(许继电气股份有限公司 河南许昌 461000)
摘要：发电机是一种复杂的电力设备，在电力系统中的作用至关重要，发电机的安全可靠运行对电网安全具有重要意义。据统计，发电机的在运行中出现的绝大多数故障和异常状态与转子绕组因绝缘破坏出现接地有关。本文分析了乒乓切换式转子绕组接地检测的原理，得出了转子绕组接地电阻及接地点的计算方法。本文以高精度的运算放大器和高性能的电子开关为基础，负责相关电路，设计了一种基于乒乓切换原理的发电机转子绕组接地检测电路，实现了对发电机组转子绕组运行状态的实时监测。
关键词：发电机；转子绕组；接地电阻；运算放大器；电子开关
0 引言
作为复杂的电力设备，发电机组结构上由定子绕组、转子绕组以及相关附属设备构成。其中转子绕组是发电机组的核心机构。据统计，发电机的在运行中出现的绝大多数故障和异常状态也与它有关[1]，其中转子绕组因绝缘破坏出现接地则是主要故障原因。因此实时检测发电机转子绕组接地状态，对保障发电机安全可靠运行显得十分必要。
目前发电机转子绕组接地检测主要有乒乓切换采样式和注入电压式，注入电压式采用叠加方波电压和直流偏置电压，可以在发电机工作状态和非工作状态时进行转子接地检测，但需要增加外部电源，电源质量的好坏直接决定了检测的准确性，乒乓切换式原理简单，无检测死区，对转子绕组各位置接地状态检测灵敏度高。本文首先分析了乒乓切换式转子接地检测原理，以高灵敏度的运算放大器和高性能的电子开关为核心，设计了一种高可靠性的发电机转子接地检测电路。
1 乒乓切换式检测原理分析
发电机在正常运行时，转子绕组对地有一定的绝缘电阻和分布电容，其大小和转子绕组大小等因素有关。当转子绕组对地绝缘发生破坏就会引起接地故障，称作一点接地。发生一点接地时转子绕组和大地未形成电流回路，对发电机不会有直接危害，转子绕组长时间一点接地后会引起对地绝缘进一步破坏，进而出现两点或者多点接地，此时会形成电流回路，接地点的故障电流会烧毁转子绕组。
乒乓切换式检测原理如图1所示，S1、S2为电子切换开关，Rf为转子绕组对地绝缘电阻，α为转子绕组接地故障点位置，将绕组负极定义为0%，绕组正极定义为100%，E为转子励磁直流电动势（考虑到电子开关切换时E的大小会发生变化，切换后新的励磁电动势用E＇表示）。
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图1 乒乓切换式转子接地检测原理图
当S1闭合、S2断开时（状态1），测得E和R1上电势U1；
基于以上原理和算法，可以通过采集乒乓式切换前后两个状态的相关电气量，计算出发电机转子绕组的对地绝缘电阻和接地故障点的位置[2]，实现发电机转子绕组接地状态的实时监测。
2 电路设计
发电机转子绕组接地检测电路由发电机转子绕组电压检测电路和乒乓式切换电路两部分组成，完成发电机转子绕组电压及接地状态监测，具体内容如下。
2.1转子绕组电压检测电路
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图2 励磁绕组电压测量回路原理图
发电机转子绕组电压测量回路原理图如图2所示。图中U1为ADI（亚德诺）半导体公司生产的高性能运算放大器OP27，完成信号的调理放大，它对于低电平信号具有出色的低噪声和高精度的放大性能，温漂为0.2 µV/°C，噪声低至80 nV p-p（0.1 Hz至10 Hz）、3 nV/Hz，具有8MHz的增益带宽，开环增益达到1,800,000，电源抑制比(PSRR)和共模抑制比(CMRR)均超过120dB。同时OP27的输出机具有良好的负载驱动能力。
图2中U1的工作电源由隔离电源模块提供。二极管D1、D2组成保护电路防止励磁电压极性出现反接。电容C2、C3构成共模抑制电路，增强抗共模干扰的能力。电阻R1、R2、R3组成分压电路，在R3两端获取分压后的励磁电压信号。电阻R6、R7和运放U1构成信号放大电路。为了防止输入电压过高损坏运算放大器，增加稳压管WY1对输入信号进行箝位。
2.2 位移采集处理电路设计
乒乓切换电路通过电子开关的切换测量取样电阻两端的电压，进而计算出励磁绕组的接地电阻及接地点，具体检测原理及计算方法在上文进行了详细描述。其电路原理图如图3所示：
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图3 乒乓切换电路原理图
本设计选用型号为AQW214的半导体继电器作为乒乓切换电路的电子开关，如图3中U8、U9所示，AQW214闭路时的偏置电压极低可以对微小模拟信号进行控制，当负载为400V时，其开路电流只有100pA，同时该器件能以5mA的输入电路进行0.13A的负载电流控制，动作时间仅为310μs，具有高灵敏度和高响应速度，而且AQW214输入部为LED驱动电路简单，不会产生对驱动器产生破坏的“逆电压”不需要二极管保护电路，不需要MOS功率驱动电源，系统直接通过CPU口线进行控制，大大的简化了电路设计。
图3中，Ufd+、Ufd-为分别发电机励磁绕组电路的正负极输入，Rot为发电机大轴， R15~ R20为限流电阻，通过电子开关U8、U9的切换测量取样电阻R12两端电压，经计算后得出励磁绕组的接地电阻和接地点，取样电阻R12两端电压测量回路和图2中的发电机转子绕组电压测量回路原理相似，在此不在赘述。
3 结语
本文设计的发电机转子绕组接地检测电路，结构简单、性能可靠、抗干扰能力强，适用于不同容量的发电机转子绕组接地故障检测，已经在多个型号的微机型发电机保护装置上得到了应用。
参考文献：
[1]刘华康．浅谈水轮发电机组保护的配置与特点[J]．甘肃科技，2010，26(21)：88-89+177．
[2]史泽兵，苗世洪，刘沛等．一种新型的发电机转子接地保护装置的研制[J]．继电器，2005(03)