（电力系统及其自动化专业论文）发电机注入式转子接地保护的研究.pdf

声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文发电机注入式转子接地保护的研究， 是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毖 日期： 日j3 j 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：蕉 日期：墅亟：! ：丝 导师签名： 彩气 日期：翌翌：垒：店 华北电力大学硕士学位论文 第一章引言 1 1 课题的背景和意义 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。发电机励磁回路一点接地故障是常见的故障形式之一。励磁回路一点接地并 不对发电机造成危害，但如相继发生第二点接地故障则将严重威胁发电机的安全【l 2 3 】。当发生两点接地故障时，流过故障点的电流会烧伤转子本体。由于部分绕组 被短接，励磁绕组中会因电流增加而烧伤，使气隙磁通失去平衡，引起振动，对于 多极电机，甚至会造成灾难性后果。此外，汽轮发电机励磁回路两点接地还可能使 轴系和汽机磁化【4 】。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；对于没有1 0 0 的两点接地保护水轮发电机一点接地保护也作用 于跳闸【5 】。因此，性能可靠，灵敏度高的励磁回路一点接地保护可以防止事故进一 步扩大，使发电机免遭故障损害。从安全生产角度出发，必须安装转子一点接地对 发电机进行保护。 转子一点接地保护根据原理不同可分为非注入式和注入式保护两大类，目前在 现场应用最多的是非注入式保护。此类保护最大的一个不足之处是只能在发电机处 于正常运行时工作，在启停机阶段当转子发生接地故障时保护无法正确动作。而注 入式保护可以很好的弥补此类不足，它不论发电机正常运行还是启停机都能检测转 子的对地绝缘情况。本课题主要研究的方波注入式保护是注入式保护中较前沿的类 型，它同其他注入式保护相比具有硬件结构简单、灵敏度不受接地位置变化影响等 优点。可以说它代表着注入式保护今后的发展方向。随着注入式保护在大容量机组 中的逐渐广泛应用，必将提高转子一点接地保护动作的准确性和可靠性。 1 2 发电机转子接地保护的研究现状 在发电机转子单相接地保护方面，目前的保护方案主要有电桥式一点接地保 护、切换采样式一点接地保护、叠加交流电压式一点接地保护、叠加直流电压式一 点接地保护、叠加方波电压式一点接地保护。其中电桥式和切换采样式一点接地保 护属于非注入式保护，叠加交流电压式、叠加直流电压式和叠加方波电压式一点接 地保护属于注入式保护。在非注入式保护中应用最多的是切换采样式一点接地保 护，它在许多发电厂的机组中使用，实际运行效果不错，是应用最广泛的发电机转 子一点接地保护之一，目前国内外大部分的继电保护设备生产厂商也都在生产此类 产品。但是切换采样式一点接地保护的最大不足之处在于它属于利用发电机本身信 号的保护方案，在发电机停机时不能为发电机提供有效的保护。在发电机注入式接 1 华北电力大学硕十学位论文 地保护领域中，最具影响力的是a b b 和西门子两家公司。国内的南瑞、南自、阿 继和许继也有部分产品，但市场占有份额很小。a b b 的产品中注入式保护装置有 r e g 2 1 6 和r e g 3 1 6 两种产品【】。与r e g 2 1 6 和r e g 3 1 6 配套的辅助单元有信号电 源r e x 0 1 0 和注入变压器r e x 0 1 1 t 9 1 。西门子的产品有7 u m 5 1 5 型注入式保护装景 【1 0 1 ，与之配套使用的附件有定子接地保护g w 2 0 型，转子接地保护采用7 x t 7 0 0 0 或7 x t 7 1 0 0 控制单元和7 x r 6 0 0 2 或7 x r 6 0 0 4 耦合单元。西门子的转子注入式保护 采用0 5 4 h z 交流方波，由控制单元产生。此类产品国产化程度很低，需要国内的 研究机构和生产厂家进一步消化此类技术，早日生产出成套的国产发电机注入式保 护设备。 1 2 1 电桥式接地保护 利用电桥原理构成的一点接地保护，其原理图如图1 - 1 所示。 ( a ) ( b ) 豳1 - 1电桥式一点接地保护原理图 ( a ) 正常情况下；( b ) 经过渡电阻一点接地 这种原理的保护是把转子对地绝缘的分布电阻看作接于励磁绕组中点与地之 间的一个集中电阻k 。励磁绕组电阻、外接电阻r l 和r 2 、对地绝缘电阻r g 、继电 器j 构成一个平衡电桥。当励磁绕组上某一点发生接地时，电桥失去平衡。当流过 继电器的电流大于继电器的动作电流时，继电器动作。 此类保护装置接线简单，当在转子的正端或者负端发生接地故障时灵敏度很 高，但是在转子绕组的中点附近发生接地故障时，即使发生金属性接地，由于电桥 仍然保持平衡，所以继电器不会动作。因此对于大型机组来说，电桥式一点接地保 护不够完善。在大型机组中，此种原理的转子一点接地保护很少被采用。 1 2 2 切换采样式接地保护 切换采样式一点接地保护又叫“乒乓”式一点接地保护，是9 0 年代初由合肥工 业大学与南京电力自动化设备总厂联合研制成功的1 2 。它是针对电桥式保护在中点 接地时存在死区的缺点，提出的一种变电桥的思想。它通过切换开关的切换，改变 电桥两臂电阻值的大小，使电桥没有一个固定的平衡点，从而使保护没有死区。 2 华北电力大学硕十学位论文 利用切换采样原理构成的一点接地保护，其原理图如图1 2 所示。 lt 圈1 - 2 切换采样式一点接地保护原理图 图中s l 、s 2 为2 个电子开关，由微机控制电子开关的通断切换；r g 为接地电 阻；k 为转子绕组接地点的位置，在距负端k 发生接地。当s 1 闭合，s 2 打开时为 状态1 ，r 1 两端压降为u ；s i 打开，s 2 闭合时为状态2 ，r l 两端压降为u ；设励 磁回路直流电动势为e ( 考虑切换过程中转子励磁电压的变化，新的电动势以e 表示) 。 在状态1 ( s l 闭合，s 2 断开) 下，可列出： c r + 蜀+ r s ) 1 1 一o + r 。) ，：= k e ( 1 - 1 ) 一 。+ r 。) ，。+ ( 2 r + r 。+ b 也= ( 1 一| 归 u = r ( ，t j ：) 在状态2 ( s 1 断升，s 2 刚合) r ，h j 夕u 出o ( 2 r + 置+ r 。) ，：一c r l + r 。也= k e 一瓴+ b 订+ 忸+ 蜀+ 心也= ( 1 一k ) z u 7 = r 。一脚 联解公式( 1 - 1 ) ( 1 - 6 ) 可得： 耻丽e e r t 母警 七= 硒而e u 西+ 三 ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 - 4 ) ( 1 5 ) ( 1 - 6 ) ( 1 - 7 ) ( 1 - 8 ) 华北电力大学硕士学位论文 在实测采样取得e 、e 、u 、u 后，就可求得过渡电阻r 。的大小，并确定故障 点位置k 。这种原理的一点接地保护，由于测量的是稳态电流，所以与转子回路对 地电容的大小无关，也与电感无关，因此可以获得很高的灵敏度，但是此时灵敏度 胄。受励磁电压大小的影响。 若不考虑励磁电压的变化，设开关切换前后励磁回路直流电动势都为e 。则式 ( i - 7 ) 和式( i - 8 ) 可变为： & = 厕e r i r l 一等 ( 1 _ 9 ) 七2 j 阿u 一 ( 1 1 0 ) 再增加一种电路状态，在状态3 时s l 、s 2 都打开，r l 两端压降为u ”。此时可 列出： ( 2 r + r 。+ r 。p ? 一c 足。+ p ；= k e c r 。+ r 。) ，? + ( 2 r + r 。+ & ) ，；= ( 1 一k ) e u = r i 一巧) 联解公式( 1 - 1 1 ) ( 1 - 1 3 ) 可得： ( 1 1 1 ) ( 1 - 1 2 ) ( 1 - 1 3 ) e ：坚苎：堡墅：( 1 - 1 4 ) ( k 一) 足 由公式( i - 9 ) 、( i - 1 0 ) 、( 1 - 1 4 ) 可得： ( r l + 妄r ) u b2 而南( 1 - 1 5 ) 由公式( 1 - 1 5 ) 可知，在不考虑励磁电压变化并且增加了状态3 的情况下，其 灵敏度与励磁电压的大小无关，与故障点的位置无关。 切换采样式接地保护具有电路简单、测量方便、易于微机实现的优点。因此， 这种原理的保护在目前的数字式微机保护中应用相当普遍。需要注意的是，对于自 并励机组其励磁电压中含有较强谐波分量时，在采样回路中必须具备较强的滤除高 次谐波分量的硬件设计以及软件滤波措施。另外，由于采样电压是直流量，所以采 样回路的零漂对电压的计算值影响较大，并且将直接影响转子接地电阻的计算精 4 华北电力大学硕士学位论文 度，在硬件设计和软件算法中必须加以考虑。 1 2 3 叠加交流电压式接地保护 利用叠加交流电压原理构成的一点接地保护，其原理图如图1 3 所示。 圈1 - 3 叠加交流电压式一点接地保护原理图 这种简单的叠加交流电压式一点接地保护具有接线简单，没有死区，整个励磁 绕组上任一点接地的灵敏度基本相近的优点。但是对于大型机组，由于转子对地电 容很大，所以容抗很小，灵敏度会很低。为了能在大型机组上使用叠加交流原理的 接地保护，可以采用利用导纳继电器的叠加交流电压式一点接地保护【2 】。这种类型 的保护装置虽然也具有没有死区、灵敏度一致的优点，但是接线复杂，调试往往比 较困难。 1 2 4 叠加直流电压式接地保护 利用叠加直流电压原理构成的一点接地保护，其原理图如图1 4 所示。 图l - 4 叠加直流电压式一点接地保护原理图 此种保护将一直流电压u o 经继电器j 顺向加到转子的一端与地之间。当发生 接地故障时，流过继电器的电流大于继电器动作电流，保护启动。这种保护虽然没 有死区，但由于励磁电压的作用，在转子上不同点接地时，流过继电器的电流不同， 所以灵敏度相差很大。在绕组的负端( 注入端) 接地时灵敏度最低，正端接地时灵 敏度最高。应用这种类型的保护时，应按照负端接地时的最小灵敏度来整定装置。 1 2 5 叠加方波电压式接地保护 为了克服叠加正弦波交流电压式保护的弱点，德国西门子公司提出了叠加方波 华北电力大学硕十学位论文 电压式一点接地保护。 同叠加正弦交流电压的方法相比，叠加方波的方法可以得到较高的灵敏度，并 且仍有叠加交流电压方法的各种优点。还具有接线简单、调试容易、可靠性高的优 点。叠加方波电压式一点接地保护原理图如图1 5 所示 围l 一5 叠加方波电压式一点接地保护原理图 图中，方波电压u o 经耦合电容c 和电阻r m 加到励磁回路，在励磁绕组与地之 间通过对地电阻r g 和对地电容c 。构成回路。电阻r m 上的电压加到测量回路的输 入端，当对地电阻下降时，电阻r m 上的电压u m 波形畸变，利用u m 波形的这一 变化来反映励磁回路的一点接地故障 由于方波电压加于励磁绕组的两端，绕组磁势互相抵消，所以它的电感可以不 计，且使耦合电容c c 。；再令表示方波电源内阻，则可得到图1 - 6 所示的等效 电路。 r 0 r _ 图1 _ 6 叠加方波电压式一点接地保护原理图等效电路 根据基尔霍夫定律，可以列出如下方程： v o = i r r g + f ( r ，+ r ) 0 2 挚c d l _ i r r g i = i o + t 可得到电阻r m 上电压的表达式： ( 1 - 1 6 ) 华北电力大学硕+ 学位论文 砒) = 志( + 而g ge 刁 当t = o 时，可得到r m 上的电压为： 嘣o ) - 击“ 当t = x 2 时，到达方波的后沿，有： ( 1 1 8 ) 嘣f 2 ) 2 焘( 1 + i 赢r 矿) ( 1 - 1 9 ) 由此，可画出方波电压u o 、电阻r m 两端电压u m 的波形图，如图1 7 所示。 l 5 卜一 一 u m u u c o l 0 1 l _ 柙 i 5 陟一 图1 - 7 电压u o 和u m 的波形图 若r m 、r o 、f 、c g 诸参数都保持不变，只改变对地电阻r g 。当下降时，由 式( 1 - 1 7 ) 可知，电压u m 将随之上升，但是u m 的前沿u m ( 0 ) 的大小与r g 无关， 其值保持不变。电阻r m 两端电压u m 随接地电阻r g 变化的趋势如图l 一8 所示。 图1 - 8 不同r g 时u ”正半波的变化情况 可以看出，在不同对地电阻的情况下，“。的后沿电压4 m 2 ) 会变化。因此， 我们可以用测量甜。( f 2 ) 变化的方法来构成一点式接地保护。保护装置按躲过正常 7 华北电力大学硕十学位论文 情况下的“。2 ) 整定，- a “。( f 2 ) 大于整定值时保护动作。 1 2 6 小结 在非注入式和注入式的发电机转子接地保护中，具有代表性的分别是切换采样 式和叠加方波式保护。这两种保护代表了发电机转子接地保护的发展方向。非注入 式保护原理简单，因此它的判据容易推导，硬件电路易于实现。因为它不需要外加 电源，电路简单，所以这种类型的保护设备造价较低。此外，电路简单也提高了保 护装置的可靠性。这些都是非注入式保护所具有的优点。由于固定电桥式保护的局 限性，目前应用最多的是变电桥原理即切换采样式转子接地保护。 切换采样式保护目前原理成熟，判据可靠，其算法易于微机实现，只需通过切 换电阻就能得出方程，从而求解出转子接地电阻的大小和故障点的位置。它因此被 国内的保护设备制造厂商在微机保护中广泛采用，是目前应用最广的转子接地保护 之一。然而，这种保护在切换采样的过程中，需要微机控制电子开关频繁地开闭， 在长期的使用中对电子开关本身的质量和性能要求很高。在保护设备长时间的运行 中，测量电阻由于发热，阻值会发生变化，这将直接影响保护的测量精度。因此切 换采样式保护对测量电阻的阻值稳定性也提出很高要求。另外从电路可以看出，这 种变电桥原理的保护相当于人为将励磁绕组通过高电阻接地。在实际应用中，常常 将保护设备安装在中央控制室，通过长电缆与发电机转子绕组连接。一旦电缆发生 接地或保护设备内部回路发生短路，相当于转子一点接地，会造成保护的误动。这 种原理的保护是建立在发电机励磁电压存在，并且其大小要在一定的数值之上，否 则计算出来的电阻将是错误的。所以在发电机启停过程中，励磁电压较小时要闭锁 该保护功能。也就是说在发电机的启停机过程当中，转子接地保护将失去作用。这 也是非注入式保护最大的不足之处。 注入式保护最具实用价值的是叠加直流电压式保护和叠加方波电压式保护，它 们的一个最显著的优点就是不论发电机在静止状态还是运行状态都能正常发挥保 护的作用，而且灵敏度不受运行状态的影响，能最大限度地保护发电机的安全。但 是对于注入式保护的要求是注入电压不能影响发电机励磁系统的正常工作，因此注 入电压不能太高。注入式的保护设备也有二次连接电缆过长，当电缆接地时保护可 能误动作的弊端。 1 3本文的主要工作 注入式转子接地保护是北京四方公司的一个项目。本课题先从理论入手，搜集 国内外关于发电机注入式保护的文献，总结出各类注入式保护的特点。结合国内外 继电保护厂商的各类注入式保护设备的发展情况，确定研究的方向应为方波注入式 和直流注入式。通过理论分析推导出这两种注入方式的保护判据。西门子公司的 s 华北电力大学硕十学位论文 7 u m 5 1 5 系列发电机注入式保护设备是一种非常典型的方波注入式保护设备。本课 题参照它的转子接地保护附件7 x t 7 1 、7 x r 6 0 0 4 单元的硬件结构，经过优化改进， 提出国产化的发电机方波注入式转子接地保护设备的硬件设计方案。m a t l a b 中的 仿真组件s i m u l i n k 是功能极为强大的一种仿真工具。本课题用s i m u l i n k 搭建模型 做判据的仿真验证。在对方波注入式保护和直流注入式保护的软硬件都做了大量工 作，有充分的研究和分析数据的基础上总结出两种保护各自的优缺点和最适合的应 用场合。 配合四方公司项目组的成员开发出重点研究的方波注入式保护的样机，经过调 试和完善争取早日生产出能投放到市场的产品，丰富发电机转子接地保护设备种 类，提升国内继电保护制造界的实力。 9 华北电力大学硕士学位论文 第二章方波注入式转子接地保护装置 2 1西门子注入式保护装置概述 微机保护依托其处理器的强大运算能力可以计算非常复杂的判据，可以通过数 字滤波提取出计算判据需要的特征分量，使装置迅速可靠的动作。本章将主要介绍 可以应用于现场的发电机方波注入式转子接地保护。 由于西门子公司目前已经有此类保护的成熟产品，因此它的产品对本课题的研 究有着相当的借鉴作用。在西门子公司的产品中，7 u m 5 1 5 型保护装置具有转子一 点接地保护功能。其转子保护的接线方法如图2 - 1 所示。 图2 - 1西门子转子接地保护原理图 一4 一 l l o a - - 无穷 i 旷 f 匝虚接地，r o = s k ( b ) 图2 27 u m 5 1 5 电压波形图 ( a ) 注入电压波形( b ) 回采电压波形 1 0 华北电力大学硕士学位论文 其中，7 x r 6 0 0 4 为耦合单元，7 x t 7 1 为控制单元。u o 是由控制单元发出的+ 5 0 v 方波电压，如图2 - 2 所示，该电压注入发电机转子绕组，通过转子对地电容c 。和对 地电阻r 。及测量电阻r u 构成回路。注入的方波频率为o 5 4 h z ，具体值与电阻电 容时间常数有关。在转子绝缘良好的情况下，理论上可以认为如无穷大。注入电 压通过对地电容c 。返回控制单元，此时在r m 上得到的回采电压波形如图2 - 2 ( b ) 上 图所示。为了消除对地电容c 。的影响，在u m 达到稳态的情况下，即d u m d t = 0 时， 才计算正半波下的回采电压u m l 和负半波下的回采电压u m 2 。由图可知，此时 u r n = 0 ，u r n = 0 ，u m - u m 2 = 0 。当转子发生接地故障时，由于r 嘻的作用，使得电容 充电时间常数变化，稳态电压u m 也发生变化。此时在r m 上得到的回采电压波形 如图2 - 2 ( b ) 下图所示，正负半波下的稳态电压u m 和u m 2 幅值都变大，u m l _ u m 2 = k 。 因此可以看出l r 。o - ( u m i - u m 2 ) ，保护就是以此原理为判据计算接地电阻的。这种转 子接地保护既能很好地消除转子对地电容的影响，又能消除直流干扰电压的影响， 因此可以准确地对转子接地故障进行检测【1 0 1 3 1 。 2 2西门子保护装置各组件的基本工作原理 2 2 1 控制单元7 x t 7 1 控制单元7 x t 7 1 是整套保护装嚣中的核心部件，由该模块来产生o 5 4 h z 的方 波注入电压；并从其内部的采样电阻r m 上得到回采电压进而反映出回路的回采电 流，依靠注入电压和回采电流计算出转子的接地电阻值。7 x t 7 1 能否正常工作决定 着整套保护装置的可靠与稳定。 整套保护装置的接线图如图2 3 所示。 圈2 = 3 西门子转子接地保护装置接线图 7 x t 7 1 的工作电源由发电机机端电压互感器引入。该模块的交流工作电压有三 l l 华北电力大学硕十学位论文 个等级：a c l l 5 v 、a c l 2 5 v 和a c 2 3 0 v 。a c 2 3 0 v 和a c l l 5 v 接在同一端子上，而 a c l 2 5 v 接于另外端子。工作电压等级依靠电路板上一个开关来选择，当开关在“l ” 位时工作电压为a c l l 5 v 和a c l 2 5 v ，当开关在2 位时为a c 2 3 0 v 。模块产生方波 的频率由电路板上一个4 位拨码开关来选择，有0 5 h z 、1 0 h z 、1 5 h z 、2 0 h z 、2 5 h z 、 3 0 h z 、3 5 h z 、4 h z 几个频率等级。模块的功率为5 v a ，端子2 4 、2 6 间的注入电压 为士5 0 v ，端子1 5 、1 7 间电压变化的大概范围为0 士o 9 v ，端子1 9 、2 l 间的电压为 士9 v 左右。下面将从内部结构方面来分析7 x t 7 l 。 ( 1 ) 主电路 其主电路原理图如图2 - 4 所示，其中u o 的两端对应于图2 3 中7 x t 7 1 的2 6 、 2 7 端子，u m 。的两端对应于1 5 、1 7 端子，u c 。n t d 的两端对应于1 9 、2 1 端子。 u o u t p u t 图2 - 47 x t t l 主电路原理图 由图2 4 可知，发电机机端电压互感器引入的交流电压经整流电路b z 得到5 0 v 的直流电。v 1 、v 3 是p n p 型功率三极管，v 2 、v 4 是n p n 型功率三极管，它们和 电容c 构成一个逆变桥式电路。由触发电路控制四个三极管的基极，当v 1 、v 4 导 通时v 2 、v 3 截止，此时5 0v 直流电压加载电容c 两端，极性为左正右负，此时 注入电压u 0 1 l t 口。为“+ 5 0 v ”。当下一时刻，控制电路使v 2 、v 3 导通，v 1 、v 4 截止。 此时电容c 的极性为右正左负，电压同样为5 0v 。而注入电压u o i i t d l l t 变为“一5 0 v ”。 可见，通过控制桥式电路的四个三极管的导通可以得到方波注入式保护所必需的方 波电压。 ( 2 ) 触发电路 触发电路控制三极管v i 、v 2 、v 3 、v 4 的基极，决定它们哪个导通和什么时 间导通。触发电路由一片l m 5 5 5 时基电路作为触发源，拨码开关能改变l m 5 5 5 的 振荡频率是因为通过拨动拨码开关改变了接到5 5 5 定时器上的电阻，r c 时间常数 发生了变化，于是5 5 5 定时器振荡的频率被改变。5 5 5 定时器产生的方波脉冲经过 分频以后得到一个o 5 4 h z 的低频方波。低频方波进入触发器分相触发逆变桥的四 华北电力大学硕十学位论文 个功率三极管v 1 、v 2 、v 3 、v 4 ，使5 0 v 的直流逆变成注入回路需要i 勺a ：5 0 v 方波。 触发电路的工作框图如图2 - 5 所示 振荡 分频= = 0分相触发逆变桥 圈2 - 5 触发电路工作框图 ( 3 ) 采样电路 主电路的电压、电流参量都需要送入微机保护装置7 u m 5 1 5 进行保护判据的计 算，因此7 x t 7 1 有电压电流两路采样电路。由于注入电压为士5 0 v ，幅值较高，不 能被微机保护装置中的数据采集单元直接利用，所以需要把注入电压u o 。变为在 a d 元件采样电压范围内的小幅值电压u c 。仃1 ，送入微机保护装置7 u m 5 1 5 ，经a d 元件变换为数字量送入保护c p u 用于计算保护判据。电阻r m 是采样电阻，它两端 的电压反映注入回路电流的变化情况。u m 。就是经过变换以后的能反映回流电流 的电压量。对于微机保护装置7 u m 5 1 5 来讲，u c 。训经换算就是注入电压，u m 。 经过换算就是注入回路的回采电流。 如果采样电路同主回路有直接的电的联系，那么当某些元器件损坏后即有可能 把主回路的高压经过采样电路直接引入保护c p u 版。这是很危险的，可能会导致 c p u 的损坏甚至烧坏整个微机保护装置。所以出于安全考虑，外围的电路不能直接 引入微机保护装置进入c p u 板，必须要经过一套隔离电路。图2 - 4 中的两个调制 解调模块的作用就是隔离和变换。调制解调电路的工作框图如图2 - 6 所示 图2 - 6 采样电路工作框图 电路采用运放和反相器组成调制电路，把电压和电流的模拟信号调制成占空比 信号。回采电流的占空比信号和注入电压的占空比信号分别进入硪个隔离变压器。 隔离变压器依靠一次侧和二次侧的绝缘切断了主回路与保护c p u 之间直接的电的 联系，依靠磁路传递了占空比信号。占空比信号又从隔离变压器的二次侧进入同样 华北电力大学硕十学位论文 由运放和反相器组成的占空比解调电路中，被还原成模拟信号u c 。订l 和u m 。送入 保护微机保护装置7 u m 5 1 5 。 2 2 2 耦合单元7 x r 6 0 0 4 7 x r 6 0 0 4 是耦合单元，7 x t 7 1 产生的方波通过7 x r 6 0 0 4 注入到发电机的转子 中。7 x r 6 0 0 4 的电路原理图如图2 7 所示 7 x r 6 0 0 4 j 2 假n ia m i 2 一 圈2 77 x r 6 0 0 4 电路原理图 从实际硬件上看，7 x r 6 0 0 4 是一块表贴了许多电阻的p c b 板。每个电阻的大 小都为l k o ，3 个电阻并联起来为一组，6 0 组串联在一起构成图2 9 中的一个2 0 电阻。这样做的好处是无论其中的哪个电阻发生损坏，对整体2 0 k q 阻值构成的影 响微乎其微，完全不影响装置的正常工作。而如果采用单个的大功率2 0 k q 电阻的 话，电阻损坏后如果断路，则装置的注入回路被开断；如果发生短路，则注入回路 可能因为电阻急剧减小而使电流变得很大，从而损坏控制单元7 x t 7 1 。可见，采用 分散电阻的方式大大提高了装置的可靠性和安全性。 图2 7 中两个2 0 k q 电阻为一组，从装置中引出三个端子，主要是为了适应不 同励磁电压等级的发电机和无刷励磁式发电机。具体接线情况如下图。 1 4 华北电力大学硕十学位论文 陛一 恃 r m l _ 一 图2 - 8 励磁电压 8 5 0 vd c 围2 - 9 励磁电压 5 1 f f ! 时用相对误差。 2 7 华北电力大学硕士学位论文 由表上的数据可见，所推的接地电阻的计算公式可以满足作为保护判据的要 求。并且计算结果在接地电阻很小和很大时误差较大，介于中间时准确度很高，与 第二章所做的分析完全符合。从数据分析结果可见，在转子接地电容为4uf 时， 采用o 5 h z 频率仿真结果的误差要比采用1 5 h z 时的小；当转子接地电容为l | if 时，两种频率的误差相差不大。从仿真的结果也可以说明当转子对地电容较大时由 于电容充电时间常数大宜采用较低的注入频率，而当对地电容较小时，达到稳态所 需时间短，为了加快保护动作的时间可以采用稍微大一些的注入频率。因此，在实 际装置中如果c 。= 4 i tf 应采用0 5 h z 低频注入，如果c g = lt tf 可以采用1 5 h z 低频 甚至再稍微高一些的频率注入。 3 5西门子保护装置的判据 本节将由公式( 3 4 ) 所推出的接地电阻计算公式推导出西门子的实际保护装 置中不同接线方式下的接地电阻计算公式。公式( 3 - 4 ) 的形式为： ，1 咚= ( 了等一1 ) 月肼一r 一吉r ， ( 3 1 7 ) 西门子的实际保护装置在发电机励磁电压小于8 5 0 v 时的接线方式的等效电路 图如图3 1 0 所示。 圈3 - 1 0 励磁电压 8 5 0 vd c 的等效电路圈 由公式( 3 - 4 ) 可相应的推导出这种方式下的接地电阻的计算公式为： 纠鑫_ 1 ) 耻r 一( r , r ，_ 1 风 = ( 鑫_ 1 ) 驴耻j 1r 一三r 2 8 华北电力大学硕十学位论文 ：( 鸟一i ) r 一r 。一r ， 、u 一u 品 ” ( 3 1 8 ) 西门子的实际保护装置在发电机励磁电压小于1 2 0 0 v 时的接线方式的等效电 路图如图3 1 1 所示。 豳3 1 l 励磁电压 1 2 0 0 vd c 的等效电路图 可相应的推导出这种方式下的接地电阻的计算公式为 驴( 去- 1 ) 耻耻三【( r ，+ r a ( u 】 = ( 去- 1 ) 耻风一扣 ：( 粤一1 ) r ，一r 。一r ， 、u 一【，品 ”o ( 3 1 9 ) 西门子的实际保护装置在发电机是无刷励磁的接线方式下，等效电路图如图 3 1 2 所示。 华北电力大学硕十学位论文 围3 1 2 无刷励磁的等效电路图 可相应的推导出这种方式下的接地电阻的计算公式为： 且。= ( 西等一1 ) r m - r o - ( r , i ) 一( r r ，) = ( 盎- 1 ) 驴一j 1 妒丢r ：盘一i ) r 。一r o - r 、u m u k mv ( 3 2 0 ) 由此可见，在任何接线方式下接地电阻的计算公式是相同的，在以后的分析中 可以不考虑实际的注入式保护装置究竟是哪种接线方式。实际的保护装置只需要写 入一套保护判据程序，根据不同的发电机采取不同的外部接线方式即可。 然而此判据没有考虑发电机励磁电压变化的情况，这是由西门子保护装置本身 的硬件条件决定的。如果保护装置能从其它途径得到励磁电压变化的情况，当励磁 电压变化超过一定范围时转子接地保护应闭锁，几个周波以后励磁电压正常时再开 放保护。由于发电机发生转子一点接地故障在短时期内不会威胁到发电机的安全， 所以转子一点接地保护闭锁几个周波也是可以接受的。 3 6国产化装置硬件的测试结果 按照第二章的思想，四方公司依靠已有的乒乓式转子接地保护装置的c p u 插 件的硬件设计经验，设计出了能与西门予的7 x t 7 1 、7 x r 6 0 0 4 附件单元配合的方波 注入式保护c p u 插件。保护的判据程序按照前面推导出的接地电阻计算公式编写。 c p u 插件与西门子的附件配合，按照图2 8 中励磁电压小于8 5 0 v 的接法接线。各 种情况下的测试结果如下所示： 华北电力大学硕十学位论文 ( 1 ) 不加励磁电压的情况 表3 - 2 无励磁电压时的测试数据( 注入频率1 5 h z ) 接地电阻测量值测量误差 0 k q0 0 0 0 0 0 5 0 k q 0 1 k o ( 绝对误差) 0 1 k q0 0 8 0 0 1 4 0 k q 0 i k q ( 绝对误差) 0 5 k n0 4 8 0 0 5 4 0 k n o i k o ( 绝对误筹) 1 k q0 9 8 0 1 0 2 0 k q 0 1 k n ( 绝对误差) 5 k q4 9 7 0 5 0 4 0 k q 0 i k f 2 ( 绝对误差) l o k n9 9 l o 1 0 0 2 k q 1 ( 相对误芹) 2 0 k q1 9 8 2 0 2 0 0 3 0 k q 1 ( 相对误差) 3 0 k q2 9 7 0 0 3 0 ，0 3 0 k q 1 ( 相对误差) 4 0 k q3 9 7 2 0 4 0 1 2 0 k q 1 ( 相对误差) 5 0 k n4 9 7 0 0 5 0 1 3 0 k q l ( 相对误差) 6 0 k n5 9 5 0 0 6 0 1 8 0 k q 1 ( 相对误差) 7 0 k n 6 9 5 3 0 7 0 3 6 0 k q 1 ( 相对误差) 8 0 k q7 9 5 3 0 8 0 1 4 0 k n 1 ( 相对误差) 9 0 k n8 9 3 0 0 9 0 3 6 0 k n 1 ( 相对误差) 1 0 0 k n9 9 5 5 0 1 0 0 1 5 0 k q 1 ( 相对误芹) ( 2 ) 励磁电压为1 0 0 v 直流，负端接地的情况 表3 - 3d c l 0 0 v 励磁，负端接地时的测试数据( 注入频率1 5 h z ) 接地电阻测量值测量误差 0 k n0 0 0 0 0 0 6 0 k q 0 i k , q ( 绝对误差) ol k n0 0 9 0 0 1 5 0 k q 0 i k f ( 绝对误差) o 5 k q0 4 9 0 0 5 5 0 k q 0 i k q ( 绝对误差) i k q0 9 9 0 1 0 5 0 m 0 1 k q ( 绝对误芹) 5 k q4 9 5 0 5 0 2 0 k q 0 1 k q ( 绝对误差) 1 0 k q9 9 1 0 1 0 0 0 妯 1 ( 相对误差) 2 0 k n1 9 8 4 0 2 0 0 1 0 k q 1 ( 相对误差) 3 0 k q2 9 7 0 0 3 0 0 0 0 k q 1 ( 相对误差) 4 0 k q3 9 7 2 0 4 0 0 9 0 k n 1 ( 相对误芹) 5 0 k q4 9 6 8 0 5 0 1 1 0 k q 1 ( 相对误差) 6 0 k q5 9 6 0 0 6 0 1 2 0 k q 1 ( 相对误筹) 7 0 k q6 9 5 3 0 7 0 2 2 0 k q 1 ( 相对误芹) 8 0 k n7 9 4 8 0 8 0 4 0 0 k q 1 ( 相对误差) 9 0 k q8 9 3 0 0 9 0 5 7 0 i n 1 ( 相对误差) 1 0 0 k q9 93 2 0 1 0 0 7 5 0 k q 1 ( 相对误差) 3 1 华北电力大学硕士学位论文 ( 3 ) 励磁电压为1 0 0 v 直流，正端接地的情况 裹3 4d c l 0 0 v 励磁，正端接地时的测试数据( 注入频率1 5 h z ) 接地电阻测量值测量误差 o k q0 0 0 0 0 0 5 0 k q( 0 1 l 【q ( 绝对误差) o 1 k q0 0 8 0 0 1 4 0 k q 0 1 k i ) ( 绝对误差) 0 5 k n0 4 7 0 0 5 3 0 k n 0 1 k n ( 绝对误差) l k q0 9 6 01 0 4 0 k q 0 1 k , o ( 绝对误差) 5 k q4 9 4 0 5 0 4 0 k q 0 1 x q ( 绝对误差) 1 0 k q9 8 7 0 9 9 9 0 k q 1 ( 相对误差) 2 0 k q 1 9 7 9 0 2 0 0 1 0 k q 1 ( 相对误差) 3 0 k q2 9 6 9 0 2 9 8 6 0 k q 1 ( 相对误差) 4 0 k n3 9 6 5 0 4 0 1 4 0 k q 1 ( 相对误差) 5 0 k q4 9 5 3 0 5 0 1 6 0 k q 1 ( 相对误差) 6 0 k q5 9 4 9 0 6 0 2 5 0 k q 1 ( 相对误差) 7 0 k q6 9 5 2 0 7 0 2 0 0 k q 1 ( 相对误差) 8 0 k q7 9 4 2 0 8 0 ，6 6 0 k 1 1 1 ( 相对误差) 9 0 k q8 9 5 2 0 9 0 7 4 0 k q 1 ( 相对误差) 1 0 0 k q9 9 4 1 0 1 0 0 6 0 0 k q 1 ( 相对误蔗) ( 4 ) 励磁电压为2 2 0 v 直流，负端接地的情况 裹3 - 5d c l 0 0 v 励磁，负端接地时的测试数据( 注入频率1 5 h z ) 接地电阻测量值测量误差 0 k qo o o o 0 0 7 0 k n 0 i k , q ( 绝对误差) 0 1 k q 0 1 0 0 0 1 7 0 k n 0 1 k q ( 绝对误筹) 0 5 k qo 5 1 0 0 5 9 咪：q 0 1 k q ( 绝对误差) l k q1 0 2 0 1 0 7 0 妯 0 1 k n ( 绝对误筹) 5 k f 2 4 9 7 0 5 0 3 0 k n 0 1 k 1 2 ( 绝对误蔗) 1 0 k q9 9 1 0 1 0 0 1 0 l ( q 1 ( 相对误差) 2 0 k n1 9 8 2 0 2 0 0 4 0 k q 1 ( 相对误差) 3 0 k n2 9 7 5 0 3 0 0 6 0 k q l ( 相对误差) 4 0 k q3 9 7 1 0 4 0 1 9 0 k q 1 ( 相对误差) 5 0 k q4 9 6 2 0 5 0 1 8 0 k q 1 ( 相对误差) 6 0 k q5 9 6 6 0 6 0 2 6 0 k q 1 ( 相对误差) 7 0 k n6 9 6 0 0 7 0 6 3 0 k n 1 ( 相对误差) 8 0 k q7 9 31 0 8 0 6 5 0 k q 1 ( 相对误差) 9 0 l m8 9 4 3 0 0 9 0 6 8 0 k q 1 ( 相对误蔗) l o o k n9 9 2 1 0 1 0 08 5 0 k n 1 ( 相对误芹) 为了更接近真实的发电机励磁电压，我们用了一组在动模实验中录得的励磁电 压尖峰波做为测试的励磁电压。尖峰波波形如图3 1 3 所示，以尖峰波作为励磁电 华北电力大学硕十学位论文 压的测试数据如后表所示。 图3 1 3 尖蜂波波型 ( 5 ) 励磁电压为尖峰波，负端接地的情况 裹3 - 6 尖峰波励磁，负端接地时的测试数据( 注入频率1 5 h z ) 接地电阻 测量值测量误差 0 k n0 0 0 0 0 0 6 0 k q o i k , q ( 绝对误差) 0 1 k n0 0 9 6 0 1 8 0 i 0 1 k , q ( 绝对误差) 0 5 k n0 4 8 0 0 5 6 0 i 【n 0 1 k q ( 绝对误差) l k n0 9 7 0 1 0 7 0 k n 0 1 l q ( 绝对误筹) 5 k q4 9 5 0 5 0 8 0 k n 0 1 i c a 2 ( 绝对误差) 1 0 k n9 9 1 0 1 0 0 2 0 l ( q 1 ( 相对误筹) 2 0 k q1 9 8 1 0 2 0 0 3 0 k q 1 ( 相对误差) 3 0 k n2 9 7 4 0 3 0 0 5 0 k q 1 ( 相对误差) 4 0 k q3 9 6 1 0 4 0 0 6 0 k q 1 ( 相对误筹) 5 0 k q4 9 5 3 0 5 0 0 4 0 k n 1 ( 相对误差) 6 0 k q5 9 4 5 0 6 0 2 3 0 k n 1 ( 相对误筹) 7 0 k q6 9 4 0 0 7 0 1 2 0 k n 1 ( 相对误差) 8 0 k n7 9 4 3 0 8 0 2 0 0 k n 1 ( 相对误差) 9 0 k n 8 9 4 2 0 0 9 0 8 1 0 k n 1 ( 相对误筹) 1 0 0 k n9 9 3 9 0 1 0 1 2 0 0 1 0 n l + ( 相对误差) 为了模拟转子的对地电容，我们在转子的正负极分别接一个2 uf 的电容，电 容的另一端接地，测试结果如后表所示。 华北电力大学硕十学位论文 ( 6 ) 裹3 7 励磁电压为尖峰波，负端接地，正负极各通过2uf 电容接地的情况 尖峰波励磁，负端接地，正负极接电容时的测试数据( 注入频率1 s h z ) 接地电阻测量值测量误差 0 k qo 0 0 0 0 0 7 4 k q o 1 k q ( 绝对误差) 0 1 k q0 0 9 6 0 1 8 5 k q 0 1 l 【q ( 绝对误差) 0 5 k q0 4 9 0 0 5 7 0 k q o 1 k q ( 绝对误差) 1 k q0 9 8 0 1 0 5 0 k q 0 1 k f l ( 绝对误差) 5 k n 4 9 7 0 5 2 2 0 k n 0 2 k f l ( 绝对误差) l o k q9 9 6 0 1 0 5 2 0 k q 5 2 ( 相对误筹) 2 0 k q 2 1 1 5 0 2 0 0 0 0 k q 5 7 ( 相对误差) 3 0 k q3 1 5 5 0 2 9 9 1 0 k n 5 2 ( 相对误差) 4 0 k q3 9 4 9 0 4 3 5 3 0 k q 8 8 ( 相对误差) 5 0 k n4 8 7 3 0 5 4 2 7 0 k q 8 5 ( 相对误差) 6 0 k n5 7 8 0 0 6 4 0 4 0 k q 6 8 ( 相对误差) 7 0 k n6 6 8 0 0 7 5 4 2 0 k q 7 7 ( 相对误差) 8 0 k q7 3 8 3 0 8 5 4