CN107658852A - 一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护方法和系统 - Google Patents

一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护方法和系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护方法和系统，方法首先采集电机三相励磁绕组电流，然后根据采集到的电流计算电流瞬时值绝对值和电流有效值，在进行过流保护的决策时，设定过流瞬时值判据即主要判据，过流有效值判据即辅助判据，利用延时计数器对满足电流瞬时值越限判据，或不满足电流瞬时值越限判据，但满足电流有效值越限判据的时间进行累加计数；对同时不满足电流瞬时值越限判据以及电流有效值越限判据的时间进行累减计数；进而根据延时计数器的值确定过流保护启动、动作和启动返回的时间。本方法结合了瞬时值判据的快速性和有效值判据的可靠性，能够快速反映交流励磁同步电机的励磁绕组的相间短路故障。

Description

一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护方法和 系统
技术领域
本发明涉及针对交流励磁同步电机励磁绕组故障的继电保护技术，特别是一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护方法和系统。
背景技术
在交流励磁同步电机中，励磁绕组中的电压和电流是频率变化的交流分量，其不同相之间电流电压相位不同，因此有可能发生相间短路故障。发生相间短路时，励磁绕组故障相会通过比较大的电流，大电流在机组内部产生高温，会对机组造成损伤，因此需要针对励磁绕组相间故障增加过流保护。
传统的过流保护，在工频运行工况下，一般是通过傅氏算法计算电流有效值来确定是否发生故障，在变频运行工况下，如机组启停过程中，一般采用频率跟踪结合傅氏算法计算有效值或全周波积分算法来确定是否发生故障。以上方法都是根据整周波数据来计算故障分量的，因此只有在故障发生一个周波后，才能计算出完整的故障分量。对于工频或者接近工频的情况，一个周期只有几十毫秒，对于故障及时切除不会有太大的影响。但是对于低频电气量故障，整周波计算故障分量需要的时间很长，在故障分量计算完成后才能启动保护，这延长了故障的切除时间，不利于设备的保护和正常运行。
交流励磁同步电机是一种特殊的同步电机，通过调节励磁绕组电压电流的幅值、频率、相位来控制定子绕组的有功、无功、频率等。交流励磁同步电机的励磁绕组电流电压频率变化范围较广，包含低频工况。例如，在应用交流励磁的抽蓄机组中，一般要求的励磁频率在-0.1fN～0.1fN(fN为额定频率)范围内变化，最低工作频率可达0.1Hz，如果采用传统的过流保护方法，仅故障分量的计算就需要10秒钟的时间，这大大降低了继电保护设备对短路故障的反应速度。因此，必须采用新的方法，保证继电保护装置在低频情况下也能够很快监测到励磁绕组相间短路故障并及时切除。
发明内容
本发明的目的是，提出一种针对交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的继电保护方法，在电流有效值判别的基础上，结合瞬时值判别，并以瞬时值判据作为主判据，使得过流保护在励磁绕组电流低频工况下也具有比较好的动作特性。
本发明采取的技术方案为：一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护方法，包括：
S1，实时采集电机三相励磁绕组的电流；
S2，根据实时采集的电流值计算三相励磁绕组电流的瞬时值绝对值，以及三相励磁绕组电流的有效值；
S3，设定电流瞬时值的过流门槛值和电流有效值的过流门槛值；
定义电流瞬时值越限判据为S2计算得到的三相电流瞬时值绝对值的最大值超过电流瞬时值的过流门槛值，电流有效值越限判据为S2计算得到的三相励磁绕组电流有效值的最大值超过电流有效值的过流门槛值；
S4，定义延时计数器的延时定值；
利用延时计数器对满足电流瞬时值越限判据，或不满足电流瞬时值越限判据，但满足电流有效值越限判据的时间进行累加计数；对同时不满足电流瞬时值越限判据以及电流有效值越限判据的时间进行累减计数；
当延时计数器值大于0时，过流保护启动；
当累加至延时计数器值大于延时定值时，过流保护动作；
当累减至延时计数器值等于或小于0时，过流保护启动返回。
优选的，S4中，利用延时计数器决定保护启动、动作或启动返回包括步骤：
S41，将S2得到的三相励磁绕组电流瞬时值绝对值的最大值与设定的电流瞬时值过流门槛值进行比较，若满足电流瞬时值越限判据，则延时计数器值累加计数，同时过流保护启动，然后转至步骤S43，若不满足则转至步骤S42；
S42，将S2得到的三相励磁绕组电流有效值的最大值与设定的电流有效值过流门槛值进行比较，若满足电流有效值越限判据，则延时计数器值累加计数，同时过流保护启动，然后转至步骤S43，若不满足则延时计数器值累减计数，转至步骤S44；
S43，判断延时计数器值是否大于延时定值，若是则过流保护动作，若否则转至步骤S41进行下一时刻的判断；
S44，判断延时计数器至是否小于或等于0，若是则过流保护启动返回，若否则转至步骤S41进行下一时刻的判断。
优选的，S1中，电机三相励磁绕组的电流通过电子式电流互感器或霍尔电流互感器采集得到。
优选的，S2中，励磁绕组电流瞬时值绝对值为通过电流互感器采集到的电流当前值的绝对值；励磁绕组电流有效值为采用傅氏算法或者均方根算法根据当前时刻之前一个电气周期的实时电流值计算出的电流有效值。
优选的，电流瞬时值的过流门槛值为励磁绕组正常工作时电流瞬时值绝对值的1.2～2倍，电流有效值的过流门槛值为励磁绕组正常工作时有效电流的1.2～2倍。
优选的，延时计数器的延时定值为0.1s～10s。
本发明还公开一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护系统，其包括：
实时电流采集模块，用于实时采集电机三相励磁绕组的电流；
电流瞬时值计算模块，用于根据实时采集的电流值计算三相励磁绕组电流的瞬时值绝对值；
电流有效值计算模块，用于根据实时采集的电流值计算三相励磁绕组电流的有效值；
过流门槛值设定模块，用于设定电流瞬时值的过流门槛值和电流有效值的过流门槛值；
延时定值设定模块，用于设定延时计数器的延时定值；
以及逻辑判断和决策模块，用于根据计算得到的三相励磁绕组电流瞬时值绝对值和电流有效值，判断和决策过流保护是否需要启动、动作或启动返回：
定义电流瞬时值越限判据为计算得到的三相电流瞬时值绝对值的最大值超过电流瞬时值的过流门槛值，电流有效值越限判据为计算得到的三相励磁绕组电流有效值的最大值超过电流有效值的过流门槛值；
利用延时计数器对满足电流瞬时值越限判据，或不满足电流瞬时值越限判据，但满足电流有效值越限判据的时间进行累加计数；对同时不满足电流瞬时值越限判据以及电流有效值越限判据的时间进行累减计数；
当延时计数器值大于0时，使得过流保护启动；
当累加至延时计数器值大于延时定值时，使得过流保护动作；
当累减至延时计数器值等于或小于0时，使得过流保护启动返回。
有益效果
本发明的交流励磁同步电极励磁绕组相间短路故障的保护方法，为基于电流瞬时值和有效值综合判据的过流保护判别方法：以瞬时值过流为主判据，有效值过流为辅助判据，兼具有瞬时值判据的快速性和有效值判据的可靠性，从而能够快速可靠的反映交流励磁电机的励磁绕组的相间短路故障，可保证继电保护装置在低频情况下也能够很快监测到励磁绕组相间短路故障并及时切除。
附图说明
图1所示为本发明方法流程示意图；
图2所示为本发明方法的一种具体实施例中只经瞬时值判据，不经有效值判据的保护启动并动作时序示意图；
图3所示为本发明方法的一种具体实施例中同时经瞬时值判据和有效值判据的保护启动并动作时序示意图；
图4所示为本发明方法的一种具体实施例中同时经瞬时值判据和有效值判据的保护启动后返回的时序示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例进一步说明。
实施例1
一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护方法，包括：
S1，实时采集电机三相励磁绕组的电流；电机三相励磁绕组的电流通过电子式电流互感器或霍尔电流互感器采集得到；
S2，根据实时采集的电流值计算三相励磁绕组电流的瞬时值绝对值，以及三相励磁绕组电流的有效值；
励磁绕组电流瞬时值绝对值为通过电流互感器采集到的电流当前值的绝对值；励磁绕组电流有效值为采用傅氏算法或者均方根算法根据当前时刻之前一个电气周期的实时电流值计算出的电流有效值；
均方根有效值计算公式其中T为电气周期，Ts为模拟量采样周期,I1,I2...IN为一个电气周期内的电流采样值
傅氏算法计算公式其中T为电气周期，Ts为模拟量采样周期,I1,I2...IN为一个电气周期内的电流采样值。
S3，设定三相电流瞬时值的过流门槛值和三相电流有效值的过流门槛值；
定义电流瞬时值越限判据为S2计算得到的三相电流瞬时值绝对值的最大值超过三相电流瞬时值的过流门槛值，电流有效值越限判据为S2计算得到的三相励磁绕组电流有效值的最大值超过三相电流有效值的过流门槛值；
S4，定义延时计数器的延时定值；
利用延时计数器对满足电流瞬时值越限判据，或不满足电流瞬时值越限判据，但满足电流有效值越限判据的时间进行累加计数；对同时不满足电流瞬时值越限判据以及电流有效值越限判据的时间进行累减计数；
当延时计数器值大于0时，过流保护启动；
当累加至延时计数器值大于延时定值时，过流保护动作；
当累减至延时计数器值等于或小于0时，过流保护启动返回。
S4中，利用延时计数器决定保护启动、动作或启动返回包括步骤：
S41，将S2得到的三相励磁绕组电流瞬时值绝对值的最大值与设定的三相电流瞬时值过流门槛值进行比较，若满足电流瞬时值越限判据，则延时计数器值累加计数，同时过流保护启动，然后转至步骤S43，若不满足则转至步骤S42；
S42，将S2得到的三相励磁绕组电流有效值的最大值与设定的三相电流有效值过流门槛值进行比较，若满足电流有效值越限判据，则延时计数器值累加计数，同时过流保护启动，然后转至步骤S43，若不满足则延时计数器值累减计数，转至步骤S44；
S43，判断延时计数器值是否大于延时定值，若是则过流保护动作，若否则转至步骤S41进行下一时刻的判断；
S44，判断延时计数器至是否小于或等于0，若是则过流保护启动返回，若否则转至步骤S41进行下一时刻的判断。
本实施例中，，电流瞬时值的过流门槛值为励磁绕组正常工作时电流瞬时值绝对值的1.2～2倍，电流有效值的过流门槛值为励磁绕组正常工作时有效电流的1.2～2倍。延时计数器的延时定值为0.1s～10s。
实施例2
本实施例以交流励磁抽蓄机组为研究对象，假设正常工作时(图1～图3中t1～t2区间)的电流有效值幅值为In.amp＝5000A，电流频率为0.5Hz。在其中一相电流过零点处(图1～图3中t2时刻)发生相间金属性短路故障，故障电流有效值的最大值幅值最大值为If.amp.max＝20000A。下面从几种不同的情况来对本发明的技术方案进行介绍。
1.只经瞬时值判据，不经有效值判据，保护启动并动作。
延时定值tzd＝0.6s，根据图1波形分析可知，在t3时刻故障电流的瞬时值绝对值的最大值If.inst.max超过瞬时值定值Izd.inst，此时保护启动，延时计数器持续计数，在tp时刻延时计数器超过延时定值tzd，此时保护动作。
2.同时经瞬时值判据和有效值判据，保护启动并动作。
延时定值tzd＝1.2s，根据图2波形分析可知，在t3时刻故障电流的瞬时值绝对值的最大值If.inst.max超过瞬时值定值Izd.inst，此时保护启动，延时计数器开始计数，在t4时刻故障电流有效值的最大值If.rms.max超过有效值定值Izd.rms，此时有效值辅助判据满足，因此在t5时刻电流瞬时值绝对值的最大值If.inst.max小于瞬时值定值Izd.inst时，延时计数器仍然累加，并在tp时刻延时计数器超过延时定值tzd，此时保护动作。
3.同时经瞬时值判据和有效值判据，保护启动后返回。
延时定值tzd＝1.2s，根据图3波形分析可知，在t3时刻故障电流的瞬时值绝对值的最大值If.inst.max超过瞬时值定值Izd.inst，此时保护启动，延时计数器开始计数，在t4时刻时，故障消除(如瞬时性故障)，电流恢复正常，瞬时电流减小至过流定值以下，根据有效值波形可知，此刻有效值最大值If.rms.max不超过有效值定值Izd.rms，有效值辅助判据不满足，因此延时计数器开始累减，直至减小至0(t5时刻)时保护启动返回。
综合本实施例上述几种情况，可见本发明的继电保护方法兼具有瞬时值判据的快速性和有效值判据的可靠性，能够快速可靠的反映交流励磁电机的励磁绕组的相间短路故障，可保证继电保护装置在低频情况下也能够很快监测到励磁绕组相间短路故障并及时切除。
实施例3
一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护系统，其包括：
实时电流采集模块，用于实时采集电机三相励磁绕组的电流；
电流瞬时值计算模块，用于根据实时采集的电流值计算三相励磁绕组电流的瞬时值绝对值；
电流有效值计算模块，用于根据实时采集的电流值计算三相励磁绕组电流的有效值；
过流门槛值设定模块，用于设定电流瞬时值的过流门槛值和电流有效值的过流门槛值；
延时定值设定模块，用于设定延时计数器的延时定值；
以及逻辑判断和决策模块，用于根据计算得到的三相励磁绕组电流瞬时值绝对值和电流有效值，判断和决策过流保护是否需要启动、动作或启动返回：
定义电流瞬时值越限判据为计算得到的三相电流瞬时值绝对值的最大值超过电流瞬时值的过流门槛值，电流有效值越限判据为计算得到的三相励磁绕组电流有效值的最大值超过电流有效值的过流门槛值；
利用延时计数器对满足电流瞬时值越限判据，或不满足电流瞬时值越限判据，但满足电流有效值越限判据的时间进行累加计数；对同时不满足电流瞬时值越限判据以及电流有效值越限判据的时间进行累减计数；
当延时计数器值大于0时，使得过流保护启动；
当累加至延时计数器值大于延时定值时，使得过流保护动作；
当累减至延时计数器值等于或小于0时，使得过流保护启动返回。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (7)

1.一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护方法，其特征是，包括：
S1，实时采集电机三相励磁绕组的电流；
S2，根据实时采集的电流值计算三相励磁绕组电流的瞬时值绝对值，以及三相励磁绕组电流的有效值；
S3，设定电流瞬时值的过流门槛值和电流有效值的过流门槛值；
定义电流瞬时值越限判据为S2计算得到的三相电流瞬时值绝对值的最大值超过电流瞬时值的过流门槛值，电流有效值越限判据为S2计算得到的三相励磁绕组电流有效值的最大值超过电流有效值的过流门槛值；
S4，定义延时计数器的延时定值；
利用延时计数器对满足电流瞬时值越限判据，或不满足电流瞬时值越限判据，但满足电流有效值越限判据的时间进行累加计数；对同时不满足电流瞬时值越限判据以及电流有效值越限判据的时间进行累减计数；
当延时计数器值大于0时，过流保护启动；
当累加至延时计数器值大于延时定值时，过流保护动作；
当累减至延时计数器值等于或小于0时，过流保护启动返回。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S4中，利用延时计数器决定保护启动、动作或启动返回包括步骤：
S41，将S2得到的三相励磁绕组电流瞬时值绝对值的最大值与设定的电流瞬时值过流门槛值进行比较，若满足电流瞬时值越限判据，则延时计数器值累加计数，同时过流保护启动，然后转至步骤S43，若不满足则转至步骤S42；
S42，将S2得到的三相励磁绕组电流有效值的最大值与设定的电流有效值过流门槛值进行比较，若满足电流有效值越限判据，则延时计数器值累加计数，同时过流保护启动，然后转至步骤S43，若不满足则延时计数器值累减计数，转至步骤S44；
S43，判断延时计数器值是否大于延时定值，若是则过流保护动作，若否则转至步骤S41进行下一时刻的判断；
S44，判断延时计数器至是否小于或等于0，若是则过流保护启动返回，若否则转至步骤S41进行下一时刻的判断。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S1中，电机三相励磁绕组的电流通过电子式电流互感器或霍尔电流互感器采集得到。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，S2中，励磁绕组电流瞬时值绝对值为通过电流互感器采集到的电流当前值的绝对值；励磁绕组电流有效值为采用傅氏算法或者均方根算法根据当前时刻之前一个电气周期的实时电流值计算出的电流有效值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是，电流瞬时值的过流门槛值为励磁绕组正常工作时电流瞬时值绝对值的1.2~2倍，电流有效值的过流门槛值为励磁绕组正常工作时有效电流的1.2~2倍。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，延时计数器的延时定值为0.1s~10s。
7.一种交流励磁同步电机励磁绕组相间短路故障的保护系统，其特征是，包括：
实时电流采集模块，用于实时采集电机三相励磁绕组的电流；
电流瞬时值计算模块，用于根据实时采集的电流值计算三相励磁绕组电流的瞬时值绝对值；
电流有效值计算模块，用于根据实时采集的电流值计算三相励磁绕组电流的有效值；
过流门槛值设定模块，用于设定电流瞬时值的过流门槛值和电流有效值的过流门槛值；
延时定值设定模块，用于设定延时计数器的延时定值；
以及逻辑判断和决策模块，用于根据计算得到的三相励磁绕组电流瞬时值绝对值和电流有效值，判断和决策过流保护是否需要启动、动作或启动返回：
定义电流瞬时值越限判据为计算得到的三相电流瞬时值绝对值的最大值超过电流瞬时值的过流门槛值，电流有效值越限判据为计算得到的三相励磁绕组电流有效值的最大值超过电流有效值的过流门槛值；
利用延时计数器对满足电流瞬时值越限判据，或不满足电流瞬时值越限判据，但满足电流有效值越限判据的时间进行累加计数；对同时不满足电流瞬时值越限判据以及电流有效值越限判据的时间进行累减计数；
当延时计数器值大于0时，使得过流保护启动；
当累加至延时计数器值大于延时定值时，使得过流保护动作；
当累减至延时计数器值等于或小于0时，使得过流保护启动返回。
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