CN101216535A - 发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，注入电源输出连接接地变压器低压侧，负载电阻接在接地变压器低压侧，中间CT安装在接地变压器低压侧；CT二次侧有电流检测点，负载电阻两端有电压检测点；接地变压器高压侧并联接地过渡电阻和对地电容。一种应用上述装置的静态模拟试验方法，步骤是先选择合适的器件，并按照原理接线；再模拟现场的接地故障；被试装置的保护装置和注入电源装置按《技术说明书》调试。若步骤中三相电容分别挂接在发电机的机端；主机箱上的模拟接地点接发电机的定子铁芯地上；接地变压器高压侧引出端接到发电机的中性点上；模拟接地的过渡电阻经过一个空开接至发电机模拟的故障位置，即是动态模拟试验方法。

Description

发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏及试验方法

技术领域

本发明涉及发电机继电保护当中的外加电源方式(简称注入式)定子接地保护，主要是涉及发电机注入式定子接地保护模拟试验的试验装置和试验方法。

背景技术

发电机继电保护当中的发电机定子接地保护是一种继电保护方法，继电保护装置通过检测相关的电压、电流等电气量，判断发电机是否发生定子接地故障，一旦判别出发生了定子单相接地故障，将快速发出报警或跳闸信号。对于比较严重的定子接地故障，快速跳闸，使发电机与电力系统之间的联系断开，并迅速灭磁，可使定子接地故障电流快速下降，从而尽可能地保护发电机定子铁芯不受到严重损伤。

目前大型发电机实现定子接地保护的方法主要有：基波零序电压型保护，又称3U0保护；三次谐波电压型保护，又称3ω保护；零序电流型保护；外加电源型注入式定子接地保护。

对于发电机注入式定子接地保护，是通过外加电源，向发电机定子绕组与定子铁芯(大地)之间注入一个零序电压，继电保护装置通过检测注入的信号，判断是否发生定子接地故障并实现相应的保护功能。注入式定子接地保护采用的注入信号主要有20Hz和12.5Hz(或15Hz)的低频信号。也有采用其他频率的，甚至采用注入直流信号，但没有得到推广。

目前大型发电机组对定子接地保护提出了更高的要求，要求发电机在静止没有励磁的情况下仍然具备定子接地保护，因此装设注入式定子接地保护(不依赖于发电机自身的零序电压)成为必需。

注入式定子接地保护与传统的3U0保护和3ω保护不同，它与现场发电机中性点接地设备等相关参数密切相关，其保护定值的整定以及保护功能的检验依赖于现场模拟接地故障试验，同时也依赖于技术人员对注入式定子接地保护技术的理解和现场调试经验。随着越来越多的大型发电机装设注入式定子接地保护，需要有更多的技术人员熟练掌握保护调试及整定的方法。目前针对发电机注入式定子接地保护，缺乏非现场条件下的模拟试验和培训手段，有必要给出非现场条件下的模拟试验解决办法。

发明内容

本发明的目的：设计并制造一个独立的组合式模拟试验屏，完全模拟现场与注入式定子接地保护相关的电气回路，主要包括：发电机定子绕组对地电容、发电机中性点接地变压器、负载电阻、接地过渡电阻，以及电流采样用的电流互感器(简称“中间CT”)。实现发电机注入式定子接地保护在非现场条件下的模拟试验，加强技术人员对发电机注入式定子接地保护的技术理解和提高技术人员掌握该保护调试的熟练程度。

本发明的目的是这样实现的：充分调研现场与发电机注入式定子接地保护相关的各个设备参数，根据这些参数以及等值电路，设计并制作注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，试验屏包括了模拟的接地变压器、负载电阻、对地电容、接地过渡电阻、中间CT等，同时根据注入式定子接地保护原理，结合组合式模拟试验屏设计了注入式定子接地保护的静态、动态模拟试验方案。具体如下：

一种发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，包括模拟的接地变压器、负载电阻、对地电容、接地过渡电阻、中间电流互感器(中间CT)；注入电源的输出连接至接地变压器低压侧，负载电阻接在接地变压器低压侧，中间CT安装在接地变压器低压侧；CT二次侧两端设有电流检测点，组成电流检测回路，负载电阻两端设有电压检测点，组成电压检测回路；接地变压器高压侧并联接有接地过渡电阻和对地电容；对地电容有三组，分别对应发电机三相绕组；所述模拟接地变压器、负载电阻、对地电容、接地过渡电阻、中间CT安装在若干机箱中；在同一机箱内的器件用内部导线连接，分设在不同机箱的器件通过机箱上的接线点，用外接导线相互连接组成完整电路；在各个机箱表面绘制模拟试验的电原理图，机箱上的接线点位置与其在图中的位置对应。

所述模拟接地变压器安装在主机箱中；所述负载电阻、对地电容和接地过渡电阻安装在电阻电容箱中；所述CT安装在中间CT箱中。

电压测量回路中串接PT即电压互感器，在PT的两端设有接线点，用于耦合工频电压信号，模拟现场靠近发电机机端位置发生接地故障时出现的工频电压信号。在主机箱上设有多个开关，它们串接在回路中，通过投切开关模拟电压回路断线或短路、电流回路断线或短路、注入电源输出短路、接地变压器隔离刀闸闭合/断开、接地过渡电阻投入/退出工况。模拟接地变压器变比为20～80，分为5档；容量及额定电压满足在400V动模机组上进行动模试验的要求。

所述负载电阻是由5个0.3Ω～3Ω功率不小于50W的电阻串联而成，中间有抽头；所述负载电阻还预留了4块大功率电阻板，以适应动模机组做严重的定子接地模拟故障；接地过渡电阻由13个100Ω～30kΩ功率不小于50W的电阻经过转换开关并接而成；三组对地电容，每组包括多个0.01μF～2μF、耐压不小于630V的电容，通过投切开关进行并联，形成每相0.01μF～4.99μF的电容组。电阻电容箱分为电阻电容箱1和电阻电容箱2：

电阻电容箱1的内部插件分别为：

i)由多个电阻连接而成的电阻插件，插件的阻值5.6k～30k，分为多档，通过设在电阻电容箱上的转换开关选择阻值，模拟接地过渡电阻；

ii)由多个电阻连接而成的电阻插件，插件的阻值0～3k，分为多档，通过设在电阻电容箱上的转换开关选择阻值，模拟接地过渡电阻；

iii)由多个电阻连接而成的电阻插件，电阻阻值0.3～3Ω，作负载电阻；

iv)三组电容插件，每组包括多个容值0.02～0.4μF的电容，通过开关投切，最大为0.99μF；

电阻电容箱2的内部插件分别为：

i)预留电阻插件，插件内部可安装8个功率不小于50W的绕线电阻，作为负载电阻；

ii)三组电容插件，每组包括多个容值1μF～2μF的电容，通过开关投切，最大为4μF。

所述中间CT箱包括5个插件，每个插件安装2个穿心式的CT，CT的一次侧额定电流为200A～800A，二次侧额定电流为1A或5A；穿心式CT的原边有二组线圈，单匝线圈接入主回路；10匝或20匝的线圈用于叠加工频电流信号。

一种应用权利要求1所述发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏的静态模拟试验方法，步骤是先根据现场的参数选择合适的电容、中间CT、负载电阻、接地变压器电压变比，并按照原理接线；再通过开关投切接地过渡电阻模拟现场的接地故障；作为被试装置的保护装置和注入电源装置按各自的《技术说明书》中要求调试。

一种应用权利要求1所述发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏的动态模拟试验方法，步骤是先根据现场的参数选择合适的电容、中间CT、负载电阻、接地变压器电压变比，并按照原理接线；再通过开关投切接地过渡电阻模拟现场的接地故障；作为被试装置的保护装置和注入电源装置按各自的《技术说明书》中要求调试；其中，三相电容应分别挂接在发电机的机端；主机箱上的模拟接地点接至发电机的定子铁芯地上；接地变压器高压侧引出端接到发电机的中性点上；模拟接地的过渡电阻经过一个空开接至发电机模拟的故障位置。

本发明的特点：

(1)可灵活选择参数：电容参数、负载电阻参数、接地变压器电压变比、接地过渡电阻、中间CT的电流变比都不是单一参数，有多种选择，非常灵活。

(2)模拟的真实性较高：从原理上，模拟电路与实际的电气回路相一致；从参数上，可以选择接近现场实际的器件参数，最大限度的真实的模拟现场情况。

(3)试验适应范围广：可同时适应静态模拟试验和动态机组模拟试验。

(4)开放式设计，模拟试验屏为组合式，便于扩展。

附图说明

图1为静态试验电路示意图

图2为动态试验电路示意图

图3为主机箱正面示意图

图4为主机箱背面示意图

图5为电阻电容箱1的正面示意图

图6为电阻电容箱1的背面

图7为电阻电容箱2的背面

图8为中间CT箱的背面示意图

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

(1)方案概述

根据注入式定子接地保护现场应用及其基本原理，可以得到如图1所示的等效的试验电路。试验电路可划分为若干部分：1)接地变压器、2)负载电阻、3)接地过渡电阻、4)电容、5)中间CT、6)20Hz注入电源装置RCS-985U(被试装置)、7)RCS-985发电机保护装置(被试装置)。将1)～5)按功能分成若干模块，做成几个装置，然后组成组合式的模拟试验屏，以灵活地模拟发电机定子绕组经不同阻值的过渡电阻接地。当需要进行注入式定子接地保护的调试时，只需按上述试验电路示意图，将试验对象注入电源装置和发电机保护装置接至试验回路中。

(2)具体的实现方法

为方便扩展，试验屏按功能分成若干装置，主要有三个部分：主机箱(安装接地变压器)，电容电阻箱(2个)、中间CT箱等等。安装在标准的数据架上。以下就各部分进行详述。

1)主机箱(安装接地变压器)的设计

主机箱为标准6U机箱。主机箱正面、背面绘制电气图，并在面板上安装好接线的插孔，便于试验接线。如图2所示。

主机箱内部主要安装接地变压器、小PT以及若干开关。

负载电阻、接地过渡电阻、电容、中间CT这些元器件不在主机箱内，安装在另外的装置中，在主机箱的正面、背面面板上以虚线绘图表示这些元器件需要外接。外接元器件通过导线直接接到主机箱面板上对应的位置。

主机箱内各器件的作用：

i)变压器用于模拟现场的发电机中性点接地变压器；

ii)小开关，串接在回路中，通过投切开关模拟电压回路断线或短路、电流回路断线或短路、注入电源输出短路、接地变压器隔离刀闸闭合/断开、接地过渡电阻投入/退出等各种工况；

iii)小PT，串接在电压测量回路中，用于耦合50Hz工频电压信号，模拟现场靠近发电机机端位置发生接地故障时出现的50Hz工频电压信号。

主机箱中变压器的参数设计：

通过收集现场参数，发电机中性点接地变压器高压侧额定电压一般取发电机额定电压，接地变压器低压侧额定电压则不确定，常见的有230V、400V、500V，或者

计算电压变比，如下：

$\frac{20\mathrm{kV}}{230V}=86.96,$ $\frac{20\mathrm{kV}}{230\sqrt{3}V}\≈\frac{20\mathrm{kV}}{400V}=50,$ $\frac{20\mathrm{kV}}{400\sqrt{3}V}=28.87,$ $\frac{20\mathrm{kV}}{500V}=40,$ $\frac{20\mathrm{kV}}{500\sqrt{3}V}23.09$ $\frac{18\mathrm{kV}}{230V}=78.26,$ $\frac{18\mathrm{kV}}{230\sqrt{3}V}\≈\frac{18\mathrm{kV}}{400V}=45,$ $\frac{18\mathrm{kV}}{400\sqrt{3}V}=25.98,$ $\frac{18\mathrm{kV}}{500V}=36,$ $\frac{18\mathrm{kV}}{500\sqrt{3}V}=20.78$

为尽可能的模拟现场接地变压器，变压器设计有多个电压抽头，以满足多种电压变比。变比设计为20～80，分为5档。变压器高压侧电压取400V(与动模实验室发电机额定电压相同)；容量按动模发电机机端金属性接地故障后，工频电压产生的功率估算，并取足够的裕度。

2)电阻电容箱的设计

电阻电容箱一共有2个，均为4U机箱。电阻电容箱1的内部插件分别为：

i)电阻插件，电阻阻值5.6k～30k，阻值分为若干档，通过安装在正面的转换开关选择阻值，模拟接地的过渡电阻；

ii)电阻插件，电阻阻值0～3k，阻值分为若干档，通过安装在正面的转换开关选择阻值，模拟接地的过渡电阻；

iii)电阻插件，电阻阻值0.3～3Ω，当作接地变压器的负载电阻；

iv)电容插件(三相)，电容值0.02～0.4μF若干，通过开关投切，最大可达0.99μF。电阻电容箱2的内部插件分别为：

iii)电阻插件，阻值未定，插件内部可安装8个50W的绕线电阻，根据需要安装。该电阻作为接地变压器的负载电阻。

iv)电容插件(三相)，电容值1μF～2μF，通过开关投切，最大可达4μF。

电阻电容的参数设计：

i)负载电阻：现场收集到的发电机接地变压器负载电阻小到0.2Ω，大到6.5Ω，因此采用7个0.3Ω～3Ω的功率不小于50W的电阻串联而成，中间有抽头，通过不同的抽头引出方式，可得到小到0.15Ω，大到7.9Ω的电阻。除此之外，还预留了4块大功率电阻板，以适应动模机组做严重的定子接地模拟故障。这些参数的负载电阻完全可模拟现场各种负载电阻情况。

ii)接地过渡电阻：电阻按3～10倍容抗来设计，并结合现场注入式定子接地保护能够测量到的接地过渡电阻的范围，接地过渡电阻阻值范围是100Ω～30kΩ。选用13个功率不小于50W的大功率的绕线电阻经过转换开关并接而成。

iii)电容：模拟现场发电机定子绕组对地电容；通过收集现场数据，目前大型火电机组定子绕组每相对地电容约0.3μF以上，大型水电机组定子绕组每相对地电容较大，多在1.0μF以上，有的甚至达到了4μF。选用耐压等级超过630V的电容，以适应动模机组试验电压的要求。单个电容最小为0.01μF、最大为2μF，将电容分成若干组，对应于发电机三相绕组，将电容分成三相，每相2块板子，通过投切开关进行并联，可形成每相0.01μF～4.99μF范围内的各种大小的电容参数。

3)中间CT箱

中间CT箱为4U机箱。

现场应用注入式定子接地保护时，需要配置中间CT。中间CT的变比与严重的定子接地故障时流过发电机中性点接地变压器低压侧负载电阻的电流大小有关系，电流小到约200A，大到约700A。为涵盖这个电流范围，设计多个电流变比的中间CT。

中间CT箱一共做了5个插件，每个插件安装2个穿心式的CT，CT的一次侧额定电流为为200A～800A，二次侧额定电流为1A或5A。

穿心式CT的原边有二组线圈，单匝线圈接入主回路；10匝或20匝的线圈接继电保护测试仪的电流通道，用于叠加工频电流信号。

4)静态模拟试验与动态模拟试验的方法

静态模拟试验方法：

对照图1所示的原理接线示意图，将电容、负载电阻、接地过渡电阻、中间CT一一对应的接到主机箱上，与接地变压器相联；将试验对象注入电源和保护装置按图1所示与试验屏相联。根据现场的参数选择合适的电容、中间CT、负载电阻、接地变压器电压变比，通过开关投切接地过渡电阻模拟现场的接地故障。保护装置和注入电源装置按各自的《技术说明书》中要求一步步调试。

动态模拟试验方法：

试验屏在设计时就考虑到了在动模机组上的应用，电容、接地变压器、模拟接地的过渡电阻均可直接用在线电压400V的动模机组上。对照图2所示的原理接线示意图，将电容、负载电阻、接地过渡电阻、中间CT对应的接到主机箱上的模拟接地变压器、发电机中性点、发电机机端；将试验对象注入电源和保护装置按图2所示与试验屏相联。根据现场的参数选择合适的电容、中间CT、负载电阻、接地变压器电压变比，通过开关投切接地过渡电阻模拟现场的接地故障。保护装置和注入电源装置按各自的《技术说明书》中要求一步步调试。

50W的绕线电阻做接地变压器的负载电阻时，可满足短时的机端金属性接地故障的容量要求。若需要满足长时间故障，需根据电压、接地变压器的电压变比核算负载电阻的容量，容量不足时，可用多个电阻并联。

动模试验接线与静态试验接线略有不同：

i)三相电容应分别挂接在发电机的机端，不再接到主机箱上；

ii)主机箱上的模拟接地点要接至发电机的定子铁芯地上；

iii)接地变压器高压侧引出端需接到发电机的中性点上；

iv)模拟接地的过渡电阻经过一个空开接至发电机模拟的故障位置。

其余和静态试验方法相同。

Claims (10)

1.一种发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，其特征是包括模拟的接地变压器、负载电阻、对地电容、接地过渡电阻、中间电流互感器(中间CT)；注入电源的输出连接至接地变压器低压侧，负载电阻接在接地变压器低压侧，中间CT安装在接地变压器低压侧；CT二次侧两端设有电流检测点，组成电流检测回路，负载电阻两端设有电压检测点，组成电压检测回路；接地变压器高压侧并联接有接地过渡电阻和对地电容；对地电容有三组，分别对应发电机三相绕组；所述模拟接地变压器、负载电阻、对地电容、接地过渡电阻、中间CT安装在若干机箱中；在同一机箱内的器件用内部导线连接，分设在不同机箱的器件通过机箱上的接线点，用外接导线相互连接组成完整电路；在各个机箱表面绘制模拟试验的电原理图，机箱上的接线点位置与其在图中的位置对应。

2.根据权利要求1所述的发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，其特征是所述模拟接地变压器设在主机箱中；所述负载电阻、对地电容和接地过渡电阻设在电阻电容箱中；所述CT设在中间CT箱中。

3.根据权利要求2所述的发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，其特征是电压测量回路中串接PT即电压互感器，在PT的两端设有接线点，用于耦合工频电压信号，模拟现场靠近发电机机端位置发生接地故障时出现的工频电压信号。

4.根据权利要求3所述的发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，其特征是在主机箱上设有多个开关，它们串接在回路中，通过投切开关模拟电压回路断线或短路、电流回路断线或短路、注入电源输出短路、接地变压器隔离刀闸闭合/断开、接地过渡电阻投入/退出工况。

5.根据权利要求4所述的发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，其特征是模拟接地变压器变比为20～80，分为5档；容量及额定电压满足在400V动模机组上进行动模试验的要求。

6.根据权利要求3所述的发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，其特征是所述负载电阻是由7个0.3Ω～3Ω的功率不小于50W的电阻串联而成，中间有抽头；所述负载电阻还预留了4块大功率电阻板，以适应动模机组做严重的定子接地模拟故障；接地过渡电阻由13个100Ω～30kΩ的功率不小于50W的电阻经过转换开关并接而成；三组对地电容，每组包括多个0.01μF～2μF、耐压不小于630V的电容，通过投切开关进行并联，形成每相0.01μF～4.99μF的电容组。

7.根据权利要求6所述的发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，其特征是电阻电容箱分为电阻电容箱1和电阻电容箱2；

电阻电容箱1的内部插件分别为：

i)由多个电阻连接而成的电阻插件，插件的阻值5.6k～30k，分为多档，通过转换开关选择阻值，模拟接地过渡电阻；

ii)由多个电阻连接而成的电阻插件，插件的阻值0～3k，分为多档，通过转换开关选择阻值，模拟接地过渡电阻；

iii)由多个电阻连接而成的电阻插件，电阻阻值0.3～3Ω，作负载电阻；

iv)三组电容插件，每组包括多个容值0.02～0.4μF的电容，通过开关投切，最大为0.99μF；

电阻电容箱2的内部插件分别为：

i)预留电阻插件，插件内部可安装8个功率不小于50W的绕线电阻，作为负载电阻；

ii)三组电容插件，每组包括多个容值1μF～2μF的电容，通过开关投切，最大为4μF。

8.根据权利要求3所述的发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏，其特征是所述中间CT箱包括5个插件，每个插件安装2个穿心式的CT，CT的一次侧额定电流为200A～800A，二次侧额定电流为1A或5A；穿心式CT的原边有二组线圈，单匝线圈接入主回路；10匝或20匝的线圈用于叠加工频电流信号。

9.一种应用权利要求1所述发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏的静态模拟试验方法，其特征是包括步骤：先根据现场的参数选择合适的电容、中间CT、负载电阻、接地变压器电压变比，并按照原理接线；再通过开关投切接地过渡电阻模拟现场的接地故障；作为被试装置的保护装置和注入电源装置按各自的《技术说明书》中要求调试。

10.一种应用权利要求1所述发电机注入式定子接地保护组合式模拟试验屏的动态模拟试验方法，其特征是包括步骤：先根据现场的参数选择合适的电容、中间CT、负载电阻、接地变压器电压变比，并按照原理接线；再通过开关投切接地过渡电阻模拟现场的接地故障；作为被试装置的保护装置和注入电源装置按各自的《技术说明书》中要求调试；其中，三相电容应分别挂接在发电机的机端；主机箱上的模拟接地点接至发电机的定子铁芯地上；接地变压器高压侧引出端接到发电机的中性点上；模拟接地的过渡电阻经过一个空开接至发电机模拟的故障位置。

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