毕业设计（论文）-基于PLC的高压真空断路器控制系统的设计

毕业设计（论文）-基于PLC的高压真空断路器控制系统的设计 第1章 绪论 1.1 课的提出及研究的意义 随着国民经济的发展和人民物质文化生活水平的不断提高，人们对电力的需求愈来愈大，这促使电力事业迅速发展。电力法的公布和实施，更要求电力生产、供电部门提供安全、经济、可靠和高质量的电力。尤其是电力生产部门，需要高度重视电力生产过程的安全、科学合理、稳定性。才能保证整个电力系统的正常运行和整个社会对电力的正常需求。 发电机作为电力生产的十分重要的核心。其工作的正常与否直接关系着整个电力系统的电能供应质量，甚至整个电力系统的正常运转。所以保证发电机工作运行过程的稳定将是电力系统最重要的任务。发电机励磁回路是发电机的最重要结构之一。也是发电机故障较容易出现的环节。所以保证发电机励磁回路的正常对发电机的正常运行具有深远意义。发电机励磁回路常出现的是一点，两点接地故障。因此对发电机励磁回路接地保护装置的研究设计是解决发电机运行过程故障的有效途径。目前,励磁回路一点接地保护主要有电桥式、叠加直流电压式、叠加交流电压式、利用导纳继电器的叠加交流电压式和切换采样式。通常的电桥式一点接地保护在故障发生在励磁绕组中点附近时,即使是金属性接地,保护也不能动作,因而保护存在一定的死区。叠加直流电压式一点接地保护在励磁绕组上不同点接地时,流过继电器的电流相差很大,因而不同点接地时灵敏度相差很大。叠加交流电压式一点接地保护由于受励磁绕组对地电容的影响较大,灵敏度较低。用导纳继电器的叠加交流电压式一点接地保护在实际运行中,动作特性受很多因素影响,易发生误动和拒动,整定要求精确,起来复杂。转子两点接地保护主要是基于实时求解两个不同的接地回路方程,计算转子过渡电阻及接地点位置,一点接地故障后,启动两点接地保护,当测得的接地位置值发生变化,并且变化值超过整定阈值时,确认为已发生两点接地故障。这种两点接地保护的过渡电阻整定值越大,检测故障位置偏差的整定值越大,保护的灵敏度越低,当故障位置偏差很小时存在保护死区的问题。 综上所述,针对目前发电机励磁回路一点、两点接地保护原理存在的问题,有必要对更具科学，更合理的保护原理作以研究探讨。随着技术的发展,社会上已涌现出许多先进的技术。其中微机转子接地保护装置以长记忆特性和强大的数据处理能力为机组励磁回路一点和两点接地新的保护提供了有力的保障, 其优点是功能完善、使用及维护方便、智能化程度高、体积小、适应一次系统灵活性大,目前已成为机组转子接地保护的主要保护方式。 - 1.2 本课题完成的主要工作 本课题主要完成以下工作: (1)对发电机励磁回路一点、两点接地保护原理分别进行分析; (2)发电机励磁回路接地保护装置整体接线图的设计，画出整体接线图; (3)发电机励磁回路接地保护装置的硬件设计，画出硬件原理框图; (4)发电机励磁回路接地保护装置的软件设计，给出软件流程图。 - 第2章 发电机励磁回路接地保护 发电机励磁回路接地故障是指转子绕组或绕组回路的某一点或某一部分已失去绝缘性能，即与转轴本体间的绝缘电阻为零(金属性接地)，或保持低阻抗接触。当发电机励磁绕组过热，，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子本体。因为部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，绕组可能因过热而受损。另外，气隙磁通也会因为部分绕组短接而失去平衡，从而引起振动，特别是多极机会引起更严重的振动，甚至会因此而造成灾难性的后果绝缘损坏;励磁绕组至滑环的引线及导电螺钉绝缘损坏;冷却水、导电粉尘、焊渣等掉入绕组;工艺粗糙、运输中受潮等原因造成的绝缘损坏等均会造成发电机励磁回路接地故障。发电机励磁回路一点接地故障是常见的故障形式之一。励磁回路一点接地故障不会对发电机造成危害，但如果相继发生第二点接地故障，则将严重威胁发电机的安全。当发生两点接地故障时。发电机励磁回路两点接地还可能使轴系和气机磁化。由此可见发电机励磁回路两点接地故障是制约发电机正常工作的重要因素。采取有效措施来解决此类问题将是意义深远的。 对于中小型汽轮发电机，装设可供定期检测用的绝缘检查电压表和正常不投入运行的两点接地保护，装设一点接地保护。当用绝缘检查电压表检出一点接地故障后，再把两点接地保护装置投入。两点接地保护动作后，经延时停机。对于大型汽轮发电机，鉴于励磁回路一点接地故障无直接严重后果，相应保护应动作于信号，避免毫无必要的大机组突然跳闸。对于两点接地保护的装设尚存在争论，意见分歧的根本原因还是在于，到目前为止，缺乏灵敏的、死区足够小或无死区的和简单可靠的两点接地保护装置。对于水轮发电机，都装设一点接地保护，动作于信号，不装设两点接地保护。 2.1发电机励磁回路一点接地保护 励磁回路的一点接地保护，除简单、可靠这些一般要求之外，还要求能够反应在励磁回路中任一点上发生的接地故障，并且要有足够高的灵敏度。在评价励磁回路一点接地保护时，灵敏度是用故障点对地之间的过渡电阻大小来定义的，若过渡电阻为R，保护装置处于动作边界上，则称保护装置在该点的灵敏度为R欧。 目前 ，我国运行的励磁回路一点接地保护主要有:电桥式，迭加直流电压式，迭加交流电压式等不同原理的保护，分别介绍如下。 2.1.1电桥式一点接地保护 利用电桥原理构成的一点接地保护，其原理图如图2-1所示。(a),(b)分别是正常 - 情况和一点接地情况下的原理图。集中电阻Ry表示绕组对地绝缘分布电阻。励磁绕组LE的电阻构成电桥的两个臂，外接电阻R1和R2构成另外两个臂。正常情况下，调节电阻R1和R2，使流过继电器J的不平衡电流最小，使继电器的动作电流大于这一不平衡电流。当一点经过渡电阻Rf接地后，电桥失去平衡。此时流过继电器的动作 (a)正常情况下;图2一1(b) k 点 经 过 渡 电 阻 R一点接地 电桥式一点接地保护原理图 电流的大小决定于k点的位置以及过渡电阻Rf的大小。当电流大于继电器J的动作电流时，继电器动作。当励磁绕组的正端或负端发生接地故障时，这种保护装置的灵敏度很高，然而，当故障点位于励磁绕组中点附近时，即使是金属性接地，保护装置也不能动作。为了消除这一缺陷，在电桥的R，臂中串接一只非线性电阻R。非线性 ,a电阻，其中a是常数，当电压Uo升高，电流i非线性地增加，电阻R下R,Ui0 降;反之，则R上升。因此，串接这个非线性电阻后，电桥的平衡条件会随着励磁电压的改变而变化.在某一电压下的死区，在另一电压下变为动作区，从而减小了拒动的几率。非线性电阻R的存在，同时也打破了正常运行条件下的平衡条件，因而保护装置的动作电流整定值也要稍有提高。对于空冷或氢冷发电机，其励磁绕组对地绝缘电阻在几兆欧及以上，正常情况下电桥平衡条件打破后，流过继电器的不平衡电流变化不大。而对于水内冷发电机，对地绝缘电阻相当低，则流过继电器的不平衡电流要有较大变化。 2.1.2迭加直流电压式一点接地保护 如图 2-2 所示将一直流电压U。经一继电器1顺向加到励磁绕组的一端与地之间，构成迭加直流电压式一点接地保护。 - 图2-2迭加直流电压式一点接地保护原理图 设励磁电压为，励磁绕组对地绝缘电阻为Ry并集中于励磁绕组的中Ufd 点。 将外加电压在励磁绕组中的压降略去不计，则可作出图2-3(a)所示的正常情 U0 况下的等效电路。正常情况下流过继电器的电流为 (a)正常情况下(b)负端经过渡电阻Rf接地时 (c) 正端经过渡电阻Rf接地时 图2-3不同状况下图3的等效电路 继电器J的动作电流整定值要大于。在励磁绕组上不同点接地时，流过继电器I0 的电流相差很大，因而不同点接地时，灵敏度也有很大差别。图2-3(b)为负端经过渡 电阻Ri接地时图2-2的等效电路。由图可得到流过继电器的电流， = ” J ” 2 R,R y+ (Rk+R,) 考虑到Ry>R,UJR.+R ,)+生U-R= ” J ” 2R,R y+ (Rk+R,)R,式(2-2)可化简为如 下的形式 I二‘U匕 - Rk +R r 图2 -3 (c) 为正 端 经过渡电阻Rf接地时图2-2的等效电路。由图可得到流过继电器的电流， 二’J ’ 2 ‘”‘ 2 ‘， 乎 R,R,+( R,.+R,) 同样，考虑到Ry>>Rf，式(2-4)可化简为如下的形式， _U。十UM Rk +Rf 比较式(2-3)和式(2-5),可以看到，在励磁绕组负端接地时，灵敏度最低;在励 磁绕组正端接地时，灵敏度最高。所以，当正端或负端接地时，保护装置的灵敏 度相差很大。 2.1.3 迭加交流电压式一点接地保护 如图2-4所示，将一交流电压经过一电流继电器i和一隔直藕合电容c 图2-4简单的迭加交流电压式一点接地保护原理图 迭加到励磁绕组的一端与地之间，就构成了迭加交流电压式一点接地保护。继电 器的动作电流要躲过正常情况下流过继电器的不平衡电流。图中励磁绕组上某一 点经过渡电阻Rf接地，流过继电器的电流大于整定值时，继电器动作。 目前用迭加交流电压构成的励磁回路一点接地保护主要有三种类型。 I) 第一类以加交流电压测量励磁绕组对地全电流构成一点接地保护装置，其动作判据为:ICL > ldz，其中I, = U/Z L . Id, = U/Z,,z o IcL为迭加电压作用下励磁绕组通过地的全电流;ZC。为迭加电压后励磁绕组对地的测量阻抗;Z,为整定阻抗。这种类型的保护广泛用于励磁绕组仅有较小对地电容的中小型发电机组。 2) 第二类以迭加交流电压测量励磁绕组对地导纳方法构成一点接地保护装置，其动作判据为:gCL> g dz，其中gcL= I/R cL，gdz= 1/Rdz?gCL为励磁绕组对地的测量电导:R二为励磁绕组对地电容的等效并联电阻;9二为整定电导:R,为整定电阻。 3) 第三类以迭加交流电压利用霍尔元件测量励磁绕组对地全电流中电阻 - 分量构成一点接地保护装置，其动作判据为:ICL.R > ldZ,R，其中工CLR =U/RCL' ldIR= U /Rdza I CL;为励磁绕组对地全电流中的电阻分量;Idz.;为整定有功电流。不难看出第二，第三类继电器具有相同的动作判据RCL< R eza 从理论上讲第二、第三类继电器。其动作条件不受励磁绕组对地电容的影响，适用于大型发电机组的励磁绕组一点接地保护。但在实际运行中这两类保护曾多次频繁误动，有时甚至无法投入运行。这是由于在200MW及以上机组使用时，容易受到励磁绕组对地电容和轴电刷与轴滑环之间接触电阻的影响，为防止误动，应力求降低该接触电阻，使其在运行中的任何时刻都小于50 Q d 2.1.4 小结 电桥式转子一点接地保护接线简单，在转子励磁绕组的正端或负端接地时灵敏度高，但在绕组的中部接地时保护有死区。迭加直流电压式一点接地保护在正端和负端接地时，保护的灵敏度相差很大，在负端接地时灵敏度不能满足要求。迭加交流电压式一点接地保护可以反应转子励磁回路中任何一点发生的接地故障，没有死区，但是保护调整很复杂，容易受励磁回路对地分布电容和轴电刷与轴滑环之间接触电阻的影响，并需要给励磁绕组注入交流成分。 2. 2发电机励磁回路两点接地保护 励磁回路两点接地保护装置按原理可分为下述几种:电桥原理、测量转子 高频阻抗原理及测量定子二次谐波电压原理等。分别介绍如下: 2.2.1电桥原理的两点接地保护 电桥式两点接地保护的原理图示于图2-5。电位器R接于励磁回路的正负极之间，动臂经继电器J接地。当发生一点接地故障后(如图2-5中的点?)，把保护装置投入，故障点?将励磁绕组一分为二，构成电桥的两臂，利用电位器R调平衡。此时保护装置进入工作状态。当第二点(例如点?)发生接地故障后， 图 2- 5 电桥原理的两点接地保护 平衡破坏，继电器J动作。继电器J有两个绕组，把电桥对角线上的交流分量经 - 辅助互感器FH引入绕组2，用以抵消同一交流分量在绕组1中产生的磁势，从而消除了交流分量的影响。这种原理的保护存在两个重要的缺点: 1) 因为是在发生一点接地后保护才开始工作，所以对于两点同时接地或紧接发生第二点接地的情况，该保护无效; 2) 如 果 第一点接地位于励磁绕组端侧，则由于无法调平衡，这时电桥失去作用。此时的死区为100%由于电桥式两点接地保护在原理上存在上述缺点，所以不能满足大机组的需求。 2.2.2 测量转子高频阻抗原理的两点接地保护 发电机励磁绕组的等效电路可以表示为，绕组电感L、总匝间电容C和表示转子本体有效损耗的电阻R相并联的回路，如图2-6所示。因为励磁绕组的漏 图 2-6励磁绕组等效电路 抗和电阻很小，略去不计。这样对于某一角频率。励磁绕组的阻抗为， 二-一~jroLR‘一 (1一 w'LC)R+jroL (2-6) 阻抗 Z fd 的大小 ，随频率f而变化。由式(2-6)知，励磁回路的L.C 谐振，谐振频率为， f.= (2-7) 当励磁绕组发生两点接地故障时，部分绕组被短接，此时谐振频率提高。如图 2-7所示为一台32万kW汽轮机的励磁绕组阻抗频率特性，其中曲线1表示的式 正常情况下的曲线，曲线2表示的是一匝被短接情况下的曲线。在频率较低的范 围内，在同一频率f值下，Zfd值要比正常情况下小，而在频率f值较高的情况下，则相反。当频率较高时，例如f= 3 -lOk Hz及以上时，Zfd则有比较明显的变化。 Zfd(n ) 1000 - 500 ，\刀\ 3 10 f (KHz) 图2-7励磁绕组阻抗频率特性 基于励磁绕组阻抗特性的这一特征，我们就可以利用测量励磁绕组高频阻抗变化 的方法，来构成两点接地保护。 对于用高频励磁机的发电机，若励磁机的频率为500Hz，用三相桥整流装置，则最低次谐波的频率为3kHz，其幅值是基波电压的2/35倍。例如某台32万kW的实测数据，当f= 3kHz时，正常情况下z。二40Q，当一匝短路后，Z,=780，下降了13%,因而可以利用励磁系统中固有的6次谐波电压来构成两点接地保护。但是一般情况下，从保证选择性方面看，这样的变化幅度还不够明显，缺乏足够的裕度。 其他情况下 ，例如用直流励磁机、频率较低(例如IOOHz)的交流励磁机时，可以用加高频电压的方法构成两点接地保护。因此这种原理的保护装置受到励磁机型式的限制。 2.2.3测量定子二次谐波电压原理的两点接地保护 当励磁回路发生两点接地故障后，励磁绕组部分线匝被短接，则气隙磁密南北极对称被破坏(短接线匝不对称于横轴时)。对于两极汽轮发电机，根据傅里叶级数的谐波分析，这样一个不对称与横轴的气隙磁密一定包含有包括二次谐波在内的偶次谐波，从而在定子中产生相应的偶次谐波电压。所以可以利用二次谐波电压作为判据来构成两点接地保护(100万kW及以上容量的汽轮发电机，转子可能是四极隐极式，此时两点节地故障的定子电压特征量是25Hz, 1/2次谐波)。 设发电机空载运行，被短路匝数与一个磁极下励磁绕组总匝数的比值为K,正常空载励磁电流为几，一个极下励磁绕组的总匝数为WL，则在发生两点接地故障时，相应的反向励磁安匝为KILWL。为简化计算，在少量匝数被短接的情况下，可以将KILWL看作是集中绕组。 Y= 被短路绕组的宽度 /极距 显然，符号Y表示的是被短路的绕组在转子上的空间位置，当被短路的线匝靠近大齿时，Y值较小;而当靠近横轴时，则Y值趋向1。 当励磁回路发生两点接地故障后，励磁绕组部分线匝被短接，则气隙磁密南北极 - 对称被破坏(短接线匝不对称于横轴时)。对于两极汽轮发电机，根据傅里叶级数的谐波分析，这样一个不对称与横轴的气隙磁密一定包含有包括二次谐波在内的偶次谐波，从而在定子中产生相应的偶次谐波电压。所以可以利用二次谐波电压作为判据来构成两点接地保护(100万kW及以上容量的汽轮发电机，转子可能是四极隐极式，此时两点节地故障的定子电压特征量是25Hz, 1/2次谐波)。 设发电机空载运行，被短路匝数与一个磁极下励磁绕组总匝数的比值为K,正常空载励磁电流为几，一个极下励磁绕组的总匝数为WL，则在发生两点接地故障时，相应的反向励磁安匝为KILWL。为简化计算，在少量匝数被短接的情况下，可以将KILWL看作是集中绕组。 Y= 被 短 路 绕组 的 宽 度 /极 距 显然，符号Y表示的是被短路的绕组在转子上的空间位置，当被短路的 线匝靠近大齿时，Y值较小;而当靠近横轴时，则Y值趋向1。 图2-8表示了反向励磁安匝KILWL,零磁位线(横轴)将它分为正向磁势M和负向磁势N，即M一N=KILW 根据磁通连续性原理，有Mx2('Ty)一(2)r-2 -._ 二_ ，_ M 解上两式可得:N =KIL吸(1-y/2) =-KILWLY/2 图2-8的磁势按傅里叶级数谐波分析法可得: F(a )二 a ,co sa + “:c os 2a +? ? )TY) ?+气cosna 其中系数a_为 =全 兀 了(卜y/2)二:WLcosnad。十兰 o ny，}J设计方案

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