CN103368162B - 采用电阻分压式发电机转子接地保护方法 - Google Patents

Abstract

一种采用电阻分压式的发电机转子接地保护方法，包括采用电阻分压的乒乓式发电机转子接地保护和电阻分压的注入式发电机转子接地保护方法，其特征是降低接入保护屏的励磁电压，同时利用对不同抽取电阻的切换，正确定位接地故障发生在励磁回路还是测量回路引线上，并通过计算定位第两点的接地阻值及位置，为现场故障点的排查提供理论数据；本发明针对传统发电机乒乓式和注入转子接地保护存在的不足，针对传统注入式和乒乓式发电机转子接地保护的进一步改进，降低接入保护屏的励磁电压，满足现场一点接地阻值及位置测量的准确性。

Description

采用电阻分压式发电机转子接地保护方法

技术领域

本发明是关于一种关于对机组励磁电压使用大功率电阻分压后参与发电机转子接地保护的方法，属于发电机转子接地保护领域。

背景技术

随着发电机单机容量的不断增大，转子电压越来越高，许多大型机组正常情况下励磁电压500-600V，而强励电压达上千伏，直接将励磁电压引入保护屏将会对人员、设备绝缘造成安全隐患，同时对转子电压测量通道耐压要求更高。根据GB14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》6.1.2条要求，二次回路的工作电压不宜超过250V，最大不应超过500V，而且在长期运行、电缆老化的情况下，转子电压二次回路绝缘水平有可能降低，存在隐患。同时对于传统乒乓式转子接地保护以及注入式转子接地保护，在励磁绕组正负两端发生接地和测量回路的引线接地保护装置无法正确区分，发生第二点接地故障时只有Δα相对位置显示，而无第二点接地的阻值与接地位置计算。事实上针对第二点不同的接地阻值，即使在同一个位置发生接地，其计算的相对一点接地位置变化值Δα是不定的，不能为现场对于故障点定位提供有意义的参考数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有的大型发电机组乒乓式、注入式转子接地保护在转子电压全电压引入时，过高的电压对人身、设备的安全造成隐患；以及无法正确区分励磁绕组正负两端发生接地和测量回路的引线接地等方面的不足。

本发明通过以下技术方案实现：一种采用电阻分压式的发电机转子接地保护方法，采用电阻分压的乒乓式发电机转子接地保护和电阻分压的注入式发电机转子接地保护方法，利用对不同抽取电阻的切换，正确定位接地故障发生在励磁回路还是测量回路引线上，并通过计算定位第两点的接地阻值及位置，为现场故障点的排查提供理论数据；

1）电阻分压式的发电机转子接地保护中，采样电阻R_a、R_b、R_c串接于U_r；其中采用电阻R_a、R_b、R_c分压的乒乓式转子一点接地时，R_g为接地电阻，R为串联于R_a、R_b与R_b、R_c之间的四只标准电阻，S₁、S₂分别是并联于头与末的两个开关；I₁、I₂为S₁打开，S₂闭合时对应回路流过电流，I′₁、I′₂为S₁闭合，S₂打开时对应回路流过的电流，均为实测值；U_r为保护测量的分压后转子电压除以抽取比例，发电机转子接地保护方法的U_r定义相同；当分压电阻R_a=R_c时，根据采样数据得到一点接地电阻值计算公式为：

$R_g=\frac{({2I}_1+I_2)-(I_1^{\′}+{2I}_2^{\′})}{(I_1^{\′}+I_2^{\′})-(I_1+I_2)}\×\frac{R}{2}-\frac{R_c}{2}$

转子接地位置α计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\·[\frac{{2\mathrm{RI}}_1+2(I_1+I_2)\·R_g^{\′}+I_{2}R}{U_r}+1]$

其中

$R_g^{\′}=\frac{({2I}_1+I_2)-(I_1^{\′}+{2I}_2^{\′})}{(I_1^{\′}+I_2^{\′})-(I_1+I_2)}\×\frac{R}{2};$

2）当采用电阻分压的双端注入式转子一点接地，U_s为注入方波电压与采样电阻R_x、接地电阻R_g串联接入αU_r与两个功率电阻R_y之间，两个功率电阻R_y取代四只标准电阻R，U⁺ _x为正半波时采样电阻R_x两端电压，U^- _x为负半波采样电阻R_x两端电压。当分压电阻R_a=R_c时，根据采样数据得到一点接地电阻值计算公式为：

$R_g=(\frac{{2U}_s}{U_x^{+}-U_x^{-}}-1)R_x-\frac{1}{2}{R}_y-\frac{R_c}{2}$

接地位置α为：

$\mathrm{\α}=\frac{U_s}{U_r}\×\frac{U_x^{+}+U_x^{-}}{U_x^{+}-U_x^{-}}+\frac{1}{2};$

3）励磁回路接地与测量回路引线接地区分：

由于分压电阻与励磁回路是并联关系，因此在R_a=R_c的前提下，保护测量引线上发生接地，那么测得的接地位置符合以下关系

$\mathrm{\α}=\frac{R_a}{R_a+R_b+R_c}$ 或 $\mathrm{\α}=\frac{R_b+R_c}{R_a+R_b+R_c}$

因此，在一点接地位置与上述特殊位置接近时，通过调整不同的抽取比例进行区分；如图9通过切换空开1K1、1K2进行选择不同的抽取比例；或根据接地位置是否按规律变化来判断出接地点是在励磁回路上，还是测量回路的引线上：

励磁回路接地与测量回路引线接地区分中，在励磁回路上接地时，1/2抽取与1/3抽取的计算接地位置不受影响；

在测量回路引线上形成稳定的一点接地时，1/2抽取与1/3抽取的计算接地位置满足 $\mathrm{\α}=\frac{R_a}{R_a+R_b+R_c}$ 或 $\mathrm{\α}=\frac{R_b+R_c}{R_a+R_b+R_c},$ 接地位置因抽取电压比例的不同而变化。

进一步，对发电机励磁柜上采用大功率电阻对转子电压进行分压抽取后再接入继电保护装置，可以降低测量回路的转子电压，同时转子电压二次回路降低对保护转子直流通道的要求也可以有所降低。

进一步，对采用电阻分压后的乒乓式转子接地保护和注入式转子接地保护的算法进行改进，改进后的算法通过仿真验证了该方法对转子一点接地电阻阻值以及接地位置都能准确测量，满足对转子接地保护算法的要求。

分压电阻采用大功率电阻，能满足现场长期带电运行的需要。

分压电阻R_a、R_b、R_c安装于励磁柜中，且分压电阻阻值不宜过大，取2-5K。

在满足R_a=R_c的前提下，在励磁柜中安装切换空开，使转子接地保护可满足抽取不同比例的励磁电压。通过对不同抽取电压的切换，能定位接地发生在测量回路引线上还是励磁回路上。在定值选项中提供可整定的分压系数，以满足现场不同的抽取比例，用于接地位置的计算。所抽取分压电阻的两端阻值开放整定，用于接地电阻的计算。

在抽取比例1/N,保护测得的接地位置为(N-1)/2N或(N+1)/2N时，通过对励磁柜切换空开，将抽取电压比例进行改变。如接地位置发生变化，且满足与切换后的抽取比例相关，可确定接地位置位于测量回路引线电缆上。如接地位置维持原状，则判断接地点在励磁回路上，从而为现场故障定位提供极大的便利。

在转子经R_g1一点接地形成稳定后，投入转子两点接地保护；若在β位置发生第两点接地，接地电阻R_g2，保护测量到的等效一点接地阻值R_f，测量到的等效一点接地位置α'；第二点的接地电阻与接地位置如下式：

$R_{g2}=\frac{R_{g1}\·R_f}{R_{g1}-R_f}$

$\mathrm{\β}={\mathrm{\α}}^{\′}+\frac{R_f}{R_{g1}-R_f}({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})$

本发明方法对转子一点接地稳定后，能够有效的测量出转子第二点的接地电阻阻值和接地位置，可以为现场进行转子故障提供准确数据。通过对转子电压进行不同比例的抽取切换，能够正确区分励磁绕组正负两端发生接地还是测量回路的引线接地，为现场转子接地故障定位提供极大的方便。

本发明的有益效果在于：本发明针对传统发电机乒乓式和注入转子接地保护存在的不足，针对传统注入式和乒乓式发电机转子接地保护的进一步改进，提出采用电阻分压式的转子接地保护，既能降低接入保护屏的励磁电压，满足现场一点接地阻值及位置测量的准确性，又可以利用对不同抽取电阻的切换，正确定位接地故障是发生在励磁回路还是测量回路引线上，并通过计算定位第两点的接地阻值及位置，为现场故障点的排查提供理论数据。

附图说明

图1为采用电阻分压的乒乓式转子接地保护原理图；

图2为采用电阻分压的双端注入式转子接地保护原理图；

图3为在测量回路引线电缆上经1kΩ和5kΩ发生故障接地，电阻分压的乒乓式和双端注入式转子接地保护分别对转子电压抽取比例为1/2、1/3时的仿真图；

图4为励磁绕组在40%分别经1kΩ和5kΩ发生故障接地，电阻分压的乒乓式和双端注入式转子接地保护分别对转子电压抽取比例为1/3时的仿真图；

图5为采用电阻分压的乒乓式转子接地保护在励磁绕组40%位置分别经1kΩ和5kΩ接地的仿真图，抽取比例为1/2；

图6为采用电阻分压的双端注入转子接地保护在励磁绕组40%位置分别经1kΩ和5kΩ接地的仿真图，抽取比例为1/2；

图7为采用电阻分压的乒乓式转子接地保护第一点接地位置40%，接地电阻1kΩ形成稳定后，第二点经5kΩ在励磁绕组0%、50%、100%发生接地时的仿真图，抽取比例为1/2；

图8为采用电阻分压的双端注入式转子接地保护第一点接地位置40%，接地电阻1kΩ形成稳定后，第二点经5kΩ在励磁绕组0%、50%、100%发生接地时的仿真图，抽取比例为1/2；

图9为励磁柜分压比例切换开关与分压电阻、测量回路接线图，分压电阻取：R_a1=R_c1=3kΩ，R_a2=R_c2=1kΩ，R_b=4kΩ。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进行进一步的详细描述，步骤如下：

1、对采用电阻分压的乒乓式转子接地保护方法的具体实施：

采样电阻分压的乒乓式转子一点接地等效电路如图1所示，其中S₁、S₂为电子开关，R_g为接地电阻。I₁、I₂为S₁打开，S₂闭合时对应回路流过电流，I′₁、I′₂为S₁闭合，S₂打开时对应回路流过的电流，均为实测值。U_r为转子电压，为保护测量的分压后转子电压除以抽取比例，注入式定义与此相同。根据采样数据得到一点接地电阻值计算公式为：

$R_g=\frac{R(I_1^{\′}-2I_1+{2I}_2^{\′}-I_2)}{2(I_1+I_2-I_1^{\′}-I_2^{\′})}-R_a\frac{(I_1-I_1^{\′})(R_b+R_c)+(I_2-I_2^{\′})R_c}{2(R_a+R_b+R_c)(I_1+I_2-I_1^{\′}-I_2^{\′})}-R_c\frac{(I_1-I_1^{\′})R_a+(I_2-I_2^{\′})(R_a+R_b)}{2(I_1+I_2-I_1^{\′}-I_2^{\′})(R_a+R_b+R_c)}---\left(1\right)$

当分压电阻R_a=R_c时，式(1)可以化简为

$R_g=\frac{({2I}_1+I_2)-(I_1^{\′}+{2I}_2^{\′})}{(I_1^{\′}+I_2^{\′})-(I_1+I_2)}\×\frac{R}{2}-\frac{R_c}{2}---\left(2\right)$

接地位置计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\·[\frac{{2\mathrm{RI}}_1+2(I_1+I_2)\·R_g^{\′}+I_{2}R}{U_r}+1]---\left(3\right)$

其中式(3)中

$R_g^{\′}=\frac{({2I}_1+I_2)-(I_1^{\′}+{2I}_2^{\′})}{(I_1^{\′}+I_2^{\′})-(I_1+I_2)}\×\frac{R}{2}---\left(4\right)$

2、对采用电阻分压的双端注入式转子接地保护方法的具体实施：

采样电阻分压的双端注入式转子一点接地等效电路如图2所示，U_s为注入方波电压，U⁺ _x为正半波时采样电阻R_x两端电压，U^- _x为负半波采样电阻R_x两端电压根据采样数据得到一点接地电阻值计算公式为：

$R_g=(\frac{{2U}_s}{U_x^{+}-U_x^{-}}-1)R_x-\frac{1}{2}{R}_y-\frac{(I_1-I_1^{\′})\×R_b\×(R_a-R_c)\×R_x}{(U_x^{+}-U_x^{-})\×(R_a+R_b+R_c)\×2}-\frac{R_c\×(2R_a+R_b)}{2\×(R_a+R_b+R_c)}---\left(5\right)$

当分压电阻R_a=R_c时，式(5)可以化简为

$R_g=(\frac{{2U}_s}{U_x^{+}-U_x^{-}}-1)R_x-\frac{1}{2}{R}_y-\frac{R_c}{2}---\left(6\right)$

接地位置α计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{U_s}{U_r}\×\frac{U_x^{+}+U_x^{-}}{U_x^{+}-U_x^{-}}+\frac{1}{2}---\left(7\right)$

3、对于励磁回路接地与测量回路引线接地区分的具体实施：

由于分压电阻与励磁回路是并联关系，因此在R_a=R_c的前提下，保护测量引线上发生接地，那么测得的接地位置符合以下关系

$\mathrm{\α}=\frac{R_a}{R_a+R_b+R_c}$ 或 $\mathrm{\α}=\frac{R_b+R_c}{R_a+R_b+R_c}---\left(8\right)$

因此，在一点接地位置与上述特殊位置接近时，可以通过调整不同的抽取比例，如附图9所示，通过切换空开1K1、1K2进行选择不同的抽取比例。根据接地位置是否按规律变化来判断出接地点是在励磁回路上，还是测量回路的引线上。如附图3所示，在测量回路引线上接地，1/2抽取与1/3抽取的计算接地位置不同，且满足上述分析，在励磁回路上形成稳定的一点接地，其接地位置如附图4-6所示，接地位置不会因抽取电压比例的不同而变化。

4、对于形成稳定的两点接地位置定位的具体实施：

在转子经R_g1一点接地形成稳定后，投入转子两点接地保护。设在β位置发生第两点接地，接地电阻R_g2，忽略励磁绕组本身阻值，保护测量到的接地阻值R_f实际为R_g1与R_g2的并联电阻。而测量到的等效一点接地位置α'为α与β的中间某点位置，该点位置与R_g1、R_g2的阻值有关，存在以下关系

(α′-α)R_g2＝(β-α′)R_g1(9)

经化简后得到第二点的接地电阻与接地位置如下式(10)、(11)所示

$R_{g2}=\frac{R_{g1}\·R_f}{R_{g1}-R_f}---\left(10\right)$

$\mathrm{\β}={\mathrm{\α}}^{\′}+\frac{R_f}{R_{g1}-R_f}({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α})---\left(11\right)$

以上各计算式以三峡左岸ALSTOM机组励磁绕组为模型的PSCAD/EMTDC上建立仿真。经仿真数据表明，在发电机空载情况下，采用电阻分压的转子接地保护对一点接地阻值、位置的计算准确；对于励磁绕组的接地或保护测量回路的接地可以通过不同抽取电压的切换进行识别；对两点接地的阻值、位置计算准确，能为现场故障点的查找提供理论依据。

附图非限制性地公开了本发明实施例的具体结构，下面结合附图对本发明作进一步说明。

由图3可见，对于乒乓式和注入式，在引线电缆上发生接地，抽取方式一定的前提下，计算的接地位置与阻值无关。当判断出接地位置与电压抽取比例相关，如抽取比例为1/N,而保护测得的接地位置为(N-1)/2N或(N+1)/2N时，通过励磁柜切换空开，将抽取电压选择为另一种抽取方式。如接地位置发生变化，且满足与切换后的抽取比例相关，可以确定接地位置位于测量回路引线电缆上。如接地位置维持原状，则接地点在励磁回路上。

由图4、5、6可见，在一点接地稳定后，采用分压方式的乒乓式与双端注入式均能准确反应接地电阻及接地位置。对于不同的阻值，在转子绕组上发生稳定的一点接地时，所测的接地位置不会因为抽取比例的不同而受影响。

由图7、8可见，电阻分压方式的转子接地保护在第一点接地电阻为1kΩ时第二点接地位置、阻值计算与实际接地位置及阻值误差较小，能正确反应两点接地，可以为现场故障点定位提供准确数据。

由图9可见，通过切换空开1K1、1K2选择不同的抽取电压比例，用于接地位置特殊时，区分励磁回路和测量回路引线接地故障。

Claims (6)

1.一种采用电阻分压式的发电机转子接地保护方法，包括采用电阻分压的乒乓式发电机转子接地保护和电阻分压的注入式发电机转子接地保护方法，其特征是降低接入保护屏的励磁电压，同时利用对不同抽取电阻的切换，正确定位接地故障发生在励磁回路还是测量回路引线上，并通过计算定位第两点的接地阻值及位置，为现场故障点的排查提供理论数据；

1)电阻分压式的发电机转子接地保护中，分压电阻R_a、R_b、R_c串接于U_r；其中采用电阻R_a、R_b、R_c分压的乒乓式转子一点接地时，R_g为接地电阻，R为串联于R_a、R_b与R_b、R_c之间的四只标准电阻，S₁、S₂分别是并联于头与末两只电阻R上的电子切换开关；I₁、I₂为S₁打开，S₂闭合时对应回路流过电流，I′₁、I′₂为S₁闭合，S₂打开时对应回路流过的电流，均为实测值；U_r为保护测量的分压后转子电压除以抽取比例，发电机转子接地保护方法的U_r定义相同；当分压电阻R_a＝R_c时，根据采样数据得到一点接地电阻值计算公式为：

当分压电阻R_a＝R_c时，化简为：

$R_g=\frac{(2I_1+I_2)-(I_1^{\′}+2I_2^{\′})}{\left(I_1^{\′}+I_2^{\′}\right)-(I_1+I_2)}\×\frac{R}{2}-\frac{R_c}{2}$

转子接地位置α计算公式为：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}\·\[\frac{2{\mathrm{RI}}_1+2(I_1+I_2)\·R_g^{\′}+I_{2}R}{U_r}+1\]$

其中：

$R_g^{\′}=\frac{(2I_1+I_2)-(I_1^{\′}+2I_2^{\′})}{(I_1^{\′}+I_2^{\′})-(I_1+I_2)}\×\frac{R}{2};$

2)当采用电阻分压的双端注入式转子一点接地，U_s为注入方波电压，与采样电阻R_x、接地电阻R_g串联接入αU_r与两个功率电阻R_y之间，两个功率电阻R_y取代四只标准电阻R，U⁺ _x为正半波时采样电阻R_x两端电压，U^- _x为负半波时采样电阻R_x两端电压；当分压电阻R_a＝R_c时，根据采样数据得到一点接地电阻值计算公式为：

$R_g=\left(\frac{2U_s}{U_x^{+}-U_x^{-}}-1\right)R_x-\frac{1}{2}{R}_y-\frac{R_c}{2}$

接地位置α为：

$\mathrm{\α}=\frac{U_s}{U_r}\×\frac{U_x^{+}+U_x^{-}}{U_x^{+}-U_x^{-}}+\frac{1}{2};$

3)励磁回路接地与测量回路引线接地区分：

由于分压电阻与励磁回路是并联关系，因此在R_a＝R_c的前提下，保护测量引线上发生接地，那么测得的接地位置符合以下关系式：

$\mathrm{\α}=\frac{R_a}{R_a+R_b+R_c}$ 或 $\mathrm{\α}=\frac{R_b+R_c}{R_a+R_b+R_c}$

因此，在一点接地位置与上述关系式位置接近时，通过调整不同的抽取比例，根据接地位置是否按规律变化来判断出接地点是在励磁回路上，还是测量回路的引线上。

2.根据权利要求1所述的采用电阻分压式的发电机转子接地保护方法，其特征是：

励磁回路接地与测量回路引线接地区分中，在励磁回路上接地时，1/2抽取与1/3抽取的计算接地位置不受影响；

在测量回路引线上形成稳定的一点接地时，1/2抽取与1/3抽取的计算接地位置满足或接地位置因抽取电压比例的不同而变化。

3.根据权利要求1所述的采用电阻分压式的发电机转子接地保护方法，其特征是：在发电机励磁柜内采用大功率电阻对转子电压进行分压抽取后再接入继电保护装置。

4.根据权利要求1所述的采用电阻分压式的发电机转子接地保护方法，其特征是：分压电阻R_a、R_b、R_c安装于励磁柜中，且分压电阻阻值不宜过大，取2-5K。

5.根据权利要求1所述的采用电阻分压式的发电机转子接地保护方法，其特征是：区分励磁回路和测量回路接地的方法中，在抽取比例1/N，保护测得的接地位置为(N-1)/2N或(N+1)/2N时，通过对励磁柜切换空开，将抽取电压比例进行改变；如接地位置发生变化，且满足与切换后的抽取比例相关，可确定接地位置位于测量回路引线电缆上；如接地位置维持原状，则判断接地点在励磁回路上，从而为现场故障定位提供极大的便利。

6.根据权利要求1所述的采用电阻分压式的发电机转子接地保护方法，其特征是：两点接地阻值及位置的计算方法：在转子经R_g1一点接地形成稳定后，投入转子两点接地保护；若在β位置发生第两点接地，接地电阻R_g2，保护测量到的等效一点接地阻值R_f，测量到的等效一点接地位置α′；第二点的接地电阻与接地位置如下式：

$R_{g2}=\frac{R_{g1}\·R_f}{R_{g1}-R_f}$

$\mathrm{\β}={\mathrm{\α}}^{\′}+\frac{R_f}{R_{g1}-R_f}({\mathrm{\α}}^{\′}-\mathrm{\α}).$