CN101719657A - 一种发电机内部故障模拟系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力系统仿真模拟领域，具体涉及一种发电机内部故障模拟系统及其方法，将发电机定子、转子抽头都引入到故障模拟屏的接线盘，通过6个故障位置开关确定内部故障的位置及故障形式，故障位置开关与绕组抽头的连接可以灵活调整，以满足模拟故障试验的需要。发电机内部故障模拟与机端等外部故障模拟共用一组选相开关和故障开关，通过切换开关KD进行切换。本发明的系统可以模拟发电机端部故障、中性点侧故障及保护区外故障，发电机外部故障模拟与内部故障模拟共用一组选相开关和故障开关，它们共同构成发电机故障模拟系统，为研究发电机内部故障的特点提供了一个功能齐全的试验平台。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统仿真模拟领域，具体涉及一种发电机内部故障模拟系统及其方法。
背景技术
大型发电机在电力系统中占据电能生产的主导地位，其安全可靠运行是保证电网向整个社会提供优质电能的重要条件。由于发电机内部故障的破坏性很大，为了减轻它的损害，保证发电机的运行安全，就要提高对发电机内部故障的保护能力。
发电机的定子与转子间有相对运动，使得电机电路的电感参数大多具有时变性，电机的磁路由铁心和气隙等组成，绕组大多是分布的，这使得它的气隙磁场比较复杂，当电机正常运行和外部不对称(包括外部故障)时，气隙磁场以空间基波为主，但发电机发生内部故障时其气隙磁场谐波很强，这时发电机的电感参数不但受铁心饱和的影响还要受到谐波的影响。
当发电机端部发生三相突然短路时影响故障观测量的是超瞬变电抗，而端部三相稳态短路时影响故障观测量的则是同步电抗，所以三相突然短路电流比稳态短路电流要大几倍。但是，当发电机定子绕组内部出现故障时情况则有所不同，即使是稳态内部故障，由于气隙磁场有各种频率的序分量，阻尼绕组仍然有感应电流产生。所以发电机发生内部故障时，瞬态电流与稳态电流相比不会有发电机端部三相短路时那样大的差值。严格地讲，发电机定子绕组内部瞬态短路时，不仅定子各支路电流不相等，不同极的各阻尼回路电流也不相同，由于发电机结构的复杂性，所以当发电机发生内部故障时，各电量瞬态时与稳态时的变化规律到底有哪些不同，直接从概念推理或通过简单的计算是难以确定的，只有通过动态模拟试验才能获得准确数据。
中国专利申请200810048990公开了一种发电机内部故障暂态仿真模型及其建模方法和应用，涉及一种发电机内部故障暂态仿真模型。发电机的定子为a、b、c三相，每相各分支都分别等效为电感和电阻的串联形式；根据定子、转子各回路的电压和磁链关系，列写方程，得到微分方程组形式的数学模型，通过求解微分方程组，即可得到发电机定子绕组暂态电流和电压数值；发电机转子的阻尼绕组，只计及奇数转子极面下的阻尼绕组，并且将每个奇数转子极面下阻尼绕组等效为2根阻尼棒的形式。
上述发明专利的主要缺点是在建模过程中要把发电机作为理想电机考虑，这是发电机进行数字仿真计算的基础，既把复杂的非线形问题进行线形化处理，在此过程中又要进行了一系列的简化处理，虽然在工程应用上有一定的使用价值，其计算结果无法直接得到验证，只能做定性分析使用，做定量分析还需要做更多的工作。
目前，大型发电机内部故障主保护配置的纵差保护，通常以发电机端两相短路试验校合灵敏度系数Ksen，通常认为只要Ksen大于一个值，发电机定子绕组任何相间短路都能灵敏动作。由于发电机三相绕组在定子铁心中相互交错，分布复杂，绕组各部分互感大小不同，发电机定子绕组内部故障时，绕组的分布、连接方式、发生故障的空间位置对故障观测量的影响很大，因此发电机内部发生相间短路不能等同于机端相间短路。既发电机内部相间短路保护灵敏度系数不能简单的用机端相间短路电流来确定。此外，由于发电机外部发生短路故障，理论上不会有横差电流，因此如果没有发电机内部故障模拟系统就没有办法对内部故障的横差保护方案如单元件横差、裂相横差等保护的灵敏度进行分析校核。
无论是研究发电机内部故障对电气量的影响，还是验证发电机主保护对内部故障的保护能力及动作的灵敏性、可靠性，都需要有一个能够模拟发电机各种内部故障的模拟系统来满足科研与生产日益增长的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一个与真实运行工况相一致的试验平台，可以根据需要模拟各种发电机内部故障的发电机内部故障模拟系统。
本发明提供了一种发电机内部故障模拟系统，包括一台模拟发电机、故障模拟屏1、故障模拟屏2和控制系统，所述模拟发电机的定子绕组、转子绕组都预留有绕组抽头，定子绕组A1X1以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、9.52％处抽头，定子绕组A2X2以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、9.52％、25％、90.48％、92.86％、95.24％处抽头，转子绕组B1Y1以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、25％处抽头，以便做发电机定子匝间故障试验；
以发电机转子绕组负电压端为基准在转子绕组的20％、50％处抽头，通过滑环引出，从而可以进行转子绕组的一点接地，两点接地和匝间短路故障试验；
所有绕组抽头都通过连接电缆与故障模拟屏1的接线板连接，具体的连接关系是定子绕组A1X1以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、9.52％处的4个抽头，定子绕组A2X2以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、9.52％、25％、90.48％、92.86％、95.24％处的8个抽头，定子绕组B1Y1以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、25％处的4个抽头，共计有16个定子绕组抽头分别与故障模拟屏1的接线板的16个铜螺栓相连接，以转子绕组负电压端为基准在转子绕组的20％、50％处的2个抽头也分别与故障模拟屏1的接线板的2个铜螺栓相连接，接线板共有18个铜螺栓与发电机的定、转子绕组的18个抽头相连接，三相故障位置开关K1～K6分别与接线板的18个铜螺栓相连接，接线板用于三相故障位置开关K1～K6与接线板的18个铜螺栓之间的过渡作用，从而使得发电机的定、转子绕组的18个抽头通过接线板与三相故障位置开关K1～K6完成连接。
通过故障模拟屏1中的接线板与障模拟屏1中的故障位置开关K1～K6相连接，故障模拟屏1通过故障模拟屏2中的转换开关KD与故障模拟屏2中的故障开关KG和选相开关KA、KB、KC和KN相连通，故障模拟屏1和故障模拟屏2通过控制电缆与控制系统连接，从而完成发电机内部故障的模拟操作，通过设置上述故障位置开关K1～K6的闭合确定内部故障的位置及故障形式，故障位置开关K1～K6与绕组抽头的连接可以灵活调整，以满足模拟故障试验的需要，模拟发电机的内部故障模拟与模拟发电机的机端等外部故障模拟共用一组选相开关和故障开关，通过切换开关KD进行切换。
其中，该系统的内部故障位置可进行灵活的变换，由于发电机的定子绕组抽头及转子绕组抽头分布在不同的位置上，所有绕组抽头都通过故障模拟屏1和故障模拟屏2的接线板与故障位置开关K1～K6相连接，故障位置开关K1～K6为三相开关，其中每一个开关都连接有三个绕组抽头，通过选相开关KA、KB、KC、KN使其中两个抽头直接短路或接地，就具有8种故障组合，六个位置开关K1～K6就具有48种故障组合。
其中，还可通过调整所述接线板的顺序得到更多的故障组合方式，只要选择不同的位置开关，通过选相开关KA、KB、KC、KN就可灵活变换内部故障的位置。
其中，所述模拟发电机的机端装有一组电流互感器CT3，每相绕组的2个支路的中性点侧各装有一组电流互感器CT1和CT2、定子绕组的Y1支路的中性点与Y2支路的中性点之间跨接一只电流互感器CT0，模拟发电机的机端另装有一组专用电压互感器PT1，其用于模拟发电机纵向零序的电压保护，模拟发电机的中性点装有一只电压互感器PT0，从而可组成完全差动保护、不完全差动保护、单元件差动保护、裂相横差保护和纵向零序电压保护的模拟发电机的保护方案。
其中，所述发电机故障模拟系统可以模拟发电机端部故障、中性点侧故障和保护区外故障。
本发明还提供了一种使用上述的系统的方法，包括以下步骤：
(1)选择故障位置开关K1～K6中的一个开关，所述故障位置开关K1～K6为三相开关，然后闭合该位置开关使与其相连接的三个发电机绕组抽头与该位置开关后面的转换开关KD电路连通；
(2)然后闭合转换开关KD，使选中的故障位置开关K1～K6中的一个开关通过转换开关KD与故障开关KG相连通，再根据需要选择选相开关KA、KB、KC、KN中的两个开关进行闭合操作，使三个发电机绕组抽头中的一个同选相开关KA、KB、KC中的一个与KN对地形成回路或选相开关KA、KB、KC中的两个形成匝间回路；
(3)完成(1)、(2)步骤之后由控制系统按照设定的时间操作故障开关KG的合与断，上述操作既完成了发电机内部故障的模拟。
本发明的有益效果是：
1、模拟发电机外部故障与模拟发电机内部故障可以灵活选择。
2、能够模拟多种发电机内部故障，灵活变换内部故障位置。
附图说明
下面结合附图对本发明进一步说明。
图1是依据本发明的模拟系统的发电机定子绕组抽头示意图；
图2是依据本发明的模拟系统的发电机转子绕组抽头示意图；
图3是依据本发明的模拟系统的发电机内部故障模拟试验连线示意图；
图4是依据本发明的模拟系统的发电机故障模拟系统连线示意图；
图5是依据本发明的模拟系统的模拟发电机可接入保护配置示意图；
图6是依据本发明的模拟系统各部分连接示意图；
图7是依据本发明的模拟试验录波图，A、B相的电流有24％的波动。
具体实施方式
以下结合本附图对本发明实现的技术方案做进一步说明。
1、发电机定子绕组要进行相间短路、绕组一点接地、绕组匝间短路等实验，因此发电机定子绕组要留有抽头引线以备试验时使用。
模拟发电机定子绕组在A1X1绕组以发电机中性点为基准在1.19％(1匝)、2.38％(2匝)、4.76％(4匝)、9.52％(8匝)处抽头。A2X2绕组以发电机中性点为基准在1.19％(1匝)、2.38％(2匝)、4.76％(4匝)、9.52％(8匝)、25％(21匝)、90.48％(76匝)、92.86％(78匝)、95.24％(80匝)处抽头。B1Y1绕组以发电机中性点为基准在1.19％(1匝)、2.38％(2匝)、4.76％(4匝)、25％(21匝)处抽头，定子绕组所有抽头引入故障模拟屏的接线盘，以便做发电机定子匝间故障试验。
2、将发电机定子、转子抽头都引入到故障模拟屏的接线盘，通过6个故障位置开关确定内部故障的位置及故障形式，故障位置开关与绕组抽头的连接可以灵活调整，以满足模拟故障试验的需要。发电机内部故障模拟与机端等外部故障模拟共用一组选相开关和故障开关，通过切换开关KD进行切换。
3、发电机故障模拟系统可以模拟发电机端部故障、中性点侧故障及保护区外故障，发电机外部故障模拟与内部故障模拟共用一组选相开关和故障开关，它们共同构成发电机故障模拟系统，为研究发电机内部故障的特点提供了一个功能齐全的试验平台。
4、发电机机端装有一组CT3，每相绕组的2个支路的中性点侧各装有一组CT1、CT2、定子绕组的Y1支路的中性点与Y2支路的中性点之间跨接一只CT0，发电机端部另装有一组专用PT1用于发电机纵向零序电压保护，发电机中性点装有一只PT0。这些资源可以组成完全差动保护、不完全差动保护、单元件差动保护、裂相横差保护、纵向零序电压保护等保护方案。
发电机内部故障模拟系统，由一台模拟发电机和两个故障模拟屏及其控制系统组成发电机内部故障模拟系统，模拟发电机的定子绕组、转子绕组都预留有绕组抽头，其定子绕组抽头、转子绕组抽头如图1、图2所示，所有绕组抽头都接入到故障模拟屏1的接线板，通过故障模拟屏1中的接线板与该屏中的故障位置开关相连接如图3的开关K1～K6，模拟屏1通过模拟屏2中的开关KD与模拟屏2中的故障开关KG，选相开关KA、KB、KC、KN相连接，如图3所示，2个故障模拟屏通过远方控制系统完成发电机内部故障模拟操作。
本发明提供的使用上述模拟系统的发电机内部故障的模拟方法，是根据试验工作需要，选择图4中的开关K1～K6中的一个开关，然后闭合该开关使与其相连接的发电机绕组抽头与该开关后面的电路连通，然后闭合转换开关KD，使选中的故障位置开关与故障开关KG相连通，再根据需要选择图3中的选相开关KA、KB、KC、KN中的两个开关进行闭合操作，之后由控制系统按照设定的时间操作故障开关KG的合、断，上述操作既完成了发电机内部故障的模拟。
本发明的系统和方法能够灵活变换发电机内部故障位置和故障类型(如相间短路或匝间短路)，如图3所示由于发电机定子及转子绕组的抽头分布在不同的位置上，其抽头通过接线板与位置开关K1～K6相连接，位置开关K1～K6为三相开关，其中任一各开关都连接三个绕组抽头，通过选相开关KA、KB、KC、KN中的两个开关进行闭合操作，使其中两个抽头直接短路或接地，可以有8种故障组合，六个位置开关K1～K6可以有48种故障组合，如需要还可以调整接线板的顺序得到更多的故障组合，所以只要选择不同的位置开关，通过选相开关KA、KB、KC、KN就可以灵活变换内部故障的位置。如图3所示，闭合模拟屏1中的位置开关K3，与K3相连的发电机定子绕组A1支路对中性点短路匝数抽头分别为9.52％、4.78％、2.38％，闭合三相开关KD后，K3便与三相故障开关KG及选相开关KA、KB、KC、KN相连通，闭合选相开关KA、KN，闭合K4这样发电机定子绕组A1支路对中性点短路匝数抽头为9.52％的一路通过故障开关与接地点相连接，此时，设定好故障开关KG的闭合时间为40ms(需要设定)，启动控制器控制故障开关按设定好时间闭合三相故障开关KG，于是定子绕组A1支路对中性点短路匝数抽头为9.52％便发生40ms的接地故障。
图4是依据本发明的模拟系统的发电机故障模拟系统连线示意图，图4中开关三相开关KD、三相开关K1、三相开关K2、三相开关K3是确定模拟故障发生位置的定位开关，其中三相开关KD既是图3中的KD，图4中三相开关K1、三相开关K2、三相开关K3是确定发电机外部故障位置的。其中，三相开关K1、三相开关K2位于发电机机端CT(30A/5A)的前和后，三相开关K1是模拟发电机端保护区内外部故障的位置开关，而三相开关K2是模拟发电机端保护区内故障的位置开关，三相开关K3是模拟发电机中性点处保护区内故障的位置开关，三相开关KD是与发电机内部故障的位置开关(图3中三相开关K1、K2、K3、K4、K5、K6)相连接使用。
图5是依据本发明的模拟系统的模拟发电机可接入保护配置示意图。发电机是双y绕组，机端配置一组(三相)电流互感器CT3，发电机绕组中性点侧两个分支绕组分别配置一组(三相)电流互感器CT1和CT2，在两个分支绕组间配置一只电流互感器CT0。发电机端侧还配置有电压互感器PT1，绕组中性点配置有电压互感器PT0，这些测量元件的不同组合(如图5所示)可为不同的保护配置提供测量元件。
图6是依据本发明的模拟系统各部分连接示意图。
如图所示，发电机定、转子的绕组抽头经电缆接入发电机故障模拟屏1，故障模拟屏1中装有图3中的三相开关K1、K2、K3、K4、K5、K6，发电机故障模拟屏2中装有图4中的三相开关K1、K2、K3和图3中的三相开关KA、KB、KC、KN、KG、KD。故障模拟屏1、故障模拟屏2中的开关经控制电缆连接到主控室，由故障模拟控制系统进行控制操作。
模拟发电机绕组内部A绕组9.52％(8匝)处抽头与B绕组25％(21匝)处发生相间短路。
试验时，故障位置开关K5中A2-25％的连线与K2中B1-2.38％的连线对调，这样故障位置开关K2的A相与B1-9.52％相联，故障位置开关K2的C相与A2-25％相联，然后分别闭合故障位置开关K2，闭合转换开关KD，闭合选相开关KA、KC。设定故障时间为160ms，通过控制器操作故障开关按设定的时间进行闭合，发电机内部故障模拟系统便成功的模拟了该处A、B相发生160ms内部相间短路故障。
图7是本发明的模拟试验录波图，A、B相的电流有24％的波动。
录波图的前三路是发电机三相绕组的电压UA、UB、UC，后三路是发电机三相绕组的电流IA、IB、IC。
此处已经根据特定的示例性实施例对本发明进行了描述。对本领域的技术人员来说在不脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将是显而易见的。示例性的实施例仅仅是例证性的，而不是对本发明的范围的限制，本发明的范围由所附的权利要求定义。
Claims (6)
1.一种发电机内部故障模拟系统，其特征在于，包括一台模拟发电机、故障模拟屏1、故障模拟屏2和控制系统，所述模拟发电机的定子绕组、转子绕组都预留有绕组抽头，定子绕组A1X1以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、9.52％处抽头，定子绕组A2X2以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、9.52％、25％、90.48％、92.86％、95.24％处抽头，转子绕组B1Y1以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、25％处抽头，以便做发电机定子匝间故障试验；
以发电机转子绕组负电压端为基准在转子绕组的20％、50％处抽头，通过滑环引出，从而可以进行转子绕组的一点接地，两点接地和匝间短路故障试验；
所有绕组抽头都通过连接电缆与故障模拟屏1的接线板连接，具体的连接关系是定子绕组A1X1以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、9.52％处的4个抽头，定子绕组A2X2以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、9.52％、25％、90.48％、92.86％、95.24％处的8个抽头，定子绕组B1Y1以发电机中性点为基准基本在1.19％、2.38％、4.76％、25％处的4个抽头，共计有16个定子绕组抽头分别与故障模拟屏1的接线板的16个铜螺栓相连接，以转子绕组负电压端为基准在转子绕组的20％、50％处的2个抽头也分别与故障模拟屏1的接线板的2个铜螺栓相连接，接线板共有18个铜螺栓与发电机的定、转子绕组的18个抽头相连接，三相故障位置开关K1～K6分别与接线板的18个铜螺栓相连接，接线板用于三相故障位置开关K1～K6与接线板的18个铜螺栓之间的过渡作用，从而使得发电机的定、转子绕组的18个抽头通过接线板与三相故障位置开关K1～K6完成连接。
通过故障模拟屏1中的接线板与障模拟屏1中的故障位置开关K1～K6相连接，故障模拟屏1通过故障模拟屏2中的转换开关KD与故障模拟屏2中的故障开关KG和选相开关KA、KB、KC和KN相连通，故障模拟屏1和故障模拟屏2通过控制电缆与控制系统连接，从而完成发电机内部故障的模拟操作，通过设置上述故障位置开关K1～K6的闭合确定内部故障的位置及故障形式，故障位置开关K1～K6与绕组抽头的连接可以灵活调整，以满足模拟故障试验的需要，模拟发电机的内部故障模拟与模拟发电机的机端等外部故障模拟共用一组选相开关和故障开关，通过切换开关KD进行切换。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于该系统的内部故障位置可进行灵活的变换，由于发电机的定子绕组抽头及转子绕组抽头分布在不同的位置上，所有绕组抽头都通过故障模拟屏1和故障模拟屏2的接线板与故障位置开关K1～K6相连接，故障位置开关K1～K6为三相开关，其中每一个开关都连接有三个绕组抽头，通过选相开关KA、KB、KC、KN使其中两个抽头直接短路或接地，就具有8种故障组合，六个位置开关K1～K6就具有48种故障组合。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于还可通过调整所述接线板的顺序得到更多的故障组合方式，只要选择不同的位置开关，通过选相开关KA、KB、KC、KN就可灵活变换内部故障的位置。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于所述模拟发电机的机端装有一组电流互感器CT3，每相绕组的2个支路的中性点侧各装有一组电流互感器CT1和CT2、定子绕组的Y1支路的中性点与Y2支路的中性点之间跨接一只电流互感器CTO，模拟发电机的机端另装有一组专用电压互感器PT1，其用于模拟发电机纵向零序的电压保护，模拟发电机的中性点装有一只电压互感器PTO，从而可组成完全差动保护、不完全差动保护、单元件差动保护、裂相横差保护和纵向零序电压保护的模拟发电机的保护方案。
5.如权利要求1-4所述的系统，其特征在于所述发电机故障模拟系统可以模拟发电机端部故障、中性点侧故障和保护区外故障。
6.一种使用权利要求1-5所述的系统的方法，包括以下步骤：
(1)选择故障位置开关K1～K6中的一个开关，所述故障位置开关K1～K6为三相开关，然后闭合该位置开关使与其相连接的三个发电机绕组抽头与该位置开关后面的转换开关KD电路连通；
(2)然后闭合转换开关KD，使选中的故障位置开关K1～K6中的一个开关通过转换开关KD与故障开关KG相连通，再根据需要选择选相开关KA、KB、KC、KN中的两个开关进行闭合操作，使三个发电机绕组抽头中的一个同选相开关KA、KB、KC中的一个与KN对地形成回路或选相开关KA、KB、KC中的两个形成匝间回路；
(3)完成(1)、(2)步骤之后由控制系统按照设定的时间操作故障开关KG的合与断，上述操作既完成了发电机内部故障的模拟。
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