CN102882453A - 一种同步发电机转子过电压保护装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种同步发电机转子过电压保护装置，包括取能模块、差模电流转换模块、智能判断模块和能量吸收模块，其中，取能模块的输入端连接发电机转子，利用双向在线取能技术产生差模电流转换模块的工作电源；差模电流转换模块的输出端连接智能判断模块，将产生的差模电流送入智能判断模块；智能判断模块识别发电机转子过电压类型，并据此控制能量吸收模块的动作。此种保护装置可快速而准确地检测同步发电机转子过电压的类型，并根据不同类型采用不同的解决方案，抑制发电机过电压水平，防止同步发电机转子被过电压能量击穿损坏，保护发电机转子运行安全。本发明还公开一种同步发电机转子过电压保护方法。

Description

一种同步发电机转子过电压保护装置和方法

技术领域

本发明涉及一种同步发电机转子过电压保护方法和装置，属于电机保护领域。

背景技术

同步发电机运行时，发电机转子上会由于各种原因产生不同性质的过电压，如果不能实时而准确地控制发电机转子的过电压水平，当过电压超过发电机转子的绝缘水平时，会造成发电机转子击穿损坏和发电机停运，给电厂带来巨大的直接经济损失和间接经济损坏。

发电机转子过电压大致分为三种类型：第一种是由励磁调节器调节产生的超过发电机额定励磁电压的过电压，这种类型过电压的特征为过电压倍数较小，过电压维持时间长；第二种是由于开关操作、整流元件换相、雷击等原因在发电机转子上耦合的瞬时过电压，这种类型的过电压特征为过电压倍数较大，过电压时间极短；第三种是由于发电机失步、误上电等原因，由定子磁场切割不同步旋转的转子线圈而产生的过电压，这种类型的过电压特征为过电压能量极大，过电压时间较长，破坏性大。目前，国内外励磁系统中设置的过电压保护设备均针对第二种过电压类型，采用雪崩二极管或BOD等过电压整定器件，当过电压越过整定电压后，雪崩二极管导通，将压敏电阻并接至发电机转子两端，吸收尖峰过电压；但是，由于压敏电阻的容量较小，无法保护第三种类型的过电压对发电机转子的危害，对于第三种失步过电压，由于过电压能量极大，业界仍没有很成熟的解决方法。

综上，本发明人致力于研究同步发电机转子过电压保护的问题，需要解决的问题可归纳为以下几点：

(1)发电机转子过电压倍数较高，如果采用电路板进行智能控制，解决智能保护电路板绝缘问题；

(2)同步发电机过电压来源复杂，而且如果不能及时对过电压能量进行吸收，抑制过电压倍数，就会造成发电机转子损坏，因此要解决快速而准确检测同步发电机转子过电压类型的问题；

(3)同步发电机过电压类型不同，过电压变化速度和过电压能量差别较大，对同步发电机转子进行智能过电压保护，需要解决过电压能量吸收及过电压抑制的问题。

发明内容

本发明的主要目的，在于提供一种同步发电机转子过电压保护装置和方法，其可快速而准确地检测同步发电机转子过电压的类型，并根据不同类型采用不同的解决方案，抑制发电机过电压水平，防止同步发电机转子被过电压能量击穿损坏，保护发电机转子运行安全。

为了达成上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种同步发电机转子过电压保护装置，包括取能模块、差模电流转换模块、智能判断模块和能量吸收模块，其中，取能模块的输入端连接发电机转子，利用双向在线取能技术产生差模电流转换模块的工作电源；差模电流转换模块的输出端连接智能判断模块，将产生的差模电流送入智能判断模块；智能判断模块识别发电机转子过电压类型，并据此控制能量吸收模块的动作。

上述取能模块包括两个取能电阻、全波整流桥、稳压二极管和电容并联串，两个取能电阻分别连接全波整流桥的两个输入端，稳压二极管的两端分别连接全波整流桥的两个输出端，而电容并联串与稳压二极管并联。

上述差模电流转换模块包括整流桥、整定电阻和霍尔传感器，所述整流桥的一个输出端经由整定电阻连接霍尔传感器的一个输入端，而整流桥的另一个输出端连接霍尔传感器的另一个输入端。

上述智能判断模块包括依次连接的过电压幅值与速率测量电路和智能判断过电压类型电路。

上述能量吸收模块包括第一、二组电子跨接器、由数个非线性电阻并联而成的非线性电阻串、熔断器和由数个线性电阻并联而成的线性电阻串，第一组电子跨接器、非线性电阻串和熔断器相互串联，第二组电子跨接器和线性电阻串相互串联，前述两个串联支路并联，再连接至发电机转子两端。

上述第一、二组电子跨接器均由双向可控硅构成。

一种同步发电机转子过电压保护方法，包括如下步骤：

(1)采用发电机转子双向取能方法给发电机转子过电压保护装置供应能量；

(2)使用差模电流方法检测发电机转子电压；

(3)根据转子电压过电压的类型采用不同的过电压保护与能量吸收策略，实现对发电机转子过电压的保护。

上述步骤(1)中，采用发电机转子电压双向取能技术，产生发电机转子过电压保护装置的工作电源，双向取能电路函数为：

$F\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{DS}}(1-e^{-\frac{\left|U_f\right|}{\mathrm{\&tau;}}t})& \left|U_f\right|>U_{\mathrm{DS}}\\ \left|U_f\right|& \left|U_f\right|<U_{\mathrm{DS}}\end{array}\right.$

式中，U_DS为过电压保护装置的工作电源电压，U_f为发电机转子电压，τ为取能电路时间常数，e为自然常数。

上述步骤(2)中，使用差模电流方法检测发电机转子过电压，将发电机转子两端接入检测线性高精度电阻，在电阻中形成与发电机转子电压成正比的差模电流，使用没有插入损耗的霍尔传感器检测差模电流，测量发电机转子电压，测量电路表达式如下：

$V_o=k*\frac{\left|U_f\right|}{\mathrm{\&Sigma;}{R}_n}$

式中，V_O为霍尔传感器输出的电压信号，U_f为发电机实际转子电压，k为霍尔传感器转换系数，R₁，…，R_n为取样电路电阻值。

上述步骤(3)的详细内容为：根据实时检测出的发电机转子电压幅值及变化速率，判断过电压类型，再根据过电压类型采取如下控制策略：

(a)若过电压幅值较低，时间较长，发出信号通知励磁调节器降低励磁输出，抑制转子过电压；

(b)若过电压幅值较大，变化速率快，时间短，则向与非线性电阻串联的第一组电子跨接器发出触发信号，该组电子跨接器导通，将该组电子跨接器与数个非线性电阻并联组成的能量吸收电阻以及熔断器串联后连接至发电机转子两端，吸收转子过电压能量，抑制转子过电；

(c)若过电压幅值大，变化速率低，则向与线性电阻串联的第二组电子跨接器发出触发信号，该组电子跨接器导通，将该组电子跨接器与数个线性电阻并联接入发电机转子，吸收转子过电压能量，抑制转子过电。

采用上述方案后，本发明利用高压双向在线取能技术，保证差模电流转换模块与发电机转子保持等电位状态，解决绝缘问题，取能回路供智能电路板电源；差模电路转换模块采用霍尔传感器快速形成与发电机转子电压成正比的差模电流和电压信号，智能判断模块实时检测发电机转子过电压倍数和变化速率，根据发电机过电压倍数和速率，智能分解识别发电机转子过电压类型，启动相应的能量吸收单元，快速吸收发电机转子过电压能量，从而抑制发电机过电压水平，保护发电机转子运行安全。

本发明的有益效果是：与以往的发电机转子过电压保护装置相比，本发明通过高压取能，解决智能控制板的绝缘问题，并对发电机过电压类型进行智能分析判断，根据不同的过电压类型，采用相应的过电压保护措施；并创造性提出使用线性电阻吸收发电机失步而产生的过电压能量，最大限度保护发电机转子安全，创造良好的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明的模块示意图；

图2是本发明中取能模块的电路示意图；

图3是本发明中差模电流转换模块的电路示意图；

图4是本发明中智能判断模块及能量吸收模块的工作原理示意图；

图5是本发明中智能判断模块判断过电压类型的逻辑示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种同步发电机转子过电压保护装置，包括取能模块、差模电流转换模块、智能判断模块和能量吸收模块，以下将分别介绍。

如图2所示，是本发明中取能模块的电路示意图，其主要是运用发电机转子电压双向取能技术，产生差模电流转换模块工作电源，具体来说，发电机转子电压经过取能电阻R和全波整流桥组成的双向在线取能输出回路，全波整流桥的负载为相互并联的稳压二极管和用于能量储存的多个相互并联的电容器(C₁～C_n)，稳压二极管击穿电压决定取能电路输出电压，电容和取能电阻决定取能时间，电容容量决定电源容量，由于是双向取能，不论发电机转子电压为直流还是交流，只要发电机转子回路存在电压，取能模块即可输出能量，取能电路输出电压解析式如下式：

$F\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{DS}}(1-e^{-\frac{\left|U_f\right|}{\mathrm{\&tau;}}t})& \left|U_f\right|>U_{\mathrm{DS}}\\ \left|U_f\right|& \left|U_f\right|<U_{\mathrm{DS}}\end{array}\right.$

式中，t是时间变量；U_DS为本发明发电机转子过电压保护装置的工作电源电压；U_f为发电机转子电压；τ为取能电路时间常数，为取能电阻值之和(R+R)和所有并联电容器的电容值之和(C₁+...+C_n)相乘而得的乘积；e为自然常数(取值约为2.7183.)。从解析式可知，由于U_DS较小(15V)，而U_f相比很高(1000V以上)，整个取能时间约占时间常数的1％，可以控制在毫秒以内，而且过电压倍数越高，取能时间越快。

图3为差模电流转换模块的电路示意图，发电机转子电压经过高压硅堆整流桥，提取差模信号，输出到整定电阻中，形成差模电流，基于闭环调节的霍尔传感器根据差模电流形成磁场，在数微秒的时间内调节副边输出电流和电压Vo，输出电压与发电机转子差模电压成正比，解析式如下所示：

$V_o=k*\frac{\left|U_f\right|}{\mathrm{\&Sigma;}{R}_n}$

式中，V_o为霍尔传感器输出的电压信号，U_f为发电机实际转子电压、k为霍尔传感器转换系数，R₁…R_n为整定电阻的电阻值。

图4为智能判断模块及能量吸收模块的工作原理示意图，过电压幅值与速率测量电路测得过电压的幅值大小和速率快慢，并送入智能判断过电压类型电路中；智能判断过电压类型电路根据测得的过电压幅值和速率，智能判断过电压类型，对于第一种过电压类型，保护装置向外发出信号，启动AVR降低电压；对于第二种过电压类型，设备发出触发信号，触发第一组电子跨接器(双向可控硅)导通，该电子跨接器与多个非线性电阻(NR)并联组成的能量吸收电阻以及熔断器(RD)串联后连接至发电机转子两端；对于第三种过电压类型，设备发出触发信号，触发第二组电子跨接器(双向可控硅)导通，该第二组电子跨接器与多个线性电阻(LR)并联组成的能量吸收电阻串联后连接至发电机转子两端，能量吸收电阻消耗过电压能量，达到吸收过电压能量、抑制过电压幅值、保护发电机转子运行安全的目的。其中，智能判断模块实现智能逻辑功能，判断逻辑原理如图5所示。所述智能判断模块及能量吸收模块的工作原理如下：

(1)智能判断模块实时检测副边输出电压V_o的幅值及变化速率，进行智能逻辑判断过电压类型，根据过电压类型进行智能控制；

(2)针对由于励磁调节而出现的第一种类型过电压(过电压幅值较低，时间较长)，智能判断模块发出信号通知励磁调节器(可参考图4中的类型1信号)降低励磁输出，抑制转子过电压；

(3)针对各种操作、换相、雷击等产生的第二种类型过电压(过电压幅值较大，变化速率快，时间短)，智能判断模块向与氧化锌非线性电阻(NR)串联的第一组电子跨接器发出触发信号，该组电子跨接器导通，及时将氧化锌非线性电阻并联接入发电机转子，利用氧化锌电阻优良的非线性特性，快速吸收转子尖峰过电压能量，抑制过电压倍数，过电压消失后，双向可控硅元件由于电流小于擎住电流而自动关断；

(4)针对失步而产生的第三种类型过电压(过电压幅值大，变化速率低)，智能判断模块向与线性电阻(LR)串联的第二组电子跨接器发出触发信号，该第二组电子跨接器导通，将线性电阻并联接入发电机转子，利用线性大能容特性，吸收发电机失步时经由定子耦合到转子的过电压能量，抑制转子过电。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同步发电机转子过电压保护装置，其特征在于：包括取能模块、差模电流转换模块、智能判断模块和能量吸收模块，其中，取能模块的输入端连接发电机转子，利用双向在线取能技术产生差模电流转换模块的工作电源；差模电流转换模块的输出端连接智能判断模块，将产生的差模电流送入智能判断模块；智能判断模块识别发电机转子过电压类型，并据此控制能量吸收模块的动作。

2.如权利要求1所述的一种同步发电机转子过电压保护装置，其特征在于：所述取能模块包括两个取能电阻、全波整流桥、稳压二极管和电容并联串，两个取能电阻分别连接全波整流桥的两个输入端，稳压二极管的两端分别连接全波整流桥的两个输出端，而电容并联串与稳压二极管并联。

3.如权利要求1所述的一种同步发电机转子过电压保护装置，其特征在于：所述差模电流转换模块包括整流桥、整定电阻和霍尔传感器，所述整流桥的一个输出端经由整定电阻连接霍尔传感器的一个输入端，而整流桥的另一个输出端连接霍尔传感器的另一个输入端。

4.如权利要求1所述的一种同步发电机转子过电压保护装置，其特征在于：所述智能判断模块包括依次连接的过电压幅值与速率测量电路和智能判断过电压类型电路。

5.如权利要求1所述的一种同步发电机转子过电压保护装置，其特征在于：所述能量吸收模块包括第一、二组电子跨接器、由数个非线性电阻并联而成的非线性电阻串、熔断器和由数个线性电阻并联而成的线性电阻串，第一组电子跨接器、非线性电阻串和熔断器相互串联，第二组电子跨接器和线性电阻串相互串联，前述两个串联支路并联，再连接至发电机转子两端。

6.如权利要求5所述的一种同步发电机转子过电压保护装置，其特征在于：所述第一、二组电子跨接器均由双向可控硅构成。

7.一种用于如权利要求1所述的同步发电机转子过电压保护装置的保护方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)采用发电机转子双向取能方法给发电机转子过电压保护装置供应能量；

(2)使用差模电流方法检测发电机转子电压；

(3)根据转子电压过电压的类型采用不同的过电压保护与能量吸收策略，实现对发电机转子过电压的保护。

8.如权利要求7所述的一种同步发电机转子过电压保护方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用发电机转子电压双向取能技术，产生发电机转子过电压保护装置的工作电源，双向取能电路函数为：

$F\left(t\right)=\left\{\begin{array}{cc}{U}_{\mathrm{DS}}(1-e^{-\frac{\left|U_f\right|}{\mathrm{\&tau;}}t})& \left|U_f\right|>U_{\mathrm{DS}}\\ \left|U_f\right|& \left|U_f\right|<U_{\mathrm{DS}}\end{array}\right.$

式中，U_DS为过电压保护装置的工作电源电压，U_f为发电机转子电压，τ为取能电路时间常数，e为自然常数，t是时间变量。

9.如权利要求7或8所述的一种同步发电机转子过电压保护方法，其特征在于：所述步骤(2)中，使用差模电流方法检测发电机转子过电压，将发电机转子两端接入检测线性高精度电阻，在电阻中形成与发电机转子电压成正比的差模电流，使用没有插入损耗的霍尔传感器检测差模电流，测量发电机转子电压，测量电路表达式如下：

$V_o=k*\frac{\left|U_f\right|}{\mathrm{\&Sigma;}{R}_n}$

式中，V_O为霍尔传感器输出的电压信号，U_f为发电机实际转子电压，k为霍尔传感器转换系数，R₁，…，R_n为取样电路电阻值。

10.如权利要求7所述的一种同步发电机转子过电压保护方法，其特征在于所述步骤(3)的详细内容为：根据实时检测出的发电机转子电压幅值及变化速率，判断过电压类型，再根据过电压类型采取如下控制策略：

(a)若过电压幅值较低，时间较长，发出信号通知励磁调节器降低励磁输出，抑制转子过电压；

(b)若过电压幅值较大，变化速率快，时间短，则向与非线性电阻串联的第一组电子跨接器发出触发信号，该组电子跨接器导通，将该组电子跨接器与数个非线性电阻并联组成的能量吸收电阻以及熔断器串联后连接至发电机转子两端，吸收转子过电压能量，抑制转子过电；

(c)若过电压幅值大，变化速率低，则向与线性电阻串联的第二组电子跨接器发出触发信号，该组电子跨接器导通，将该组电子跨接器与数个线性电阻并联接入发电机转子，吸收转子过电压能量，抑制转子过电。

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