0 引言转子一点接地在发电机故障中较为常见［1-2］，转子绕组一点接地后不会对转子造成实际损伤，但如果发生第2点接地，转子将会因短路电流过大而面临烧毁的风险［3］。大型机组励磁系统对电力系统稳定有重要的影响，这对机组转子保护的可靠性提出了较高的要求［4］。转子接地保护主要包括非注入式与注入式两类。非注入式主要有乒乓式转子接地保护，其主要不足是机组停机状态下无法检测转子接地故障。注入式包括直流电压注入式、交流电压注入式、方波电压注入式、直流注入切换采样式［5］。直流电压注入式受励磁电压影响，保护的灵敏度在不同接地点发生变化。交流电压注入式受转子绕组对地电容影响较大，而大型机组的转子对地电容较大［6］，检测接地电阻的范围受到影响。方波电压注入式可调高注入方波的周期，保护装置采用稳态数据，精度得到提高［7-8］，目前应用较为广泛，但其硬件成本较高［5，9］。单端直流注入切换采样式保护硬件结构简单、可靠性高，且灵敏度不受接地点影响［10］，目前在现场已有较多应用，但缺少转子接地故障定位与二次回路异常检测功能。转子接地保护的可靠性和测量精度仍有待提升。文献［8］通过调节直流量采样计算窗口周期的大小，抑制直流量中因转子偏心产生的低频交流分量。由于转子电压回路可能出现对地过电压［11-13］，文献［13］将转子电压在励磁柜中通过电阻分压后引出，该方法有效降低了转子接地保护对二次电缆的绝缘要求，但该方案需要较多功率电阻，且计算较复杂。文献［14-15］给出了专用的转子接地定位装置，该装置可以区分转子绕组接地与励磁变低压侧接地，但需要额外对多个电气量进行采集。文献［16-18］指出励磁变压器低压侧单相接地故障会导致转子接地保护误动。文献［16］指出转子接地故障定位受转子不稳定接地、碳刷接触不良等因素影响，没必要配置专门的接地定位装置。当排除外部引线和励磁变压器低压侧接地等外部因素后，保护本身给出的接地位置仍可作为参考。目前，较多文献在对转子接地电阻测量时均假设转子电压在切换周期内保持不变，部分文献提到转子电压的波动，但未进一步研究［1-3，13］。大型发电机的转子接地保护实际为单套投运，对保护的可靠性提出了较高要求，而目前对转子保护回路的异常处理却少有文献提及。为提高转子接地保护的可靠性与动态测量精度，合理降低硬件成本，本文提出了一种改进双端直流注入切换采样转子接地保护方案。1 双端直流注入切换采样原理分析1.1　转子接地保护原理大型机组的转子接地保护并未完全实现双重化［17-20］，通常的做法是先投入一套注入式转子接地保护，另一套转子接地保护处于退出状态，需要时进行切换。如果优先投入的注入式转子接地保护的二次测量回路发生异常，却无法给出告警信号，机组将失去转子接地保护，因此注入式转子接地保护宜具备二次测量回路断线异常检测功能。单端直流注入切换采样式接地保护结构简单、灵敏度不受接地点影响且保护无死区，但未提供转子接地故障定位与二次回路异常检测功能。文献［5］给出一种双端直流注入转子接地保护，能够提供二次回路异常检测功能，原理接线图如附录A图A1所示。图A1中：E为注入直流电压；Uf为转子电压；α为接地位置，如果满足E/Uf+α=0.5，则电子开关切换前后，接地电阻流过的电流均为零。因此，图A1原理上存在死区。为了消除保护死区，并提供二次回路异常检测功能，本文在图A1硬件基础上进行了改进，主要包括调整耦合功率电阻与切换电子开关的位置，并将电子开关改为双向导通器件，如图1所示。图中2条红色虚线表示2个回路。10.7500/AEPS20200314002.F001图1改进双端直流注入切换采样原理转子接地保护Fig.1Improved rotor earth fault protection based on double-end DC injection switching sampling principle图1中：S为切换电子开关；A1和A2为电流测量点，V为电压测量点；R为耦合功率电阻；Rg为转子接地电阻；Ip为转子正漏电流测量值；In为转子负漏电流测量值；ΔUs为电子开关的通态压降，当转子绕组处于励磁状态，无论转子绕组是否接地，Ip与In均不为零，这使得改进保护方案具备回路断线识别功能。S闭合时，Ip，In，Uf相应变为Ip'，In'，Uf'。S打开状态下按虚线回路1方向列出回路电压方程，有E=IpR+(1-α)Uf+(Ip+In)Rg （1）S打开状态下按虚线回路2方向列出回路电压方程，有E=2InR-αUf+(Ip+In)Rg （2）S闭合状态下按虚线回路1方向列出回路电压方程，有E=Ip'R+(1-α)Uf'+(Ip'+In')Rg （3）S闭合状态下按虚线回路2方向列出回路电压方程，有E=In'R-αUf'+(Ip'+In')Rg+ΔUs （4）改进保护原理假定Uf≠Uf'，根据式（1）至式（4）得到转子接地电阻Rg为：Rg=(E-2InR)(E-Ip'R)-(E-IpR)(E-In'R-ΔUs)R(Ip'+In')(-2In+Ip)+R(Ip+In)(-Ip'+In'+ΔUs) （5）接地位置α为：α=E-2InR-(Ip+In)RgR(-Ip+2In) （6）为了躲过转子电压波动和电子开关变位后的暂态过程以及转子绕组中的谐波干扰，保护装置先对转子接地保护相关模拟量进行滤波，并分别计算S在开/合状态下的转子漏电流和的变化率是否为零，实际程序中对不同时刻的电流变化率进行排序，选取电流变化率最小的时刻，同时保证该时刻的电流变化率满足式（7）。Δ(Ip+In)ΔtKthΔ(Ip'+In')ΔtKth （7）式中：Δ（Ip+In）/Δt为转子漏电流之和的变化率；Kth为判定电流变化率接近于零的内部系数。若式（7）满足，则选取当前时刻的转子漏电流测量值进行计算。由图1可知，虽然转子电压测量与接地电阻测量一般共用外部电缆，但转子电压测量正常，并不能说明整个接地电阻测量回路正常。结合机端电压判断机组是否加励磁，不考虑断线与转子接地故障同时发生，本文给出转子接地保护测量回路的断线检测判据，即机组正常运行时屏柜外部电缆断线检测判据为：U10.8UnUfUth1IpIthInIth （8）式中：U1为机端正序电压有效值；Un为机端额定电压有效值；Uth1为转子无压阈值；Ith为转子漏电流无流阈值。如果式（8）满足，说明机组正常运行时保护屏柜外部电缆断线或机组发生完全失磁，式（8）持续时间超过失磁保护动作延时后，可认为屏柜外部电缆断线。如果屏柜外部电缆正常，但屏柜内部保护回路发生了断线，其检测判据为：UfUth2IpIthInIth （9）式中：Uth2为励磁电压阈值。如果式（9）满足，说明励磁电压正常，但测量电流接近零，保护屏柜内部的功率电阻或转子接地保护回路可能断线，满足一定延时后，认为屏柜内部保护回路发生了断线异常。为方便对比接地电阻的测量效果，图1中假设Uf=Uf'，Rg的计算如式（10）所示。Rg=-0.5R+0.5(InR-ΔUs)Ip'+In'-Ip-In （10）1.2　工程应用配置考虑转子电压二次回路存在过电压问题，改进转子接地保护的工程配置有以下4种。配置1：在保证转子电压二次回路电缆耐压足够的前提下，中小型发电机可直接将转子接地保护配置在发电机变压器组（简称发变组）保护中，转子电压直接引入发变组保护屏柜，二次回路断线可直接采用式（8）和式（9）检测。配置2：对于转子电压较高的机组，将转子接地保护所需的2个耦合电阻R置于励磁柜中，如图2所示。10.7500/AEPS20200314002.F002图2改进转子接地保护工程配置2Fig.2Engineering configuration 2 for improved rotor earth fault protection图中，转子电压经电阻分压或变送器送入发变组保护屏，电阻Rs为电源E的限流电阻。这种配置方式下，励磁柜中的2个电阻R对转子绕组具有一定的隔离作用（R30 kΩ），避免了转子绕组经保护回路在励磁柜外部小电阻接地的风险。此时，断线判据式（8）、式（9）仍然适用，实际接地电阻Rg为测量电阻减去Rs。需注意的是该工程配置下，电缆A和B如果接地，电阻测量是不正确的，为增强保护的选择性，设置判据区分接地故障在转子绕组还是在外部电缆。当S闭合，若转子绕组接地，Uf'=（In'-Ip'）R成立，如果外部电缆接地，则Uf'≠（In'-Ip'）R。因此，电缆接地识别判据设置为：Uf'Uth1Uf'-(In'-Ip')RΔKUf' （11）式中：ΔK为电缆接地不平衡系数，设置时需躲过正常运行时的测量误差，典型值设为0.06。如果式（11）满足判据延时，为避免转子接地保护测量阻值不准而导致保护误动，此时闭锁保护，同时发出回路异常告警。配置3：直接将转子接地保护单装置放在励磁柜中，完全避免将高电压引入发变组保护屏柜，这种方式最为可靠，由于无机端电压信息，所以式（8）不再适用，考虑保护已就近安置，仅保留式（9）判别断线异常。配置4：部分机组无法将转子绕组两端引出，如无刷励磁机组，双端直流注入切换采样转子接地保护的工作方式如附录A图A2所示，此时转子接地保护不提供接地位置检测与断线异常检测功能，电阻计算与单端直流注入切换采样式原理［10］类似。2 试验验证对改进双端直流注入切换采样原理转子接地保护进行静模及动模测试。保护装置采用ZYNQ高性能双核处理器，装置采样频率fs=1 200 Hz。电阻R为40 kΩ，直流电压E为50 V。静模测试采用继电保护测试仪输出转子电压，测试仪型号为PW466，电子开关S切换周期设置为1 s。测试仪向保护装置输出变化的转子电压，直流正、负端分别经电阻接地，测试主回路如附录A图A3所示。经测试得到转子接地电阻与接地位置的计算值，结果如附录A图A4至图A6所示。附录A图A4中，转子绕组正端经30 kΩ电阻接地，电阻测量1和电阻测量2分别采用式（10）和式（5）计算，接地位置测量采用式（6），漏电流1为转子正漏电流Ip测量值，漏电流2为转子负漏电流In测量值。计算结果显示电阻测量1精度较低，而电阻测量2与接地位置测量的精度较高。附录A图A5中，转子绕组负端经5 kΩ电阻接地，电阻测量1精度较低，电阻测量2与接地位置测量的精度较高。附录A图A6中，转子绕组负端经5 kΩ电阻接地，转子电压变化较大。计算结果表明电阻测量1波动较大；电阻测量2也有一定波动，但精度仍明显优于电阻测量1，且波动时间持续1个切换周期；接地位置测量精度较高。在动模试验环境下对改进转子接地保护方案进行验证。发电机的实际参数主要包括：额定容量为15 kVA、额定电压为380 V、同步电抗Xd为2.07（标幺值）、直轴瞬变电抗Xd'为0.252（标幺值）、直轴次瞬变电抗Xd为0.18（标幺值）、交轴次瞬变电抗Xq为0.19（标幺值）、发电机转子空载额定电压38.9 V，励磁回路时间常数1.48 s。动模实验主回路如图3所示。10.7500/AEPS20200314002.F003图3动模实验主回路Fig.3Main circuit for dynamic simulation test图3中Rg为转子绕组接地故障电阻，为模拟转子电压较大幅度的波动过程，在高压侧设置短路故障，触发励磁系统的快速调节。保护装置采用式（5）、式（6）进行故障计算。转子绕组正端经10 kΩ电阻接地，电子开关切换周期为1.2 s，计算结果如图4所示。图中，转子电压稳定在60 V附近，可见转子电压不变时，Rg与接地位置α测量精度较高。10.7500/AEPS20200314002.F004图4转子绕组正端经10 kΩ电阻接地时的计算结果Fig.4Calculation results when positive end of rotor winding grounds via 10 kΩ resistor转子绕组负端经10 kΩ电阻接地，电子开关切换周期为1.2 s，高压侧设置为A相金属性接地故障，计算结果如图5所示。图中，当高压侧故障后，为了维持机端电压稳定，转子电压在迅速增加至150 V，当高压侧故障消失后，转子电压逐渐恢复正常，期间装置能够准确计算Rg与α。10.7500/AEPS20200314002.F005图5高压侧A相接地故障下转子绕组负端经10 kΩ电阻接地时的计算结果Fig.5Calculation results when negative end of rotor winding grounds via 10 kΩ resistor during phase A earth fault on high-voltage side设置转子绕组50%处经10 kΩ电阻接地，高压侧设置为AB相间金属性接地故障，电子开关切换周期为1 s，计算结果如附录A图A7所示。图中，在高压侧发生故障至故障恢复期间，转子电压先突增，后恢复，期间Rg与α的测量值有一定波动，转子电压稳定后，Rg与α的测量值也趋于稳定。综上可知，在转子绕组不同位置发生接地故障，新的转子接地保护均能正确测量，在转子电压不变时，接地电阻与接地位置的计算精度较高，在转子电压波动时，保护的动态测量性能较好。3 结语本文提出一种基于双端直流注入切换采样原理的改进转子接地保护方案，该方案对转子保护二次回路异常检测、转子电压波动工况下接地电阻测量等进行优化，并在保护装置上进行了实验验证。1）新方案去除了转子电压不变的限定条件，更符合机组实际运行工况，对转子接地电阻的测量精度有较大提升。2）为避免失去转子接地保护，给出了测量回路断线异常判据，有利于提高保护的可靠性。3）给出4种基于改进原理的工程配置方案，能够涵盖各型机组，降低了转子绕组通过检测回路大电流接地的风险，提高了保护的可靠性与选择性。4）改进转子接地保护对硬件要求低，且具备完整的接地电阻与接地位置测量功能。5）对于转子漏电流的滤波计算与测量精度仍有进一步提高的空间。改进方案对于变化电阻的测量仍有待验证。