CN112217348B - 一种消除无刷旋转励磁发电机转子接地检测滑环电腐蚀装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种消除无刷旋转励磁发电机转子接地检测滑环电腐蚀装置及方法，包括有发电机转子电压检测碳刷、发电机转子接地保护装置，所述发电机转子电压检测碳刷经电缆、控制开关将发电机转子负对地或正对地电压送至发电机转子接地保护装置，所述转子接地保护装置包括有双端注入式转子保护装置和单端注入式转子保护装置，本发明切除了无刷旋转励磁换向脉冲电流回路，消除了尖端脉冲电流，方便的解决了旋转无刷励磁发电机组转子测量滑环的电腐蚀问题。

Description

一种消除无刷旋转励磁发电机转子接地检测滑环电腐蚀装置 及方法

技术领域

本发明涉及到一种消除无刷旋转励磁发电机转子接地检测滑环电腐蚀装置及方法。

背景技术

采用三机无刷旋转励磁的发电机转子电压检测滑环在投产2年后发现滑环斑状磨痕，碳刷火花较前有明显增大，更换周期从最初的3个多月降低到2个月左右，最终需要每周进行更换，同时检查碳刷发热严重，碳刷接触面有缺损或碎裂迹象，用频闪仪观察滑环表面磨痕非常明显，发电机转子接地保护误报警，危及机组的安全运行，发电机检修中，打开碳刷罩发现转子电压测量滑环表面沿圆周方向均匀分布18块电腐蚀痕迹。

滑环的电腐蚀，表面凹凸不平，造成碳刷跳动，磨损加剧，甚至破碎，转子一点接地保护电压测量波动，保护存在误动的风险。

调研同类型电厂，并咨询制造厂，并根据制造厂的建议对滑环进行了车削，运行一段时间后发电机转子测量滑环再次发生了电腐蚀现象。

发明内容

发明目的：本发明的目的是针对目前技术中的不足，提供了一种消除无刷旋转励磁发电机转子接地检测滑环电腐蚀装置及方法，有效解决了现有技术中滑环产生电腐蚀，表面凹凸不平，造成碳刷跳动，磨损加剧，甚至破碎，转子一点接地保护电压测量波动，存在误动的风险的技术问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明提供了一种消除无刷旋转励磁发电机机组转子接地检测滑环电腐蚀装置，其特征在于：包括发电机转子电压检测碳刷、发电机转子接地保护装置，所述发电机转子电压检测碳刷经电缆、控制开关将发电机转子负对地或正对地电压送至发电机转子接地保护装置，所述发电机转子接地保护装置，包括单端注入式转子接地保护装置和双端注入式转子接地保护装置。

作为本技术方案的一种改进：所述单端注入式转子接地保护装置保护包括注入方波U_s、采样电阻R_X、耦合电阻R_y、转子负极绕组、转子大轴对地电容和对地电阻R_g，注入方波U_s与采样电阻R_X、耦合电阻R_y与转子负极绕组相连。转子大轴经转子接地碳刷接地。转子绕组电压U_L,转子负极对地电压为αU_L。

作为本技术方案的一种改进：所述双端注入式转子接地保护装置保护包括注入方波U_s、采样电阻R_X、耦合电阻R_y、转子负极绕组、转子正极绕组、转子大轴对地电容和对地电阻R_g，转子正极绕组经耦合电阻R_y与采样电阻R_X、注入方波U_s以及转子接地电阻与接地电容组成的并联电路相连，该回路电流为I₁。转子负极对地绕组经耦合电阻R_y与采样电阻R_X、注入方波U_s以及转子接地电阻与接地电容组成的并联电路相连,该回路电流为I₂。转子绕组电压U_L,转子负极对地电压为αU_L,转子正极对地电压为(1-α)U_L。

一种消除无刷旋转励磁发电机转子接地检测滑环电腐蚀方法，包括有如下步骤：

(1)测量得到回采电压：

方波电压通过Ry耦合电阻、转子对地电容C、对地电阻Rg及测量电阻Rx构成回路，注入电压，通过对地电容C返回，此时在Rx上得到回采电压Ux。

(2)消除对地电容C的影响：

在Ux达到稳态的情况下，即dUx/dt＝0时，才计算正半波下的回采电压Ux_l和负半波下的回采电压Ux₂，当转子发生接地故障时，由于Rg的作用，使得电容充电时间常数发生变化，稳态电压Ux也随之发生变化，正负半波下的稳态电压Ux_l和Ux₂幅值都变大，Uxl—Ux2＝K，通过调整注入方波电源周期定值可消除转子绕组对地电容的影响。

(3)确定注入的方波电源周期：

在停机的情况下，确保转子绝缘良好的情况下，调整注入电源周期，观察单端注入式装置泄漏电流采样，推算电容充放电时间，考虑一定的裕度，确定最终注入电源周期定值为1S；

(4)单端注入式转子接地保护的接地判断：

在转子绕组的负极与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算接地电阻的阻值，构成转子一点接地保护，方波注入式保护由于在稳态下测量，所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用，因此在每半波周期内，电路可以看作是直流注入，电流；

在方波的正半波可列出回路电流方程组为

设U_X为采样电阻R_X两端电压，则U_X1＝IR_X

可得U_X的表达式为

在方波负半波时，注入电压的极性发生改变，同样可以得到

根据公式(1)(2)可得

转子绝缘良好时，R_g接近无穷大，当转子发生接地故障时，由于Rg的作用，使得电容充电时间常数发生变化，稳态电压Ux也随之发生变化，正负半波下的稳态电压Ux_l和Ux₂幅值都变大，Uxl—Ux2＝K，接地电阻数值下降，转子接地报警。

(5)确定双端注入式保护装置的接地位置：

在转子绕组的两端与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算接地电阻的阻值，构成转子一点接地保护，为双端注入式保护装置，方波注入式保护由于在稳态下测量，所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用，因此在每半波周期内，电路可

以看作是直流注入；

在方波的正半波可列出回路电流方程组为

U_S+αU_L＝(R_Y+R_g+R_X)I₁+(R_g+R_x)I₂ (1)

U_s-(1-α)U_L＝(R_g+R_x)I₁+(R_y+R_g+R_x)I₂ (2)

设U_X为采样电阻R_X两端电压，则U_X＝(I₂+I₁)R_X

由公式1、2可得到U_X的表达式为

负半周，方波电压的极性变化外，同理可以得到U_X’的表达式

可以计算得出接地位置

与现有技术相比本发明具有的有益效果：

本发明通过改用单端注入式接地保护，切除了无刷旋转励磁换向脉冲电流回路，消除了尖端脉冲电流，方便的解决了旋转无刷励磁发电机组转子测量滑环的电腐蚀问题，碳刷从每周更换改变为每两月更换一次，减少了碳粉对周围环境的污染，转子接地保护运行可靠，提高了机组运行的可靠性和经济性。检测发现发电机转子发生一点接地保护时，可短时退出单端注入式转子接地保护，恢复发电机励磁回路正极碳刷，投入双端注入式接地保护，双端注入式保护监测的接地电阻数值与单端注入式一致，但其可自动判断发电机转子接地的位置，方便故障的分析和处理，不影响发电机转子接地保护的功能。

附图说明

图1为本发明中单端注入式转子接地电路连接结构示意图；

图2为本发明中双端注入式转子接地电路连接结构示意图；

图3为本发明中回采电压波形图；

图4为本发明中转子接地保护柜主视结构示意图；

图5为本发明中转子接地保护柜后视结构示意图；

图6为本发明中转子接地保护柜背面接线图；

图7为本发明中转子接地保护柜交流信号回路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

无刷励磁系统旋转整流装置采用三相桥式整流电路，由于各相电路均存在电感(无刷励磁系统中励磁机电枢绕组即是感性负载)，各相支路的二极管元件在由导通转为截止的切换过程中，由于电感中的磁场能量瞬时转换为电场能量，造成二极管两端电压瞬时上升，并与直流输出电压相叠加。三相全控整流桥每个周期中存在6次换流过程，因此一个周期中将出现6个尖端脉冲，尖端脉冲的幅值可达到正常电压的2.5-4.5倍。

造成转子测量滑环电腐蚀的直接原因是三相桥式整流的输出电压含有高频尖端脉冲，发电机转子一点接地保护装置采用惠斯通电桥耦合原理，需长期引入转子电压，惠斯通电桥中采样耦合电容的存在，造成整流桥输出正负极间通过转子接地检测滑环流过电容充放电电流，因此在励磁电压的尖端脉冲电流长期作用下，滑环出现规则的电腐蚀痕迹。

由于整流二极管在换向过程中必然存在换向脉冲电压，消除转子换向滑环的电腐蚀只有切除尖端脉冲电流的通路，为解决上述问题，本发明采用注入式转子接地保护，注入式一点接地保护分为单端注入式保护装置和双端注入式保护装置。

所述单端注入式转子接地保护装置保护包括注入方波U_s、采样电阻R_X、耦合电阻R_y、转子负极绕组、转子大轴对地电容和对地电阻R_g，注入方波U_s与采样电阻R_X、耦合电阻R_y与转子负极绕组相连。转子大轴经转子接地碳刷接地。转子绕组电压U_L,转子负极对地电压为αU_L。

单端注入式转子一点接地电路原理：

在转子绕组的一端与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算接地电阻的数值，构成转子一点接地保护，称为单端注入式。单端注入式转子接地电阻测量图如图1所示。由于单端注入式原理没有同时引出转子绕组的正、负两端，故无法计算转子接地故障的位置。

Us是由辅助电源装置发出的46.2V方波电压，方波频率为0.5～4Hz，具体值与电阻电容的时间常数有关，在转子绕组的负极与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算接地电阻的阻值，构成转子一点接地保护，方波注入式保护由于在稳态下测量，所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用，因此在每半波周期内，电路可以看作是直流注入，；

在方波的正半波可列出回路电流方程组为

设U_X为采样电阻R_X两端电压，则U_X1＝IR_X

可得U_X的表达式为

在方波负半波时，注入电压的极性发生改变，同样可以得到

根据(1)(2)可得

此即为叠加方波电源式转子一点接地保护计算接地电阻的判据。

根据以上所述，通过调整注入方波电源周期定值可消除转子绕组对地电容的影响。在停机的情况下，确保转子绝缘良好的情况下，调整注入电源周期，观察装置泄漏电流采样，推算电容充放电时间，考虑一定的裕度，确定最终注入电源周期定值为1S。

单端注入式原理在未加励磁电压的情况下也能监视转子绝缘，在转子绕组上任一点接地时，接地电阻测量精度高，灵敏度高，能够满足现场要求，保证无刷励磁机组的安全运行，但无法计算接地电阻的大小，无法判断接地的位置。

所述双端注入式转子接地保护装置保护包括注入方波U_s、采样电阻R_X、耦合电阻R_y、转子负极绕组、转子正极绕组、转子大轴对地电容和对地电阻R_g，转子正极绕组经耦合电阻R_y与采样电阻R_X、注入方波U_s以及转子接地电阻与接地电容组成的并联电路相连，该回路电流为I₁。转子负极对地绕组经耦合电阻R_y与采样电阻R_X、注入方波U_s以及转子接地电阻与接地电容组成的并联电路相连,该回路电流为I₂。转子绕组电压U_L,转子负极对地电压为αU_L,转子正极对地电压为(1-α)U_L。

双端注入式转子一点接地原理：

在转子绕组的两端与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算接地电阻的阻值，构成转子一点接地保护，称为双端注入式。该保护的转子接地电阻测量图如图2所示。

假设在距离负端点发生接地。方波注入式保护由于在稳态下测量，所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用，因此在每半波周期内，电路可以看作是直流注入。

在方波的正半波可列出回路电流方程组为

U_S+αU_L＝(R_Y+R_g+R_X)I₁+(R_g+R_x)I₂ (1)

U_s-(1-α)U_L＝(R_g+R_x)I₁+(R_y+R_g+R_x)I₂ (2)

设U_X为采样电阻R_X两端电压，则U_X＝(I₂+I₁)R_X

由公式1、2可得到U_X的表达式为

负半周，方波电压的极性变化外，同理可以得到方波电压负极性时采样电阻的电压U_X’的表达式

可以计算得出接地位置

双端注入式接地保护装置可同时计算出转子的接地电阻和转子接地的位置。

采用两套转子接地保护，正常运行时，投入单端注入式转子接地保护，在单端注入式接地保护动作报警时，需要判断接地位置时，采取退出单端注入式接地保护，投入双端注入式接地保护从而判断转子接地的位置。

在机组继电保护室为机组增加一面转子接地保护柜，柜内配置两套PCS-985RE发电机接地保护装置，一套单端注入式保护装置，一套双端注入式保护装置。柜子正面设单端注入式、双端注入式切换开关和两套装置各自的保护功能压板和跳闸出口压板，保护柜背面设装置电源开关和转子电压开关等，机组正常运行时投入单端注入式保护装置，退出双端注入式保护装置。

需注意的是两套注入式转子接地保护在运行中只能投入一套装置，如果两套装置同时投入，将会互相影响，可能造成误动等情况。为切除转子滑环脉冲电流，发电机转子电压测量碳刷只接出负极，所以正常运行时只能投入单端注入式转子接地保护，如要投入双端注入式转子接地保护，必须先将转子电压碳刷正极接入，退出单端注入式接地保护转子电压开关及保护装置出口压板，投入双端注入式转子电压开关和保护装置投入压板，将转子接地保护投入开关由单端注入方式切换为双端注入式方式。此时单端注入式接地保护退出运行，双端接地保护投入运行。

巡检时记录机组当前负荷下转子对地泄漏电流情况及对地绝缘电阻值，对比一段时间以来的变化情况。做到预防和及早发现发电机转子回路存在问题。

当单端注入式转子接地保护接地报警时，退出单端注入式转子接地保护装置，投入双端注入式转子接地保护装置，发电机转子引出线和大轴接地线经励磁盘转接至转子接地保护柜，装置跳闸出口并入发电机保护屏励磁联跳发电机保护回路，由发电机保护出口实现跳闸逻辑。装置异常和动作信号发送到#1机DCS系统电气报警画面显示及#1机机组故障录波器。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (1)

1.一种消除无刷旋转励磁发电机转子接地检测滑环电腐蚀方法，消除无刷旋转励磁发电机机组转子接地检测滑环电腐蚀装置，包括发电机转子电压检测碳刷、发电机转子接地保护装置，所述发电机转子电压检测碳刷经电缆、控制开关将发电机转子负对地或正对地电压送至发电机转子接地保护装置，所述发电机转子接地保护装置，包括单端注入式转子接地保护装置和双端注入式转子接地保护装置；

所述单端注入式转子接地保护装置保护包括注入方波U_s、采样电阻R_X、耦合电阻R_y、转子负极绕组、转子大轴对地电容和对地电阻R_g，注入方波U_s与采样电阻R_X、耦合电阻R_y与转子负极绕组相连，转子大轴经转子接地碳刷接地，转子绕组电压U_L,转子负极对地电压为αU_L；

所述双端注入式转子接地保护装置保护包括注入方波U_s、采样电阻R_X、耦合电阻R_y、转子负极绕组、转子正极绕组、转子大轴对地电容和对地电阻R_g，转子正极绕组经耦合电阻R_y与采样电阻R_X、注入方波U_s以及转子接地电阻与接地电容组成的并联电路相连，该回路电流为I₁，转子负极对地绕组经耦合电阻R_y与采样电阻R_X、注入方波U_s以及转子接地电阻与接地电容组成的并联电路相连,该回路电流为I₂，转子绕组电压U_L,转子负极对地电压为αU_L,转子正极对地电压为(1-α)U_L：包括有如下步骤：

(1)测量得到回采电压：

方波电压通过耦合电阻Ry、转子对地电容C、对地电阻Rg及测量电阻R_x、转子绕组构成回路，此时在Rx上得到回采电压Ux；

(2)消除对地电容C的影响：

在Ux达到稳态的情况下，即dUx/dt＝0时，装置才计算正半波下的回采电压Ux_l和负半波下的回采电压Ux₂，所以在计算接地电阻时可不考虑接地电容的影响，在每半波周期内，电路可以看成直流注入；当转子发生接地故障时，由于Rg的作用，使得电容充电时间常数发生变化，稳态电压Ux也随之发生变化，正负半波下的稳态电压Ux_l和Ux₂幅值都变大，Ux_l—Ux₂＝K，通过调整注入方波电源周期定值可消除转子绕组对地电容的影响；

(3)确定注入的方波电源周期：

在停机情况下，确保转子绝缘良好的情况下，调整注入方波电源周期，观察单端注入式保护装置泄漏电流采样，推算电容充放电时间，考虑一定的裕度，确定最终注入电源周期定值为1S；

(4)单端注入式转子接地保护的接地判断：

在转子绕组的负极与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算接地电阻的阻值，构成转子一点接地保护，方波注入式转子接地保护由于在稳态下测量，所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用，因此在每半波周期内，电路可以看作是直流注入，转子绕组的电压为U_L,转子绕组负极对地电压为αU_L，耦合电阻，由双端注入式的正、负极的两支耦合电阻并联组成、注入方波Us、采样电阻R_X、转子对地电阻Rg和对地电容C、转子负级对地绕组上通过的电流为I；

在方波的正半波可列出回路电流方程组为

设U_X为采样电阻R_X两端电压，则U_x1＝IR_x

可得U_X的表达式为

在方波负半波时，注入电压的极性发生改变，同样可以得到

根据(1)(2)可得

当转子发生接地故障时，由于Rg的作用，使得电容充电时间常数发生变化，稳态电压Ux也随之发生变化，正负半波下的稳态电压Ux_l和Ux₂幅值都变大，Ux_l—Ux₂＝K，接地电阻数值下降；

(5)确定双端注入式保护装置的接地位置：

在转子绕组的两端与大轴之间注入偏移方波电源，通过计算接地电阻的阻值，构成转子一点接地保护，为双端注入式保护装置，方波注入式保护由于在稳态下测量，所以在计算接地电阻时可以不考虑接地电容的作用，因此在每半波周期内，电路可以看作是直流注入，转子正绕组和耦合电阻R_Y串联电路的电流为I₂，转子负极绕组和耦合电阻R_Y串联电路的电流为I₁，采样电阻R_X、注入方波和接地电阻上电流为(I₁+I₂)；

在方波的正半波可列出回路电流方程组为:

U_S+αU_L＝(R_Y+R_g+R_X)I₁+(R_g+R_x)I₂ (1)

U_sR-(1-α)U_L＝(R_g+R_x)I₁+(R_y+R_g+R_x)I₂ (2)

设U_X为采样电阻R_X两端电压，则U_X＝(I₂+I₁)R_X

由公式1、2可得到U_X的表达式为

负半周，方波电压的极性变化外，同理可以得到U'_X的表达式

可以计算得出接地电阻和接地位置

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