CN111082394B - 一种转子接地保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种转子接地保护方法，包括：根据转子绕组的引出方式，将直流电源与转子绕组采取相应的连接；采集转子绕组不同引出方式下转子的漏电流以及电压，根据转子的漏电流、电压以及电子开关的开合状态建立回路方程；根据转子绕组不同引出方式下所建立的回路方程实时计算转子的接地电阻以及接地位置实现转子接地保护，本发明解决直流注入式转子接地保护灵敏度在不同接地点变化较大的问题，并减少转子接地保护硬件成本，提高转子接地保护的可靠性。

Description

一种转子接地保护方法
技术领域
本发明属于继电保护技术领域，尤其涉及一种转子接地保护方法。
背景技术
转子接地保护为发电机转子绕组的主保护，是发电机继电保护中的重要组成部分。转子接地保护目前主要分为注入电源式转子接地保护与乒乓切换式转子接地保护。注入电源式转子接地保护在停机时亦能检测转子绕组对地绝缘，适用工况较广。目前公开的注入式转子接地保护主要有直流注入式与方波注入式两种方式。传统的直流注入式转子接地保护未运用切换采样技术，接地点不同，保护的灵敏度变化较大。方波注入式灵敏度与位置无关，但是需要一个方波电源，较直流电源复杂，且保护装置中不易安装。目前引入切换技术的双端直流注入式转子接地保护需要使用两路直流电源，且需要串联二极管限定转子漏电流的流向，回路较为复杂，且不适用与转子电压反向的工况。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种转子接地保护方法，减少了转子接地保护硬件成本，提高转子接地保护的可靠性。
本发明所要解决的技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种转子接地保护方法，包括：
对于转子绕组正负双端引出的场合，将叠加的直流电源E负端接转子大轴B点，E正端与大功率电阻R1串联后接于转子绕组正端，同时E正端还与大功率电阻R2、R3串联后接于转子绕组负端，R2两端并联有电子切换开关。装置分别测量电子切换开关S开、合两种状态下的转子正漏电流Ip、转子负漏电流In，同时采集转子电压Uf，对漏电流、转子电压进行校正和滤波后，再根据不同状态的回路方程，实时计算转子接地电阻Rg与转子接地位置α，并实现转子接地保护跳闸与告警，具体包括以下步骤：
1)电子切换开关S开、合两种状态由软件控制，且切换周期T可设置。
2)硬件中对转子电压Uf、转子正漏电流Ip、转子负漏电流In通道进行低通滤波
3)装置对转子电压Uf、对转子正漏电流Ip、转子负漏电流In进行采样，得到当前时刻采样点Uf(n)、Ip(n)与In(n)，计算电子切换开关切换前他t1(根据经验值选取)时刻的平均值，并进行校正，得到转子电压平均值Ufa、转子正漏电流平均值Ipa、转子负漏电流平均值Ina，计算公式为
Figure GDA0003396082490000021
式中N为每周波采样点数，n-N表示前N/fs时刻的采样点号，n为当前采样点序数，fs为装置采样率，Uf0、Ip0、In0为零飘校正值。
4)列出S打开状态的回路方程
Figure GDA0003396082490000022
式中Ipa1为S打开状态的转子正漏电流，Ina1为S打开状态的转子负漏电流。假设转子电压Uf在电子切换开关S切换前后未发生变化，并对电子开导通压降ΔU进行补偿，S闭合状态回路方程为
Figure GDA0003396082490000023
Ipa2为S闭合状态的转子正漏电流，Ina2为S闭合状态的转子负漏电流；
5)令R3＝R2＝R1，根据切换前后的回路方程，求得转子接地电阻Rg与转子接地位置α
Figure GDA0003396082490000024
6)判断转子电压变化量ΔUf＝Uf(t)-Uf(t-Δt)是否大于门槛值max{0.1Uf(t-Δt),5}，t为当前时刻，Δt表示时间变化量，如果满足上述条件，则闭锁保护且持续闭锁保护的时间至少为3T，如果保护未闭锁，且持续满足动作判据Rg＜Rset的时间达到延时定值，则保护动作。
对于转子绕组正引出的场合，将直流电源负与转子绕组正端连接，直流电源正与两个大功率电阻串联后接与大轴B，两个大功率电阻中有一个并接电子切换开关。装置分别测量电子切换开关S开、合两种状态下的转子漏电流Ia，对漏电流进行校正和滤波后，再根据不同状态的回路方程，实时计算转子接地电阻Rg，并实现转子接地保护跳闸与告警。
对于转子绕组负引出的场合，将叠加的直流电源E负端接转子大轴B点，E正端与大功率电阻R2、R3串联后接于转子绕组负端，R2两端并联有电子切换开关。装置分别测量电子切换开关S开、合两种状态下的转子漏电流Ia，对漏电流进行校正和滤波后，再根据不同状态的回路方程，实时计算转子接地电阻Rg。
对转子绕组正或负单独引出的场合，均可沿用双端引出方式的装置硬件以及通道校正方法，软件处理按照以下步骤进行：
1)列出回路方程，S打开状态为
E＝Ia1(R3+R2)+Ia1Rg-(1-α)Uf
其中，Ia1为电子切换开关S打开状态的转子漏电流，Ia2为为电子切换开关S闭合状态转子漏电流；
假设转子电压Uf在电子切换开关S切换是未发生变化，并对电子切换开关S导通压降进行补偿，S闭合状态回路方程为
E＝Ia2R3+Ia2Rg+ΔU-(1-α)Uf
2)根据切换前后的回路方程，求得转子接地电阻
Figure GDA0003396082490000031
3)当首次满足动作判据Rg＜Rset后，判断转子漏电流幅值闭锁判据
Figure GDA0003396082490000032
或
Figure GDA0003396082490000033
是否成立，Rset为转子接地保护定值，如果满足闭锁判据，则闭锁保护且持续闭锁保护的时间至少为3T。如果保护未闭锁，且持续满足动作判据Rg＜Rset的时间达到延时定值，则保护动作。
进一步的，优选的，电子切换开关选用两个高耐压IGBT，并背靠背联结，可实现双向可控导通。
进一步的，优选的作为优选方案，对电子切换开关S闭合后的导通压降进行补偿，补偿电压为双IGBT串联后的导通压降ΔU＝0.7Ina2/|Ina2|。
有益效果：本发明提供一种基于双端直流注入切换采样原理的转子接地保护方法，该方法注入电源结构简单，仅需一个直流电源，能够同时测量转子接地电阻与转子接地位置，保护无死区，且不受发电机停机影响；电子切换开关S采用高耐压IGBT背靠背联结，可实现双向可控导通，适用于转子电压可能存在的极性反向工况；适用于转子正负同时引出、转子正引出或转子负引出三种不同场合，适用范围广；双端注入式原理配合转子电压测量，实现转子电压波动闭锁判据，单端注入式原理配合转子漏电流幅值闭锁，提高了保护的可靠性。
附图说明
图1本发明中转子绕组双端引出回路图；
图2本发明中转子绕组正端引出回路图；
图3本发明中转子绕组负端引出回路图；
图4本发明中电子切换开关S双IGBT背靠背回路；
图5转子正端接5KΩ电阻时的保护计算波形图；
图6转子正端接10KΩ电阻时的保护计算波形图。
具体实施方式
为了进一步描述本发明的技术特点和效果，以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。
参照图1-6，一种转子接地保护方法，包括：
一、对于转子绕组正负双端引出的场合
1)如图1所示，将叠加的直流电源E负端接转子大轴B点，E正端与大功率电阻R1串联后接于转子绕组正端，同时E正端还与大功率电阻R2、R3串联后接于转子绕组负端，R2两端并联有电子切换开关。电子切换开关采用2个同型号的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)背靠背串联。装置分别测量电子切换开关S开、合两种状态下的转子正漏电流Ip、转子负漏电流In，同时采集转子电压Uf。
2)电子切换开关S开、合两种状态由软件控制，且切换周期T设置为0.4s。
3)硬件中对转子电压Uf、转子正漏电流Ip、转子负漏电流In通道进行低通滤波，截止频率为4Hz。
4)装置对转子电压Uf、对转子正漏电流Ip、转子负漏电流In进行采样，得到当前时刻采样点Uf(n)、Ip(n)与In(n)，计算电子切换开关切换前t1(取40ms，依据经验值选取)时刻的平均值，并进行校正，得到转子电压平均值Ufa、转子正漏电流平均值Ipa、转子负漏电流平均值Ina，计算公式为
Figure GDA0003396082490000041
式中N为24，点号n-N表示前N/fs时刻的采样点号，fs为1200Hz，Uf0、Ip0、In0为转子电压平均值、转子正漏电流平均以及转子负漏电流平均值的零飘校正值。
5)列出S打开状态的回路方程
Figure GDA0003396082490000051
式中Ipa1为S打开状态的转子正漏电流，Ina1为S打开状态的转子负漏电流，E为电源电压。假设转子电压Uf在电子切换开关S切换前后未发生变化，并对电子切换开关S固有压降进行补偿，S闭合状态回路方程为
Figure GDA0003396082490000052
Ipa2为S闭合状态的转子正漏电流，Ina2为S闭合状态的转子负漏电流；
6)R3＝R2＝R1＝40kΩ，根据切换前后的回路方程，求得转子接地电阻Rg与转子接地位置α
Figure GDA0003396082490000053
6)判断转子电压变化量ΔUf＝Uf(t)-Uf(t-Δt)是否大于门槛值max{0.1Uf(t-Δt),5}，t为当然前时刻，Δt为时间变化量，如果满足上述条件，则闭锁保护且持续闭锁保护的时间至少为3s。如果保护未闭锁，且持续满足动作判据Rg＜Rset的时间达到延时定值，则保护动作。
7)当转子电压为100V，转子正端接地电阻为5KΩ时的保护计算如图5所示，转子负端接地电阻为10KΩ时的保护计算如图6所示，可见，直流双端注入式切换采样原理的计算精度较高。
二、对于转子绕组正端引出的场合
1)如图2所示，将直流电源负与转子绕组正端连接，直流电源正与两个大功率电阻串联后接与大轴B，两个大功率电阻中有一个并接电子切换开关。装置分别测量电子切换开关S开、合两种状态下的转子漏电流Ia。
2)列出回路方程，S打开状态为
E＝Ia1(R3+R2)+Ia1Rg-(1-α)Ufa
Ia1为S打开状态下的转子漏电流，假设转子电压Uf在电子切换开关S切换是未发生变化，并对电子切换开关S固有压降进行补偿，S闭合状态回路方程为
E＝Ia2R3+Ia2Rg+ΔU-(1-α)Ufa
Ia2为S闭合状态下的转子漏电流。
3)根据切换前后的回路方程，求得转子接地电阻
Figure GDA0003396082490000061
4)判断
Figure GDA0003396082490000062
或
Figure GDA0003396082490000063
是否成立，Rset为转子接地保护定值，如果满足闭锁判据，则闭锁保护且持续闭锁保护的时间至少为3s。如果保护未闭锁，且持续满足动作判据Rg＜Rset的时间达到延时定值，则保护动作。
作为优选方案，电子切换开关如图4所示，选用两个高耐压IGBT，并背靠背联结，可实现双向可控导通。
作为优选方案，对电子切换开关S闭合后的导通压降进行补偿，补偿电压为即双IGBT串联后的导通压降ΔU＝0.7Ina2/|Ina2|。
上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采取等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种转子接地保护方法，其特征在于，包括：
根据转子绕组的引出方式，将直流电源E与转子绕组采取相应的连接，包括：对于转子绕组双端引出的方式，将叠加的直流电源E接转子大轴，直流电源E正端与电阻R1串联后接于转子绕组正端，同时直流电源E正端还与电阻R2、电阻R3串联后接于转子绕组负端，两个电阻R2、R3中有一个并联有电子切换开关S；
对于转子绕组正端引出的方式，将叠加的直流电源E负端与转子绕组正端连接，直流电源E正端与两个电阻R2、R3串联后接于转子大轴，两个电阻R2、R3中有一个并联电子切换开关S；
对于转子绕组负端引出的方式，将叠加的直流电源E负端接转子大轴，直流电源E正端与电阻R2、R3串联后接于转子绕组负端，两个电阻R2、R3中有一个并联有电子切换开关S；
采集转子绕组不同引出方式下转子的漏电流以及电压，根据转子的漏电流、电压以及电子开关的开合状态建立回路方程；
采集转子绕组双端引出方式下转子的漏电流以及电压，根据转子的漏电流、电压以及电子切换开关S的开合状态建立回路方程具体为：
采集电子切换开关S开、合两种状态下的转子电压Uf、转子正漏电流Ip以及转子负漏电流In，得到当前时刻采样点Uf(n)、Ip(n)与In(n)，计算电子切换开关S切换前t1时刻的平均值，并进行校正，得到转子电压平均值Ufa、转子正漏电流平均值Ipa、转子负漏电流平均值Ina，计算公式如下：
Figure FDA0003504012090000011
其中，N为每周波采样点数，点号n-N表示前N/fs时刻的采样点号，n为当前采样点序数，fs为装置采样率，Uf0、Ip0、In0为零飘校正值；
建立电子切换开关S打开状态的回路方程
Figure FDA0003504012090000012
其中，Ipa1为电子切换开关S打开状态的转子正漏电流，Ina1为S打开状态的转子负漏电流，E为电源电压，Rg为转子接地电阻，α为转子接地位置；
设转子电压Uf在电子切换开关S切换前后未发生变化，并对电子切换开关S导通压降ΔU进行补偿，建立电子切换开关S闭合状态的回路方程
Figure FDA0003504012090000021
其中，Ipa2为S闭合状态的转子正漏电流，Ina2为S闭合状态的转子负漏电流；
采集转子绕组正或负单端引出的方式下转子的漏电流以及电压，根据转子的漏电流、电压以及电子切换开关S的开合状态建立回路方程具体为：
采集电子切换开关S开、合两种状态下的转子漏电流Ia，并对漏电流进行校正和滤波；
建立电子切换开关S打开状态的回路方程
E＝Ia1(R3+R2)+Ia1Rg-(1-α)Uf
设转子电压Uf在电子切换开关S切换时未发生变化，并对电子切换开关S导通压降进行补偿，S闭合状态回路方程为
E＝Ia2R3+Ia2Rg+ΔU-(1-α)Uf
其中，Ia1为电子切换开关S打开状态的转子漏电流，Ia2为S闭合状态的转子漏电流，E为电源电压，Rg为转子接地电阻，α为转子接地位置，ΔU为电子切换开关S导通压降；
根据转子绕组不同引出方式下所建立的回路方程实时计算转子的接地电阻以及接地位置实现转子接地保护；
根据转子绕组双端引出方式所建立的回路方程实时计算转子的接地电阻以及接地位置实现转子接地保护包括：
令R3＝R2＝R1，根据切换前后的回路方程，求得转子接地电阻Rg与转子接地位置α
Figure FDA0003504012090000022
判断转子电压变化量ΔUf＝Uf(t)-Uf(t-Δt)是否大于门槛值max{0.1Uf(t-Δt),5}，其中t为当前时刻，Δt为时间变化量，如果满足上述条件，则闭锁保护且持续闭锁保护的时间至少为3T，T为电子切换开关的切换周期，如果保护未闭锁，且持续满足动作判据Rg＜Rset的时间达到延时定值，则执行保护动作，Rset为转子接地保护定值；
根据转子绕组正或负单端引出方式所建立的回路方程实时计算转子的接地电阻以及接地位置实现转子接地保护包括：根据切换前后的回路方程，求得转子接地电阻
Figure FDA0003504012090000031
当首次满足动作判据Rg＜Rset后，判断转子漏电流幅值闭锁判据
Figure FDA0003504012090000032
或
Figure FDA0003504012090000033
是否成立，Rset为转子接地保护定值，ΔU为电子切换开关S导通压降，如果满足闭锁判据，则闭锁保护且持续闭锁保护的时间至少为3T，T为电子切换开关的切换周期，如果保护未闭锁，且持续满足动作判据Rg＜Rset的时间达到延时定值，则执行保护动作。
2.根据权利要求1所述的一种转子接地保护方法，其特征在于：所述电子切换开关S采用两个高耐压IGBT，并背靠背联结，实现双向可控导通。
3.根据权利要求2所述的一种转子接地保护方法，其特征在于：对电子切换开关S闭合后的导通压降进行补偿，补偿电压为双IGBT串联后的导通压降ΔU＝0.7Ina2/|Ina2|；其中Ina2为S闭合状态的转子负漏电流，ΔU为电子切换开关S导通压降。
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