（电力系统及其自动化专业论文）发电机微机保护平台及其接地保护改进研究.pdf

浙江人学硕士学位论文 a b s t r a c t h i s p a p e rp r o p o s e an e wr o t o re a r t h f a u l t p r o t e c t i o n w i t hs w i t c h s a m p l i n gt h e o r y , w h i c hs e t su pt h r e eg r o u pe q u a t i o n st on l e a s u r er o t o r e a r t h f a u l t r e s i s t a n c e b ym e a n so fc a l c u l a t i o n ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h e p a r t i a ld e r i v a t i v eo f e a r t h f a u l tr e s i s t a n c ev e r s u se a c hs a m p l i n gc u r r e n t a td i f 艳r e n te a r t h 。f a u l tl o c a t i o na n du n d e rd i 脏r e n te a r t h f a u l tr e s i s t a n c e s i t u a t i o n s ，a n dt h e nd r a w sac o n c l u s i o nt h a tp r o t e c t i o nc a nr e d u c et h e i n l l u e n c eo fs a m p l i n gc u r r e n te r r o rb ys e l e c t i n gd i f f e r e n te q u a t i o n st o m e a s u r ee a r t h f a u l tr e s i s t a n c ea td i f f e r e n te a r t h - f a u l tl o c a t i o n ，e s p e c i a l l y i nl o we x c i t i n g v o l t a g ea n dl o we a r t h - f a u l tr e s i s t a n c e c o n d i t i o n 。a l l t h e s ea r ep r o v e d b ys t a t i cs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t k e y w o r d s ：s w i t c hs a m p l i n gt h e o r y , r o t o re a r t h - f a u l tp r o t e c t i o n ，p a r t i a l d e r i v a t i v e ，e r r o r 2 浙江大学硕r 上学位论文 绪论 一发电机微机保护概述及转子一点接地保护存在的问题 发电机继电保护技术已经从模拟的机电式继电器和静态继电器发展到了数 字式多功能保护系统。当今应用的大部分保护系统或者是模拟的机电式或静态型 继电器，它们在提供可靠的保护方面有较长的历史，而且还在很多设备中继续应 用。然丽，目前成熟的微机实时保护已大规模进入继电保护领域，微机继电保护 是继电保护技术发展的重要方向。 微机继电保护技术强调保护的速动性，而各种嵌入式实时多任务操作系统受 限于系统的通用性，在运行速度方面差强人意，常常给宝贵的微机资源带来不必 要的浪费。所以，根据微机保护的要求定制操作系统能大大提高保护的性能。 发电机转子绕组一点接地是发电机较常见的故障形式之一。由于转子绕组 。点接地不能构成电流通路，所以对发电机并不造成直接危害。但是，一点接 地若不及时发现，在绕组的其它部发生另一点接地即成为两点接地，就可能出 现较大的短路电流，轻则引起机组的振动，重则烧伤或烧毁转子绕组和转子铁 芯。目前的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 流电压式和乒乓式等不同原理的保护。其中，乒乓式保护是一种简单有效的保 护原理。由于保护反映的是直流分量，且有一定时间延时躲开关切换的暂态过 程，因此与励磁回路对地分布电容无关。所以采用乒乓式励磁回路一点接地保 扩t 装置是有优势的。 早期的双水内冷发电机转子引线拐脚容易断裂，曾引起转子频繁一点接地， 所以转子一点接地保护正确动作显得十分重要。现在对转子引线拐脚改进后， 拐脚断裂已十分少见，转子一点接地现象已大大减少。然而转子一点接地保护 却引起了新的无故障误动问题增多，因为受物理工艺的限制，实际器件的数据 和理想值之间有误差的，这种情况下，接地电阻的计算是不精确的。 二本文的主要工作 浙江大学硕士学位论文 本人在论文种完成的工作主要如下： 1 ) 介绍了发电机励磁回路接地故障的成因、危害以及特征等； 2 ) 介绍了不同的发电机励磁回路一点保护的原理，并对这些保护原理的性 能进行了评价； 3 ) 针对一种常用的切换采样原理转子接地保护，改进了保护装置硬件以及 软件的设计，减小了电流测量误差对接地电阻计算的影响，在励磁电压 低，接地电阻小的情况下，效果更加明显。 4 ) 介绍了微机保护平台的构成和实现； 5 ) 介绍了实时多任务操作系统的的构成和实现； 浙汀大学硕上学位论文 第一章发电机励磁回路接地故障 发电机励磁回路接地故障是指转子绕组或绕组到路的某一点或某一部分 已失去绝缘性能，即与转轴本体问的绝缘电阻为零( 金属性接地) ，或保持低阻 抗接触。 1 1 发电机励磁回路接地故障原因，危害及预防 1 1 1 故障的发生原因 从调查了解的实际情况来看，引起发电机转于绕组一点接地的原因大致有 以下：j 个方面： 】) 磁极绕组与绝缘垫积尘受潮。由于发电机运行时冷却风不断带入灰尘，且室 内空气湿度较大，灰尘容易受潮，因而使绝缘性能下降，时间一长，就会出 现绕组一点接地： 2 ) 集电环与电刷架粘上电刷粉。发电机运行时，集电环磨下的电刷粉较多，不 及时清扫就会连成片，把集电环与电刷架连通，出现接地情况： 3 ) 集电环与磁极绕组的电缆引线破损。电缆引线上常粘上一些渗漏的透平油， 在较高温度的工作环境中，时间一长便产生裂缝，裂缝中又渗入油泥，最后 幽电缆通过油泥接地。另外，由于电缆橡胶皮与内部的铜芯线的弹性差异， 在旋转的离心力作用下，容易造成铁皮线夹割破橡胶皮，使电线铜芯线与转 于端面接地。 根据1 9 8 2 年以来我国部分2 0 0 m w 发电机励磁回路接地故障统计和分析发现 造成接地的主要原因是制造质量问题。绕组匝间绝缘制造工艺粗糙，出厂时就 存在匝间短路及绝缘电阻低的隐患。 浙江大学硕士学位论文 图】1 发电机励磁回路接地保护据动事故照片 1 1 2 故障的危害 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： 1 ) 当发生两点接地故障时，由于故障点流过相当大的故障电流而烧伤转子 本体i 2 ) 由于部分绕组被短接，励磁绕组中电流增加，可能因为过热而烧伤： 3 ) 出于部分绕组被短接，使气隙磁通失去平衡，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，例如图1 - l 就是 由于发电机励磁回路接地保护拒动造成大轴断裂的事故照片。 4 ) 汽轮机励磁回路两点接地，还可能使轴系和汽机磁化。 因此，两点接地故障的后果是严重的。 1 1 3 故障的预防 根据以上的原因分析，预防转于一点接地可从以下三个方面着手： 1 ) 清扫转于积尘。中小型发电机的大修期一般为4 到5 年，而出现转于绕 组接地故障般在大修3 年以后。这是因为积聚的灰尘含有油质，不易清除干 净，加之使用的清洗剂四氯化碳有毒，这就更加放松了清洗的要求。在大修中， 浙江人学硕十学位论文 一定要坚持清洗干净，对于粘附较紧的油垢，可用塑料片或竹片逐步刮除，决 不能因时间紧而降低清扫标准，并建议使用无毒的g d 系列带电清洗剂涓扫，克 服工作人员的畏惧情绪，保证清洗质量。 2 ) 防止转子受潮。发电室内由于水管及蜗壳等易结露使室内空气潮湿，因 此要在这些易结露的地方涂刷防结露的涂料，除此之外还可采取其它措施尽可 能减少室内空气的湿度。另外，合理安排发电机的运行时间，避免长时间停机 也可减轻转于绕组的受潮程度。再者，及时清扫集电环与电届0 磨下的电刷粉， 及时清除上导油槽等处的油垢，保持发电机内部干净，也能减轻转于绕组受潮 的程度。 3 ) 加强连接电缆的绝缘保护。连接集电环与磁极绕组的电缆引线，安装在 转于端面上时，在外因扎黄玻璃漆布带予以保护，以免透乎油直接粘到电缆的 橡胶皮上。固定在转于端面上的铁皮线夹用黄玻璃漆布带多扎几层，避免铁皮 线央割破橡胶皮。 实践证明，只要在大修中彻底清洗好转于绕组，并在平时的运行中加强维 护，防止转于受闻，安装连接电缆时加强绝缘保护，发电机维持4 、5 年的大修 期是完全没有问题的。 1 2 发电机励磁回路接地故障类型及表现 1 2 1 故障的类型 按接地的程度，可分为金属性接地和非金属性接地；按接地的稳定性又可 分为稳定性接地和不稳定性接地。 根据发电机运行要求，冷却方式不同的转子绕组，其绝缘电阻的最低允许 限值也不一样。转子绕组的绝缘电阻低于某一数值称为“接地”，或再低于某一 数值称为“金属性接地”，不好规定一个明确的界限。一般认为，绝缘电阻低于 2 k n 为非金属性接地；而再低于5 0 0 f l 则为金属性接地。 稳定性接地的特点是，绕组的绝缘电阻不随机组的转速、温度( 负荷状态) 而变化。这种故障较易查找和处理。不稳定性接地可分为下列几种情况。 1 ) 高转速接地。即发电机转子静止时，绝缘电阻r 正常，随着转速n 升 高，绝缘电阻数值逐渐减少降低，或达到某一转速时突然降低至最低值。这是 浙江大学硕士学位论文 山于转子转动时，在离心力的作用下，绕组被压向护环及槽锲。故障点多发生 在槽锲和护环下的线匝上。如图l - 2 中曲线1 所示。 2 ) 低转速接地。即发电机转子低速或静止时绝缘电阻降至最低值，但随 转速上升又逐渐增大，或在转速升至某一数值时突然增至正常范围内。此种故 障多发生在转子槽的底部。如图1 2 中曲线2 所示。 r l j 图1 2 不稳定接地的几种类型曲线 3 ) 随温度变化的接地。发电机在低负荷状念，转子绕组沮度较低时，绝缘 电阻在正常范围。但随负荷增加，绝缘电阻即逐渐下降到最低值。此种情况的 故障点多发生在转予绕组两端。这是因负荷增长，绕组温度增高后沿轴向向两 端膨胀，导致端部线圈与中心环接触。 4 ) 绕组的绝缘电阻随转速和温度变化，属于以上三种情况的综合。 1 2 2 故障的表现 发电机励磁回路两点接地故障时，励磁电流的表达式推导如下。 电机派克方程为：u 2 p q + r i + m 【_ 虬蚧0000 1 ( i 1 ) 其中u = u d u q u o u 们 0 o l = 阢 虬 妒m y j d 妒l “ r = r000 0 0 o r 00 0 0 00 一r000 000 r m0 0 000 0 r l d0 0 00 0 0 r l q o “h b k 如k 浙江大学硕十学位论文 y d 虬 i ；f ，o 刖 矿1 d 妒l 。 一屯o o kx d 0 l i d o 一o o o oo o oo fi i 。 一x a d 0 0 锄0 jh 一oo 锄o i | d o 一o o o _ “fl i i 。 假定在发电机稳态对称条件下带有负载运行，功角为6 ，那么边界条件 1 为：l h f = o ，l h i = o ，= ( + + t ) = 0 ，= 1 ，凯= 恒值= 恒值， “，= us i n d ， i t ，= uc o s d 。在实际的同步发电机中，定子电阻的值一般很小，例如q f s n 一3 0 0 2 型发电机定子绕组电阻为0 0 0 2 1 7 q ，因此可以忽略，代入派克方程得发电机输 出有功功率及无功功率分别为： 小吼= 詈s i n 州亡_ 1 坐2 x d s i n 2 万 一x dx 9 q=iiqia-ud。=型cos州上+1了u2+(上一_v2xa x x q 2 c o s 2 6 a 2 ?xd 2 x d 汽轮机为隐极机x q = x i p ：坐s i n d 勤 发电机空载电动势e = 舯，铲k = m 删= i m o j j o 瓦1 ；铲乞； 蚝，o = j a 皇笔( 如删) ( 兰) 厶 。 a l d , r c 。 2 p ( i 一3 ) ( 1 4 ) 式中，k 为定子自感基值；f 为电机极距：f 为电机定予铁心有效长度；p 为 电机极对数；为定子电流基值：w 。为转子绕组匝数：a s 为定子绕组支路数。 扩一h 一盼 型矗 = q 浙江大学硕士学位论文 d 。，为励磁绕组支路数；。为定子基波绕组系数；跏，为励磁绕组基波绕组系 数：如，为气隙磁导系数；w 为定子绕组匝数a 则励磁电流表达式为： l ，= 畿厣瓣 m s ， 假定发电机发生励磁回路两点接地故障，短路匝数为a n ，则转子绕组匝数 变为：1 4 ，。1 d = w “一a n 则，= 毒等( 嵋唏w 如 伽警k 苏衙丽 “轨w o r t ，t l k o a m l w u 、 ( 1 6 ) 假定发电机故障前后输出有功功率及无功功率不变，励磁电流相对变化率为： ll 幺二尘：生：塑：单一1 ：毕：掣( 1 - 7 ) i “! 一 w mw *w m 可以看到，励磁电流的相对变化率( 短路严重程度) 和两点接地时短路匝 数之m 有一种对应关系。 转子两点接地在控制屏上一般表现为励磁电流及定子电流增大；若短路匝 数较多，会使发电机磁路中主磁通减少，使机组向外输出得感性无功减少，引 起机端出口电压下降，功率因数上升( 甚至进相) ，并伴有剧烈的振动等现象。 下袁1 1 就是某型发电机故障前后的监测数据。 表1 1 转子绕组接地故障前后励磁电流及无功变化 浙龃大学硕_ 上学位论文 1 3 发电机励磁回路接地故障实例及处理 1 3 1 故障实例 表i 2 国内部分2 0 0 m w 火容量发电机励磁回路接地故障统计及原因分析 发电机：畦 序号型式及容量事故日期事故简况原因 l q f q s - 2 0 0 - 2 8 2 1 2运行中发现转子绕组一点转子绕组 型2 0 0 m w 8 8 0 8接地，倒备用励磁后仍未消由匝问短 除。借临检机会找出接地点路扩展为 后，投入两点接地保护，运行接地故障 4 h 后动作，发电机跳闸。转 子解体后发现励侧端部绕组 匝问垫条过热烧黑，垫块过热 变色，护环下扇形绝缘瓦局部 烧焦突起 2 q f q s 一2 0 0 2 8 6 1 2运行中发现转予一点接地，制造质量 型2 0 0 m w 8 7 0 6投入两点接地保护后，9 0 m i n不良，转子 动作，发电机跳闸。测量转子绕组受潮。 绝缘电阻为3 0 4 f 2安装试验 时转子绝 缘电阻就 不合格 3 q f q s - 2 0 0 - 2 8 4 1 2运行中转子一点接地来信制造质量 型2 0 0 m w 8 7 1 2号，停机检查系转子一点接不良，工艺 地，未作处理。3 日后起动。粗糙 投入两点接地保护。带5 m w 负荷时两点接地保护动作，发 电机跳闸。经检查，发电机转 子汽侧9 号槽及励侧1 5 号槽 口处各有一点接地，形成两点 接地故障 浙江大学硕士学位论文 续表1 2 序号发电机 擐亡 型式及容量事故日期事故简况原因 4 0 f q s 一2 0 0 - 2 8 7 1 1 发电机在额定负载运开始，由于匝问 型2 0 0 m w 8 8 1 1 行时，转子电流突然增绝缘不良形成匝 加1 6 以上，机组振动间短路，匝间由 明显增大。被迫解列停小火花放电形成 机后发现转子有一定程金属性短路后， 度的磁化，其绝缘电阻短路电流长期烧 为零。灼两个线圈间垫 解体后发现转子一块，使其碳化， 个磁极下第7 、8 号线圈加上放电时的金 上的扇形绝缘瓦被烧属性微粒，形成 焦、烧穿成3 0 r a m * 8 m r n两个线圈( 槽间) 的孔洞，两线圈间垫块短路，又因短路 严重碳化，汽侧护环内处严重过热，将 表面相应部位有严重过覆盖其上的扇形 热及烧熔痕迹，且有较绝缘瓦烧焦并形 深的裂纹和麻坑成孔洞，使得转 子绕组对护环放 电形成接地 5z h 6 6 8 8 2 v h8 6 1 2运行一年后重新起机制造质量不良， 型2 0 0 m w8 7 1 2时出现一点接地，随之绕组过热，烧损 出现剧烈振动( 8 瓦最大匝间绝缘产生匝 垂直振幅8 3 9 i n ) 间短路，并发展 成接地故障 1 3 2 故障处理 一般来说，发电机励磁回路一点接地后仍可继续运行，对于结构不存在其 它缺陷者往往不会导致故障的继续发展。过去有的中小型发电机曾有过存在接 地故障而长期运行的事例。 但必须看到，转子绕组一点接地对发电机运行极为不利；如在绕组内部或 浙江大学顷士学位论文 外部励磁剐路发生另一点接地，即形成部分线匝短路的两点接地故障。两点接 地故障的危害在1 1 2 节中有论述。 运行经验表明，发电机励磁回路一点接地故障时，正确措施应当是：当汽 轮机的转子绕组发生一点接地时，应即查明故障的地点与性质，如系稳定性的 金属接地，对于容量在i o o m w 及以上的转予内冷发电机，应尽快安排停机处 理。对于i o o m w 以下的发电机，则应在励磁回路中接入两点接地的保护装置， 此外，仍应尽可能停机检修。水轮发电机的转子绕组应有保护一点接地的信号 装置，当该信号动作时，应迅速转移负荷，停机处理，一般不允许再继续运行。 浙江人学硕七学位论文 第二章发电机励磁回路一点接地保护 对于中小型汽轮发电机，只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，不装设一点接地保护。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。 对于大型汽轮发电机，鉴于励磁回路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 、歧尚存在争论，当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1 点接地保护，动作于信号，不装设两点接地保护。 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 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。 集中电阻风表示绕组对地绝缘分布电阻。励磁绕组l e 的电阻构成构成电 桥的两个臂，外接电阻r i 和r 2 构成另外两个臂。正常情况下，调节电阻r 。和 r z ，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r f 接地后，电桥失去平衡。此时流过继电器的动作。 1 6 浙江大学硕士学位论文 l el ek ( a ) 正常情况下；( b ) k 点经过渡电阻r 一点接地 图2 1 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r f 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 。非线性电阻 r = u 。i ，其中a 是常数，当电压u 0 升高，电流i 非线性地增加，电阻r 下降； 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 电压的改变丽变化。在某一电压下的死区，在另电压下变为动作区。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 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 o 经一继电器j 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。 卜 当 彳一于半 、1 二一 一 心 丫 一 二r 亍 ，1j，t1_【_l，1_，_f，r l ii lf：“刊f一 一 心口 下宰 一 ，一f 一掣 浙江大学颁上学位论文 t v a 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u m ，励磁绕组对地绝缘电阻为r y 并集中于励磁绕组的中点。 将外加电压u o 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 况下的等效电路。正常情况下流过继电器的电流为， u o + 亡u 日 k2 高 。 ( a ) 正常情况一f( b ) 负端经过渡电阻r f 按地时 ( c ) 正端经过渡电阻r f 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i 。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，灵敏度也有很大差别。图2 - 3 ( b ) 为 负端经过渡电阻r f 接地时图2 2 的等效电路。由图可得到流过继电器的电流， 浙江大学硕士学位论文 u o ( r ，- i - r r ) + ：u 日r f i = - ：- 一 r k r 。+ ( r k + r ，) r f 考虑到r 。 r f ，式( 2 2 ) - t 化简为如下的形式， i ：j l r k + r f ( 2 2 ) ( 2 3 ) 图2 - 3 ( c ) y ：j t 端经过渡电阻r f 接地时图2 - 2 的等效电路。由图可得到流过继 电器的电流， k ! 型! i 型：迅垒刚2 - 4 ) 1 1 = 一 ( 。 r k r 。+ ( r k + r 。) r f 同样，考虑到r y r f ，式( 2 - 4 ) 可化简为如下的形式， 卜觜 ( 2 f 5 ) 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 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j 和一隔直耦合电容c ， 图2 - 4 简单的迭加交流电压式一点接地保护原理图 浙江大学硕士学位论文 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r f 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。 】) 第一类以加交流电压测量励磁绕组对地全电流方法构成一点接地保护 装置，其动作判据为：i c l i d z ，其中l 。= u z c 。，i 。= u z d z 。i 。，为迭加电压 作用下励磁绕组通过地的全电流；z 。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：g c l g d z ，其中g c l = 1 r c l ，g d z = 1 r d ，。g “为励磁绕 组对地的测量电导；r 。为励磁绕组对地电容的等效并联电阻：g d z 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 分盛构成一点接地保护装置，其动作判据为：i 。i d z 。，其中i 。l r = u r 。 1 。= u r 。：。l 。为励磁绕组对地全电流中的电阻分量；i d 己。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r c 。r “。 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 h 向，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2 0 0 m w 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5 0q 。 2 4 传统一点接地保护原理 乒乓式励磁回路一点接地保护的设计思想是：切换电桥两臂电阻值的大小， 浙江大学硕士学位论文 使电桥没有一个固定的平衡点，因此保护就不会有死区。一点接地保护反应发 电机转予对大轴绝缘电阻的下降。 图( 2 5 ) 是一点接地保护测量电路原理图，r 为高阻桥臂电阻( 如1 0 k q ) 。 r l 、为过渡电阻，醢为接地点距绕组负端匝数百分比( 绕组接地位置) ，e 为励磁 线圈两端的电压。 a ef 1 一a ) e s 一 謦是 rr 图2 - 5 乒乓式一点接地保护原理图 s ，和s 2 为电子开关。设s 1 闭合s 2 断开为状态1 、s i 断开s 2 闭合为状态2 。 开关在状态1 ，2 下分别可以列回路方程如下： ( r 十rr ) 1 | 1 一rr i2 l = c t e i l l = 一v i i r 1 2 l = v 2 i r e l = 一v | 1 + z v 2 i 豢i 譬r i r 2 v , k 2 铷马 2 2 一v 2l 2 2 2 2f 1 1 2 2 2 + v 2 2j ( 2 6 ) ( 2 7 ) 由方程组( 3 - 1 ) ，( 3 - 2 ) 可以得到过渡电阻rf 和接地位覆q ： r 。：盟选：! 2 ! ! 垦( 2 - 8 ) v i ( v 1 2 2 v 2 2 ) + v 2 1 ( 4 v i2 + v 2 2 ) 旺： ! ! z ：z2 ! z 兰! ( 2 - 9 ) v l l ( v j 2 。2 v 2 2 ) + v 2 l 【4v 1 2 十v 2 2 j 计算出过渡电阻r ，就可以决定保护的动作行为。由( 3 3 ) 和( 3 - 4 ) 的式 子都可以看到r ，与故障点位置氆无关，灵敏度不随故障点位置改变。点接地 浙江大学硕士学位论立 的动作判据为： r f r f d ： r f u 。为一点接地过渡电阻整定值，整定范围通常取5 5 0k q 。 综上所述，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按地保护可以反应转予励磁回路中任何 一点发生的接地故障，没有死区，但是保护调整很复杂，容易受励磁网路对地 分鄱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。 浙江大学硕士学位论文 第三章发电机转子一点接地保护的改进 切换采样原理的转子绕组接地的保护通过将测量回路的两个静态开关一 个闭合另一个断开获得两组电路方程组，计算出接地点位置与过渡电阻阻值。 在实施过程中，有多种方案，对目前常用的一种方案，如果考虑测量过程存在 误差，采用上述开关一开一合获得的两组电路方程求解过渡电阻值未必最优。 本章分析了随着接地点位置的变化，测量回路电流变化对计算接地电阻计 算的影响，得出励磁绕组两端接地时，测量误差对计算过渡电阻的影响更大。 由此提出了改进方法：引入第三组方程，即两个静态开关同时断开( 或同时闭 合) 所建立的方程组，根据接地点位置适当选取方程组求解过渡电阻，降低两 端接地时过渡电阻的计算误差，使得保护在各点接地时具有较一致的灵敏度。 3 。l切换采样原理保护的硬件结构及测量误差的产生 设励磁回路直流电势为e ，在距正端a 处发生一点接地，过渡电阻为r g 。 图1 为微机保护广泛采用的硬件结构方案。r 为限流电阻( 高阻，如1 0 k 【q ) ，r s 为测量电阻( 低阻，如2 0 0 d ) ，s w 和s w 2 为微机控制的静态开关。该硬件方 案的优点是：1 、任何故障情况下，静态开关开断电压不超过1 0 2 2 0 2 e z 0 5 e ， 无故障情况下开断电压约为o 2 5 e ：2 、测量电阻与静态开关并联可以检测静态 开关导通情况。 图3 一l 转子接地测量原理图 通过测量三个r s 上的电压，可以获取三条支路的电流1 1 、1 2 、1 3 。切换 浙江大学硕士学位论文 s w ! ，s w 2 开关状态可以获得四种电路状态由此可以建立多组方程求解过 渡电阻r g 阻值及接地位置a 。 为提高微机保护装置的可靠性，一次回路中的电压不能直接输入微机保护 的模数转换器。电阻r s 上的电压，必须经隔离运算放大器隔离后输入微机的采 集系统，由此引入额外的测量误差，使得计算出的支路电流1 1 、1 2 、1 3 存在一 定的相对误差。当e 较小时，r s 上压降较小，隔离放大器在零点附近的非线性 特性可能导致【1 、1 2 、1 3 的相对误差进一步增大，影响r g 的准确计算。 3 2 接地电阻的计算 目前，通常采用s w l 与s w 2 个断开个闭合所得到的两组电路方程来 求解a 、r g 。忽略两侧的r s ，可得： 1 状态1 ：斯开s w l ，闭合s w 2 。设此时励磁电势为e ，可测量的三个支 路电流分别为：，i = ，：= 0 ，3 = ，可得以下电路方程组： 1 1 1 r 。一a e j + 2 1 l | r = 0 ( 3 1 ) ，) 尺。+ ( 1 一a ) e l + ( 厶i 一，1 1 ) r = 0 ( 3 2 ) 2 状态2 ：断开s w l ，闭合s w 2 ，设此时励磁电势为e ：，可测量的三个支 路电流分别为：，i = 0 ，：= ，：，3 = ，可得以下电路方程组： ，3 2 r 。一a e 2 + ( ，3 2 一，2 2 ) r = 0 1 + 2 r 。+ ( 1 一a ) e z + 2 1 2 2 r = 0 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 联立式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 - - 3 ) 、( 3 4 ) 可求碍接地过渡电阻r g 及接 地位置a ： 凡。：一兰墨! ! 丝毒二生l 生生三：型! 也r 一胄。( 3 - - 5 )” 3 1 3 i ，2 2 2 1 3 l ，+ 3 1 1 1 1 3 2 5 “：-131132+131122+21j1132 3 1 3 1 12 2 - 2 1 3 l ，2 十3 ，3 2 ( 3 6 ) 3 状态3 ：在实际保护装置中，可以同时断开s w i 、s w 2 ，设此时励磁屯 2 4 浙江人学硕士学位论文 势为e ，可测量的三个支路电流分别为：，、= ，：= ，：，= ，3 3 可得状 态3 的电路方程： ，3 r 。一a e 3 + 2 1 1 3 r = 0 ( 3 - - 7 ) ，3 3 r 。+ ( 1 一a ) e 3 + 2 1 2 3 r = 0 ( 3 - - 8 ) 联立式( 3 1 ) 、( 3 - - 2 ) 、( 3 - - 7 ) 、( 3 - - 8 ) 可得： 足。：三三m ：竖二：玉i 刍尝月一r ； (39)31 。 【l ，33 + ，3j 1 3 3 4 1 = l | ，1 3 5 联立式( 3 3 ) 、( 3 - 4 ) 、( 3 - - 7 ) 、( 3 - - 8 ) 可得 足= ! ! 里! ! ! 二! ! 婴! 塑! ! 型! 型冠一是， ” 3 j 2 2 k + ，3 2 ，一4 ， 2 ，2 3 5f 3 1 0 ) 以上分析没有计及各惯性元件( 特别是电容) 在开关切换过程中的暂态影 响。在实际装置中可以通过延时躲过暂态过程。 3 3 误差影响分析 由于测量电阻、隔离运放等中间环节的存在，将导致支路电流的测量存在 一定误差，该误差对计算接地电阻的影响随接地位置及接地阻值的变化而变化。 为考察接地位置不同时，各支路电流误差对接地电阻计算的影响，首先分析了 r = 1 0 k q ，r g = 2 0 k q 的情况下，随着a 从0 到1 变化，支路电流的相对偏差 将给电阻计算带来多少相对偏差。为此，分别计算了式( 3 5 ) 、式( 3 9 ) 、 式( 3 一1 0 ) 的匕。( 口) 函数值( n 为第n 支路，m 为r n 状态) ，l 。( 口) 定义如下： w = 卺，烈( 3 - - 1 1 ) 1 3 = 1 ，2 ，3 ：m = 1 、2 、3 。 圪。( n ) 函数可如下理解：皇娄l 。，即在a 处发生接地故障时，在状态m 盯j j 下的第n 支路电流的相对偏差将给电阻计算带来多少相对偏差。 埘式( 3 - - 5 ) ，存在y 、b 卜y 2 2 、y 3 2 、采用m a t l a b 计算所得的数值解 浙江大学硕士学位论文 如图2 所示，图2 反映了随着口的变化，电流的偏差对r 。的影响是不一致的， 当口= 0 时，图2 的y u 显示，。发生正l o l 基j 偏差将导致r 。发生正2 0 1 拘偏差。 而图2 的y 2 2 显示，发生正1 0 的偏差，将导致r 。发生负2 0 的偏差。当 口= 1 0 0 时，图2 的y 1 1 情况相反，“发生正1 0 的偏差将导致月。出现负1 5 的误差。在3 0 口 7 0 n g 下，采用( 3 一l o ) 式计算j 。比采用( 3 5 ) 式计算露。，受电流 测最误差的影响小。 3 4 试验结果及分析 浙江大学硕士学位论文 对图1 所示的测量电路，取r = 1 0 k f ) ，r 。= 2 0 0 ( 2 ，r 。经过隔离放大器 送到微机保护的采样到路。 为突出电流相对误差对接地电阻的影响，我们取了两个比较低的电压值做 实验。e = 3 0 v 及e = 1 5 0 v 。 表1 为1 5 0 伏情况下，随着口，r 。的变化，三种方法所计算的结果。表 中施测电阻值为用万用表测量结果，表格中“一”代表计算出数据为负值或者 特大数。由于测量过程中，不仅存在非线性的比例误差，还存在噪声误差，使 得每次计算的结果不一致，表中列出了多次测量的平均值及方差。 从实验中可以得出以下结果。 1 励磁电压越低兄。相对误差越大。这是因为电压越低，实际电流值 越小，导致电流相对误差增大。从而引起r 。相对误差增大。 2 r 。越大，各种算法所得到的结果相对误差均会减小，这与图2 、 3 4 图3 对比所示的结果一致。当月。减小时，尺。的偏差是测量电流偏 差的数倍。 在低电阻情况下，由于电流相对误差太大，导致计算出奇异结果。 但是口= 0 时，使用式( 3 - - 9 ) ，口= l 时使用式( 3 1 0 ) ，口= 0 5 时，使用式( 3 5 ) 可得有意义结果。 传统采用( 3 - - 5 ) 式计算r 。，其误差受接地位置及，：支路电 流误差是否一致影响较大。当r ，较小时，以上两点影响更大，可 能导致结果奇异。此时根据口值采用式( 3 - - 9 ) 或者式( 3 一l o ) 计算能得到一个较理想得结果。 浙江大学硕士学位论文 表3 1 励磁电压1 5 0 v 时实验结果 a 且测量值接地 ( q )位置 式( 3 9 ) 计算 均值方差 式( 3 5 ) 计算 均值方差 式( 3 1 0 ) 计算 均值方茬 2 6 5 0 9 7 6 0 2 2 9 1 6 5 2 7 3 6 2 6 7 2 2 9 9 9 5 5 4 7 5 3 4 4 5 6 3 0 1 0 1 9 i 1 0 2 0 0 1 0 1 0 4 2 0 1 9 5 2 0 4 9 1 2 2 9 l i 3 0 6 1 7 3 0 1 9 2 3 2 4 8 6 i5 6 1 2 2 2 4 8 4 2 4 8 8 2 9 3 6 5 2 1 5 5 3 1 2 5 4 5 4 9 8 7 4 1 0 0 8 3 1 0 1 2 2 1 9 2 8 6 2 0 1 7 9 2 1 0 9 5 2 9 3 9 5 3 0 1 1 6 3 1 1 9 4 1 4 2 1 7 7 5 5 2 5 2 3 0 5 2 8 2 l 6 3 6 2 5 2 7 6 5 3 0 4 1 0 4 6 6 9 9 4 4 9 9 7 4 1 9 9 2 5 1 9 8 7 i 2 0 0 8 2 3 0 4 7 l 3 0 0 3 0 3 0 8 3 3 3 0 9o 1 4 5 2 一 o p 7 一 心 博 - =嚣箸三剐酗咖一拼一 船。蛳o哪 训 槲 胁 梆 础 脚 椰 剐?i鲫m删螂哪驯。一舢 m 叩旧 吣 仰 呻 ：詈 浙江大学硕士学位论文 表3 2 励磁电压3 0 v 时的试验结果 电阻测盛值接地 ( 0 )位置 武( 3 9 ) 计算式( 3 5 ) 计算式( 3 1 0 ) 计算 均值方差均值方差均值方差 在实施微机保护时，可根据式( 3 - - 6 ) 计算口值，再选取式( 3 - - 9 ) 或者 式( 3 1 0 ) 作为式( 3 5 ) 得补充，这样，可在不增加硬件成本，软件增加也 有限得情况下，得到一个更理想得结果。 3 5 结论 通过测量回路的两个静态开关一开一合，可以极大改变测量电路结构，但 由此建立的两组方程对求解接地电阻的阻值未必最优，当接地点在励磁绕组两 端时，接地电阻的计算误差受电流误差的影响大，尤其是在接地电阻小，励磁 电压低的情况下。 如果接地点靠近两端( 口 7 0 ) ，采用靠近接地点一侧开关 浙江大学硕e 学位论文 始终断开，另- n 开关一丌一合建立起两组方程，由此计算出的接地电阻值受 到测量电流误差的影