转子保护

转子保护（精选7篇）

转子保护 篇1

摘要：对转子电压采用电阻分压方式, 将分压后的电压引入保护装置, 参与转子接地运算。针对目前常见的乒乓式与低频电源注入式2种接地保护, 从接地电阻及接地位置2个方面对保护测量的影响进行理论分析, 并提出相应的改进方案。以三峡ALSTOM机组为例, 在PSCAD/EMTDC建立仿真模型, 仿真数据结果表明, 采用电阻分压式转子接地保护能准确计算接地电阻阻值及接地位置, 避免较高电压直接接入保护屏, 同时利用对不同抽取电阻的切换, 能正确定位接地点是在励磁回路上还是在测量回路引线电缆上。

关键词：转子接地,电阻分压,乒乓式,注入式,测量电阻,接地位置

0 引言

转子一点接地故障是发电机常见的一种故障形式[1,2], 保护采用的转子电压一般直接取励磁绕组的全电压。文献[3-5]中提到, 对于大型发电机组, 转子电压比较高。在长期运行、电缆老化的情况下, 转子电压二次回路绝缘水平有可能降低, 因此存在隐患。文献[6]指出, 大型发电机组的强励电压能达到1 500V, 直接将全电压引入保护屏, 将给装置运行和维护带来一定的潜在危险。同时, 现有的转子接地设计方案大多采用文献[7]中所提到的通过切换转子大轴的方式实现2套转子接地保护互相投退的方式, 该方案无法正确区分励磁绕组端部与保护测量引线的接地, 这是目前采用全电压引入的转子接地保护的缺陷。对于形成稳态的第2点接地, 现有的关于接地位置和阻值的计算大多为一点接地的等效变化值, 与实际接地电阻和位置存在一定误差, 不能为现场故障点定位提供有效的参考依据。

本文对国内使用最多的乒乓式与低频电源注入式2种转子接地保护[8]采用转子分压方式, 从而改进了转子接地电阻及接地位置算法, 优化了转子接地保护抽取电压设计方案。通过理论分析和PSCAD/EMTDC仿真数据, 验证了改进算法的可行性和有效性。

1 常规转子接地保护

1.1 注入式接地保护

低频电源注入式转子接地保护分为单端注入和双端注入2种。单端注入式等效电路如图1所示。图中:Rx为采样回路电阻;Ry为注入回路大功率电阻;Us为注入电源电压;Ur为励磁电压;Rg为转子绕组对大轴绝缘电阻;在离转子绕组正端α位置发生一点接地。

设Ux+为正半波时采样电阻Rx两端电压, Ux-为负半波采样电阻Rx两端电压, 由此可以得到[2]:

对于双端注入式转子保护, 其等效电路如图2所示, 图中:Ra, Rb, Rc为转子回路分压电阻, 且Ra=Rc=0Ω。

工程上认为在发生转子接地故障切换周期内, 励磁电压近似不变, 由此得出接地电阻计算公式与式 (1) 相同, 即式 (1) 为注入式转子接地电阻一般表达式。计算可得接地位置[2]为:

1.2 乒乓式接地保护

乒乓式转子接地保护是另一种被广泛使用的转子接地保护[2,3,4,5,6], 其原理图如图3所示。

图3中:S1和S2为电子开关;I1和I2为S1打开、S2闭合时对应回路流过的电流, 其为实测值。Ra=Rc=0Ω, 可以得出转子接地电阻[9]Rg为:

式中:I1′和I2′为S1闭合、S2打开时对应回路流过的电流, 其为实测值;R为桥臂电阻。

计算可得接地位置α为:

现有的转子接地保护都使用全电压引入保护屏, 参与转子接地计算, 只要在励磁电压稳定的前提下, 可以真实反映转子绕组实际对地绝缘电阻阻值, 且与接地位置无关。然而上述方案仍存在以下不足。

1) 对于大型发电机组, 其励磁电压很高, 在长期运行、电缆老化的情况下, 转子电压二次回路绝缘水平有可能降低;并且如此高的电压接入保护屏, 给设备、人员的安全也带来一定程度的隐患。

2) 对于励磁绕组正负两端发生接地和测量回路的引线接地无法正确区分。

3) 发生第2点接地故障时, 只有一点接地位置相对变化量Δα显示, 不能为现场对于故障点定位提出更多参考数据。

针对上述问题, 本文采用电阻分压式转子接地保护, 既可降低接入保护屏的励磁电压, 又可利用对不同抽取电阻的切换, 正确定位接地故障是发生在励磁回路上还是在测量回路引线上, 并能计算定位第2点接地故障的接地阻值及位置, 为现场故障点排查提供理论数据。

2 电阻分压式计算分析

转子电压经电阻分压后接入, 发电机转子发生经Rg接地故障。

2.1 经电阻分压的注入式保护计算

单端注入式的转子接地保护, 由于不存在分压问题, 因此其等效电路与图1一致, 不影响计算结果。双端注入式转子接地保护电阻分压后的等效电路如图2所示, 由于励磁绕组阻值相对于分压电阻阻值很小, 可以近似忽略[10]。此时, 计算接地电阻值为:

2.2 经电阻分压的乒乓式保护计算

乒乓式转子接地保护电阻分压等效电路如图3所示, 接地电阻值的表达式为:

对比式 (5) 和式 (1) 、式 (6) 和式 (3) 可知, 对于使用电阻分压的双端注入式和乒乓式转子接地保护, 若使用全电压接入的一般表达式 (式 (1) 和式 (3) ) , 计算将会出现较大误差。然而当出现以下特殊情况时, 式 (5) 与式 (1) 、式 (6) 与式 (3) 只相差一个常量。

当Ra=Rc时, 式 (5) 可以化简为:

将式 (7) 代入图2正半波回路方程, 解出接地位置为:

比较式 (8) 与式 (2) , 当Ra=Rc时, 对于注入式转子接地保护, 接地位置计算不受影响。

当Ra=Rc时, 式 (6) 可化简为:

将式 (9) 代入图3回路方程, 并设定Rg′的表达式与式 (3) 中Rg的表达式完全一致, 则计算可得接地位置为:

由此可知, 当Ra=Rc时, 乒乓式转子接地保护接地位置的计算不受影响。

从上述分析可知, 在选择经分压电阻分压后进入转子接地保护装置时, 只要满足抽取电压两端分压电阻阻值相同, 接地位置计算就不受影响。保护装置只需进行简单处理, 就可以既满足降低测量回路转子电压的要求, 又满足接地电阻及接地位置的准确计算。

3 改进方案及算法

由于分压电阻与励磁回路是并联关系, 因此在Ra=Rc的前提下, 保护测量引线上发生接地, 测得的接地位置符合以下关系:α=Ra/ (Ra+Rb+Rc) 或α= (Rb+Rc) / (Ra+Rb+Rc) 。

在一点接地位置与上述特殊位置接近时, 可以通过调整不同的抽取比例, 根据接地位置是否按规律变化来判断出接地点是在励磁回路上, 还是测量回路引线上。

在转子经Rg1一点接地形成稳定后, 投入转子两点接地保护。设在β位置发生第2点接地故障, 接地电阻为Rg2, 忽略励磁绕组本身阻值, 保护测量到的接地阻值Rf实际为Rg1与Rg2的并联电阻。而测量到的等效一点接地位置α′为α与β的中间某点位置, 该点位置与Rg1和Rg2的阻值有关, 存在以下关系:

经化简后得到第2点接地故障的接地电阻与接地位置分别如式 (12) 、式 (13) 所示。

根据第2节分析可知, 只要选择合理的抽取位置, 经过简单修改计算公式, 转子保护就能实现接地电阻、接地位置计算。对于励磁回路接地与测量回路引线接地的区分, 通过不同比例的抽取电阻切换, 由接地位置的变化来进行判断。

现对分压电阻的选取和保护装置定值设置作如下建议。

1) 分压电阻应装设于励磁柜中, 且分压电阻阻值不宜过大, 过大的分压电阻将会使得保护取样回路的电压、电流减小, 降低保护的灵敏度。

2) 分压电阻宜采用大功率电阻, 满足现场长期带电运行需要, 电压抽取比例建议在1/3~1/2之间, 抽取比例过小, 会使得乒乓式采样回路数值过小而引起计算误差。

3) 在满足Ra=Rc的前提下, 在励磁柜中安装切换空气开关, 使转子接地保护可满足抽取不同比例的励磁电压。通过对不同抽取电压的切换, 能定位接地故障是发生在测量回路引线上还是发生在励磁回路中。该切换回路只在无法确定励磁回路故障还是测量回路引线故障时使用。

4) 定值项中提供可整定的分压系数, 满足现场不同抽取比例, 用于接地位置的计算。

5) 所抽取分压电阻两端阻值开放整定, 由于推导是在Ra=Rc的前提下得出, 只需显示一个电阻值整定即可, 以“r”表示, 当转子电压使用全电压引入时, 整定r=0Ω。

6) 当第1点接地电阻过小时, 由于无法检测后期是否发展为两点接地[11], 同时经措施3验证为非测量回路接地后, 宜转移负荷并平稳停机进行检查。

4 仿真分析

4.1 仿真模型介绍

在PSCAD/EMTDC上建立励磁绕组经分压抽取后的转子接地仿真模型。励磁绕组采用三峡左岸电厂ALSTOM机组4段π形等效电路来表示, 如图4所示。其中仿真参数见附录A。

仿真中设定发电机空载情况下0s发生一点接地故障, 接地电阻为Rg, 故障点位置α=0.4情况下分别检测不同Rg值对应的测量阻值、接地位置的精度和误差。转子接地按照1/2电压抽取, 切换周期为2s。

电阻分压乒乓式和双端注入式仿真模型分别见附录A图A1和图A2。

空载励磁电压Ea波形如图5所示, 仿真数据均为发电机空载情况下采集并计算。

4.2 电阻分压设计方案

经大功率分压电阻分压的设计方案如图6所示, 其中分压电阻取为:Ra1=Rc1=3kΩ, Ra2=Rc2=1kΩ, Rb=4kΩ。K1和K2为不同抽取比例切换开关, 当K1投入、K2打开时抽取比例为1/2, 当K1打开、K2投入时抽取比例为1/3;FU1和FU2为高压熔断器。建议分压电阻和空气开关就地安装于励磁柜中。

4.3 电阻分压一点接地仿真

在发电机转子经1kΩ和5kΩ接地时, 测得的乒乓式接地阻值、位置波形如图7所示, 其测量及计算数据见附录A表A1。

双端注入式转子经1kΩ和5kΩ接地时, 计算测得的接地阻值、位置波形如图8所示, 其测量及计算数据见附录A表A2。

从图7和图8可以看出, 在一点接地稳定后, 采用分压方式的乒乓式与双端注入式保护均能准确反映应接地电阻及接地位置。

4.4 第2点接地测量精度

在转子一点接地稳定后, 第1点的接地位置为0.4, 接地电阻取为1kΩ。仿真中固定第2点阻值为5kΩ, 接地位置分别取0, 0.5, 1.0这3个位置, 来校验分压式转子接地保护对第2点接地电阻、位置测量的精度, 分压抽取比例为1/2。乒乓式测量结果如图9所示。

图9中第2点接地阻值与接地位置取进入稳态后所测量的数据, 以下各图取值均参照此原则。双端注入式测量结果如图10所示。

从图9和图10可以看出, 电阻分压乒乓式、注入式对第2点接地阻值、接地位置计算准确。受篇幅所限, 本文只详细列出电阻分压式两点接地以及双端注入式两点接地精度数据, 如表1和表2所示。

通过比较得出第1点接地电阻较大时, 第2点接地阻值与接地位置较准, 而第1点阻值较小时, 第2点接地阻值与接地位置计算将有一定误差。电阻分压方式的转子接地保护在第1点接地电阻为1kΩ时, 第2点接地位置、阻值计算与实际接地位置及阻值误差小于5%, 能正确反映两点接地, 可以为现场故障点定位提供准确数据。

4.5 不同抽取比例对绕组接地位置计算影响

选择1/3抽取比例时, 转子绕组接地位置在α=40%, 乒乓式和双端注入式保护测得接地位置波形如图11所示, 其仿真数据见附录A表A3。

由图7、图8和图11的仿真数据可知, 对于不同的阻值, 在转子绕组上发生稳定的一点接地时, 所测的接地位置不会因为抽取比例的不同而受影响。

4.6 测量回路引线发生电阻接地数据

在图6所示测量回路的引线电缆上发生接地故障, 乒乓式和双端注入式保护测量的接地位置如图12所示, 其仿真数据见附录A表A4。

可以看出, 对于乒乓式和注入式保护, 在引线电缆上发生接地故障、抽取方式一定的前提下, 计算的接地位置与接地阻值无关。当判断出接地位置与抽取比例相关, 如抽取比例为1/N, 而保护测得的接地位置为 (N-1) / (2 N) 或 (N+1) / (2 N) 时, 通过励磁柜切换空气开关, 将抽取电压选择为另一种抽取方式。若接地位置发生变化, 满足与切换后的抽取比例相关, 可以确定接地位置位于测量回路引线电缆上。若接地位置维持原状, 则接地点在励磁回路上。

5 结语

本文针对传统转子电压全压接入的乒乓式和注入式的保护算法进行改进, 采用电阻对转子电压进行分压接入。理论计算和仿真数据结果表明, 电阻分压式转子接地保护能实现接地电阻及接地位置的准确计算, 避免高电压直接接入保护屏对人员、设备造成的潜在危险。不同比例抽取电压的切换能定位接地点是在励磁回路上还是测量回路引线电缆上, 为现场对故障点定位提供极大方便。同时在一点接地稳定后再发生第2点接地, 对两点接地阻值、位置的计算误差较小, 也为故障点查找提供理论依据。本文所改进的方法, 有待于在未来实际工程应用中进一步验证。

附录见本刊网络版 (http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx) 。

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转子保护 篇2

发电机转子接地故障是发电机运行中最常见的故障现象, 发电机转子一点接地时, 接地点与转子绕组间未形成闭合通路, 励磁绕组参数并未发生明显变化, 对发电机的正常运行没有明显影响, 发电机可继续运行一段时间。然而, 若在一点接地故障已存在的情况下出现第二点接地故障, 故障部位将会有很大的电流流过, 此电流可能导致转子本体出现烧伤或烧毁, 同时发电机励磁绕组还可能在短接状态下出现气隙磁通的非平衡变化, 由此引起发电机振动而导致保护动作跳闸停机, 影响机组运行安全。为了减少发电机转子接地造成的影响, 必须在一点接地时就尽快查明原因, 消除一点接地, 从而防止发生两点接地。

1 发电机转子接地的危害

在发电机运行中, 可能导致转子接地的原因主要有以下几方面: (1) 工作人员在励磁回路工作过程中操作失误; (2) 发电机转子滑环、顶部或引线部位出现绝缘性损坏问题; (3) 发电机转子长时间持续性运行过程中所产生的通风孔局部堵塞或绝缘垫片位移; (4) 励磁回路积聚碳粉较多, 绝缘子脏污。

发电机转子接地有一点接地和两点接地。当转子出现一点接地时, 因为对地并没有形成电流通路, 也就没有电流流过故障点。此时仅是励磁绕组对地绝缘有降低的趋势, 对发电机正常稳定运行的影响较小, 机组还能继续运行。当转子出现一点接地故障后, 若运行维护人员没有及时进行有效处理, 发电机仍继续运行, 则转子励磁绕组的绝缘水平会显著降低, 有可能引起其他部位出现接地故障, 进而导致发电机转子出现两点接地故障。发生两点接地时, 转子绕组将会发生局部短路, 励磁电流将会增大。若此种状态下的绕组短路匝数比较多, 发电机绕组中的主磁通将会有所减少, 导致发电机输出无功功率下降。此外, 受到发电机转子磁场出现畸变的影响, 转子气隙中原有的磁势对称性也会遭到较为严重的破坏, 由此引发不平衡力矩, 最终导致机组发生振动, 被迫停运。因此, 当发电机转子发生一点接地时, 必须及时予以消除, 以有利于机组稳定运行。

2 发电机转子接地保护的基本原理

为确保运行人员在发电机运行过程中能够对转子的绝缘状态进行实时监测与分析, 在发电机保护中配置了转子接地保护, 其原理是在发电机转子绕组与大轴之间叠加一个恒定直流电压, 并在输入模块作用下完成对转子绝缘的监测。一般情况下, 直流输出电压与发电机转子绝缘值呈一定的比例关系, 发电机接地保护采集此比值作为机组跳闸启动信号, 经延时后如故障仍然存在, 则出口跳闸。在发电机正常运行时, 测量装置轮流测量转子绕组正负极的对地电流实时参数, 根据所测定参数对转子绕组以及励磁回路对地电阻值进行计算, 并据此对发电机绕组接地故障的具体位置以及接地电阻的数值做出分析与判断。一点接地时, 保护装置根据分析结果判断为一点接地, 从而发出报警信号, 如果发生一点接地后未及时进行处理, 随后若转子绕组继续出现接地故障, 则保护装置所测得的接地点位置参数会有相应的变化, 当接地点位置参数变化值超过保护整定值时, 保护装置即判定发电机转子已出现两点接地故障, 就会启动跳闸。

发电机转子绝缘降低时, 如不及时处理, 随着绝缘的降低, 也可能发展为接地性故障, 影响发电机安全运行, 因此在发电机保护中应增加发电机转子绝缘保护。转子绝缘保护通过添加一个专门的连接方波信号于转子回路系统, 在特定的测量周期作用下 (测量周期的长短与发电机系统所产生的实时脉冲频率相关, 极限值多为数分钟以内) , 连接方波信号装置所测定的结果以电压量的形式在“慢模拟输入”功能的作用下, 于独立的处理单元中进行处理, 在此基础上按照一定的频率进行采样、整定, 若连续多个采样点所测量到的实时电阻值均小于整定值, 则将自动提供保护启动量并延时。假如经延时后发电机转子绝缘故障仍然存在, 则将出口跳闸。

3 发电机转子接地保护动作的检查分析与处理

3.1 发电机转子一点接地故障检查分析及处理

当发生一点接地故障时, 未形成畅通的电流回路, 故障位置经测定无电流流过, 这也就使得转子回路和励磁装置运行仍然有效与可控, 从而对机组的正常运行没有较大的影响, 保护系统仅发出报警信号。此时的处理措施应当关注“转子一点接地保护信号能否自动复归”。一般情况下, 若转子一点接地信号能够自动复归, 则应当判定发电机转子接地保护动作故障为瞬时性接地故障;若转子一点接地保护信号无法自动复归, 则应当继续对转子接地保护装置进行检查, 检查其正常还是误动, 如保护装置正常, 运行维护人员就要对转子绕组绝缘进行测量, 根据测量结果进行分析判断;在测定发电机励磁绕组单极对地电压下降至很低且另一极对地电压上升至全电压值的情况下, 可判定发电机转子确实存在一点接地故障。

转子一点接地的处理措施: (1) 对发电机励磁回路装置控制方式进行检查, 如是手动控制方式引发故障的可能性, 则及时进行纠正处理。 (2) 检查励磁回路各部位元件是否存在外观性损伤以及脏污接地, 若存在外观性损伤, 则对相关元件进行修补或更换处理;若存在脏污接地, 则对相关部位进行吹扫处理。 (3) 对发电机转子及励磁系统各有关回路进行外观检测, 进而在停用整流柜装置的基础上就转子所存在一点接地事故是否由整流柜直流回路接地故障所引起进行检查处理。 (4) 查明接地是在测量回路还是在励磁回路, 根据所在位置采取相应的措施。 (5) 对属于金属性接地且无法判明故障所在位置的一点接地故障, 运行人员需加强监视, 同时将两点接地保护启动跳闸压板投入, 并在停机状态下进行全面的检查处理。 (6) 在发电机转子一点接地的情况下, 若机组同时表现出失步或欠励磁运行, 则应当判定发电机转子接地故障已发展成为两点接地, 需立即停机进行后续处理。

3.2 发电机转子两点接地及层间短路故障检查分析及处理

当发电机转子出现两点接地及绕组层间短路故障时, 转子电流会显著增大, 转子电压和定子电压显著下降。与此同时, 发电机无功功率显著降低, 功率因数显著增大。与一点接地故障一样, 转子两点接地及层间短路故障时, 发电机保护信号系统发出“转子一点接地”报警信号, 此状态下机组振动尤为明显。在长时间且持续性的运转及振动中, 机组可能出现失步或失磁, 进而导致发电机保护系统动作跳闸而停机。

在对两点接地故障处理前, 运行维护人员首先应注意2个问题: (1) 假设发电机转子两点接地中的某一点发生于转子绕组装置内部, 那么转子装置中部分绕组也会同时出现过热, 甚至损毁。 (2) 转子两点接地故障势必会导致机组磁场对称特性遭受极为严重的破坏, 致使机组产生强烈振动, 最终导致机组跳闸停机。从此角度上来说, 故障处理应当重点关注以下几个步骤:第一, 运行人员发现发电机转子出现两点接地故障的第一时间应对机组做紧急停机处理;第二, 如果“转子一点接地”信号未发出, 由于转子层间短路引起机组振动超过允许值或转子电流明显增大时, 运行人员应当立即采取减小负荷的方式进行处理, 使机组振动和转子电流减少到运行限制范围内;第三, 若以上处理均无效, 则应当申请停机, 进行全面检修处理。

4 结语

通过以上分析说明, 在发电机转子接地保护动作后, 对发电机转子及励磁系统进行检查与分析, 使运行维护人员掌握各种接地故障相应的处理措施, 以便在转子发生接地故障时能够及时进行有效处理, 保证机组安全稳定运行。

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转子保护 篇3

1 传统发电机转子接地保护不足

常规发电机的故障概率和励磁回路的复杂程度增加是因为需要通过长电缆把转子电压引入转子接地保护集成的机组保护屏中;乒乓式转子接地保护[1]的大量使用因为转子接地位置可以测量, 拥有较高的保护灵敏度。对于转子电压无法引出的机组 (只引出转子绕组一端) , 不能使用乒乓式转子接地保护的原理。而且发电机无励磁状态下的转子绝缘监测功能缺失, 必须加上励磁之后乒乓式转子接地保护功能才能使用。可见, 大型水电机组对保护配置高要求决定了传统发电机转子接地保护的不适用。

2 新型发电机转子接地保护装置设计

2.1 设计原理

本文介绍的转子接地保护采用的是双端注入式, 意为采用注入转子绕组的正负两端的偏移方波电源的方式来测得两种状态下方波电压的转子泄漏电流, 保护装置自产注入电压, 对转子对地的绝缘电阻值进行实时求解, 以保护反映下降的转子对大轴绝缘电阻。

双端注入式转子接地保护可通过测量转子一点接地的位置为故障排查提供参考, 不受机组工况的影响, 具备高可靠性与灵敏度。机组在未加励磁或静止的状态下仍可正常工作是注入式转子接地保护与传统的转子接地保护相比最突出的优点。

2.2 硬件设计

本文采用插件式结构设计, 这一设计是面向功能的, 并完全分开弱、强电回路, 可以有效抑制电磁和静电的干扰, 同时不需要外部抗干扰器件就能实现抗干扰能力的增强。

(1) 电源插件:此插件为整个装置提供弱电电源。电源插件输入220V的直流, 输出分别为+24V、±15V、+5V的直流, 其分别作用于不同的芯片, 如输入开关量的电源以及驱动继电器、MCU以及模数转换芯片和各种其它芯片, 其中, 各回路具有电气隔离的特点, 各组电源具有不共地的特点。此外, 装置的安全性由于电源的监视功能以及电源50ms的延迟特性得到了进一步提高。

(2) 主控单元插件:包括中央信号输出自举载入接口、输出微控制器M C U (M i c r o C o n t r o l U n i t) 、开关量采集及C A N B U S、S R A M、E 2 P R O M、F L A S H R O M网络接口等部分在内的所有资源的管理控制。微控制器为其核心部分, 其性能高集成度也高。该微控制器能够很好的抵抗电磁的干扰, 具有很好的实时性, 资源丰富;表贴工艺及四层制板, 具有非常紧凑的结构;能实现对快闪存储器的重新编程;全部开入、CAN接口及开出均经过隔离处理, 具有安全可靠的特点。瞬态抑制、吸收、滤波、模数转换等一系列功能能够通过采集模拟量来实现。每路模拟量分别于一路信号调理及A/D转换相对应, 测量精度高, 转换速度快, 并且具有良好的稳定性及可靠性;串行通信, 快速可靠;采样回路没有调整元件, A/D转换器具有自动记忆测量精度功能, 单次调整测量精度后现场无需调整零偏。

(3) 交流接口插件:交流接口插件主要为外部模拟量提供输入的接口。外部电压、电流输入经过互感器的隔离变换, 将强电信号转换成模数转换回路可以识别的电压信号, 分为由高精度交流电流、精密电阻、有源滤波电路及电压互感器构成的交流电压输入回路和交流电流输入回路两部分。

(4) 直流逻辑插件:中央信号输出及开出接点输出是通过直流逻辑插件来控制的。底板通过直流逻辑插件输出脉冲实现了MCU对脉冲的操作, 全部操作输出都要经光电隔离, 当公共启动继电器中通过24V直流电源时, 存在常开接点闭锁, 将其开出能够实现增加出口可靠性的目的。控制回路中跳合闸出口继电器能实现跳合闸操作的保持功能, 而程序控制通过操作输出实现脉冲输出,

(5) 人机对话接口 (MMI) :它是人与装置之间交换信息的接口。通过键盘人机对话接口能够实现信息的输入, 通过显示屏人机对话接口能够实现信息的获取。面板与装置主MCU通过485或232实现通信, 存在单独的CPU对面板进行管理和控制, 口与通信, 因此它是一个独立的子系统。面板包括动作指示灯、128×64点阵背光液晶汉字显示屏、十键触摸式键盘等部件, 能够完成信号复归、测试、控制操作、设置参数、信号指示、读取信息等一系列功能。

3 模拟实验

3.1 模拟转子一点接地保护试验

转子正、负两端的输入电压在变阻箱的阻值在10kΩ以下时将转子与变阻箱进行短接, 一点接地的灵敏段经过5s的延时后发出报警信号;然后将转子正、负两端的输入电压在变阻箱的阻值在1kΩ以下时将转子与变阻箱进行短接, 一点接地经过5s的延时后发出报警信号;最后将保护硬压板投入其中, 将转子正、负两端的输入电压在变阻箱的阻值在1kΩ以下时将转子与变阻箱进行短接, 将变阻箱的阻值调整到1kΩ以下, 并将转子输入电压的正、负两端与其短接, 保护经过1s的延时后动在出口产生作用。上述作用是静止状态的机组中通过在发电机双端增加转子一点接地的保护功能而实现的。

3.2 模拟转子两点接地保护试验

试验前需要注意以下事项:1) “转子一点接地报警”发生之后, 转子两点接地保护才能投入, 在转子一点接地保护试验不合格或者退出一点接地保护的情况下不能进行转子两点接地保护的试验, 并且转子一点接地保护不投跳闸、只投信号。将发电机双端注入式转子一点接地与两点接地保护在机组静止状态下投入, 同时将转子两点接地保护硬压板投入, 将变阻箱阻值调到10kΩ以下, 并将转子输入电压正端与其短接, 经过5s延时后, 装置发出“一点接地灵敏段报警”信号, 经过15s延时后, “转子两点接地保护投入”信号发出, 然后将转子电压负端与大轴输入端短接, 保护瞬时动作于出口。以上两个试验的结果可以有效的论证双端注入式转子接地保护具有保护彻底、适用工况广泛、动作灵敏、可靠性高的优点。

4 结语

本文对一种新型的微机发电机转子接地装置的设计原理进行了介绍, 提出了检测机组励磁回路接地故障的有效方案, 并经工程实践对其灵敏、准确、可靠进行了证明。

参考文献

[1]李先彬.电力系统自动化[M].北京:水利电力出版社, 1989.

[2]王维俭.电气主设备保护原理与应用[M].北京:中国电力出版社, 1998.

[3]王维俭.电气主设备继电保护原理与应用 (第2版) [M].北京:中国电力出版社, 2002.

转子保护 篇4

转子回路一点接地是发电机常见故障之一。在实际现场, 转子一点接地保护误动的现象时有发生。除了保护回路接线不正确造成转子一点接地误动以外, 保护装置本身的缺陷也是造成转子一点接地误动的重要原因。这些缺陷包括:元器件的老化或损坏、注入信号源异常、抗干扰能力差等[1]。本文提出的基于冗余采样计算的叠加方波电压式转子接地保护采用了双重采样回路和2种计算算法, 从而避免了单一采样回路因元器件的老化或损坏而引起的转子一点接地保护的误动情况, 提高了叠加方波电压式转子接地保护的可靠性。

1 常用的几种发电机转子接地保护的不足

当前, 业内普遍使用的发电机转子接地保护主要包括非注入式和注入式两大类[2,3]。

非注入式转子接地保护包括乒乓切换式转子接地保护和电桥式转子接地保护。非注入式保护最大的不足之处在于只能在发电机正常运行转子加励磁电压时才起作用, 而在发电机开停机过程中和发电机停机状态等无励磁电压的情况下, 该种保护无法起到保护作用。

注入式转子接地保护主要有叠加交流电压式、叠加直流电压式、叠加方波电压式三大类。叠加交流电压式转子接地保护应用于大型机组时, 由于转子对地电容很大, 因此灵敏度会很低;叠加直流电压式转子接地保护由于励磁电压的作用, 在转子不同接地点接地时, 灵敏度存在很大的差别。现在应用越来越广泛的注入式转子接地保护是叠加方波电压式保护, 这种保护克服了叠加交流电压式保护应用于大机组灵敏度低和叠加直流电压式在不同接地点灵敏度不同的缺点, 但该方法在应用中仍然存在一些不足。

图1所示为常用的叠加方波电压式转子接地保护原理图。图中:Ufd为励磁电压;k为接地点位置;Rg为转子绕组对地电阻;Rm为测量电阻;Im为泄漏电流;Rv为耦合电阻。

通过测量在正电压和负电压2种状态下的泄漏电流Im来实时计算转子接地电阻。当测量泄漏电流的采样回路产生故障时极有可能造成转子接地保护的错误动作, 而双CPU方案并不能解决由于单一采样回路故障造成的不可靠性。如果不接入励磁电压, 这一方法无法实现转子两点接地保护。有些厂家为实现转子两点接地保护, 直接将励磁电压引入保护装置, 但大机组在强励时, 转子电压高达1 500 V, 这对于装置的运行和维护是很不安全的。

2采用双重采样回路和2种计算方法的转子接地保护

为了克服现有的发电机叠加方波电压式转子接地保护存在的不足, 并提供一种可靠性高、避免转子接地保护误动作的发电机转子接地保护, 本文提出了一种基于冗余采样计算的叠加方波电压式转子接地保护方法。该方法原理图如图2所示, 图中除与图1相同的变量以外, Ue为叠加的方波电压, Rc为新增加的测量电阻, Ic1和Ic2为新增加的测量电流, i1和i2为分支回路电流。

对于转子对地电阻的冗余计算涉及2种算法, 分别介绍如下。

1) 算法1[4]

本算法采用了常用的叠加方波电压式转子接地保护方案的算法, 利用在叠加方波电压处于正半波时采集到的Im进行接地电阻的计算, 而不涉及另2个采样值Ic1和Ic2。

当叠加方波电压处于正半波时可列出以下2个方程:

Ue+kUfd= (Rv+Rm+Rg+Rc) i1+ (Rm+Rg) i2 (1)

Ue- (1-k) Ufd= (Rv+Rm+Rg+Rc) i2+ (Rm+Rg) i1 (2)

由图2可知, Im=i1+i2, 由式 (1) 和式 (2) 相加可得:

${\rm I}{}_{\text{m}}=\frac{2U{}_{\text{e}}+(2k-1)U{}_{\text{f}\text{d}}}{2R{}_{\text{m}}+2R{}_{\text{g}}+R{}_{\text{v}}+R{}_{\text{c}}}(3)$

同理, 当叠加方波电压处于负半波时可得:

${\rm I}{}_{{\text{m}}^{\prime }}=\frac{-2U{}_{\text{e}}+(2k-1)U{}_{\text{f}\text{d}}}{2R{}_{\text{m}}+2R{}_{\text{g}}+R{}_{\text{v}}+R{}_{\text{c}}}(4)$

式中:Im′为叠加方波电压处于负半波时泄漏电流的采样值。

由式 (3) 和式 (4) 可得:

$R{}_{\text{g}1}=\frac{2U{}_{\text{e}}}{{\rm I}{}_{\text{m}}-{\rm I}{}_{{\text{m}}^{\prime }}}-R{}_{\text{m}}-\frac{R{}_{\text{v}}+R{}_{\text{c}}}{2}(5)$

式中:Rg1为算法1计算得到的转子对地电阻。

2) 算法2

本算法利用叠加方波电压处于正半波时采集到的Ic1和Ic2进行接地电阻的计算, 而不涉及另一个采样值Im。

由图2可知, 当叠加方波电压处于正半波时,

${\rm I}{}_{\text{m}}={\rm I}{}_{\text{c}1}+{\rm I}{}_{\text{c}2}(6)$

当叠加方波电压处于负半波时,

${\rm I}{}_{{\text{m}}^{\prime }}={\rm I}{}_{\text{c}1}´+{\rm I}{}_{\text{c}2}´(7)$

式中:Ic1′和Ic2′为叠加方波电压处于负半波时新增测量电流的采样值。

将式 (6) 、式 (7) 代入式 (5) 可得:

$R{}_{\text{g}2}=\frac{2U{}_{\text{e}}}{{\rm I}{}_{\text{c}1}+{\rm I}{}_{\text{c}2}-{\rm I}{}_{\text{c}1}´-{\rm I}{}_{\text{c}2}´}-R{}_{\text{m}}-\frac{R{}_{\text{v}}+R{}_{\text{c}}}{2}(8)$

式中:Rg2为算法2计算得到的转子对地电阻。

由图2可知:

$\begin{array}{l}U{}_{\text{f}\text{d}}=({\rm I}{}_{\text{c}1}-{\rm I}{}_{\text{c}2})(R{}_{\text{v}}+R{}_{\text{c}})(9)\\ i{}_1={\rm I}{}_{\text{c}1}(10)\\ i{}_2={\rm I}{}_{\text{c}2}(11)\end{array}$

不难看出, 将式 (5) 的计算结果Rg1、式 (9) 的计算结果Ufd, 以及式 (10) 、式 (11) 代入式 (1) 可求得接地点的位置k:

$k=\frac{(R{}_{\text{v}}+R{}_{\text{m}}+R{}_{\text{g}1}+R{}_{\text{c}}){\rm I}{}_{\text{c}1}+(R{}_{\text{m}}+R{}_{\text{g}1}){\rm I}{}_{\text{c}2}-U{}_{\text{e}}}{U{}_{\text{f}\text{d}}}(12)$

以上2种计算方法的公式推导是基于励磁电压不变的情况, 在励磁电压变化的情况下会存在一定的误差。但本文重在说明冗余采样计算的基本思路, 励磁电压变化时只是计算公式的推导过程更加复杂, 但基本思路不变。因此, 对励磁电压变化情况下的2种计算方法的公式推导在本文中不作深入探讨。

保护逻辑如图3所示。图中:Rset为转子一点接地保护的整定值;ε1为判断采样回路故障整定值;ε2为判断转子两点接地整定值;Δk为转子一点接地故障发生后, 投入转子两点接地保护计算得到的转子接地位置与转子一点接地瞬时的接地位置的差值。

方法原理如下:

1) 当Rg1与Rg2的差值的绝对值|Rg1-Rg2|>ε1时, 判为采样回路故障, 瞬时闭锁转子接地保护, 并延时4 s报警。

2) 将Rg1与Rg2分别与转子一点接地保护的整定值Rset比较, 当Rg1<Rset与Rg2<Rset这2个判据同时成立时, 才延时判为转子一点接地故障, 发告警信号或出口跳闸。

3) 当转子一点接地故障发生后, 自动投入转子两点接地保护, 当实时计算出的接地位置与转子一点接地瞬时的接地位置的差值的绝对值|Δk|>ε2时, 判为转子两点接地故障, 出口跳闸。

本方法还具有以下功能:

1) 可以判别出转子两点接地故障。常用的叠加方波电压式转子接地保护方法只采集了Im, 由式 (12) 可知, 接地位置k的推导计算离不开励磁电压Ufd, 所以常用的叠加方波电压式转子接地保护方法在不作改进的情况下无法推导出接地位置k, 也不能判别出转子两点接地故障。而本方法能通过采样Ic1和Ic2计算得出Ufd, 进而推导出接地位置k, 能够判断出转子两点接地故障。

2) 无须将励磁电压直接接入。有些厂家为了使采用常用叠加方波电压式转子接地保护原理的保护装置实现转子两点接地保护功能, 将励磁电压直接接入保护装置进行采样, 但这种将高压直接接入保护装置的方法存在很大的安全风险。本方法通过式 (9) 采用数值计算的方法得出励磁电压, 无须将励磁电压直接接入保护装置而实现转子两点接地保护的功能, 增加了装置运行和维护的安全性。

3 结语

本文提出的基于冗余采样计算的叠加方波电压式转子接地保护具有以下优点:

1) 可以有效防止转子接地保护装置由于采样回路故障而引起的误动作, 提高了转子接地保护的可靠性;

2) 可以判断出转子接地保护装置采样回路故障, 增加了保护装置自身的稳定性;

3) 无须将励磁电压直接接入保护装置, 增加了保护装置运行和维护的安全性。

采用本方法研制的转子接地保护装置优点突出、性能可靠、安全稳定, 能够有效提高发电机转子接地保护动作性能, 值得应用和推广。

摘要：采样回路故障是引起转子一点接地保护误动的重要原因之一。为解决此问题, 提出了一种采用双重采样回路和2种算法进行判断的转子接地保护方法。该方法利用不同采样数据的2种算法分别计算发电机转子接地电阻值, 当2个计算电阻值都小于转子一点接地保护整定值时, 才判为转子一点接地故障, 从而提高了发电机转子一点接地保护的可靠性。通过这一方法, 可以有效防止由于采样回路故障而引起的转子一点接地保护的误动作。

关键词：转子接地保护,冗余采样,冗余计算,叠加方波电压

参考文献

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[2]陈俊, 陈佳胜, 张琦雪, 等.超超临界机组发电机定子和转子接地保护方案.电力系统自动化, 2008, 32 (20) :101-103.CHENJun, CHENJiasheng, ZHANG Qixue, et al.Generator stator and rotor earth fault protection scheme of ultra-supercritical generating unit.Automation of Electric Power Systems, 2008, 32 (20) :101-103.

[3]陈俊, 王光, 严伟, 等.关于发电机转子接地保护几个问题的探讨.电力系统自动化, 2008, 32 (1) :90-92.CHENJun, WANG Guang, YAN Wei, et al.Study on issues of generator rotor earthfault protection.Automation of Electric Power Systems, 2008, 32 (1) :90-92.

转子保护 篇5

大河水电厂装机2×15MW,水库正常蓄水位110 m高程,相应库容2.4×108 m3,发电机型号为SF15-24/5500;水轮机型号为HLD74-LJ-225,转子额定电压222 V,额定电流413 A。机组采用晶闸管全控桥整流的自并激励磁方式。2组相同参数的全控桥正常时一组运行,一组备用,强励能力1.8倍50 s。

1999年5月23日,随着水电厂1F~2F的投产,机组励磁系统也投入运行。励磁系统由微机励磁调节器和FJL型晶闸管整流柜、灭磁开关柜组成。采用DM2-1000型灭磁开关,限压二极管作为过压保护元件,系统结构简单。

1 发电机转子灭磁与过压保护的原理与不足

投产时机组转子灭磁与过压保护回路原理如图1所示。

从图1分析可知,发电机正常停机时不需要跳灭磁开关MK,由停机继电器置调节器于“逆变”,使晶闸管灭磁,事故情况下跳灭磁开关MK灭磁,其常闭辅助接点FMK接通,剩余能量通过励磁绕组LE、FMK、R1构成回路,消耗在转子线圈及电阻R1上。转子线圈两端并接正反2个限压二极管[1],当转子电压超过限压二极管动作值时,限压二极管由截止变为导通(等效为1个二极管)。将线性电阻R1(R2)并联在转子线圈上,使其释放能量,从而限制过电压的幅值。

存在以下问题:

a.DM2型单断口灭磁开关存在其实际运用缺陷,因磁吹断弧能力不够,易烧毁触头,同时其辅助接点有时接触不好,影响了机组保护及信号回路的正常工作;

b.由于转子电感大,储存的能量多,限压二极管的电流承受能力不够,1号、2号机组投产试验时,在做甩100%负荷试验时,曾经发生灭磁开关及限压管烧毁事故。

2 转子灭磁与过压保护装置的第1次改进

1999年12月,针对大河水电厂机组转子灭磁与过压保护存在的问题,对转子灭磁与过压保护回路进行了一些改进[2,3,4,5],改进后的原理接线图如图2所示。

下面介绍改进过程。

a.在转子侧并接限于750 V电压的非线性电阻,在非线性电阻两端并接二极管VD,当晶闸管整流桥[6,7]输出电压波形在“0”线以下负尖脉冲时,此电压通过VD形成转子电流的续流通道(电流从LE下端出发经R1、R4、R5、VD到LE上端)。

b.在MK断开时,大部分电流进MK灭弧室,只有很小一部分电流(大约为励磁电流的1/20)经上述续流通道形成回路。由于此回路分流较小,实际对DM2灭磁开关的灭弧性能影响不大。

c.灭磁开关MK分断瞬间,转子两端电压为弧压和处在逆变状态的整流桥输出电压之和。弧压为48片灭弧栅片短弧电压之和,为1 440 V。逆变电压最大为2ULH,即为440 V,所以分断瞬间的转子电压不大于1 900 V。显然,此电压已经超过压敏电阻的动作电压,为不使压敏电阻在跳MK时频繁动作,同时为提高其电流承受能力,降低只是续流回路形成时的转子两端电压,故在压敏电阻两端并接二极管VD(VD能承受1 500 A、0.5 s的冲击电流,单管电压500 V、200 A)。

根据以上原理接线图,结合对晶闸管整流在各种工况下输出波形分析可知:发电机在空载和轻载情况下,虽有VD对正向电压阻断,但由于存在续流,电阻R1、R2上有电流,使得电阻发热。随着发电机负载增加,续流电流减小,在额定工况下,电阻基本不发热。实际运行中观察到,当机组只带约2 MW的负荷时,绕线式电阻R1、R2因长时间发热而发红,导致灭磁柜内的温度太高,并烘焦接线头及其余元件,严重影响机组安全运行。2000年因送出线路故障,采用单台机组带厂用电运行时就出现此情况。同时DM2型灭磁开关的固有缺陷依然存在。因此这次改进未达到理想状态。

3 转子灭磁与过压保护装置的第2次改进[8,9,10,11,12,13,14,15]

为提高转子灭磁与过压回路的安全性,2001年10月至12月,大河水电厂机组全部改用YMC11型转子灭磁过压保护装置,利用高能ZnO压敏电阻作为灭磁能量吸收元件,并起限压保护作用。整体装置采用压敏电阻串并联组合的“积木”式结构,各组单元可独立工作。另外,采用DM4-1500型双断口灭磁开关,其分合机构动作可靠,辅助接点接触好,其结线图如图3所示。

在正常励磁时,MK合闸,励磁电流经MK送入励磁绕组LE,此时VT的输出电压一般小于200 V,压敏电阻RN2、RN1只流过极小的漏电流,相当于开路状态。在此工况下,当外来高压侵入励磁回路时,RN1、RN2并联共同吸收过电压能量,把电压限制在过压保护值以下,从而保护转子绕组及电源设备。

当事故灭磁或其他原因分断MK时,DM4-1500开关迅速建立弧压,当弧压高于灭磁电阻与励磁电压之和时,压敏电阻导通,此时磁场能量很快消耗在RN1和励磁绕组上(还有一部分能量消耗在阻尼绕组及转子铁心中)。由于RN1有良好的恒压耗能特性,故能缩短灭磁时间,减小事故危害。RN1支路所串FU的作用是当并列某一支路的RN1因耗能过大击穿时,FU熔断,切除此故障支路,使其他支路仍能正常工作。RN1设计裕度大,在40%元件损坏情况下,仍能正常运行。RN2的作用是在MK分闸后,吸收电源侧线路电感及变压器漏电感所存的能量,防止过电压产生。

从第2次改进后试验结果看,能将转子电压限于500 V以下,且灭磁时间约为400 ms,具有灭磁速度快、限压特性好的特点,且ZnO压敏电阻本身是固体元件,动作可靠,可自动恢复。投入运行后,总体效果比较好。

4 运行情况

2002年上半年,1F、2F转子过压保护装置动作计数器频繁动作达数百次,当时认为是计数器回路故障,没有引起足够重视。2002年9月,电厂遭受雷击,1F灭磁装置烧毁之后,当时2F正在大修,因无备品,故将2F的转子过压与保护装置移装至1F,开机时出现过压计数器频繁动作,并伴有失磁现象,更换RN2电阻后,机组运行才恢复正常。

对比新的备品ZnO电阻阀片,发现已损坏的ZnO电阻阀片表面有电流烧蚀的弹状孔,表明ZnO已被击穿短路。经过分析认为,原装于1F、2F上的ZnO阀片已严重老化,压敏电压降低,而在运行中频繁发生可恢复性击穿,导致计数器频繁动作,在9月的雷电压作用下,将ZnO电阻阀片击穿烧毁。

总结经验教训后,大河电厂加强了对转子灭磁与过压保护装置的巡检和ZnO阀片耐压与泄漏电流的定期检测工作,一旦发现已趋老化的ZnO阀片及时予以更换或退出运行。从2003年至今,转子灭磁与过压保护装置运行情况良好。

摘要：介绍了某水电厂发电机组灭磁及过电压保护装置的设计原理:正常停机时不跳灭磁开关,利用晶闸管灭磁;事故情况下跳开灭磁开关,其常闭辅助接点接通,将转子能量主要消耗在电阻上。但在实际运行中会遇到灭磁开关触头烧毁,限压二极管损坏等问题。通过理论分析并进行了2次技术性改进:一次是利用非线性电阻及二极管的特性形成续流分流,但效果并不理想;第2次是采用高能氧化锌压敏电阻及DM4双断口灭磁开关,最终达到了灭磁及过电压保护装置快速可靠的效果。

转子保护 篇6

转子一点接地故障是发电机常见的一种故障形式, 转子一点接地不会对发电机安全运行造成很大的伤害, 然而如果再发生第二点接地故障, 将会严重威胁发电机的安全, 励磁绕组两点接地, 流过较大电流灼伤转子本体, 原先的气隙磁通失去平衡引起机组振动, 以及局部磁化发电机, 发电机需要消磁后才能投入正常运行, 影响正常发电。因此, 从安全角度出发, 必须给发电机配置一点接地保护[1], 同时目前两点接地采用接地位置的变化量判据, 即 (35)  (29) , 其中为位置变化量整定门槛, 若是在一点接地测量有误差情况下这种方法用于直接跳闸的两点接地保护, 就显得不是那么的严谨了, 本文对实际工程中常用的乒乓式和注入式转子接地保护进行详细的理论分析, 提出了一种将乒乓式和注入式结合的新型转子接地保护方案, 该方法能对转子一点接地电阻和位置对此测量, 具有很高的可靠性。

1 发电机转子接地保护的现状

目前针对于发电机转子接地, 主要分为非注入式和注入式两大类, 本文详细探讨乒乓式和方波注入式两种保护原理的计算优缺点并进行讨论。

1.1 乒乓式转子一点接地

乒乓式转子一点接地又称切换采样式转子一点接地保护[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11], 也是目前非注入式中使用最为广泛的原理, 通过控制电子开关的通断切换, 得到相应的回路方程并对方程求解, 可得出转子接地位置a以及转子接地电阻Rg, 其原理图如图1所示。

其中S1、S2为电子开关, Rg为接地电阻。I1、I2为S1打开, S2闭合时对应回路流过电流, I1'、I2'为S1闭合, S2打开时对应回路流过的电流, 工程上认为仅仅发生转子接地故障, 励磁电压近似于不变, 可得出

其中I1、I2、I 1'、I 2'均为实测值, 可见该切换只要在励磁电压稳定的前提下, 是可以真实反应转子绕组实际对地绝缘电阻的, 且与接地位置无关, 然而非注入式保护动作的前提是必须要有励磁电压, 不具备发电机停机状态下转子接地的监测功能[2,3]。

1.2 方波注入式转子一点接地保护

注入式转子一点接地保护和乒乓式转子接地保护比较而言具有灵敏度高、调试容易、不受励磁电压有无的影响, 根据现场转子绕组引出方式的不同, 分为双端注入和单端注入两种, 原理图如图2 (a) 、 (b) 所示。

其中:Rx为测量回路电阻;Ry为注入回路大功率电阻;US为注入电源模块;Rg为转子绕组对大轴绝缘电阻。为简化说明, 以发电机静止状态下的单端注入为例, 方波电源US加到励磁回路上, 与Rx、Ry、对地电阻Rg以及对地电容Cg构成回路, 通过测量注入正电压和注入负电压这两种状态下针对于Rg值的不同, 在Rx上会得出不同的泄漏电流或测量电压, 利用这个电流或电压来反应出转子对地绝缘。设方波发生器内阻为Rs, 在位置接地, 由于励磁绕组阻值很小, 可以忽略, 画出等效电路图3。

在暂态过程中可以列出方程并计算:设 , 可得

由此可见, 测量电流的大小与此时注入方波的t值有关, 当t (28) 0时, 有

而当 时, 有

由式 (4) 可见, 进入稳态以后, 就会有一个经过简单计算便可得知的当前接地电阻Rg, 所以能进入稳态, 再进行转子接地的测量, 能比较真实的反应转子绝缘情况[4], 在多个采样点测得的值进行平均值计算, 可以得到更加接近实际接地阻值的计算值, 测量相对于暂态来讲也要精确。

2 稳态量对接地电阻测量的影响

针对以上分析的电容电流在暂态过程中对注入式转子接地保护的影响, 而且转子一点接地的危害并不大, 所以为了确保动作的可靠性, 防止误动, 继电保护装置一般都采用稳态量的计算方法, 本文重点要提出一种能更加可靠的一点接地方案, 具体如下。

2.1 采用检测电压自动跟踪

装置自动跟踪检测dUx/dt的值, 测量Rx上电压的变化量, 等到dUx/dt小于等于一个小的门槛时, 再进行稳态量的接地电阻检测, 此时电容充放电趋于稳定, 进入稳态过程后再分别对于正半波和负半波时测量电阻上电压进行测量, 不考虑励磁电压的变化, 可以得出Rg与两次测量电压的关系

其中, 为注入方波正半波和负半波时在测量电阻上的测量电压。

但是由于转子接地是单套保护运行, 用单一的监测回路总是会存在一定的隐患, 并且接地碳刷与大轴之间接触电阻为一变化量的时候会使得测量电阻可能偏大或偏小[2,5], 导致一点接地误判。

2.2 将乒乓式和方波注入式结合

为了尽可能地减小以上所述的各种情况对转子一点接地的影响, 使得转子接地能更加可靠地不会误动, 提出将方波注入回路和乒乓式原理相结合, 该方法虽然由于增加了状态, 使得切换周期加长, 从而延长了保护的动作时间, 但是从稳定性上, 对于目前的转子一点接地保护, 是有提高的。假设在a位置经Rg接地电阻接地, 其原理如图4。

其中切换周期乒乓式为注入式的1/3, 即在注入式的正半波前2/3波周期内, 乒乓式切换一个周期, 先S1打开、S2闭合, 然后S1闭合, S2打开, 后面1/3周期内部不进行任何切换, S1、S2都处于闭合状态, 负半波前1/3周期内S1、S2闭合, 后面2/3周期内乒乓式切换一个周期, 还是先S1打开、S2闭合, 然后S1闭合、S2打开, 相当于在整个注入周期内, 用乒乓式原理测量两次, 注入式原理测量一次, 这么做的目的是为了每次测量都是连贯的。为表达方便, 忽略方波电源的内阻Rs, 在选择电阻阻值的时候, 使R=Ry, 设 在方波正半波中当进入稳态后根据乒乓式原理可以得出式 (6) 。

将计算得到的Rg值代入回路方程, 可得出接地位置α。

相同的, 在方波负半波进入稳态的时候用乒乓式原理可以得出另一个Rg测量值

代入回路方程, 算出其接地位置为

注入式稳态量的计算值Rg根据式 (4) 可推导出

代入正半波回路方程, 算出其接地位置为

以上的计算都是基于励磁电压稳定的前提下的, 如果励磁电压有波动, 计算存在一定的误差, 但是本计算方法可以通过比较以上三个测得的Rg值和保护设定的整定值, 三个同时小于整定值, 为才判为转子一点接地告警或者动作, 来尽可能地躲避励磁电压波动以及大轴和滑环之间接触电阻对转子接地保护判断的影响。由上面推导公式可见, 当 数据过小, 会导致接地电阻Rg值和接地位置计算结果溢出, 应对保护做相应处理, 闭锁保护。

当以上算出三个Rg值和三个值之间偏差小于一定范围并持续满足一段时间以后, 认为形成稳定的一点接地, 才允许两点接地保护投入, 以三个测量的平均值最为转子一点接地的阻值和接地位置, 参与两点接地的数据计算。

2.3 一点接地测量对两点接地计算的影响

由于转子一点接地的测量阻值和接地位置会参与两点接地的阻值及接地位置计算, 为简化说明, 以双端注入式计算模式下进行探讨, 两点接地的原理图如图5所示。

由于处于注入式模式下, S1、S2开关闭合, 此时与常规注入式两点接地原理图完全一致, 列出回路方程并计算接地阻值:令 两点接地后第二点接地电阻表达式

其中Rg1为一点接地后经计算可得, 将式 (14) 代入正半波回路方程计算出第二点接地位置β为

根据以上公式可见Rg1值的测量准确与否, 对于第二点接地电阻Rg2的计算将有较大影响, 组合式转子接地保护多次测量, 综合分析, 相对于单回路测量的转子接地保护, 准确度是有提高的, 因此对两点接地故障计算相对要准确。对于Rg1值接近于0将会导致两点接地第二点阻值无法判断, 应使用发电机二次谐波电压作为极端情况下辅助判据, 确保能正确切除故障。

3 组合式原理的转子接地仿真分析

3.1 仿真模型介绍

在图5电路的基础上, 采用Matlab软件构建励磁绕组接地故障仿真模型, 如图6所示。励磁绕组用4段π型等效电路来表示, 采用三峡左岸电厂ALSTOM机组参数[6];额定电压为475.9 V, 空载电压为191.8 V, 电阻Re=0.1029Ω, 电感Le=1.58m H, 对地电阻RY=5 MΩ, 对地电容Cy=1.264μF, 其余参数:Re1=0.25 Re, Le1=0.25 Le;Ry1=4 Ry, Cy1=Cy/4, Rc=0.4 kΩ。

假设在0 s发生一点接地故障, 接地电阻为Rg, 故障点位置α=25%情况下分别检测不同Rg值对应的测量阻值、接地位置的精度和误差。由于一个注入周波内, 正、负半周波内电子切换开关各检测测量一次, 在正负周波切换时注入式检测测量一次, 为了更好的体现连续性, 在仿真中设定注入方波的周期为6 s, 注入电压幅值为50 V, 图7是一周期内两个电子切换开关的动作情况。

3.2 仿真模型试验结果

设置励磁电压为475.9 V, 接地位置25%, 改变接地电阻的大小, 检测保护的精度以及灵敏度, 仿真的实际结果实验数据表2为正乒乓切换检测的接地电阻, 表3为负乒乓切换检测的接地电阻, 表4为注入式低频检测的接地电阻, 表5为三者测量的平均值。

比较表5和表2~表4, 可见当发电机一点接地时, 对于电阻、接地位置测量的综合误差, 组合式是有提高的。

4 结语

本文对于几种现在使用比较广泛的转子一点接地保护进行了简单的探讨。非注入式的保护硬件以及原理相对简单, 也无需增加外部辅助设备的投资, 但是其具有固有的局限性, 容易受励磁电压大小的影响;注入式转子接地对于发电机停运或者正常运行的方式没有影响, 这也是其最显著的优越性, 然而发电机的电容电流、大轴和滑环的接触电阻以及采样回路的各种异常, 都会导致转子一点接地保护误判, 在注入式回路中增加乒乓式原理进行多次测量, 对接地情况进行综合判断, 增加了其可靠性和准确性, 同时本文对该模型在转子两点接地时能比传统转子接地保护以更精确的理论数据对第二点接地电阻及接地位置进行计算, 并在转子一点接地时由于有多回路检测功能, 可以防止单一的测量元件异常导致保护的误动作。

摘要：分析了在实际工程中几种的发电机转子接地保护及其存在的问题, 通过计算第两点接地的阻值和位置, 从理论上分析出一点接地阻值的测量准确性对于第二点接地阻值有重要的影响。根据几年来现场机组保护调试和投运的工程经验提出了一种新的组合式的转子接地计算方案, 即将乒乓式和注入式原理相结合, 对于转子接地阻值及位置三次独立的测量并综合计算。通过理论分析和以三峡ALSTOM机组为模型的Matlab仿真数据结果表明, 和常规单一测量方式的转子接地保护相比较, 组合式原理的保护能提高发电机一点接地的可靠性和准确性, 同时也能起到监视采样回路的功能。

关键词：转子接地保护,电容电流,自动跟踪,两点接地,组合式

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转子保护 篇7

无刷励磁发电机从20世纪60年代问世以来,得到了广泛的应用。由于取消了直流电机励磁系统中的机械整流部分和半导体励磁中的炭刷和集电环,无刷励磁发电机具有噪声小、无碳粉铜末、无火花的优点,而且运行安全可靠,维护简单。从长远看,同步电机采用无刷励磁方式是今后的发展方向。但是由于取消了电刷和滑环,转子的电压、电流及温度难以直接测量,转子接地故障监测也较困难。

发电机励磁回路一点接地故障很常见[1]其对发电机本体不会造成危害,但若相继发生第二点接地故障,则会出现故障点电流过大烧伤转子本体、励磁绕组被短接、气隙磁通失去平衡引起振动及轴系转子磁化等灾难性后果,威胁发电机的安全运行。因此无刷励磁发电机装设转子一点接地保护势在必行。

1 无刷励磁发电机

1.1 结构特点

无刷励磁发电机由主发电机、交流励磁机、旋转整流器等主要部分组成[2]。主发电机转子、励磁机电枢和旋转整流器都装在同一轴上,励磁机磁极固定在定子内侧。主发电机结构大同小异,都是转场式,分为隐极和凸极2种形式,交流励磁机为转枢式。同步发电机由有刷励磁进化到无刷励磁主要是有了交流励磁机和旋转整流器。

1.2 工作原理

当原动机拖动主发电机旋转时,励磁机转子上的电枢绕组首先切割剩磁自励发出交流电,然后经旋转整流器变成直流电后进入主发电机转子绕组以励磁。主发电机转子的励磁绕组建立磁场后旋转,在定子的电枢绕组上产生电势及电流。

2 无刷励磁发电机转子一点接地保护

目前,无刷励磁机组只在励端接有一只测量电刷,固定引出转子绕组的负端,无法同时引出转子绕组两端,无法应用乒乓式转子接地保护[3,4,5,6,7],而注入式转子接地保护原理与机组的励磁方式无关,转子绕组只引出一端时也能提供绝缘检测,适用性更强,值得在无刷励磁机组上推广。

在发电机注入式转子接地保护中,直流注入式接地保护和方波注入式接地保护是2种具有实际应用价值的保护方式[8,9]。考虑到无刷励磁机转子的原有设计结构和转子接地保护的实际情况,无刷励磁机组宜采用单端注入式转子接地保护。这里主要分析单端注入式转子接地保护的原理及一点接地动作判据。

2.1 单端注入式转子接地保护原理分析

单端注入式转子接地保护原理如图1所示。此种保护将一方波电源Us加到转子的负端与大地之间,注入电源的切换周期可根据转子绕组对地电容的大小进行调整,实时求解转子一点接地电阻,保护反映发电机转子对大轴绝缘电阻的下降。单端注入式转子接地保护的工作电路如图1所示。

图1中Rm为测量回路电阻,R为注入大功率电阻,Us为注入方波电源模块,UL为励磁直流电压,Rg为转子绕组对大轴的绝缘电阻。假设在距离负端α点发生接地,方波注入式保护由于在稳态下测量,所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用,因此在每半波周期内,电路可以看作是直流注入。下面分析单端注入式转子接地保护的原理。

2.1.1 励磁电压UL不变

由图2可知,在方波的正半波可列出方程组:

设Um采样电阻Rm两端电压,Um=IRm,可得:

方波在负半波时除注入电压极性改变以外,其他均与正半波时相同,同理可得:

由式(2)、(3)可得:

2.2.2励磁电压UL变化

无刷励磁发电机在强励或者启、停机时,励磁电压将发生变化。当励磁电压变化时,通过图2列写回路方程。

在方波的正半波可列出方程组:

其中:

由此可见,当励磁电压变化时,在接地电阻的计算公式中增加了励磁电压作用的分量。在实际情况下,注入式保护装置没有监测励磁电压的硬件电路,因此监测不到励磁电压的变化。在励磁电压已经变化的情况下,依然用式(4)来计算接地电阻,其误差为:

分析式(9)可知,当励磁电压UL变化时,计算出的接地电阻与实际的接地电阻会有一定误差,当α=0时误差为零,随着向转子正端靠近误差逐渐增大,α=1时误差最大。正负半波测量过程中励磁电压变化越大,误差也越大。据此可以画出误差ΔRg和励磁电压变化量ΔUL的关系曲线,如图2所示。

2.2一点接地动作判据

一点接地的动作判据为:

式中:Rgset为一点接地过渡电阻整定值,一般可取5 kΩ至50 kΩ或者更大[10]。当一点接地故障发生后,根据式(10)整定判据,保护装置可以动作于信号。

3 一点接地仿真分析

3.1 仿真模型

在图1所示电路的基础上,采用Matlab/Simulink软件构建励磁绕组接地故障仿真模型[11],如图3所示。励磁绕组用4段π型等效电路来表示。采用三峡左岸电厂ALSTOM机组参数[12,13].额定电压为475.9V,空载电压为191.8 V,电阻Re=0.1 029Ω,电感Le=158mH,对地电阻R、=5 MΩ,对地电容Cy=1.264μF,Rel=0.25Re,Lel=0.25 Le,Re2=0.15Re,Le2=0.15 Le,Re,3=0.10 Re,Le,3=0.10 Le,Ry1=8 Ry,Cy1=Cy/8,Ry2=4 Ry,Cy2=Cy/4;Zs为励磁系统内阻,阻值很小。

在模型中假设励磁电压不变化,仿真过程中UL为一固定值,用Rg、Cg模拟转子的接地电阻和电容。用一个脉冲发生器模块叠加50 V增益控制受控电压源来模拟±50 V的方波电源Us,通过改变脉冲发生器的周期来改变方波的周期。图4和图5分别为Us和Um的仿真波形。

3.2 仿真试验结果

(1)设置UL=500 V,改变Rg的大小,检测保护的灵敏度和精度,结果见表1。

由表1可知,随着Rg的增加,测量值和实际值之间的偏差也有所增大,但灵敏度满足要求。

(2)设置Rg=20 kΩ,改变UL的值,检测相关测量值的变化,结果见表2。

由表2可知,励磁电压变化时,测量值和实际值之间的偏差并不太大,灵敏度高且一致。

(3)设置UL=0,改变Rg的值,检测保护的灵敏度和精度,结果见表3。

由表3可知,单端注入式转子接地保护可在静止或未加励磁状态下监视转子接地故障。

3.3 仿真结果分析

分析仿真试验结果可知,采用单端注入原理可实时计算转子接地位置,接地电阻测量精度高;在未加励磁电压的情况下,也能监视转子绝缘情况;保护灵敏度与转子接地位置无关,保护无死区,在转子绕组上任一点接地都有很高的灵敏度,能满足无刷励磁机组转子接地保护的要求。

4 结语

根据无刷励磁机组转子绕组的引出方式,本文提出无刷励磁机组宜采用单端注入原理对转子进行一点接地监测。本文阐述了单端注入式转子一点接地保护的原理,并搭建Simulink仿真模型进行仿真分析。仿真结果表明,单端注入式原理在未加励磁电压的情况下也能监视转子绝缘,在转子绕组上任一点接地时,接地电阻测量精度高,保护具有一致的高灵敏度,能够满足现场要求,保证无刷励磁机组的安全运行。

摘要：无刷励磁发电机只在励端装有一个测量电刷,固定引出转子绕组的负端,无法应用乒乓式转子接地保护,为此本文提出采用单端注入方波电压式原理构成转子一点接地保护。介绍单端注入方波电压式转子一点接地保护原理、接地电阻计算方法和保护动作判据,采用Matlab/Simulink软件构建转子绕组一点接地故障仿真模型。仿真试验结果表明,该原理能够满足无刷励磁发电机实际运行需要的精度和灵敏度。