架发生共振 应与原碳刷位置相差90度）。 

7 解决实际中的问题
　　河南安峰电力有限公司#3、 #4机组的发电机保护中的励磁一点接地保护继电器采用许昌继电器厂生产的LD-3型接地继电器，该继电器采用测量接地导纳原理.实际运行中,转子一点接地信号经常误发，严重影响机组安全运行，造成人心惶惶。在检查处理过程中，我们首先进行了励磁部分及发电机转子部分的绝缘检查，其间没有发现异常.其次，对二次回路绝缘全面检查,保护继电器复核校验，仍没有发现异常. 最后，才找出真正的原因是由于接地碳刷与刷握之间配合过紧，造成接地碳刷磨埙一段时间后与转子大轴接触不良，再加上转子大轴上方的油管对大轴的污染使接触电阻进一步变大，最终引起继电器误发信号。经更换接地碳刷,解决接地碳刷与刷握之间的配合，清擦转子大轴油污，信号就不再误发.经询问兄弟单位，也出现过此种讯号误发现象，望有关电力生产、设计、运行部门予以重视。
8　结论
　　本文针对测量接地导纳原理的LD-3型转子-点接触地继电器在运行中经常出现的信号误发这一现象。分析了接地碳刷与转子大轴之间存在接触电阻引起误发信号的原因，同时指出了解决方案。经讯问兄弟单位，也出现过此种信号误发现象，望有关电力生产、设计、运行部门加强对接地碳刷与转子大轴之间接触电阻的监督以防止信号误发。

参考文献

1. 电力系统继电保护实用技术问答. 国家电力调度通信中心编. 北京： 中国电力出版社. 
2. 电力系统继电保护. 李俊年主编. 北京中国电力出版社， 1993.10.
3. 继电保护及自动化产品样品. 有或无与量度继电器分册. 许继电气股份有限公司. 96新版. 
4. 新编保护继电器校验. 电力工业部安全监察及生产协调司组编. 北京： 中国电力出版社.