发电机转子励磁绕组接地保护

发电机转子励磁绕组接地保护 郭光荣 (重庆电力高等专科学校, 重庆市 400053) 摘要: 提出一种新的切换采样原理的励磁回路一点接地和两点接地微机保护。该保护能测定一点 接地故障点位置、一点接地过渡电阻、两点接地过渡电阻的大小以及两接地点间的短路电流。根据 这些判据构成了完善的励磁回路接地保护。与目前采用的切换采样原理的励磁回路接地保护相 比,具有灵敏度高、算法简单的特点。 关键词: 切换采样; 一点接地保护; 两点接地保护; 转子励磁绕组 中图分类号: TM772 收稿日期: 2003�01�06; 修回日期: 2003�03�11。 0 � 引言 发电机转子接地故障是较常见的故障形式之 一。目前国内大型汽轮发电机一点接地保护动作于 信号, 两点接地保护动作于跳闸。由于没有 100% 的两点接地保护,水轮发电机一点接地保护也作用 于跳闸。转子对地绝缘的损坏往往是一个漫长的过 程,如果能在线监测发电机转子对地绝缘的变化, 及 时发现薄弱环节,提供故障点的位置和绝缘的损伤 程度,则有利于合理安排检修时间,提高检修质量和 效率,减小不必要的突然停机,以便更合理地处理问 题。文献[ 1]提出一种切换采样原理的励磁回路接 地微机保护,能测定一点接地故障点位置和过渡电 阻的大小, 该励磁回路一点接地保护的原理有较高 的灵敏度, 且灵敏度不随故障点的位置而变化。发 生两点接地后, 利用检测接地点的变化量的大小作 为励磁回路两点接地的判据。该算法的数值仿真表 明:两点接地保护的灵敏度与第 1点接地电阻的大 小及两接地点之间的距离有关。当它们较小时, 检 测到的接地点的变化量较小, 两点接地保护的灵敏 度就低,不能构成 100%的保护区。另外,当投入两 点接地保护后, 如果一点接地过渡电阻发生变化, 两 点接地保护可能误动作。 综上所述, 按检测接地点变化量的大小构成的 励磁回路两点接地保护不能满足工程要求。本文提 出一种新的切换采样原理的励磁回路接地保护, 能 很好解决励磁回路一点、两点接地的高灵敏度、高可 靠性及消除两点接地的死区问题。 1 � 转子一点接地微机保护基本原理 图1设励磁回路的直流电动势为 E (考虑它的 变化, 不同切换采样时刻分别用 E1, E 2 表示, k= E 1/ E 2) , K 点经过渡电阻R f1接地,励磁回路的直流 电阻已被忽略不计,仅以 �E 和( 1- �) E 表示接地 点两侧的电势大小; 两个电阻 R 为高阻, 例如 1 M � ; R 1为测量电阻(例如 20 k� ) ; S1, S2为由微机 控制的静态联动开关。 图 1 � 发电机转子一点接地保护原理图 Fig. 1 � Diagram of generator rotor one point earth fault protection � � 当 S1接通、S2断开时, 由图 1可列出回路方程 为: I 1( R f1 + R + R 1) = �E 1 (1) � � 当 S1断开、S2接通时, 由图 1可列出回路方程 为(设此时励磁回路电动势已改变为 E 2) : I 2( R f1+ R + R 1) = (1 - �) E 2 (2) � � 联立式( 1)和式( 2)可求得接地过渡电阻 R f1和 故障点 �: R f1 = E1 I 1+ kI2 - (R + R1) = E1R1 U1+ kU2 - (R + R1) (3) �= I 1( R f1+ R + R 1) E 1 = U1( R f1+ R + R 1) R 1E 1 (4) 式中: U1 是在 S1闭合、S2 断开时在采样电阻 R 1 处测得的电压; U2 是在 S2 闭合、S1 断开时在 R 1 73 第 27 卷 � 第 20 期 2003 年 10 月 25 日 � � � � � 电 力 系 统 自 动 化 Autormation of Electric Power Systems � � � � � Vol. 27 � No. 20 Oct . 25, 2003 处测得的电压。 在实测采样取得 U1, U2, E 1, E 2后,根据式( 3) 和式(4)可求得 R f1及 �的大小。由式(3)、式( 4)可 见,只要 E 1 不为 0, 都能根据实测采样值正确计算 出 �和R f1的大小。 注意到以上分析均为稳态直流工况,完全没有 计及各个惯性元件(特别是发电机转子电容)在电子 开关 S1, S2切换过程中的暂态影响, 不考虑 S1, S2 切换中过渡电阻 R f1的变化,即 R f1保持为常数。在 实际装置 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中必须注意克服这些影响。 2 � 转子两点接地微机保护基本原理 转子绕组发生一点接地后,相继发生第 2点接地, 设它们分别经过渡电阻 R f1和 R f2接地,如图 2所示。 图 2 � 转子两点接地故障原理图 Fig. 2� Diagram of generator rotor two points earth fault � � 当 S1闭合、S2断开时,可列出回路方程为: I 1( R + R1+ R f1) - I�R f1 = �E 1 (5) I�( R f1+ R f2) - I 1R f1 = �E1 (6) I�= I1( R + R 1+ R f1) - �E1 R f1 (7) 将式( 7)代入式( 6) ,得: � � � I 1R f1( R + R 1) - �E1R f1+ � � � � R f2[ I 1( R + R1+ R f1) - �E1] = � � � � �E1R f1 (8) 当S2闭合、S1断开时,可列出回路方程为: I 2( R + R1+ R f1) + I�R f1 = (1- �) E2 (9) I 2R f1+ I�( R f1+ R f2) = �E2 (10) 由式( 9)得到: I� = (1- �) E2- I 2( R + R1+ R f1) R f1 (11) 将式( 11)代入式(10) ,得: R f2[ (1- �) E2- I 2( R + R1+ R f1) ] - I 2R f1( R + R1) + (1- �) E2R f1 = �E2R f1 (12) 联立求解式( 8)、式( 12)得到转子绕组第 2点接地的 过渡电阻 R f2: R f2 = ( kI 2+ I 1) ( R + R 1) - E1 E 1- ( kI 2+ I 1) ( R + R 1+ R f1) R f1 = ( kU2+ U1) ( R + R1) - E1R1 E1R1- ( kU2+ U1) ( R + R1+ R f1) R f1 ( 13) 将式( 13)代入式( 8) ,得到发电机励磁绕组经两点接 地短路的 �: �= U1( R + R 1) E 1R 1 - �R 1+ R f2[ U1( R + R 1+ R f1) - �E 1R 1] E 1R 1R f1 ( 14) 在一点接地故障后, 保护装置测得过渡电阻 R f1和故障点位置 �, 必须连续 2次~ 3 次计算的 R f1和 �不变, 才确认一点接地故障的存在,再转入 转子两点接地故障的计算程序, 计算 R f2和 �。此后 若再发生转子两点接地故障, 则根据计算的 R f 2与 整定值比较,当其值超过整定阈值,或两接地点之间 的电流大于整定值, 保护装置就确认为已发生转子 两点接地故障,发电机延时跳闸。 3 � 动作判据 3. 1 � 启动判据 由式( 3)可见, 为防止 U1+ kU2 过小, 出现溢 出现象,必须 | U1+ kU2 | � � (15) 式中: �为动作阈值。 3. 2 � 一点接地动作判据 R f1 � R f. set. 1 (16) 式中: R f. set为一点接地过渡电阻整定值, 一般可取 为 5 k� ~ 50 k� 或更大值。 3. 3 � 两点接地动作判据 a. 反应两接地点之间的短路电流 I D 由式( 7)可得两接地点之间的短路电流 I D (也 可从式( 11)计算两接地点间的短路电流)为: I D = I�= U1( R + R 1+ R f1) - �E 1R 1 R f1R 1 (17) 对定时限两点接地保护,判据为: I D � K K I D. set (18) 式中: I D. set按躲过转子绕组两点接地保护投入时, 还未发生两点接地短路的计算电流整定; K K 为可 靠系数。保护延时动作于跳闸和灭磁延时停机的时 间。 b. 反应第 2点接地电阻 R f2的大小 R f2 � R f. set. 2 (19) 保护动作于跳闸和灭磁、停机的时间。 上述延时跳闸时间由机组允许振动限度及允许 减少无功出力大小作为整定依据。 74 � � � � � � � � � � 电 � 力 � 系 � 统 � 自 � 动 � 化 � � � � � � � � � � 2003, 27( 20) � � 4 � 灵敏度分析 由式( 3)可知,励磁回路一点接地保护的灵敏度 主要与 R1 有关。现以 E= 500 V(额定运行励磁电 压) , R1= 20 k� , R= 1 M � 为例进行讨论。 若 U1, U2 的精确测量数据为 0. 25 V(考虑到 U1< 10 V, U2< 10 V, 而 10位 A/ D转换器的最小 分辨率可达 5 mV,所以精确测定 0. 25 V 是完全能 达到的) , 则 a. 负极(正极)接地( R f1= 0)时, U1( U2)= E 1R 1 R+ R 1 = 9. 8 V b. 转子绕组中点经 R f1. max接地时, R f1. max = E 1R 1 U1. m in + kU2. min - ( R + R 1) = 18. 980 M � � � 该保护可检测 R f1. max= 18. 980 M � 转子一 点接地故障,灵敏度极高。由式( 3)、式( 4)可知, 该 保护可在线监测发电机升压的全过程及正常运行中 的转子绕组的绝缘。从式( 3)还可知: R f1与故障点 位置无关,即检测灵敏度不随故障点位置改变; R f1 的大小影响检测 R f2的灵敏度。大量仿真结果表 明,只要 R f1�1 k�, R f2都有很高的检测灵敏度。 5 � 算例 5. 1 � 励磁回路一点接地保护算例 R= 1 M � , R 1= 20 k �, E 1= E 2= 500 V, R f1为 第 1点接地电阻, R f1�为保护算法求出的值, 如表 1 所示。 表 1 � 励磁回路一点接地计算结果 Table 1� Computed results of one point earth fault � R f1/ M� U 1/ V U2/ V R f1�/ M� 0. 200 18. 98 0. 100 0. 400 18. 980 000 0. 001 18. 98 0. 005 0. 050 18. 980 000 0. 005 10. 00 0. 045 0. 862 9. 999 999 1. 000 0. 10 8. 928 0. 000 0. 100 000 5. 2 � 励磁回路两点接地保护算例 R= 1 M � , R 1= 20 k �, E 1= E 2= 500 V, R f1为 第 1 点接地电阻, R f2为第 2 点接地电阻, I�, I�, R f1�, R f2�为保护算法求出的值,如表 2所示。 表 2 � 励磁回路两点接地计算结果 Table 2 � Computed results of two points earth fault 实例 R f1/ � R f2/ � � � U 1/ V U 2/ V R f2�/ � I� /A I�/ A 1 4 40 0. 9 0. 1 8. 912 0. 891 35 1. 136 1. 136 2 2 100 0. 2 0. 5 2. 056 � 2. 450 2. 450 3 20 10 000 0. 9 0. 1 8. 820 0. 978 3 920 4. 900� 10- 3 5. 000� 10- 3 4 1 000 2 0. 9 0. 1 9. 801 1. 950� 10- 3 1. 94 5. 000� 10- 2 49. 900� 10- 3 5 100 50 000 0. 7 - 0. 3 6. 850 2. 940 32 600 2. 990� 10- 3 2. 840� 10- 3 6 1 000 50 000 0. 5 0. 2 4. 935 4. 858 49 751 1. 965� 10- 3 2. 198� 10- 3 7 1 000 500 000 0. 3 0. 5 2. 948 6. 848 514 473 4. 990� 10- 4 8. 400� 10- 4 注:实例 5中 �= - 0. 3表明第 2接地点在 �= 0. 4处; R f1, R f2为实际值, R f2�为按式( 13)计算出的第 2点接地电阻值。 6 � 在 S1和 S2切换过程中需解决的问题 6. 1 � 发电机转子对地电容的影响 由于发电机转子的偏心, 转子绕组上不可避免 地有交流分量; 由于采用可控硅励磁调节器, 不同的 导通角下也有交流分量。由于交流分量的存在, 对 地的容抗对转子绕组接地电阻的测量会产生误差。 另外, 电子开关 S1, S2切换过程中的暂态影响也会 对转子绕组的接地电阻的测量产生误差。为提高保 护测量的精度可采取以下措施: a. 在转子励磁电压采样的硬件电路中增加滤 波,以滤出暂态过程的高次谐波。 b. 为避免发电机转子对地电容的暂态影响, 在 电子开关 S1( S2)闭合 T 1(如 50 ms)后,同时对发电 机转子电压 E 1 ( E 2 )、测量电阻 R 1 上的电压 U1 ( U2)进行采样。 c. 为消除交流分量的影响,利用傅里叶算法对 发电机转子电压 E 1 ( E 2 )、测量电阻 R 1 上的电压 U1( U2)采样值进行滤波。如采样频率取 600 Hz, 经 T 1 后读 取 EK , 1, EK , 2, �, EK , N - 1, EK , N , EK , N + 1, �; UK , 1, UK , 2, �, UK , N - 1, UK , N , UK , N + 1。按下式计算 E 1( E2) , U1( U2) : E 1, N = EK , 1 + EK , 2 + �+ EK, N- 1 + EK , N N U1, N = UK , 1+ UK , 2 + �+ UK , N - 1+ UK , N N E1, N+ 1 = EK , 2+ EK , 3+ �+ EK , N + EK, N+ 1 N U1, N+ 1 = UK , 2+ UK , 3+ �+ UK , N + UK , N+ 1 N � � 在实际计算 E 1, N + 1, U1, N + 1时利用递归算法: E1, N+ 1 = E 1, N + EK , N+ 1 - EK , 1 N 75�研制与开发�� 郭光荣 � 发电机转子励磁绕组接地保护 U1, N+ 1 = U1, N + UK , N+ 1- UK , 1 N � � 如 U1, N - U1, N + 1 � �, 说明转子回路的暂态 过程基本结束, R 1 上的 U1 取 U1, N + 1, 转子电压 E 1 取 E 1, N + 1。如不满足,则可移动数据窗,利用递 归算法自适应控制电子开关 S1( S2)的闭合时间。 6. 2 � R f1对接地电阻测量的影响及相继发生第 2点 接地的对策 a. 当 S1闭合、S2断开稳定后测量出 U1, E 1。 b. 当 S1断开、S2闭合稳定后测量出 U2, E 2, 由式(3)、式(4)计算出 R f1, �。 c. 当 S1, S2都闭合,此时励磁电压 E = E 3, R 1 上的电压为 U3,由图 1得式(20) ,再一次核算 R f 1: R f 1h = (2�- 1) E3R 1 2U3 - R 1- R 2 (20) � � d. 当 R f1h= R f1连续 3次,说明发生了一点接 地故障, 将 R f1, �代入式 ( 7)、式( 11)、式( 13)、式 ( 14) ,投入转子两点接地保护。 e. 当 S1, S2切换过程中相继发生第 2 点接地 时,如连续 3次由式( 3)、式( 4)计算出 R f1 � R f1h, 说 明 S1, S2切换过程中相继发生第 2点接地故障, 可 延时跳闸。 f. 当转子两点接地保护投入后, 为防止一点接 地电阻 R f1又发生变化而误判为发生了两点接地, 经式( 3)、式( 4)、式 ( 20)判断后不会误判为两点接 地;将新计算的第 1 点接地电阻 R f1代入式( 7)、式 ( 11)、式( 13)、式( 14) ,投入转子两点接地保护。 注意当第 1点接地发生在 �= 50% 的地方时, 由式( 20)不能计算出 R f1h。当 �= 50%时, 可利用 式( 1)、式( 2)在 S1, S2切换后互相核对接地测量电 阻。 7 � 结论 a. 发电机转子微机励磁回路接地保护算法简 单、可靠性高。 b. 该保护可检测 R f1. max = 18. 980 M � 转子一 点接地故障,灵敏度极高,因而可在线监测发电机升 压的全过程及正常运行中的转子绕组的绝缘。 c. 一点接地的灵敏度不随故障点位置改变。 d. 大量仿真的结果表明, 只要转子第 1点接地 电阻 R f1�1 k� ,转子第 2点接地电阻 R f2都有很高 的检测灵敏度, 如表 2 中的实例 4。但当第 1点接 地电阻很小时,如表 2中的实例 2, 不能准确测量第 2点接地电阻 R f2。但此时两接地点中的电流却很 大,利用反应两接地点之间的电流构成的判据可以 灵敏地反应。这正是目前采用的切换采样原理不能 克服的死区。 e. 反应两接地点之间的短路电流 I D 构成的转 子微机励磁回路接地保护, 具有灵敏度高、无死区的 特点,再与反应转子第 2点接地故障电阻 R f2原理 的保护一起使发电机转子微机励磁回路接地保护更 加完善。 参 考 文 献 1 � 王维俭 ( Wang Weijian) . 电气主设备继电保护原理与应用(第二 版) ( Theory and Application of Pow er Main Equipment Protect ion, 2nd ed) . 北京: 中国电力出版社 ( Beijing: China Electric Power Press) , 2002 郭光荣( 1950� ) ,男, 副教授,从事继电保护教学和研究 工作。E�mail: guorong390@ 163. com THE EARTH�FAULT PROTECTION FOR GENERATOR ROTOR FIELD COIL Guo Guangrong ( Chongqing Electric Power College, Chongqing 400053, China) Abstract: This paper provides a new exciting circuit one or tw o points earth fault protection based on sw itchable sampling principle. I t can det ect the location and transitional r esistor o f one point ear th fault, and the transitional resistor and shor t curr ent betw een two earthed points of tw o points earth fault. Acco rding to these cr iter ia, the w hole structure of the field coil earth fault protect ion is proposed. Compared with the conventional pro tection, the new protection is of high sensitivity and novel and brief algor ithm. Key words: switchable sampling; one point ear th fault protection; two points earth fault protection; rotor field coil 76 � � � � � � � � � � 电 � 力 � 系 � 统 � 自 � 动 � 化 � � � � � � � � � � 2003, 27( 20) � �