CN105259483B - 一种发电机转子绕组对铁芯和轴系的绝缘测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电机转子绕组绝缘测量领域，具体为一种发电机转子绕组对铁芯和轴系的绝缘测量方法。该方法首先建立转子绕组对绝缘对象测量电源，测量电源通过电子开关分正负间隔输入，首先测量出转子正常情况下对绝缘对象的漏电流，根据此设定安全阈值。当监测到的电流超过设定阈值时，鉴别检测值与设定绝缘电阻值的大小，并通过多个间隔测量值比较，当多个间隔测量值均超过设定值时，发出报警（I段高阻）或者停机（II段低阻）指令。如此起到对发电机转子的保护作用。

Description

一种发电机转子绕组对铁芯和轴系的绝缘测量方法

技术领域

本发明涉及发电机转子绕组绝缘测量领域，具体为一种发电机转子绕组对铁芯和轴系的绝缘测量方法。

背景技术

发电机是电网运行的重要设备，发电机转子通过转子绕组电流建立的磁场将一次能源转换成二次能源传递到电网上。发电机转子在高速旋转中承受着振动、离心力、电磁力和谐波等对转子绕组绝缘破坏的因素，因此，转子绕组绝缘是发电机绝缘总体水平的薄弱环节。在过去曾经采用监视发电机转子接地的保护中，一般采用采样电阻电压测量装置，存在着由于干扰等因素引起的测量不准确的情况。因此，现在运行的大型发电机转子接地保护为了减少误动可能，有些机组没有按设计规定要求将“转子一点接地”保护投入跳闸，而是投入信号状态。大型发电机绕组对地电容较大，当发生一点接地时，在故障点流过较大电流，如果不能及时切除故障，会对发电机转子产生局部破坏，这将对发电机安全埋下隐患。

发明内容

本发明为了解决现在不能有效准确测量发电机转子绕组绝缘状态的问题，提供了一种发电机转子绕组对铁芯和轴系的绝缘测量方法。

本发明是采用如下的技术方案实现的：一种发电机转子绕组对铁芯和轴系的绝缘测量方法，包括以下步骤：

将旋转接地电流传感器转子轴通过绝缘垫和被测发电机轴连接，旋转接地电流传感器转子绕组的一端与被测发电机轴相连,另一端通过限流电阻与测量电源连接；

开机准备，进入初始化状态：在发电机进入升速前，对发电机进行静态测试，无异常，允许进行测量，否则进行异常状态检查；

发电机无异常且处于运行状态时，测量电源经过稳压、限流和方波调制，通过旋转接地电流传感器转子绕组施加于发电机转轴；

接地电流传感器先检测接地电流传感器测量值E_S/K，E_s为接地电流传感器稳态有效值等效直流电压，K为接地电流传感器传递比例系数，其与接地电流传感器转子、定子等制造工艺有关，是一个具有电阻量纲的常数,如果测量值E_S/K小于设定的接地电流值I_SP，继续进行测量；如果大于设定的接地电流值I_SP，进行发电机转子绕组接地过渡电阻R_g计算；

如果发电机转子绕组接地过渡电阻R_g大于一段设定R_g1P，小于二段设定R_g2P，进行报警，并继续进行测量；

如果发电机转子绕组接地过渡电阻R_g大于二段设定R_g2P，则进行接地电阻比例因子а计算，同时进行二次核对测量，如果在延时期间，所重复测试发电机转子绕组接地过渡电阻R_g≥R_g2P，发出重故障指令。

图5所示为本方法测试电路等效电路图，设定R1＝R2，当发电机转子绕组出现接地点时，第一开关S1或者第二开关S2动作后，施加于接地电流传感器转子的测量电压为U₁或U₂，U₁＝U+αU_e，U₂＝U+(1-α)U_e，当第一开关S1闭合，第二开关S2打开时，(发电机转子绕组电阻R_f远远小于第一电阻R1，因此，忽略发电机转子绕组电阻R_f)，有

I₁(R₁+R_s+R_g)＝U+αU_e (1)，

其中，R_s为旋转式接地电流传感器等效电阻，R_g为发电机转子绕组接地过渡电阻，0<α<1为接地点在发电机转子绕组位置的百分比，是一个与转子绕组接地位置有关的数值，与施加于转子接地测量的电压有关。

当第二开关S2闭合，第一开关S1打开时，有

I₂(R₁+R_s+R_g)＝U+(1-α)U_e (2)，

当接地电流传感器转子通过施加的测量电流I₁或者I₂时，接地电流传感器定子输出电压E_s有

E_s1＝KI₁ (3)，

E_s2＝KI₂ (4)，

E_s为接地电流传感器稳态有效值等效直流电压，K为接地电流传感器传递比例系数，其与旋转式接地电流传感器转子、定子等制造工艺有关，是一个具有电阻量纲的常数。

设，联立(1)(2)(3)(4)方程，将(5)代入，由(1)式推导得到

由(2)式推导得到

由(6)(7)式得，

I₁(R₁+R_s+R_g)-U＝U+U_e-I₂(R₁+R_s+R_g)，

由(6)(7)(8)式可得

当发电机运行时，其转子绕组电磁环境复杂，本发明采用电流信号作为检测源，较之采用电压信号作为检测源提高了设备的抗干扰能力，对发电机转子绕组绝缘状态进行有效准确测量，进而对发电机起到保护作用。

附图说明

图1为本发明测量方法的流程图。

图2为本发明测量装置的电路结构图。

图3为接地电流传感器的连接示意图。

图4为静态试验状态等效电路图。

图5为本发明方法测试电路等效电路图。

图中：1-发电机转轴，2-接地电流传感器，3-连接轴。

具体实施方式

图2所示的电路结构为一种实现本发明测量方法的测量装置，该测量装置包括程序控制器、第一光电开关S1、第二光电开关S2、第一旁路开关T1、第二旁路开关T2、第一切换开关Q1和第二切换开关Q2，转子绕组的一端和第一切换开关Q1的一自由端连接，转子绕组的另一端和第二切换开关Q2的一自由端连接，第一切换开关Q1的公共端和第一旁路开关T2的一端连接，第一旁路开关T2的另一端和第一光电开关S1的一端连接，第一光电开关S1的另一端通过限流电阻R1和接地电流传感器的转子绕组的一端连接，第二切换开关Q2的公共端和第二旁路开关T2的一端连接，第二旁路开关T2的另一端和第二光电开关S2的一端连接，第二光电开关S2的另一端通过限流电阻R2和接地电流传感器的转子绕组的一端连接，第一旁路开关T1和第二旁路开关T2处连接有稳压电路，光电开关和限流电阻R1、限流电阻R2之间连接有短路保护电路。

接地电流传感器转子通过绝缘隔离连接轴和被测发电机轴连接，与发电机转子同步运行；接地电流传感器转子绕组的一端与被测发电机轴连接，另一端与限流电阻R1、R2连接。第一切换开关Q1和第二切换开关Q2的两端还分别并联有测量电阻R3和测量电阻R4，第一切换开关Q1和第二切换开关Q2的另一自由端都和程序控制器连接，程序控制器分别和第一光电开关S1、第二光电开关S2的控制端连接，程序控制器分别从测量电阻R3和测量电阻R4连接，获取测量电压。

上述的测量装置的测量方法，包括以下步骤：

开机准备，进入初始化状态：在装置投入运行前对发电机进行静态测试，无异常，允许装置进入工作状态，否则进行异常状态检查；

发电机无异常且处于运行状态时，将装置中的第一旁路开关T1、第二旁路开关T2断开，第一切换开关Q1、第二切换开关Q2切换到工作位置，程序控制器控制第一光电开关S1和第二光电开关S2通断，发电机运转时的励磁电源经过稳压成为测量电源，测量电源经光电开关控制变化为方波信号，再经限流电阻R1、限流电阻R2，传感器碳刷、传感器转子绕组施加到发电机转轴；

接地电流传感器先检测接地电流传感器测量值E_S/K，如果测量值E_S/K小于设定的接地电流值I_SP，继续进行测量；如果大于设定的接地电流值I_SP，进行发电机转子绕组接地过渡电阻R_g计算；

如果发电机转子绕组接地过渡电阻R_g大于一段设定R_g1P，小于二段设定R_g2P，进行报警，并继续进行测量；

如果发电机转子绕组接地过渡电阻R_g大于二段设定R_g2P，则进行接地电阻比例因子а计算，同时进行二次核对测量，如果在延时期间，所重复测试发电机转子绕组接地过渡电阻R_g≥R_g2P，发出重故障指令。

本发明发电机转子绝缘测量涉及两部分测量，静态测量和发电机运行状态测量。当发电机处于静止或者盘车状态时，测量装置置于试验状态，由程序控制器提供测量电源，通过测量电阻R3、R4上的压降，计算出发电机转子绕组的绝缘状态；当发电机处于运行状态时，传感器监测到有一定的电流通过传感器转子时，由于传感器随发电机旋转，传感器转子切割传感器定子绕组感应出由于电流流过产生的电压，可以判断当前发电机转子的绝缘状态。当发电机处于静止或者低速盘车运行时，测量装置切换开关处于试验位置，测量电源将通过切换开关、旁路开关、切换开关旁路电阻R3、R4、光电控制开关、限流电阻R1、R2和接地电流传感器加到发电机轴和发电机转子绕组上；当发电机处于运行状态时，测量装置切换开关处于工作位置，切换开关短路掉旁路电阻R3、R4，发电机运转时的励磁电源经过稳压成为测量电源，测量电源经光电开关控制变化为方波信号，经限流电阻R1、R2，传感器碳刷、传感器转子绕组施加到发电机轴。

具体实施时，设定R1＝R2，R3＝R4，发电机正常运行时，设测量周期内发电机励磁电压为U_e，稳压后的电压为U。程序控制器控制光电开关分别将电源的正负极加到测量设备上。

当发电机转子绕组出现接地点时，第一光电开关S1或者第二光电开关S2动作后，施加于接地电流传感器转子的测量电压为U₁或U₂，U₁＝U+αU_e，U₂＝U+(1-α)U_e，当第一光电开关S1闭合，第二光电开关S2打开时，(发电机转子绕组电阻R_f远远小于第一电阻R1，因此，忽略发电机转子绕组电阻R_f)，有

I₁(R₁+R_s+R_g)＝U+αU_e (1)，

其中，R_s为旋转式接地电流传感器等效电阻，R_g为发电机转子绕组接地过渡电阻，0<α<1为接地点在发电机转子绕组位置的百分比，是一个与转子绕组接地位置有关的数值，与施加于转子接地测量的电压有关。

当第二光电开关S2闭合，第一光电开关S1打开时，有

I₂(R₁+R_s+R_g)＝U+(1-α)U_e (2)，

当接地电流传感器转子通过施加的测量电流I₁或者I₂时，接地电流传感器定子输出电压E_s有

E_s1＝KI₁ (3)，

E_s2＝KI₂ (4)，

E_s为接地电流传感器稳态有效值等效直流电压，K为接地电流传感器传递比例系数，其与旋转式接地电流传感器转子、定子等制造工艺有关，是一个具有电阻量纲的常数。

设，联立(1)(2)(3)(4)方程，将(5)代入，由(1)式推导得到

由(2)式推导得到

由(6)(7)式得，

I₁(R₁+R_s+R_g)-U＝U+U_e-I₂(R₁+R_s+R_g)，

由(6)(7)(8)式可得

根据(8)式所得R_g和(9)式所得α可判断发电机转子绕组对轴的绝缘状况。

发电机停机或者低速盘车时，旋转接地电流传感器测量设备感应电势很小，此时，将接地电流传感器输出置于空载状态，接地电流传感器转子电阻R_s是一个纯电阻，等于接地电流传感器转子直流电阻。

切换开关置于试验位置，短接掉稳压回路，见图4，图4中，设定R₁＝R₂＝R，R₃＝R₄＝R′，R_f为发电机转子绕组电阻，R_g为发电机转子绕组接地过渡电阻。

由图4可得，

其中

当第二光电开关S2闭合，第一光电开关S1打开时，可以得到

当第一光电开关S1闭合，第二光电开关S2打开时，可以得到

将(12)(13)代入(10)(11)得

联立(18)(19)得

(I₁‘’-I’₁){U_-I’₂[R‘+(1-α)R_f]}＝(I’₂-I₂‘’)[U-I₁‘’(R‘+αR_f)] (20)，

将(14)(15)(16)(17)代入(20)

OR

程序控制器控制光电开关分别将电源的正负极加到测量设备上，两个光电开关工作顺序之间设有死区，隔开两个光电开关的开通与关断时间，避免由于被测设备的电磁感应造成的相互影响；光电开关设有短路保护，当光电开关失控或者短路时，短路保护监测到两端的电压，将会控制测量装置停机。

当发电机处于停机状态或者低速盘车时，测量装置将提供一个不低于发电机强励时的电压值，用以满足检测发电机转子绕组接地过渡电阻R_g阻值随电压变化的非线性特性。

发电机转子绕组对地绝缘测量装置，当发电机运行时，其转子绕组电磁环境复杂，采用电流信号作为检测源，较之电压信号提高了设备的抗干扰能力，发电机原理的传感器具有对通过转子电流能量的放大功能，可以检测微量信号变化。

通过式(8)(9)(22)(23)可以看出，装置每一个测量周期等于测量电压正和负分别完成了一次测量过程，每一次测量数据都可以存储在数据库中，作为发电机转子绝缘状态变化趋势的一个参考。

发电机励磁电压经过稳压电路形成测量电压，减小励磁电压波动对测量效果的影响。并且通过光电开关S1、S2交替接通输出的正负检测电压方波之间设有的间断“死区”，用以避免传感器电感对测量造成的影响。

接地电流传感器采用交流同步发电机原理，传感器转子通过绝缘垫与被测发电机轴相连，并与发电机同步旋转。传感器转子绕组一端与被测发电机轴相连，一端通过碳刷与测量装置施加的测量电压端相连。当发电机转子绕组对地绝缘下降时，流过传感器转子绕组的电流发生变化，通过转子绕组产生的磁通切割传感器定子绕组产生感应电势，感应电势的变化反映了发电机转子对地(轴)的电流变化，从而表达了转子绕组的绝缘状况。

发电机转子绝缘处于良好状态时，发电机对地呈现容抗状态，对发电机施加测量电压时，仅会产生分布电容充放电的暂态过程和分布电阻产生的较小的、不会损坏发电机绝缘的泄漏电流。因此，该装置只对稳态值进行取样，并可以根据保护发电机的原则，取一个较大的泄漏电流值作为保护动作下限阈值，防止保护装置误动。

设定传感器E_S0/K＝I_S0，I_S0为给定泄漏电流。设定传感器输出变化值⊿E_S为异常警戒值，当E_S-E_S0≥⊿E时，作为记录E_S数据的条件，E_S历史数据作为发电机绝缘状态的根据。

Claims (1)

1.一种发电机转子绕组对铁芯和轴系的绝缘测量方法，其特征在于包括以下步骤：

将旋转接地电流传感器转子轴通过绝缘垫和被测发电机轴连接，旋转接地电流传感器转子绕组的一端与被测发电机轴相连,另一端通过限流电阻与测量电源连接；

开机准备，进入初始化状态：在发电机进入升速前，对发电机进行静态测试，无异常，允许进行测量，否则进行异常状态检查；

发电机无异常且处于运行状态时，测量电源经过稳压、限流和方波调制，通过旋转接地电流传感器转子绕组施加于发电机转轴；

旋转接地电流传感器先检测接地电流传感器测量值E_S/K，E_s为旋转接地电流传感器稳态有效值等效直流电压，K为旋转接地电流传感器传递比例系数, 其与旋转接地电流传感器转子、定子制造工艺有关，是一个具有电阻量纲的常数，如果测量值E_S/K小于设定的接地电流值I_SP，继续进行测量；如果大于设定的接地电流值I_SP，进行发电机转子绕组接地过渡电阻R_g计算；

如果发电机转子绕组接地过渡电阻R_g大于一段设定R_g1P，小于二段设定R_g2P，进行报警，并继续进行测量；

如果发电机转子绕组接地过渡电阻R_g大于二段设定R_g2P，则进行接地电阻比例因子а计算，同时进行二次核对测量，如果在延时期间，所重复测试发电机转子绕组接地过渡电阻R_g≥R_g2P，发出重故障指令。