1000MW发电机组转子接地保护的研究_硕士学位论文.pdf

华北电力大学（保定） 硕士学位论文 1000mw发电机组转子接地保护的研究 姓名：王淼 申请学位级别：硕士 专业：电气工程 指导教师：李永刚 2011-06 华北电力大学硕士学位论文 i 摘 要 汽轮发电机转子绕组接地故障是一种较常见的发电机故障。本文总结了同步发 电机电气故障的主要类型。对转子绕组接地短路故障的产生原因和目前国内外主要 检测方法进行具体分析理解。进而提出两种常用且成熟的转子接地保护原理：乒乓 切换式接地保护与注入式转子接地保护。针对乒乓式接地保护在发电机处于空转或 停机时无法对励磁绕组接地故障进行检测的问题，提出给励磁绕组注入一个直流电 压，并将开关切换回路接在该电压两端的改进方案，给出了该方案的原理和保护动 作判据，对接地电阻计算方法、切换回路元件参数和切换周期的选取等问题进行了 分析。仿真试验结果表明改进方案的精度和灵敏度可以满足实际运行需要。结合 1000mw发电机的实际情况，本文还论述了1000mw发电机组给转子接地保护带来 的困难并提出了解决方法。最后再通过仿真分析对乒乓切换式接地保护方案给予论 证，说明其满足实际要求。 关键词：1000mw；转子绕组接地故障；乒乓切换式 华北电力大学硕士学位论文 ii abstract generator rotor winding ground fault is a more common generator fault. this paper summarizes the synchronous generator the main types of electrical fault. between the rotor windings of the fault causes and the current detection methods at home and abroad to carry out the main understanding of the specific analysis. and in this paper we conclude the ping-pong type protection and injection rotor ground protection. current ping-pong type of field winding ground protections cannot detect grounding fault of field winding while generator is in free-running operation or shut down. to remedy this defect, we propose an improved scheme for ping-pong type field winding ground protection, that is ,a dc voltage is injected into field winding and switching-over circuit is connected in parallel with the injected voltage. the principle of this improving scheme and the criterion for protection action are given; several problems such as the calculation method of grounding resistance, the selection of parameters in switching-over circuit and that of switching-over period are analyzed. simulation results show that the accuracy and sensitivity of the improved scheme can meet the requirement of practical operation. according to the real situation of 1000 mw generator, this paper analyses the problems which is brought by 1000mw generator especially and summarizes the ways to solute these problems. at last, the simulation results show that the accuracy and sensitivity of the improved scheme can meet the requirement of practical operation. keywords: 1000mw; ground protection for field winding; ping-pong switching 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文1000mw 发电机组转子接地保护 的研究 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写 过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 1000mw 发电机组转子接地保护的研究系本人在华北电力大学攻读硕士学 位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电力大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北电力大学关 于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门送交论文的复印件和电 子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于（请在以上相应方框内打“”） ： 保密，在 年解密后适用本授权书 不保密 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 发电机是电能生产的基本设备，是电力系统的核心部分。其运行的可靠性是保 证系统安全稳定以及供电可靠性与经济性的重要条件。随着机组容量的增加，应用 领域的扩大，对发电机性能及其组成系统的要求也不断提高。需要及时有效的诊断 出发电机故障，现大多采用在线状态监测的方法。发电机转子接地短路故障是比较 常见的故障。励磁回路发生一点接地故障，对发电机尚不会造成较大危害，若发生 第二点接地将使发电机转子电流增大,甚至产生剧烈振动,严重威胁发电机安全。转 子对地绝缘的损坏是个漫长过程，若能及时准确发现薄弱环节、提供故障点位置和 绝缘损伤程度，则可合理安排检修时间，提高检修质量和效率，减少不必要的停机。 1000mw大型发电机组造价高、转子额定电压通常比较高，因而对转子接地保护提 出了更高的要求.故此对故障进行分析与诊断， 并对其进行早期预报是保证设备运行 可靠性的重要方法。 1.1 本文研究对象 1000mw 机组的概况及研究意义 1) 1000mw 机组概况 目前，火电机组已向大容量、高参数、高效率的超超临界机组发展。超超临界 发电技术是在超临界发电技术基础上发展起来的一种成熟、 先进、 高效的发电技术， 可以大幅度提高机组的热效率， 在国际上已经是商业化的成熟发电技术， 在可靠性、 可用率、运行灵活性和机组寿命等方面可以和亚临界机组相媲美。随着超超临界火 电机组的国产化，我国在今后新增的火电装机结构中必将大力发展超超临界火电机 组。下表 1 列出了超超临界发电机组和常规发电机组在热效率提高的幅度、燃料节 约量、温室气体排放量减少方面的数据对比。从表中可以看出，超超临界发电机组 具有无可比拟的优越性。 发展超超临界机组，设计和制造还有很多关键技术问题有待解决，其中，开发 热强度高、抗高温烟气氧化腐蚀和高温汽水介质腐蚀、可焊性和工艺性良好、价格 低廉的材料是最关键的问题。 国内首批 1000mw 级机组引进技术国产化依托工程- 华电国际邹县发电厂四期工程21000mw工程项目加快了1000mw级发电机组的 国产化进程，全面提高了大型火电机组的设计、制造、运营水平。随着机组容量的 扩大，相应的保护措施、故障特征必然随之而有所差异，与此同时，如若出现故障 那必然会比中小型机组出现更严重的后果，本文为此就针对其中转子的接地保护予 以深入探究，联系实际情况，深入研究 1000mw 发电机接地故障的机理、发生的原 因、故障征兆、发展趋势及其不良后果并提出诊断、正确处理和预防的方法，以期 华北电力大学硕士学位论文 2 发电机转子能够安全稳定运行。 表 1-1 超超临界发电机组和常规发电机组节能和减排潜力的对比 1000mw 机组容量 常规对 比机组 第一阶段 第二阶段 第三阶段 蒸汽 条件 压力（mpa） 温度（c ? ） 24.1 538/566 31.4 593/593/593 30.0 630/630 34.3 649/593/593 热效率增加值（%） 年节煤量（t） 2 co年减排量 （ 6 10 3 m） 基准值 基准值 基准值 5.0 96000 117 4.8 95000 112 6.5 13400 152 2) 转子绕组接地短路故障研究意义 发电机转子是发电机的重要组成部分。转子通常由励磁线圈、线圈引线和阻尼 绕组等部分组成，这些部件在发电机运行时要承受较大的电流及离心力，当超过部 件极限强度时将导致部件的损坏。转子绕组是发电机较易出现故障的部位，除了本 体故障外， 主要是转子绕组的短路故障， 发电机转子接地是较常见的故障形式之一。 励磁回路发生一点接地故障，对发电机尚不会造成较大危害，若发生 第二点 接地将使发电机转子电流增大,甚至产生剧烈振动,严重威胁发电机安全。转子对地 绝缘的损坏是个漫长过程，若能及时准确发现薄弱环节、提供故障点位置和绝缘损 伤程度， 则可合理安排检修时间， 提高检修质量和效率， 减少不必要的停机。 1000mw 大型发电机组造价高、转子额定电压通常比较高，因而对转子接地保护提出了更高 的要求. 因此进行发电机转子接地短路故障的早期预报，研制发电机在线监测与故障诊 断系统是十分必要的，既可以避免事故发生又可以提高运行可靠性。 1.2 同步发电机故障分类 发电机绕组的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子绕组一相匝间短路、定 子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地及转子励磁回路励磁电流消失。 1.2.1 定子绕组故障 同步发电机定子绕组内部故障主要包括同支路的匝间短路、同相不同支路的匝 间短路、相间短路和支路开焊等。定子故障通常都是定子绕组绝缘损坏引起的。定 子绕组绝缘损坏通常有绝缘体的自然老化和绝缘击穿。下面主要对本文研究的转子 绕组做一下故障的分析。 华北电力大学硕士学位论文 3 1.2.2 转子绕组故障分析 发电机转子绕组故障的表现形式主要为匝间短路和接地故障。 (1) 匝间短路 国内运行的大型汽轮发电机组中大多数都发生过或存在转子绕组匝间短路故 障。由于绕组绝缘损坏造成转子绕组匝间短路后，会形成短路电流，从而形成局部 过热点。在长期运行下，局部过热点又会进一步引起绝缘损坏，导致更为严重的匝 间短路，形成恶性循环的局面。 (2) 接地故障 发电机转子绕组的接地故障包括一点接地和两点接地。一点接地是一种较为常 见的不正常的运行状态。励磁回路一点接地故障对发电机一般不会造成危害，因为 发电机发生转子绕组一点接地故障时，励磁电源的泄漏电阻很大，限制了接地泄露 电流的数值，但如果再有另外一个接地点，即发生两点接地故障时会形成部分线匝 短路，这是一种非常严重的短路事故。 1.3 同步发电机内部转子接地故障研究的主要理论方法 转子接地保护原理可分为非注入式和注入式两大类。前者依靠励磁绕组本身电 气量构成保护判据；后者需将外加辅助电源注入转子绕组，采集相关电气量构成保 护判据。目前，普遍采用切换采样式（乒乓式）原理、注入直流电压原理、注入交 流电压原理和注入方波电源原理。这里介绍下目前使用较多的几种励磁回路一点接 地保护理论方法：乒乓切换式励磁回路一点接地保护、低频注入式励磁回路一点接 地保护和桥式一点接地保护。 1)乒乓切换采样式励磁回路接地保护 切换采样式励磁回路接地保护也称“乒乓式”转子接地保护。它是针对电桥式 保护在转子绕组中点附近接地时存在死区，而提出的一种变电桥的思想。通过引入 一个测量电阻，构成两个回路，在两侧电子联动开关的两次倒换操作中，联立回路 方程得出相应的接地电阻的判据方程以及接地位置的方程。该保护方案在实际应用 中还应该考虑一些问题，譬如：当励磁电压为零或很小时，会引起计算的不稳定甚 至错误，为此需要引入开放判据，当励磁电压高于门槛值时才开放保护或者改进此 方案4。 2)低频注入式励磁回路接地保护 低频注入式励磁回路一点接地保护为注入式励磁回路一点接地保护的总多形 式中的一种。不过相较其他几种原理低频注入式励磁回路一点接地保护有原理简 单，保护灵敏度和精度较好，目前在大型发电机中的应用越来越广泛。其原理主要 在于注入的方波电压，在方波的两次切换过程中获得两个测量电压值，通过电路关 华北电力大学硕士学位论文 4 系直接导出接地电阻的公式，得出判据方程，并且由于在该保护方案中，因耦合电 阻s r 很大，在电压机性改变式，由绕组对地电容引起的暂太过程很快就会结束， 因此保护的灵敏性不受励磁绕组对地电容的影响。 3)桥式一点接地保护 电桥式一点接地保护中采用惠斯通电桥原理来动态地准确地测量转子绕组与 大轴之间的对地电容以及电阻(rc测量桥)以判断转子回路对大轴地的漏电流，从 而确认发电机转子回路接地的严重程度。惠斯通原理的发电机转子接保护需要在保 护投运前确保电容匹配使惠斯电桥达到平衡以防保护的误动，电容部分通过动态调 平衡来使发电机转子接地系统容抗与转子接地保护匹配电容等值。如果只考虑发电 机接地系统容抗不匹配对接地系统的影响，即导致电桥不平衡，而发电机转子接地 系统对地阻抗无穷大(相对来说),为此有一个前提条件必须首先要确认即发电机转 子回路对地电阻为无穷大。 1.4 同步发电机转子绕组接地短路故障类型与引起原因 1.4.1 接地故障的主要类型 转子绕组的接地故障是指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） ，或保持低电阻接触。 （1）按接地的程度分 按接地的程度分可分为金属性接地和非金属性接地。一般认为，绝缘电阻低于 2k为非金属性接地，而再低于500则为金属性接地。 （2）按转子绝缘故障性质分 按转子绝缘故障性质分，接地故障可分为稳定接地和不稳定接地两种。 （3）按引起因素分 1）转子绕组过热，绝缘受损坏 2）冷却器漏水 3）制造工艺粗糙形成的局部缺陷 4）老式结构的转子 （4）按接地可能的部位分 1）集电环接地 2）引线或导电杆接地 3）线圈在槽内接地 4）线圈在槽口接地 5）线圈在端部接地 华北电力大学硕士学位论文 5 1.4.2 转子绕组接地的原因 转子绕组由于主绝缘损坏导致接地的原因是多种多样的，但从转子接地故障统 计资料来看，主要有以下几个方面： （1）制造质量不良 （2）检修质量不高 （3）遗留导电金属车削或渣粒等杂物 （4）氢气湿度过大 1.4.3 转子接地故障的测试方法 转子回路发生接地故障时，应首先对转子绕组外部连接回路进行检查，依次排 除外部回路接地的可能性以后，再检查转子绕组本身的接地故障部位。 检查转子绕组接地点的测试方法，可根据稳定接地和不稳定接地两种情况分别 进行。 当励磁回路发生一点稳定接地时，首先应将励磁回路分段检查，测量转子绕组 以外的励磁回路是否接地。当判定接地点在转子绕组时，可先用万用表测量其接地 电阻值，若接地电阻较高（大于50欧）时，可采用灯泡烧成接地电阻低于50欧，用 工频电流将接地点烧穿，使接地电阻降至50欧以下，当测得接地电阻为50欧以下的 稳定接地时，可用如下方法查找： (1)直流压降法（电压表法） 在转子绕组两端集电环上施加直流电压，用电压表测量正负集电环间电压u， 正集电环对地电压 1 u，及负集电环对地电压 2 u，计算接地点的接地电阻值为 ) 1( 21 + = uu u rr vg (1-1) 式中： u两集电环间电压(v)； 21 uu 正、负集电环的对地电压(v)； g r 接地点电阻()； v r 电压表内阻()。 (2)直流电阻法(直流电阻比较法) 在停机状态，可用双臂电桥测量转子绕组的直流电阻和正、负集电环对地的直 流电阻，然后通过计算转子绕组接地点的大致位置，测量结果如下1-2及1-3式所示。 由下图可知接地点距正集电环及负集电极的距离1 l 及2 l 各为 华北电力大学硕士学位论文 6 r1 r2 r3 c ab 图1-1 直流电阻法测量结果示意图 ab r r ll 1 1= (1-2) ab r r ll 2 2= (1-3) 式中，l均为转子绕组总长度。事实上， 21 r及r 数值很小，如rg稍大，由于测 量误差，其计算结果往往不易达到要求的准确度。这就需要在测量时将接线的接地 端连接牢固，先用万用表粗测电阻的大致数值，然后用电桥测量，再根据转子绕组 的结构图计算每套绕组长度及转子绕组总长度，最后算出接地点位置。 (3)直流大电流法 如果接地电阻为几欧以下的稳定接地时，可用大电流查找。 对于查找不稳定接地点的测试，因不稳定接地的状况不同，可采用不同的方法 将不稳定接地变成稳定接地后，再用查找稳定接地点的方法进行测试。 a 转子绕组的接地仅与转速或温度有关 对于转子绕组随温度而变化的不稳定接地，可将其绕组通入较大的直流电，使 其受热膨胀至接地状态时，采用直流压降法测量，然后，再采用查找稳定接地点的 方法进行测试。 b.转子绕组的接地与转速和温度有关 对于转子绕组随转速和温度而变化的不稳定接地，可将转子绕组在转动下加 热，并用直流压降法测量其接地电阻。在发生接地的转速和温度下，加交流电烧成 稳定接地再进行测量。 华北电力大学硕士学位论文 7 第 2 章 励磁绕组接地保护原理分析 励磁绕组接地故障是一种常见的发电机故障形式，现在广泛采用以励磁电压为 参量的乒乓切换式保护对其进行检测，但是，传统的乒乓切换式保护在发电机处于 空转和停机状态时，由于励磁电压很小或等于0，该种保护无法检测到励磁绕组接 地故障。对于这个问题本文提出了改进的方案，以解决这个难题。 同时，由于注入式转子接地保护通过在发电机转子回路与大地之间外加一个信 号电源，这种保护原理也可完美的解决励磁电压很小或为零时带来的问题，而在转 子接地保护中得到广泛的应用。 2.1 乒乓切换式转子接地保护的原理分析 转子接地保护原理可分为非注入式和注入式两大类。前者依靠励磁绕组本身电 气量构成保护判据；后者需将外加辅助电源注入转子绕组，采集相关电气量构成保 护判据。目前普遍采用切换采样式(乒乓式)原理、注入直流电压原理、注入交流电 压原理和注入方波电源原理。 rf rc + - k arl(1-a)rl rr i1 i2 s1 s2 e 图 2-1 乒乓式励磁绕组一点接地保护原理图 上图中21 ss、 为电子联动开关， 在保护工作过程中，1 s 和2 s 不停的轮 流 断开和闭合； 1 d和 2 d为反向二极管，对 21 ss 、 起保护作用。 f r 为接地电阻；设 励磁回路的直流电动势为 e，在转子绕组的 k 点经过渡电阻f r 接地；为励磁绕 组接地故障点到正极性端的百分比，01； r为高电阻，c r 为取样电阻，1 i 和2 i 为流经 f r 的各回路电流。由于l r 的阻值远小于r和c r ，因此可将图 1 所 华北电力大学硕士学位论文 8 示的电路简化为一个含有内电动势的电路。针对电子开关相邻的两次切换过程列写 回路方程可得 = + + = + 1 )(1 21 1 )( er u rr kuu re r c rrr c c f cf (2-1) 式中： 2 1 e e k = ；1 e ,2 e 和 21 ,uu 分别为电子开关在不同状态时的励磁电动 势和 rc两端的测量电压。 图 1-1 所示保护方式的保护判据为： seff rr . (2-23) 上式中：%为接地位置变化量的阀值。 2.辅助判据 保护在采用内置注入方波电源的原理下，在正常的状况下两种状态下的方波电 压差基本保持在一个稳定值下，如果在测量过程中发现电压差值明显偏离正常的差 值时，必须即刻闭锁转子接地保护，对于注入电源发生异常这一情况也要及时的反 馈。 szdnewsoldss uuuu= | (2-24) 上式中： olds u 和 news u 分别是前一周期和本周期下的方波的电压差值; szd u为电压差变化量允许的门槛值。 发电机励磁系统在机组正常或非正常运行过程中会出现各种过电压，如发电机 励磁在强励的时候，励磁电压将会迅速变大，其波动也会比较明显，这样将会直接 导致转子接地电阻测量误差的增大，为此，可以对方波两种状态下的电压差值做一 个监测，如果其差值波动大于定值，则应当闭锁转子接地保护。 urzduuu rrr =| 21 (2-25) 上式中： r u为转子电压变化量；urzd为转子电压波动允许的门槛值。 2.3 1000mw 大型发电机组给保护带来的技术难题与应对办法 1000mw级机组造价高、转子额定电压通常比较高，对转子接地保护提出了更 高的要求。对于大型及特大型机组，存在一些技术难点影响转子接地保护的应用： 大型发电机转子绕组本体与大轴（地）之间存在着等效的分布电容，且分布电 容较大。部分进口特大型机组其转子绕组等效对地电容有时甚至高达20 f，另外， 为了降低发电机组的轴电压，以消除或减轻轴电压、轴电流对轴瓦的损坏，一些发 电机组在励磁系统中安装了电阻和电容构成的轴电压吸收回路，如图2-6所示。 图2-6 发电机励磁系统当中的轴电压吸收回路 华北电力大学硕士学位论文 15 在电容充放电的过程中会有暂态过程发生，为此，为了保证接地电阻的计算精 度，所以一般在乒乓切换式接地保护中要等暂态过程结束后两端的电压达到稳态再 进行测量，一般电子开关切换周期会选为12s。同时由于在实际中e是不断改变的， 而在乒乓切换式接地保护原理中假设的是e保持恒定， 为了保证一个周期内e保持恒 定的条件仍然成立，切换周期亦不宜过长。为此，周期选为12s为工程要求的值。 对于注入式转子接地保护而言,如方波固定于某一频率，则会导致如下后果：方波频 率过高则不能躲过电容充放电过程 所采集的数据为暂态数据， 计算结果完全错误： 如方波频率固定按躲过各种机组最大电容充放电周期设定则直接导致保护固有延 时过长，对机组安全不利。现有的技术是采用了自适应有源切换技术，注入电源的 频率可自适应调整，适应现场转子绕组不同对地电容的大小，使接地电阻和接地位 置的测量不受转子绕组对地电容的影响。 超超临界机组可能采用静态励磁系统或旋转励磁系统。对于旋转励磁系统，可 能无法同时引出转子绕组两端，如果对于传统的乒乓式转子接地保护原理，而对于 注入直流电压乒乓式转子接地保护原理却只需引出一端即能提供绝缘检测，也具有 适用性。同样对于注入式转子接地保护来说由于其有单端注入式，所以在该种情况 下采用单端注入式原理即可。 此外， 励磁回路过电压问题， 由于大型和特大型发电机额定励磁电压普遍较高， 接近500v 甚至超过500v，如果发电机短时强励，则电压将会更高，该问题也将会 显得更为突出。转子二次回路与转子绕组之间没有电气上的隔离，致使二次回路将 随时有可能承受过电压，这于保护不利。转子励磁回路上会出现各种过电压，主要 有这么几种： 1) 可控硅整流桥的换相过电压 2) 定子侧或转子侧断路器通断的操作过电压 3) 三相不对称或非全相运行时的过电压 4) 发电机异步运行时的滑差过电压 5) 定子侧接地故障或雷击，经励磁变耦合的传递过电压 对于励磁过电压的问题，建议从如下几个方面做出努力： 1)对可能出现的各种励磁过电压情况予以充分的考虑，在设计时对抑制过电压 的措施多予以考虑 2)对转子接地保护二次回路的设计予以加强，如对与励磁绕组相连的二次电缆 等器件的绝缘强度达到试验过电压的要求 3)转子一点接地保护如采用独立的注入式转子接地保护装置，其保护安装在励 磁系统屏柜内，大大缩短“直接”与转子绕组连接的二次回路高压电缆，既减少成 本，又提高可靠性。 华北电力大学硕士学位论文 16 2.4 超超临界机组转子接地保护双重化配置方案 超临界机组对定子和转子对地绝缘检测的要求更加苛刻,宜采用不受机组运行 工况影响的转子绝缘检测，如注入式转子接地保护，转子接地保护宜就地安装在励 磁系统室。就地安装的转子接地保护应采用双重化配置,采用2个独立的保护装置。 为了避免2套转子接地保护之间相互影响,正常运行时只投一套,另一套作为冷备用。 对于可同时引出转子绕组两端的机组，双套配置的转子接地保护宜采用不同原 理，一套采用注入式转子接地保护原理,另一套采用乒乓式转子接地保护原理，2种 不同原理之间可以相互验证，正常运行时只投入其中1 套。当投入运行的转子接地 保护动作报警时，可切换到另一套保护，验证第一套保护的动作行为,提高绝缘检测 的可信度。 同时，对于转子绕组只能引出一端的机组，即可以采用单端注入式转子接地保 护原理，也可以采用加直流注入电源的乒乓切换式转子接地保护，两套保护互为印 证，提高绝缘检测的可信度。 另外，须注意转子一点接地保护投入运行后会影响转子回路对地的绝缘阻值， 所以如果采用如上所述的双重化配置时，应该注意一点即只能投入一套运行，另一 套即作为冷备用，同时建议转子两点接地保护不采用自动投入方式。 华北电力大学硕士学位论文 17 第 3 章 基于乒乓切换式的转子接地保护的 matlab 仿真 分析 励磁绕组用4 段 型等效电路来表示，采用三峡左岸电厂alstom 机组参 数：额定电压为475.9 v，空载电压为191.8v，电阻re=0.1029 ，电感le=1.58mh， 对地电阻ry=5 m，对地电容cy=1.264f。开关s1、s2的切换周期为1s，泄漏电流 为10a。阻容吸收回路参数为rs=20，cs=0.1f其余参数为：re1=0.25re， le1=0.25le，re2=0.15 re，le2=0.15le，re3=0.10 re，le3=0.10 le；ry1=8 ry， cy1=cy/8，ry2=4ry，cy2=cy/4；r=20 k，rc=0.4k；zs为励磁系统内阻，阻值很 小。假设在0s发生一点接地故障，接地电阻为rf1，故障点位置=0.4；在t1时刻发 生第二点接地故障(由开关kr控制)，接地电阻为rf2，两故障点之间的距离=0.35。 3.1 一点接地故障试验 在一点接地时，开关kr处于断开状态。机组采用三峡左岸电厂alstom机组 （700mw）的绕组参数. （1） 设置e=475.9v，改变rf1的大小，检测保护的灵敏度和精度，结果如下表 3-1所示。 表3-1 一点接地仿真试验结果 rf1 序号 实际值/k 计算值/k 误差/% 计算值 误差/% 1 0.2 0.199 0.3 0.401 0.25 2 2 1.998 0.5 0.401 0.25 3 20 19.922 0.39 0.407 1.75 4 50 49.505 0.99 0.417 4.25 5 100 98.013 1.99 0.433 8.25 从表3-1中可知，随着1f r 的增加，测量值和实际值之间的偏差有所增大，由与 该机做1f r 的整定值为20k 动作于告警，而在表中所测值略低于该值，故可知满 足灵敏度要求， 能够可靠准确的告警,同时， 随着过渡电阻1f r 的增大， 故障点位置 的偏差亦增大。因此，可以得出一个结论，在发生接地故障后，保护装置为得 到可靠数据， 须保持连续2-3次计算的rf1和值基本不变， 且满足式 （2-5） 式 （2-6） 才能确认转子发生接地故障。当rf150k时，接地电阻的测量偏差小于500，可 满足行业要求。 华北电力大学硕士学位论文 18 （2） 设置1f r =20k，改变e的数值，数据变化如下表3-2所示。 表3-2 一点接地保护励磁电动势仿真试验结果 序号 e/v 1f r计算值/k 计算值 1 475.9 19.92 0.4001 2 191.8 19.91 0.3999 3 0 19.92 - 从上表中可以看出无论绕组工作在何种状态下，该保护方案均能测量出接地电 阻，全方位的保护绕组，同时也验证了在灵敏度分析中得出的结论，即当认为励磁 电动势e恒定时，1f r 与e和故障点位置无关，即使e=0，保护仍然可以准确测量出 接地阻抗数值，且其灵敏度不受e波动和影响。当然在实际运行中，保护灵敏度 还要受以下因素影响： 1)直流电压测量电路的精度限制，包括直流测量芯片的最大线性度、ad转换芯 片精度等； 2)保护电路元件因素，包括注入电压大小、电子开关的正向压降和处于截止状 态的泄漏 电流等； 3)其他因素，包括发电机励磁系统中的谐波电压分量等。这些因素在仿真中没 有予以很好的考虑，故而仿真结果会有点近乎理论，这点是该仿真的不足之处。 3.2 两点接地故障仿真试验 （1）设置e=475.9v，rf1=20k，改变rf2的大小，结果如下表3-3所示。 表3-3 两点接地保护灵敏度和精度试验结果 2f r 序号 实际值/k 计算值/k误差/% 计算值 计算值 1 0.2 0.1993 0.35 0.318 0.343 2 2 1.9998 0.01 0.312 0.343 3 20 19.938 0.31 0.172 0.343 4 100 98.22 1.78 0.051 0.345 从上表3-3中，当2f r 值变大时，的计算值保持稳定， 和 2f r的计算值和实际 值相差不大。为此两点接地保护推荐采用电阻判据(式2-12)，以确保保护准确动作。 （2）设置1f r =20k，2f r =2k，改变e的数值，结果如下表3-4 表3-4 两点接地保护励磁电动势变化试验结果 序号 e/v r2f计算值/k 计算值 1 475.9 1.9998 0.343 2 191.8 2.0 0.343 3 0 1.999 - 华北电力大学硕士学位论文 19 由表二表四可知，当e发生变化后，接地电阻和故障位置的数值保持稳定(e=0 除外)，验证了式(2-14)的分析。 3.3 对 r 和 rc 的阻值的仿真探讨 下图中：横轴为t/s，纵轴为 rc u/v (a)r=1m rc=20k (b)r=200k rc=4k (c)r=50k rc=1k (d)r=10k rc=200 由上面四张仿真图可以看出，在r和rc的阻值越小的时候，励磁绕组对地电容 充放电引起暂态现象越为明显。但是，同时我们也可以看出电阻值越小的情况下， 暂态过程持续的时间也变的越短，所以在暂态过程结束后再对电压进行测量的话， 这样就可以大幅度的降低励磁绕组对地电容所引起的暂态过程对测量结果的影响。 所以开关s1和s2的切换周期不可能取得很短(为躲过暂态过程对测量的影响)， 对于d 图来说，切换周期就最好不要小于0.4s，这样取样电阻两端的电压就可以保证是在 稳态后进行测量的。从中我们可以得知，电阻值较小的时候测量的精度会比较高， 只是实际中又要考虑到励磁绕组对地绝缘的问题， 所以r和rc的阻值不能定的太低， 所以在实际应用中建议采用折中的电阻值， 建议r取20k50k， rc为(1/201/100)r, 切换周期按工程的要求一般要求选为1s2s。 华北电力大学硕士学位论文 20 第 4 章 转子绕组匝间短路故障保护探索 转子绕组匝间短路故障是转子绕组接地故障的早期故障，现在发电机保护中还 没设置，但非常迫切，因此非常有必要对它进行研究，尤其对于百万机组。 4.1 发电机转子绕组匝间短路故障电磁特性分析 4.1.1 转子绕组匝间短路主磁场分析 发电机正常运行时，如果不考虑开槽造成的磁势不连续，转子磁动势在空间的 分布会接近于梯形波。转子绕组匝间短路故障发生后，由于有效安匝数减少，使磁 势发生局部损失，从而使短路磁极磁动势峰值和平均值减少，为了满足气隙合成磁 通的条件，励磁电流会增大。励磁磁场的畸变，可以用一个简单的模型来表示，将 匝间短路当作去磁作用，它反向作用于主磁场的磁势上，采用叠加原理，就可以求 出合成磁势的大小，忽略主磁通回路的饱和，磁势的变化将趋向于线性变化。用矢 量表示为： 0 f=f d f 合成 ( 0 f：正常条件下转子绕组磁势， d f：短路线匝产生的磁势， f合成：匝间短路合成磁势) 40。 短路匝绕组产生的反向磁场 d f为： () (2) 2 2 f r dr f i n f i n + = 其他 式中： r 为转子的机械角度； f i为励磁电流；n为同一槽中短路绕组匝数, 设 ()0,为短路匝绕组所在槽的两槽间机械角度，为短路匝绕组入槽位置角， 将() dr f进行傅立叶展开为： ()()() 0 1 cossin drnrnr n faanbn = =+ 其中： 华北电力大学硕士学位论文 21 () ()() ()()()() ()() ()()()() 2 0 0 2 0 2 0 1 0 2 sinsin 1 cos coscos 1 cos drr ndrrr ndrrr afd innn afnd n innn bfnd n = + = + = 当() 2 1,2. k k n =时， n a和 n b都为0，否则 n a和 n b不同时为0，即气隙主磁场出 现各次谐波41。 4.1.2 发电机转子匝间短路时励磁电流谐波分析 在谐波磁场的作用下定子每相并联分支感应电动势出现差异，产生以 2 次谐波 为主的偶次谐波环流，设定子并联支路流过的电流次数为(=2，4，6)，其对 应的空间磁势次数为，定子基波电流的角频率为。假定空间坐标轴线和1a相轴 线重合且1a相绕组流过的基波电流幅值最大时为初始时刻，则每相磁势的表达式 为： 1 coscos a fft = (4-1) ()() 2 coscos a fft = (4-2) 单相磁势均为脉振磁势，其磁势幅值为： 2 2 wv nk fi p = (4-3) 式中：i是次谐波电流的有效值，p是电机极对数，n是每相串联的匝数。 假定每极每相槽数是q，槽距角是 1 ，绕组短距比是y，极距是，所以绕组 系数为表达式为： 1 1 sin 2 sin 2 sin 2 q y k q = (4-4) 把4-1式按三角函数公式进行分解，可写成： 1 coscos 11 cos()cos() 22 a fft tt = =+ (4-5) 即1a相磁势分解为两个幅值相等、转速大小相同、转向相反的旋转磁势。 对2a相进行相同变换，同1a相叠加可以推出合成磁势。因每个单相脉振磁势 已被分解为转向相反的两个磁势，所以叠加时，转向相同的磁势分别相加，可以得 华北电力大学硕士学位论文 22 到合成磁势的表达式为： ()() () ()() () 12 1 coscos 2 1 coscos 2 aaa fff ftt ftt =+= + + (4-6) 由于为偶数，所以奇数时，合成磁势为 0，所以也为偶数，从而上式可化 简为： ()()coscos a fftft =+ (4-7) 从上式可以看出，环流产生的谐波磁场，包括正转和反转两个分量。当 ()()/0,1,2m m=时，正转分量相对于定子的速度为 / ，相对于转子的速 度为( )/ ，可以在转子绕组中感应出m次谐波电流。当( )/n+= ()2,3n =时，反转分量相对于定子的速度为/ ，相对于转子的速度为 ()/ + ，可以在转子绕组中感应出n次谐波电流。 4.2 仿真分析 4.2.1 sdf-9 发电机总体结构 2003年委托华中师范大学机电厂制造，由一直流电动机拖动，总体结构如附图 1所示，定转子槽示意图如附图4-1所示： sdf-9 发电机主要参数： (1) 容量及主要尺寸 额定功率：6kw 额定容量：7.5kva 额定电压：400v 功率因数：0.8 额定转速：3000r/min 图4-1 sdf-9型故障模拟发电机 图4-2 sdf-9发电机定、转子槽示意图 华北电力大学硕士学位论文 23 极对数：1 相数： 3 极距：251 mm.2= (2)转子励磁绕组每极转子虚槽数： 8= a d 每极转子实槽数：6= b d 定子铁芯外径： 1 mm270d = 定子铁芯内径： 2 mm160d = 气隙： mm0.8= 定子铁芯总长度：m0 m10 t l = 定子铁芯净长度： 1 m2 m9 t l = 转子铁芯总长度：m0 m10 m l = 转子铁芯净长度： 1 m5 m9 m l= 铁芯计算长度： 101m6m. i l = 导线直径： 20. 1 0 = f d 转子每槽导线根数：160= sr n 励磁绕组每极匝数：480= f w 励磁绕组电阻： =46. 9 75f r 励磁绕组电阻：=8 . 7 20f r 励磁绕组电阻：=7 .10 115f r 转子绕组(抽头位置)：3%、6%、15%，如附图4-4的 432 ,lll。 (3)定子绕组 定子槽数：24 1 =z 每极每相槽数：4=q 绕组节距：83. 0,10=y 绕组短距系数： 966. 0= p k 绕组分布系数： 958. 0= d k 并联支路数： 2=a 每槽导线数： 25= s n 每相串联导线数：n=100 导线直径： 20. 1= c d 图4-3 定转子绕组及抽头 华北电力大学硕士学位论文 24 图4-4 a)为a相绕组展开图，附图4-4 b)为定子a相绕组并联支路的连接图定 子绕组抽头：在a相两条支路的3%、8%、15%，在b相第一条支路的2%、6%、 12.5%共有9个抽头，如图4的 131211232221131211 ,bbbaaaaaa。 a) 绕组展开图 b)连接图 图4-4 定子绕组并联支路 zf e zf r f i fk i fkl i fkl r 图4-5 转子绕组匝间短路故障时的转子回路示意图 如图4-5是转子绕组匝间短路故障时的转子回路示意图可以看出，转子绕组匝 间短路故障发生后， 转子回路数变为2， 分为正常转子回路和故障附加回路， 图中 zf e 为励磁电源电压， zf r为励磁内电阻。 在建立多回路数学模型时，先计算出与每个转子绕组回路有关的电感，再根据 正常转子回路和故障附加回路的联接情况，把相关电感叠加计算出与转子回路有关 的电感；当故障在极绕组内时,将短路部分看作1个极绕组、其串联匝数等于短路匝 数；当转子绕组不同回路发生匝间短路故障时，它和定子线圈间的互感也不一样， 华北电力大学硕士学位论文 25 建立模型时需要根据实际情况来考虑43。 基于多回路理论建立了隐极发电机转子绕组匝间短路故障时的数学模型，对华 北电力大学sdf-9型故障模拟机组发生转子绕组匝间短路故障时的励磁电流进行 了仿真计算。 分别对转子绕组3%、6%、12%、15%短路状态下励磁电流大小进行频谱分析， 如图4-6所示，其幅值大小如表4-1所示。 050100150200250300350400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 频率/hz 电 流 幅 值 /a 050100150200250300350400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 频率/hz 电 流 幅 值 /a a) 转子绕组3%短路时励磁电流谐波 b) 转子绕组6%短路时励磁电流谐波 050100150200250300350400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 频率/hz 电 流 幅 值 /a 050100150200250300350400 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 频率/hz 电 流 幅 值 /a c) 转子绕组12%短路时励磁电流谐波 d) 转子绕组15%短路时励磁电流谐波 图4-6 励磁电流频谱分析图 表4-1 励磁电流各次谐波幅值 短路百分比 1次谐波(a) 2次谐波(a) 3次谐波(a) 4次谐波(a) 3% 0.193 0.015 0.011 0.009 6% 0.369 0.029 0.019 0.017 12% 0.446 0.037 0.024 0.022 15% 0.495 0.043 0.028 0.024 可以看出，转子绕组匝间短路故障后，励磁电流出现整数次谐波分量，并且随 着故障严重程度的加剧，各次谐波分量的大小也会增加。 从仿真结果可以看出，励磁电流中会出现整数次谐波分量，不仅包括偶数次谐 波，还包括奇数次谐波，其大小也随故障的严重程度而增加。 华北电力大学硕士学位论文 26 4.3 实验分析和验证 为了验证以上理论分析的正确性， 使用华北电力大学sdf-9型故障模拟实验机 组进行转子绕组匝间短路故障的实验，通过实验获取故障电气量，实验测得带负载 情况下转子绕组不同匝数短路故障的励磁电流。 本文针对sdf-9型故障模拟实验机组进行转子绕组匝间短路实验，sdf-9型故障 模拟实验机组参数见附录，每极下的励磁绕组由3个线圈串联而成，每个线圈的串 联匝数都是160，全部2个极下的绕组都串联起来构成整个励磁绕组、其串联总匝数 为960。转子绕组除了首、末端的两个抽头以外，还在内部引出了3个抽头，第一个 抽头匝数为29匝， 第二个抽头匝数为144匝， 第三个抽头为902匝， 可以模拟3%，6%， 12%和15%四种情