发电机乒乓式转子接地保护

发电机乒乓式转子接地保护电路设计夏勇军!尹项根!杨经超!张侃君"华中科技大学电气与电子工程学院!湖北武汉!"##$!#!"$基于有关文献中几种乒乓式发电机转子接地保护电路的分析!确定了一种较为合理的电路结构!并具体阐述了转子一点接地的检测原理%详细分析了保护电路中各主要环节的特征&电路实现要点及可供选择!提出了相关环节的具体实现电路和元件参数%通过对转子一点接地保护的灵敏度分析!证实了该设计的实用价值%#$%$发电机转子’接地故障’微机保护’电路设计&’()*$!%$$&+,-./$’+01*$"##$%$#&’"(##!("&%##(&%#!收稿日期$(##!%#)%#"’修回日期$(##!%#*%+!#引言发电机在长期运行过程中!由于转子内部受潮&冷却介质泄漏&绝缘老化以及机械振动等诸多方面的原因!容易造成转子对地绝缘水平的降低进而引发转子接地故障%当转子发生一点接地故障时!虽然不会对发电机本身造成直接的危害!但若再相继发生两点接地!则将严重威胁发电机的安全%为了实现发电机转子接地保护!相关文献)+)"*提出了乒乓式发电机转子接地保护方案!该方案能够同时兼顾发电机转子一点接地和两点接地故障的检测!而且灵敏度较高%为了将该原理更好地运用于实际!必须在对实现原理&检测和控制环节特征进行详细分析的基础上!结合现在工业条件所能提供的手段!提出最佳的设计方案%+转子接地保护基本原理乒乓切换电路基本原理如图+所示%图中!为发电机励磁电压’正实数!反映励磁绕组接地点的位置!#!!!+!当励磁绕组经电阻",发生一点接地短路时!励磁电势等效为!!和++-!(!’电阻"为高阻!"+为低阻’装置在乒乓切换过程中所对应的两种工作状态下!取样电阻"+上电压分别为#+和#+!!考虑此过程中励磁电压的变化!假设该电压分别为!和!!’.+和.&为微机控制的联动电子开关%电路工作时!电子开关.+!.&总是一个导通而另一个断开!并相互切换%当转子绕组没有接地故障时!图+中的",不存在!电阻"+上电压为零!装置检测显示转子回路绝缘良好%假设转子回路绝缘发生损坏!例如在$点出现了转子一点接地!保护装置通过控制电子开关的导通和关断改变电路结构参数!然后测量励磁电压和辅助电阻"+上电压的大小!通过网孔方程!求解",和!%当.+导通&.&断开时!假设此时转子电压为!!取样电阻"+上的电压为#+!则!!!/+"0"+0",(%+-+",0"+(%&++(++-!(!/-+",0"+(%+0+",0"+0&"(%&+&(#+/"++%+-%&(+"(当.+断开&.&导通时!有!!!/+&"0"+0",(%+!-+",0"+(%&!+!(++-!(!!/-+",0"+(%+!0+",0"+0"(%&!+((#+!/"++%+!-%&!(+)(联立以上方程可得$",/!"+*+""#(-"+-&"*"+$(!/+*"0#+*+""#(+1("#/#+-!#+!*!!%通过上述计算可以确定发生励磁绕组接地故障时!接地过渡电阻的大小和故障位置%当励磁回路发生两点接地时!保护测量的等效电路和网孔方程在文献)+*中都有详细分析!这里不再赘述%需要指出的是!在某些文献中测量原理与图+有些轻微的差别!主要现为两个方面%!"文献)&*将两侧与电子开关并联的高阻"去掉!这样!在乒乓切换的过程中!只有一个网孔有电流!另一个网孔开路!似乎可以简化以上计算过程’但是在转子线圈开路或灭磁过程中励磁电压!可能突变为反向高压!这样开路网孔上的电子开关承受很高的电压!可能损坏电子开关!因此这种简化不太可取%#"在文献)"*中!将与电子开关并联的电阻换电力自动化设备+,-./01.234-056/378/139+:61;7-9/<3,=(!>3="&234=(##!第(!卷第"&期(##!年"&月图+励磁回路一点接地保护原理图5678+9:3;<=>34>6=?@4:3A3,=<=?3?;=6?>7<=B?C6?7,DBE>=,73?3<D>=<3F46>6?7<=>=<%+",$#+!#+@"-0&""+"%&’.+".&!!++-!(!(&为二极管!二极管可以向前述反相电压提供通道!而且文献中还指出可以通过此二极管截断乒乓测量回路造成的转子接地!减小对转子绝缘的影响!其实在乒乓转换过程中!导通的电子开关的支路总会使转子通过高阻接地!因此该方法与图!完全类似"从后文的分析可以看出!当用功率器件作为电子开关时!在此电子开关上同样也反向并联了一个续流二极管"在下面的分析中!选用图!所示电路""电路设计"#!励磁电压测量电路由式#$$可知!在接地过渡电阻!%测量中!励磁电压"是作为一个未知模拟量输入的!因此必须对该电压进行测量%励磁电压测量电路图如图"所示!该电路主要由滤波环节&分压环节&隔离环节和电路保护环节组成!下面主要分析各环节中电路的特点""#!#!滤波环节从三相晶闸管整流电路输出的励磁电压不可避免地存在交流分量!而且当控制角较大时!谐波分量更严重!其中以&次基频分量为主’’(%为了滤除这些&次谐波分量!在硬件滤波环节中考虑采用#$串联滤波环节!图中电感和电容的参数应满足!"!!!!"#"!%$%"#!#"隔离环节为了提高保护装置稳定性!转子电压信号在进入保护测量装置之前需要经过隔离%目前!使用较普遍的电压隔离传感器主要有霍尔元件和隔离放大器%霍尔电压元件的转换误差范围和线性度一般分别在##(#)*+!*$和##,#"*+,#)*$之间%对于不同的霍尔器件!输入电压范围比较灵活!电压输入量程低到几十伏!高的可达"),,-%例如./-),,0!其精度为#,1)*!非线性度不超过#,#"*!电压输入量程为,$),,-!满量程时以",23的电流形式输出%隔离放大器的精度与霍尔电压元件相当!线性度要比霍尔元件超过!$"个数量级!但价格稍贵%例如30公司的隔离放大器30"!,4/!其转换误差为!%!非线性度不超过#,5,!"*!输入电压量程为#!,-!输出增益可为!$!,,倍%两种电压隔离传感器各有特点!考虑到励磁电压为直流!而且幅值较高!这里选用霍尔电压传感器./-),,0%"#!#6分压环节由于励磁电压一般很高!不便直接测量!因此考虑在前端增加分压环节%以三峡左岸3789:;机组为例!其额定励磁电压为’<$-!考虑强励情况下65!6倍的强励倍数!该电压可达!))&-)另外!在发电机灭磁过程中!励磁线圈突然由励磁系统切换至灭磁电阻两端时!由于励磁线圈上的电流不能突变!故很可能产生暂态过电压%根据部标80"<<=>>*大中型水轮发电机静止整流励磁系统及装置技术条件+第65)5"条!灭磁电阻上产生的电压一般不低于出厂试验时励磁绕组对地试验电压幅值的6,?!不高于),*!因此这里考虑转子过电压情况下!)&)-的最大电压值比较合理"图"中由电阻!!!!"和!6实现分压!电阻!6上的电压量要与霍尔电压元件的输入量程相匹配"因为./-),,0的输入电压范围为,$),,-!则可取电阻参数为!!@!"@"",!!!6@",,!"输出电流信号送至信号采集电路板""5!5’电路保护环节当该电压测量电路连接到转子上时!为了不至于因为极性接反而将装置损坏!故在励磁电压信号的输入端加入两个二极管!将反相电压截止!保护测量回路)另外!为了保护电压隔离传感器!在其电压输入端加上了稳压管!以限制瞬态过电压""5"辅助电阻!!上电压测量及电阻参数的选择与励磁电压不同!在乒乓切换过程中!对应于不同的短路位置!该电压是一个交流量"下面首先计算发生转子接地故障时!该电压的变化范围"在8AB;B/8提供的三峡左岸发变组保护中!注入式转子接地保护向发电机转子两端并联接入了’(C!电阻!参考此值选取乒乓回路中各电阻取值为!@"(C!!!!@’((!"另外结合三峡左岸电站3789:;机组额定参数!可得到在额定工况和强励条件下!图!中励磁绕组在不同短路点发生金属性短路时!取样电阻!!上的电压如表!所示,其中&为励磁绕组中点$%由此可知!取样电阻!!两端的电压为交流量!其范围在D6,5"+E6,#"-之间!故此处隔离电压互感器选用30"!,4/!测量电路原理与图"类似%在文献’!!"(中!乒乓回路电阻的取值有些差异!其中文献’"(中取值高达!@!&!!!!@",C!!但文献’!(中的参数又比这里取的要低!此处参数如何选取!以下两个方面值得考虑%!"从转子对地绝缘的角度看!电阻值应尽量大!以减小对转子绝缘的影响%但是当电阻达到兆图"励磁电压测量电路FGH5"9IJKGLKMGNO%JPKGNQNGORSOTNQHJ2JQUMLGRHV-0!$!’!!D!6!"-06$"电压隔离传感器至信号采集电路板-0"夏勇军!等-发电机兵乓式转子接地保护电路设计第!"期注-(!是在8!断&8"通时测得)(!#是在8!通&8"断时测得%强励情况(!"-(!’"-(!"-(!’"-)<#&)’#>"6,#",!)#!,&"#6<D"#6<$#’$D$#’$$D’#>"D<#&)D!)#!,D6,#",金属性短路点额定情况表!取样电阻电压值9QW#!9IJSOTNQHJUORUQ2XTGRHLJUGUNQRKJ)6欧级以上时!转子自身对地绝缘电阻不能忽略不计!图!已不能够确切地反映等效电路的真实情况!前面列写的网孔方程不再成立"此外!当电阻阻值过大时!乒乓电路中流过的电流很小!电子开关关断时的漏电流会对电路的精确测量带来负面影响#!"但如果高阻!选取得过小!首先会对转子对地绝缘造成影响"其次!会造成即使在非故障情况下!转子电压也会在乒乓回路中产生一个环流!进而会引起严重的发热问题#综合以上分析!借鉴相关经验!选取乒乓回路电阻参数!!"#$!!!!!%##!#发生金属性短路时!电阻!和!!流过最大电流为"&’()#"$!*!!%)%+,""#%##)#-#"%.$/%$+%则!最低容量为$!)#-#"%."#"####)!"$0%!!最低容量为$!!)#-#"%."#%##)#-"%$0%"-1电子开关选择电子开关2!!2"的选择主要需要考虑以下几个方面&#"由图!可知!电子开关可能承受的最大电压约为#""!根据前面的参数!在强励情况下!该电压可达,,34!考虑一定裕量!则该电子开关的耐压值应该在!###4以上"!"由式’+%可知!流过电阻!的最大电流也只有几十毫安!故选择的电子开关在关断时漏电流应尽量小"$%装置工作过程中!对电子开关的开关频率要求并不高!一般每分钟!$"次!最多3$!#次#常用的电子开关主要有如下几种选择方案!下面逐一分析#&%选用无触点固态继电器225’267892:’:;5;%7’<%#225是利用现代微电子技术与电力电子技术相结合而发展起来的一种新型无触点电子开关器件!可用微弱控制信号实现对输出回路的无触点关断#但是!目前对于输出回路为交流的225器件!其最高工作电压只有==#4!对于输出回路是直流的情况!225器件所能控制的电压更低!只有1"4#因此!在本电路中不能选用该方案#!%采用电力电子器件>?@A#>?@A耐压高(容量大!而且具有很高的开关频率!选择合适的>?@A器件!完全能够满足此处电子开关的要求)但>?@A的导通和关断必须有专门的驱动电路!虽然驱动模块’例如BC@3%!%都比较成熟!但这些驱动模块需要专门配备隔离电源!这无疑增加了该方案的复杂程度和成本*$%采用功率三极管*目前!商品化的大功率三极管极限耐压可达千伏以上*如DED型功率三极管@F"#3/!耐压达!.##4!集电极额定电流为./!功率为!"-.0!完全符合此处电子开关的各项要求*而且!三极管工作原理简单+价格便宜!用功率三极管作为此处的电子开关是一个好的选择#综合以上分析!采用方案$实现图!中的电子开关#1转子一点接地保护灵敏度分析由式’,%可知!转子一点接地保护的灵敏度主要与取样电阻!!上测得的电压有关#从前面的分析可知!取样电阻!!上的电压测量精度主要取决于/"G转换精度和隔离电压传感器的精度#保护装置采用!%位/"G芯片!因为被测电压是交流量!故实际上反映单向数据精度的位数只有!1位!由于设计(制版工艺以及系统存在的扰动等因素!实际芯片的工作可能只有!!位精度!则/"G芯片实际工作精度为!""#%3!约为#-#.H#隔离电压传感器使用/G"!#@D!其最大转换误差为&!H!远大于/"G转换所带来的误差!因此可以认为整个测量环节的误差是由隔离放大器造成#由表!可知!在额定工作情况下!取样电阻上的电压值最大可达+-=.4’这是考虑金属性短路的情况!带过渡电阻短路时该值会减小%!则测量电路可以精确反映的电压为+=.##!H)+=-.’&4%!故可以认为能精确测量的"%为"#+=-.)!+1’&4%#在以上计算中!忽略了测量回路其他环节的误差!取!-"倍的裕量!则实际装置能够精确反映的"%)!+1#!-"!"1!-=’&4%#代入式’,%可知!保护装置可检测到的接地过渡电阻值为!I)#!!"’1"%%J!!J"!"1)!1=-"’$!%可见该保护电路可以检测!1=-"$!的转子一点接地过渡电阻值!具有很高的灵敏度#前文关于电路设计实现中所涉及的每一个环节都是未知参数精确测量的基础!它们都与灵敏度的提高直接相关#而且由式’,%’3%可知!该保护可以监测发电机升压全过程及正常运行时转子绕组的绝缘状态#%结语本文在分析有关文献的基础上!确定了一种较为合理的乒乓式转子接地保护电路结构#基于该电路结构!详细分析了其中各主要环节的特点(实现上可供选择的方案以及具体实现电路!并进一步确定了相关电路中各元件的参数值#分析论证表明!设计的保护电路灵敏度高!能满足现场应用要求!具有很大的实用价值#参考文献&,!-王维俭-电气主设备继电保护原理与应用,K-’北京&中国电力出版社!"##"-0/D?0;8%L8’M-AN;6O<’M9’PP78Q’:86M6IP6R;O&’8M;ST8P&;M:PO6:;Q:86M,K-’@;8L8MU&VN8M’B7;Q:O8QE6R;OEO;WW!"##"-,"-郭光荣-发电机转子励磁绕组接地保护,X-’电力系统自动化!"##1!",’"#%&,1J,=-电力自动化设备第(%卷.%!"#$%"&#’()*"+,-./",+!/-,+&’/)+#-%,(",+.0%1&/#-&)2&"-,.-#+),)#0&-##-&-#!"#$%&’!()&!$"*!+,&’!’-&!$#*./+&’!01,%!23#*.4,&!()&"3),51%&’6&+7-89+:;%<=0+-&0-,&>?-01&%@%’;!A)1,&BCDDEB!F1+&,#"#$%&’(%$G,9->%&:1-,&,@;9+9%<H+&’!H%&’:;H-’8%)&>+&’<,)@:H8%:-0:+%&<%8’-&-8,:%88%:%8!,I%8-8-,9%&,J@-0+80)+:9:8)0:)8-+901%9-&!,&>+:9>-:-0:+&’H8+&0+H@-%<%&-!H%+&:’8%)&>+&’<,)@:+9-KH,:+,:->L?1-01,8,0:-8+9:+09%<+:9I,+&H,8:9,8-,&,@;5->!:1-%):@+&-%<+:9>-9+’&+9-KH@,+&->,&>:1-,HH@+0,J@-901-I-9,8-H8%H%9->L?1-8-,@0+80)+:8+-9%<9%I-H,8:9,8-’+7-&,&>:1-H,8,I-:-89%<9%I--@-0:8+0-@-I-&:9,8-9H-0+<+->L?1-9-&9+:+7+:;%<%&-!H%+&:’8%)&>+&’H8%:-0:+%&<%88%:%8+9,&,@;5->!M1+017,@+>,:-9:1-H8,0:+0,@7,@)-%<:1->-9+’&L)*+,-&.$$’-&-8,:%88%:%8%’8%)&>+&’<,)@:%I+08%0%IH):-8H8%:-0:+%&%0+80)+:8;>-9+’&.6N.),&’!8%&’L?1--,8:1!<,)@:H8%:-0:+%&<%8’-&-8,:%88%:%8<+-@>0%+@&/’"3%&-45&"-,-.61)2&#"27-8)#9’*!&)4*!ODDC!OE"OD($ECPEQL&C’姚翔L发动机转子一点接地乒乓式微机保护的研究&/’"电力自动化设备!ODDD!OD"Q($OEPORL$#N!+,&’L=:)>;%&H+&’!H%&’:;H-I+08%0%IH):-8H8%!:-0:+%&<%8%&-!H%+&:’8%)&>+&’<,)@:%<’-&-8,:%8-K0+:+&’8%:%8&/’":1)2&#"2;-8)#<%&-40&"-,:=%"/4),&!ODDD!OD"Q($OEPORL&B’黄俊!王兆安L电力电子变流技术&S’"北京$机械工业出版社!TUUVL36#*./)&!A#*.21,%!,&LF%&7-8:+&’:-01&%@%’;%<H%M-8-@-0:8%&+09&S’"G-+(+&’$F1+&,S,01+&-W8-99!TUUVL"责任编辑$李玲(作者简介$夏勇军"TUERP(!男!湖北天门人!博士研究生!主要从事电力系统继电保护研究":!40"1$K+,X;%&’X()&Y:%IL0%I(%尹项根"TUVQP(!男!湖北武汉人!教授!博士研究生导师!主要从事电力系统继电保护和变电站综合自动化的研究工作%杨经超"TUQQP(!男!广东揭阳人!博士研究生!主要从事电力系统继电保护研究工作%张侃君"TUEEP(!男!湖北安陆人!硕士研究生!主要从事电力系统继电保护研究工作)>)*"+,0,("4/1)4),&0&"-,-.*-.&!-/)#0&"-,*’*&)4.-#2-01%,1-0(",+1",)-./-8)#/10,&Z"*3,+!;),&!Z"!+,%!I+&’!$6W+&’!A["G%*A)1,&6&+7-89+:;!A)1,&BCDDEO!F1+&,#"/$%&’(%$\%80%,@)&@%,>+&’@+&-+&H%M-8H@,&:!,9%<:!%H-8,:+%&*0%IH):-8,)K+@+,8;%H-8,:+%&#9;9:-I+9>-9+’&->,&>+IH@-I-&:->!M1+01+9J,9->%&,:18--!@,;-80%&<+’)8,:+%&%<0%IH):-8!WZF*W8%’8,II,J@-Z%’+0F%&:8%@@-8#!0%&:8%@@+&’%J(-0:9L\+-@>>-7+0-9,8-0%&:8%@@->:18%)’1:1-8-,>+&’,&>M8+:+&’%H-8,:+%&9%<WZF7+,,9)H-8%8>+&,:-0%IH):-8L#@@%H-8,:+%&%J(-0:9,8->+7+>->+&:%:18--H,8:9$<8-])-&:%H-8,:+%&!&%&!<8-])-&:%H-8,:+%&,&>9H-0+,@%H-8,:+%&!,&>:M%I):),@@;-K0@)9+7-%H-8,:+%&9,8-0%IJ+&->:%8->)0-:1-]),&:+:;%<%H-8,:+%&J)::%&9L?1-+&:-8@%0^+&’:-01&%@%’;,&>0%&<+8I,:+%&>+,@%’!J%K,8-,HH@+->:%8-,@+5-:1-9%<:!%H-8,:+%&<)&0:+%&9+&9-0)8-M,;L":9,HH@+0,:+%&91%M9+:9,HH@+0,J+@+:;,&>9,<-:;L)*+,-&.$$0%,@)&@%,>+&’@+&-%9%<:!%H-8,:+%&%WZF%:+HH-8*上接第VT页0%&:+&)-><8%IH,’-VT#&E’李东晓!李晓明!肖鲲!等L实现基于_+9),@F‘‘ELD的多线程串口通信&/’L电力自动化设备!ODDO!OO*U#$TCPTQLZ"a%&’!K+,%!Z"!+,%!I+&’!!"#N4)&!!"#$L"IH@-I-&:,!:+%&%<I)@:+:18-,>9-8+,@0%II)&+0,:+%&M+:1_+9),@F‘‘ELD&/’L:1)2&#"2;-8)#<%&-40&"-,:=%"/4),&!ODDO!OO*U#$TCPTQL&R’李晓明!陈万国L可编程序控制器在火电厂翻车机卸煤系统中的应用&/’L基础自动化!TUUV!O*V#$OEPCDLZ"!+,%!I+&’!F3[*A,&!’)%L?1-,HH@+0,:+%&%<H8%!’8,II,J@-0%&:8%@@-89+&:1-:)8&-8)&@%,>+&’0%,@9;9:-I9%<:1-8I,@H%M-8H@,&:9&/’L?0*"23%&-40&"-,!TUUV!O*V#$OEPCDL*责任编辑$李育燕#作者简介$林海源*TURDP#!男!福建莆田人!硕士研究生!研究方向为电力系统运行与控制*:!40"1$@+&1,+;),&UREBDBYTQCL0%I#%李晓明*TUVVP#!男!湖北应城人!教授!从事智能控制+电力系统运行与控制的研究!拥有多项专利%余平,TUEUP(!男!湖北十堰人!硕士研究生!研究方向为电力系统运行与控制%韦波,TUEUP(!男!广西南宁人!硕士研究生!研究方向为电力系统运行与控制)!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!夏勇军!等$发电机兵乓式转子接地保护电路设计第TO期VV