CN110488187B - 交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护系统，包括三相对称的注入回路，每相回路均包括相互串接的电阻、电容、电流传感器及切换开关，其中，三相对称的注入回路的一端与交流励磁绕组对应相分别相连，另一端互相短接组成中性点；接地变原边一端与中性点相连，另一端直接接地，接地变副边并接注入电源以及负载电阻。此种保护系统可实现对转子绕组绝缘的实时监测，降低在转子绕组不同接地点电阻计算误差。本发明还公开一种交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护方法。

Description

交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护系统及方法

技术领域

本发明涉及一种针对交流励磁同步电机励磁绕组故障的继电保护技术，特别涉及一种交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障的保护系统及保护方法。

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，发生接地故障时，接地点会流过电容电流，对转子大轴造成损坏，如果未能及时监测到转子接地故障，一点接地发展为两点接地，则会对大轴造成严重损坏。

传统的同步发电电动机的励磁系统其励磁绕组通过的都是直流量，转子绕组电压比较稳定，无论采用乒乓式或者注入式原理都可以准确计算出转子绕组的接地电阻以及接地位置。但是在交流励磁系统中，转子电压是频率变化的交流量，并且由于逆变器的影响，转子电压还包括大量的高次谐波，因此常规的乒乓式或者低频方波注入式转子接地保护原理都无法直接应用在交流励磁系统中。常规的交流注入保护原理由于受到转子绕组回路电感的影响，在不同的接地位置其接地电阻计算值误差很大，并且无法定位故障点。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护系统及方法，其可实现对转子绕组绝缘的实时监测，降低在转子绕组不同接地点电阻计算误差。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护系统，包括三相对称的注入回路，每相回路均包括相互串接的电阻、电容、电流传感器及切换开关，其中，三相对称的注入回路的一端与交流励磁绕组对应相分别相连，另一端互相短接组成中性点；接地变原边一端与中性点相连，另一端直接接地，接地变副边并接注入电源以及负载电阻。

上述电容满足C₁＝C₂＝C₃，其中，C₁,C₂,C₃分别为三相对称的注入回路中的电容；电阻满足R₁＝R₂＝R₃＞ωC_e，其中ω＝2πf，f为注入交流电源频率，C_e为每相励磁绕组的对地电容，R₁,R₂,R₃分别为三相对称的注入回路中的电阻。

上述电流传感器采用霍尔传感器或者光学电流互感器。

上述注入电源频率不超过50Hz，且大于交流励磁绕组的正常工作频率范围。

上述注入电源电压输出侧连接有低通滤波回路。

基于如前所述的交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护系统的方法，包括如下步骤：

步骤1，三相对称的注入回路中，切换开关均保持闭合，向注入回路注入交流电压，采集三相注入电流I₁/I₂/I₃；

步骤2，计算三相注入方式下转子接地电阻R_g1，若R_g1大于转子接地保护电阻定值，表明转子绕组未发生异常；若R_g1小于转子接地保护电阻定值，则进一步计算接地位置与对应的转子接地电阻。

上述步骤1中，采用电流传感器采集三相注入电流i1/i2/i3，对其进行带通滤波处理，再进行幅值补偿以及相位补偿，得到三相注入电流I₁/I₂/I₃。

上述步骤2中，三相注入方式下转子接地电阻R_g1的计算公式是：

R_g1＝Re(Z_g1)

其中，

为折算到一次侧的注入电源电压，L_r为每相励磁绕组电感，C_e为每相励磁绕组对地电容；R_i为注入回路中各电阻的阻值；C_i为注入回路中各电容的容值；C_e为转子绕组等效对地电容容值；

为三相注入方式下注入电流。

上述步骤2中，计算接地位置与单相注入方式下转子接地电阻的方法是：

首先计算三相注入回路注入电流的不平衡度：

再判断max{I_1Δ,I_2Δ,I_3Δ}＜KI_Δm是否成立，其中，I_Δm为转子绕组端部发生单相金属性接地短路时的注入电流不平衡度；K为固定系数，取0.01～0.2；若成立，则判断接地位置发生在转子绕组中性点或者靠近中性点的位置，此时对应的接地电阻阻值为R_g1；

若不成立，则判断接地位置发生在转子绕组中间或者靠近端部的位置，I_1Δ,I_2Δ,I_3Δ中最大值对应的相为接地故障相，此时切换到单端注入方式，非故障相故障切换开关断开，故障相故障切换开关保持闭合，根据以下公式得到单相注入方式下转子接地电阻计算值：

其中

为切换到单端注入方式下故障相的注入电流；

此时对应的接地电阻阻值计算公式如下：

k₁＝β(1-k₂)

其中，α、β为考虑转子绕组电感分布非线性特性以及接地电阻阻值差异增加的调整系数；k₂为接地故障点位置。

上述α、β的取值范围均为0.1～10。

采用上述方案后，本发明具有以下特点：

(1)本发明基于交流注入式接地保护原理，通过构造中性点，外加交流电源，向转子回路注入一定幅值的交流电压信号，通过对注入回路电压和电流的分析，进而计算得到交流励磁绕组的接地电阻大小，以及发生接地故障的转子绕组相别，无论在开机或者停机状态下均能实现对转子绕组绝缘的实时监测，为后续的故障排除提供了便利；

(2)本发明通过两种不同注入方式的切换，有效降低了交流注入原理在转子绕组不同接地点电阻计算误差，减小转子回路电感对计算结果的影响，准确计算出转子回路的接地电阻，为继电保护装置正确快速动作提供依据。

附图说明

图1是本发明的系统架构图；

图2是本发明的方法流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护系统，包括三相对称的注入回路，每相回路均包括相互串接的电阻(R1-R3)、电容(C1-C3)、电流传感器(i1-i3)及切换开关(K1-K3)，其中，三相对称的注入回路的一端与交流励磁绕组对应相分别相连，另一端互相短接组成中性点O；接地变原边一端与中性点O相连，另一端直接接地，接地变副边并接注入电源Uinj以及负载电阻RL。

在以上三相对称的注入回路中，电容需满足C₁＝C₂＝C₃；电阻需满足R₁＝R₂＝R₃＞ωC_e，其中ω＝2πf，f为注入交流电源频率，C_e为每相励磁绕组的对地电容。

在本实施例中，电阻(R1/R2/R3)、电容(C1/C2/C3)应具有足够的容量及耐压等级，正常运行及发生故障时不会损坏；接地变具有较强的抗饱和能力，正常运行以及发生故障时接地变铁芯不会发生饱和；负载电阻RL具有足够的功率，在正常运行或发生故障时不会损坏；

在本实施例中，电流传感器采用霍尔传感器或者光学电流互感器；注入电源频率不超过50Hz，同时应大于交流励磁绕组的正常工作频率范围；注入电源电压输出侧具有低通滤波回路LPF。

如图2所示，本发明还提供一种基于以上系统的流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护方法，包括如下步骤：

步骤1，正常情况下切换开关K1/K2/K3均保持闭合，采用三相注入方法，注入电压经过接地变、R1/R2/R3、C1/C2/C3注入到转子绕组和地之间，如果转子绕组没有发生接地故障，注入交流电流仅流经转子绕组的等效对地电容Ce，如果转子绕组经Rg发生接地故障，注入交流电流同时流经接地电阻Rg和等效对地电容Ce；

电流传感器采集的三相注入电流i1/i2/i3需经过带通滤波处理，滤除除注入频率以外的其他频率分量，并对滤波后数据进行幅值补偿以及相位补偿，保证注入频率电流分量的幅值及相位在滤波处理前后保持不变；

步骤2，设R₁＝R₂＝R₃＝R_i，C₁＝C₂＝C₃＝C_i，转子绕组等效对地电容容值为C_e，转子绕组接地电阻阻值为R_g，三相注入电流经过滤波及相位补偿后的电流值为I₁/I₂/I₃；

步骤3，接地电阻计算方法如下：

三相注入方式时计算注入电流：

三相注入方式时转子接地电阻计算值：

R_g1＝Re(Z_g1) (3)

式(2)中，

为折算到一次侧的注入电源电压，w＝2πf，f为注入交流电源频率，L_r为每相励磁绕组电感，C_e为每相励磁绕组对地电容，L_r和C_e均可通过机组出厂参数或者实际测量得到。

步骤4，根据三相注入方式下R_g1值大于转子接地保护电阻定值时，表明转子绕组未发生异常；R_g1值小于转子接地保护电阻定值时，需进一步计算接地位置与接地电阻阻值。

计算注入电流不平衡度：

max{I_1Δ,I_2Δ,I_3Δ}＜KI_Δm (5)

其中，I_Δm为转子绕组端部发生金属性接地短路时根据式(1)、式(4)计算的注入电流不平衡度，可根据试验或者仿真分析得到；K为固定系数，取0.01～0.2。

如果式(5)满足，则判断接地位置发生在转子绕组中性点或者靠近中性点的位置，此时最终接地电阻阻值取式(3)的计算结果。

如果式(5)不满足，则判断接地位置发生在转子绕组中间或者靠近端部的位置，I_1Δ,I_2Δ,I_3Δ中最大值对应的相为接地故障相，此时切换到单端注入方式，非故障相故障切换开关断开，故障相故障切换开关保持闭合，根据以下公式得到单相注入方式下转子接地电阻计算值：

其中切换到单端注入方式下

故障相的注入电流。

接地电阻阻值计算公式如下：

k₁＝β(1-k₂) (9)

式(8)、式(9)中的α、β为考虑转子绕组电感分布非线性特性增加的调整系数，取值范围为0.1～10，实际使用过程中根据现场的试验结果对该系数进行整定。

式(8)中的k₂近似为接地故障点位置，指的是接地故障点与转子绕组中性点的长度占转子绕组单相长度的比例。

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 (8)

1.一种交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护系统，其特征在于：包括三相对称的注入回路，每相回路均包括相互串接的电阻、电容、电流传感器及切换开关，其中，三相对称的注入回路的一端与交流励磁绕组对应相分别相连，另一端互相短接组成中性点；接地变原边一端与中性点相连，另一端直接接地，接地变副边并接注入电源以及负载电阻；

其中，三相注入方式下转子接地电阻R_g1的计算公式是：

R_g1＝Re(Z_g1)

其中，

为折算到一次侧的注入电源电压，L_r为每相励磁绕组电感，C_e为每相励磁绕组对地电容；R_i为注入回路中各电阻的阻值；C_i为注入回路中各电容的容值；C_e为转子绕组等效对地电容容值；

为三相注入方式下注入电流；

计算接地位置与单相注入方式下转子接地电阻的方法是：

首先计算三相注入回路注入电流的不平衡度：

再判断max{I_1Δ,I_2Δ,I_3Δ}＜KI_Δm是否成立，其中，I_Δm为转子绕组端部发生单相金属性接地短路时的注入电流不平衡度；K为固定系数，取0.01～0.2；若成立，则判断接地位置发生在转子绕组中性点或者靠近中性点的位置，此时对应的接地电阻阻值为R_g1；

若不成立，则判断接地位置发生在转子绕组中间或者靠近端部的位置，I_1Δ,I_2Δ,I_3Δ中最大值对应的相为接地故障相，此时切换到单端注入方式，非故障相故障切换开关断开，故障相故障切换开关保持闭合，根据以下公式得到单相注入方式下转子接地电阻计算值：

其中

为切换到单端注入方式下故障相的注入电流；

此时对应的接地电阻阻值计算公式如下：

k₁＝β(1-k₂)

其中，α、β为考虑转子绕组电感分布非线性特性以及接地电阻阻值差异增加的调整系数；k₂为接地故障点位置。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电容满足C₁＝C₂＝C₃，其中，C₁,C₂,C₃分别为三相对称的注入回路中的电容；电阻满足R₁＝R₂＝R₃＞ωC_e，其中ω＝2πf，f为注入交流电源频率，C_e为每相励磁绕组的对地电容，R₁,R₂,R₃分别为三相对称的注入回路中的电阻。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述电流传感器采用霍尔传感器或者光学电流互感器。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述注入电源频率不超过50Hz，且大于交流励磁绕组的正常工作频率范围。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述注入电源电压输出侧连接有低通滤波回路。

6.基于如权利要求1所述的交流励磁同步电机励磁绕组接地短路故障保护系统的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，三相对称的注入回路中，切换开关均保持闭合，向注入回路注入交流电压，采集三相注入电流I₁/I₂/I₃；

步骤2，计算三相注入方式下转子接地电阻R_g1，若R_g1大于转子接地保护电阻定值，表明转子绕组未发生异常；若R_g1小于转子接地保护电阻定值，则进一步计算接地位置与对应的转子接地电阻；

其中，三相注入方式下转子接地电阻R_g1的计算公式是：

R_g1＝Re(Z_g1)

其中，

为折算到一次侧的注入电源电压，L_r为每相励磁绕组电感，C_e为每相励磁绕组对地电容；R_i为注入回路中各电阻的阻值；C_i为注入回路中各电容的容值；C_e为转子绕组等效对地电容容值；

为三相注入方式下注入电流；

计算接地位置与单相注入方式下转子接地电阻的方法是：

首先计算三相注入回路注入电流的不平衡度：

再判断max{I_1Δ,I_2Δ,I_3Δ}＜KI_Δm是否成立，其中，I_Δm为转子绕组端部发生单相金属性接地短路时的注入电流不平衡度；K为固定系数，取0.01～0.2；若成立，则判断接地位置发生在转子绕组中性点或者靠近中性点的位置，此时对应的接地电阻阻值为R_g1；

若不成立，则判断接地位置发生在转子绕组中间或者靠近端部的位置，I_1Δ,I_2Δ,I_3Δ中最大值对应的相为接地故障相，此时切换到单端注入方式，非故障相故障切换开关断开，故障相故障切换开关保持闭合，根据以下公式得到单相注入方式下转子接地电阻计算值：

其中

为切换到单端注入方式下故障相的注入电流；

此时对应的接地电阻阻值计算公式如下：

k₁＝β(1-k₂)

其中，α、β为考虑转子绕组电感分布非线性特性以及接地电阻阻值差异增加的调整系数；k₂为接地故障点位置。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述步骤1中，采用电流传感器采集三相注入电流i1/i2/i3，对其进行带通滤波处理，再进行幅值补偿以及相位补偿，得到三相注入电流I₁/I₂/I₃。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于：所述α、β的取值范围均为0.1～10。

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