CN114137412A - 一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，属于电力系统技术领域。首先利用发电机注入式定子接地电阻测试方法，求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值Rg，测量机端三相电压与电流，利用傅氏算法实时计算机端三相电压之间的夹角，同时计算发电机机端的正序电压U1T、负序电压U2T、机端的零序3U0T以及中性点零序电压U0N。当检测到Rg低于保护报警定值，且满足三相电压之间的夹角均在120°附近，U2T、U0T以及U0N均小于各自整定值时，同时无相关辅助判据闭锁时，判断出定子冷却水水质异常电导率上升，经延时后保护动作为报警。本发明专利能有效识别汽轮发电机定子冷却水水质异常，为检修工作提供正确指导方向。

Description

一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法
技术领域
本发明涉及一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，属于电力系统技术领域。
背景技术
目前，国内大型发电机中性点经接地变压器接地方式应用广泛，一般需配置注入式定子接地保护。保护装置检测注入的低频电压、电流，计算出接地故障的过渡电阻阻值。
如图1为发电机注入式定子接地保护测量示意图，在图1中，G表示大型发电机；
N表示发电机中性点；
NGD表示中性点接地设备；
GND表示发电机以高阻接地方式接地；
Rn表示接地变压器二次负载电阻；
a表示外加低频电源装置；
b表示中间电流互感器；
c表示发电机定子接地保护装置；
Rg表示发电机定子绕组接地过渡电阻。
传统的注入式定子接地保护仅能测试出定子绕组对地整体的绝缘阻值大小，但当出现绝缘阻值下降的情况时，不能明确出现绝缘下降的原因，是由于出现绕组单相接地导致绝缘阻值下降，还是由于冷却水电导率上升，导致的三相绕组对地整体绝缘阻值下降。无法明确绝缘阻值下降的具体原因，不利于停机后检修工作的开展。
汽轮机发电机定子线棒内部是空心的，定子冷却水从中流过，起到冷却定子绕组的作用。定子绕组通过冷却水与大地相连，各相绕组对地的绝缘阻抗可以等效为绕组-冷却水-大地之间的阻抗。由于冷却水在三相绕组之间是均匀分布的，故各相绕组对地的绝缘阻抗是相等的。如图2为发电机定子绕组-冷却水-大地之间连接示意图，在图2中
N表示发电机中性点；
NGD表示中性点接地设备；
GND表示发电机以高阻接地方式接地；
A表示A相绕组；
B表示B相绕组；
C表示C相绕组；
a表示定子绕组-冷却水-大地之间阻抗模型，采用并联电阻电容模型；
当绕组对地发生单相接地故障导致绝缘电阻下降时，发电机运行在三相不对称的工作状态，有明显的不对称分量，三相电压之间的夹角也不再稳定在120°附近；相对的，如果绕组对地没有发生单相接地故障，而是由于冷却水水质异常电导率上升导致的绝缘电阻下降，由于冷却水在三相绕组之间是分布均匀的，所以三相绕组对地绝缘阻抗会同步下降，三相仍然是对称的，此时发电机仍然工作在三相对称的状态，没有不对称分量，三相电压之间的夹角会稳定在120°附近。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法。本发明专利提出的汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，在注入式定子接地保护计算出绝缘阻值下降的情况下，综合当前状态下发电机相间电压夹角的对称程度以及发电机电压不对称分量的大小，对发电机当前是否运行在三相对称的工况下进行判断。当判断出发电机当前运行在三相对称工况，认为是冷却水水质异常电导率上升导致的绝缘阻值下降，经延时后保护动作于报警，为后续停电检修提供了指导方向。
本发明的一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，具体检测步骤为：
(1)利用发电机注入式定子接地电阻测试方法，求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值；
(2)采集机端三相电压、三相电流，利用傅氏算法实时计算机端三相电压之间的夹角、三相电流之间的夹角；
(3)根据机端PT采集的三相电压计算机端正序电压、负序电压和自产零序电压的有效值，通过机端零序PT采集机端外接零序电压并计算其有效值，通过中性点零序PT采集中性点零序电压并计算其有效值；
(4)当检测到接地故障过渡电阻阻值低于设定的报警定值后，综合三相电压之间的夹角以及机端电压不对称分量等辅助判据判断此时发电机是否仍工作在三相对称状态；如果发电机仍工作在三相对称状态，则认为发电机组定子冷却水水质异常电导率上升，经延时后保护动作为报警。
进一步的，步骤(1)中求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值的具体方法是：利用低频电源装置从中性点接地变压器二次侧注入20Hz或12.5Hz的低频电压，通过采集施加的低频电压信号和回路产生的低频电流信号求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值。
进一步的，步骤(2)中利用傅氏算法实时计算机端三相电压之间的夹角、三相电流之间的夹角的方法是：以A相电压与B相电压之间的夹角Ang_UAB计算为例：
Figure BDA0003381110220000031
其中，N为保护装置每个工频周期的采样点数，UA.Re、UA.Im分别为A相电压的基波相量的实部和虚部，ua(k)为A相电压瞬时采样值,UB.Re、UB.Im分别为B相电压的基波相量的实部和虚部，ub(k)为B相电压瞬时采样值,Ang_UAB为A相电压与B相电压之间的夹角；
采用相同的方法，可以计算出B相电压和C相电压之间的夹角Ang_UBC、C相电压和A相电压之间的夹角Ang_UCA。
进一步的，步骤(4)中判断发电机是否仍工作在三相对称状态的时机是：在运行的工况下，当步骤(1)计算的接地故障过渡电阻Rg小于报警定值Rset后，开始判断此时发电机是否工作在三相对称状态，Rset为0.1～30kΩ。
进一步的，步骤(4)中综合三相电压之间的夹角以及机端电压不对称分量等辅助判据判断发电机是否仍工作在三相对称状态的方法是：
判断发电机是否工作在处于三相对称状态，首先调用(2)中计算的机端三相电压之间的夹角，统计机端三相电压之间的夹角偏离120°的情况；
|(Phase_UAB)-120°|≥Angset 式(2)
|(Phase_UBC)-120°|≥Angset 式(3)
|(Phase_UBC)-120°|≥Angset 式(4)
其中，Angset为设定的允许偏差角度，Angset为1～5°；当式(2)、式(3)、式(4)有2项或大于2项成立，认为相电压相位正常判据不满足，发电机不是工作在三相对称状态；当式(2)、式(3)、式(4)仅有1项或均不成立，认为相电压相位正常判据满足，发电机工作在三相对称状态；
当机端三相电压有效值的最小值低于设定的最小相电压有效值门槛，闭锁相电压相位正常判据；
min(UA,UB,UC)≤Uφset 式(5)
其中，UA、UB、UC为机端ABC三相电压有效值，Uφset为设定的最小相电压有效值门槛,Uφset为10～20V。
进一步的，判断发电机是否工作在处于三相对称状态，还需将步骤(3)中计算得到的发电机不对称分量的有效值，包括机端负序电压、机端零序电压及中性点零序电压，与其各自设定门槛值进行对比；
U2N≤U2set 式(6)
U0N≤U0set 式(7)
Figure BDA0003381110220000051
其中，U2T为机端负序电压有效值，U0N为中性点零序电压有效值，3U0T为机端零序电压有效值，U2set为设定的最大负序电压有效值门槛，U2set为0.3～10V，U0set为设定的最大零序电压有效值门槛，U0set为1～30V，U2n_VT_Term为机端外接零序PT副边(若选择机端自产零序电压，则该变量为机端PT副边)，U2n_VT_NP为中性点零序PT副边；U0set按照中性点零序PT变比整定，U0set应按照变比进行转换后与机端零序电压进行比较；
当以上三个条件有任意一个不满足时，认为系统出现不对称故障，零序负序电压低判据不满足，发电机不是工作在三相对称状态；当以上三个条件均满足时，认为系统没有出现不对称故障，零序负序电压低判据满足，发电机工作在三相对称状态；
当机端正序电压有效值低于设定的最小正序电压有效值门槛，闭锁零序负序电压低判据；
U1T≤U1set式(9)
其中，U1T为机端正序电压有效值，U1set为设定的最小正序电压有效值门槛,U1set为25～40V。
进一步的，步骤4中当监测到接地故障过渡电阻小于报警定值后，相电压相位正常判据满足且最小相电压有效值高于最低相电压有效值门槛，同时零序负序电压低判据满足且机端正序电压有效值高于设定的最小正序电压有效值门槛，经延时t装置动作于机组定子冷却水水质异常电导率上升报警，该t为0.1～5s。借由上述方案，本发明至少具有以下优点：
本发明的技术方案中，通过对发电机定子对地绝缘下降时发电机运行数据的实时分析，综合多个判据判断发电机此时是否仍然运行在三相对称的工况，以此判别出现绝缘下降的原因。解决了传统注入式定子接地保护无法判断：出现定子绕组对地绝缘的下降，是由于发生了绕组接地故障导致的，还是由于发生了冷却水水质异常电导率上升导致的。为机组后续停电检修提供了指导方向。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某个实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是本发明中发电机注入式定子接地保护测量示意图；
图2是汽轮机发电机组定子绕组-冷却水-大地之间阻抗示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明提供一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，实施例描述如下：
包括如下步骤：
(1)采用发电机注入式定子接地电阻测试方法，利用低频电源装置从中性点接地变压器二次侧注入20Hz或12.5Hz的低频电压，通过采集施加的低频电压信号UG0和回路产生的低频电流信号IG0求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值Rg。
(2)在运行的工况下，利用机端PT采集机端三相电压，机端CT采集三相电流后，采用全周傅立叶算法实时计算三相电压之间的夹角Ang_UAB、Ang_UBC、Ang_UCA。
以A相电压与B相电压之间的夹角Ang_UAB计算为例：
Figure BDA0003381110220000071
其中，N为保护装置每个工频周期的采样点数，UA.Re、UA.Im分别为A相电压的基波相量的实部和虚部，ua(k)为A相电压瞬时采样值,UB.Re、UB.Im分别为B相电压的基波相量的实部和虚部，ub(k)为B相电压瞬时采样值,Ang_UAB为A相电压与B相电压之间的夹角。
采用相同的方法，可以计算出B相电压和C相电压之间的夹角Ang_UBC、C相电压和A相电压之间的夹角Ang_UCA。
(3)在运行的工况下，根据机端PT采集的三相电压计算机端正序电压、负序电压和自产零序电压的有效值，通过机端零序PT采集机端外接零序电压并计算其有效值(根据现场PT配置情况可选择最终逻辑采用机端自产零序电压或机端外接零序电压)，通过中性点零序PT采集中性点零序电压并计算其有效值。
(4)在运行的工况下，当(1)计算的接地故障过渡电阻Rg小于报警定值Rset后，开始判断此时发电机是否工作在三相对称状态，Rset为0.1～30kΩ。
(5)判断发电机是否工作在处于三相对称状态，首先调用(2)中计算的机端三相电压之间的夹角，统计机端三相电压之间的夹角偏离120°的情况。
|(Phase_UAB)-120°|≥Angset 式(2)
|(Phase_UBC)-120°|≥Angset 式(3)
|(Phase_UBC)-120°|≥Angse 式(4)
其中，Angset为设定的允许偏差角度，Angset为1～5°。当式(2)、式(3)、式(4)有2项或大于2项成立，认为相电压相位正常判据不满足，发电机不是工作在三相对称状态；当式(2)、式(3)、式(4)仅有1项或均不成立，认为相电压相位正常判据满足，发电机工作在三相对称状态。
当机端三相电压有效值的最小值低于设定的最小相电压有效值门槛，闭锁相电压相位正常判据。
min(UA,UB,UC)≤Uφset 式(5)
其中，UA、UB、UC为机端ABC三相电压有效值，Uφset为设定的最小相电压有效值门槛,Uφset为10～20V。
(6)判断发电机是否工作在处于三相对称状态，需将(3)中计算得到的发电机不对称分量的有效值，包括机端负序电压、机端零序电压及中性点零序电压，与其各自设定门槛值进行对比。
U2N≤U2set 式(6)
U0N≤U0set 式(7)
Figure BDA0003381110220000081
其中，U2T为机端负序电压有效值，U0N为中性点零序电压有效值，3U0T为机端零序电压有效值，U2set为设定的最大负序电压有效值门槛，U2set为0.3～10V，U0set为设定的最大零序电压有效值门槛，U0set为1～30V，U2n_VT_Term为机端外接零序PT副边(若选择机端自产零序电压，则该变量为机端PT副边)，U2n_VT_NP为中性点零序PT副边。U0set按照中性点零序PT变比整定，U0set应按照变比进行转换后与机端零序电压进行比较。
当以上三个条件有任意一个不满足时，认为系统出现不对称故障，零序负序电压低判据不满足，发电机不是工作在三相对称状态；当以上三个条件均满足时，认为系统没有出现不对称故障，零序负序电压低判据满足，发电机工作在三相对称状态。
当机端正序电压有效值低于设定的最小正序电压有效值门槛，闭锁零序负序电压低判据。
U1T≤U1set 式(9)
其中，U1T为机端正序电压有效值，U1set为设定的最小正序电压有效值门槛,U1set为25～40V。
(7)当(1)中计算得到接地故障过渡电阻Rg小于报警定值Rset时，(5)中判断出相电压相位正常判据满足且最小相电压有效值高于最低相电压有效值门槛，同时(6)中判断出零序负序电压低判据满足且机端正序电压有效值高于设定的最小正序电压有效值门槛，经延时t保护动作于汽轮机发电机组定子冷却水水质异常电导率上升报警，该t为0.1～5s。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，其特征在于具体检测步骤为：
(1)利用发电机注入式定子接地电阻测试方法，求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值；
(2)采集机端三相电压、三相电流，利用傅氏算法实时计算机端三相电压之间的夹角、三相电流之间的夹角；
(3)根据机端PT采集的三相电压计算机端正序电压、负序电压和自产零序电压的有效值，通过机端零序PT采集机端外接零序电压并计算其有效值，通过中性点零序PT采集中性点零序电压并计算其有效值；
(4)当检测到接地故障过渡电阻阻值低于设定的报警定值后，综合三相电压之间的夹角以及机端电压不对称分量等辅助判据判断此时发电机是否仍工作在三相对称状态；如果发电机仍工作在三相对称状态，则认为发电机组定子冷却水水质异常电导率上升，经延时后保护动作为报警。
2.根据权利要求1所述的一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，其特征在于：步骤(1)中求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值的具体方法是：利用低频电源装置从中性点接地变压器二次侧注入20Hz或12.5Hz的低频电压，通过采集施加的低频电压信号和回路产生的低频电流信号求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值。
3.根据权利要求1所述的一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，其特征在于：步骤(2)中利用傅氏算法实时计算机端三相电压之间的夹角、三相电流之间的夹角的方法是：以A相电压与B相电压之间的夹角Ang_UAB计算为例：
Figure FDA0003381110210000021
其中，N为保护装置每个工频周期的采样点数，UA.Re、UA.Im分别为A相电压的基波相量的实部和虚部，ua(k)为A相电压瞬时采样值,UB.Re、UB.Im分别为B相电压的基波相量的实部和虚部，ub(k)为B相电压瞬时采样值,Ang_UAB为A相电压与B相电压之间的夹角；
采用相同的方法，可以计算出B相电压和C相电压之间的夹角Ang_UBC、C相电压和A相电压之间的夹角Ang_UCA。
4.根据权利要求1所述的一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，其特征在于：步骤(4)中判断发电机是否仍工作在三相对称状态的时机是：在运行的工况下，当步骤(1)计算的接地故障过渡电阻Rg小于报警定值Rset后，开始判断此时发电机是否工作在三相对称状态，Rset为0.1～30kΩ。
5.根据权利要求1所述的一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，其特征在于：步骤(4)中综合三相电压之间的夹角以及机端电压不对称分量等辅助判据判断发电机是否仍工作在三相对称状态的方法是：
判断发电机是否工作在处于三相对称状态，首先调用(2)中计算的机端三相电压之间的夹角，统计机端三相电压之间的夹角偏离120°的情况；
|(Phase_UAB)-120°|≥Angset 式(2)
|(Phase_UBC)-120°|≥Angset 式(3)
|(Phase_UBC)-120°|≥Angset 式(4)
其中，Angset为设定的允许偏差角度，Angset为1～5°；当式(2)、式(3)、式(4)有2项或大于2项成立，认为相电压相位正常判据不满足，发电机不是工作在三相对称状态；当式(2)、式(3)、式(4)仅有1项或均不成立，认为相电压相位正常判据满足，发电机工作在三相对称状态；
当机端三相电压有效值的最小值低于设定的最小相电压有效值门槛，闭锁相电压相位正常判据；
min(UA,UB,UC)≤Uφset 式(5)
其中，UA、UB、UC为机端ABC三相电压有效值，Uφset为设定的最小相电压有效值门槛,Uφset为10～20V。
6.根据权利要求5所述的一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，其特征在于：判断发电机是否工作在处于三相对称状态，还需将步骤(3)中计算得到的发电机不对称分量的有效值，包括机端负序电压、机端零序电压及中性点零序电压，与其各自设定门槛值进行对比；
U2N≤U2set 式(6)
U0N≤U0set 式(7)
Figure FDA0003381110210000031
其中，U2T为机端负序电压有效值，U0N为中性点零序电压有效值，3U0T为机端零序电压有效值，U2set为设定的最大负序电压有效值门槛，U2set为0.3～10V，U0set为设定的最大零序电压有效值门槛，U0set为1～30V，U2n_VT_Term为机端外接零序PT副边(若选择机端自产零序电压，则该变量为机端PT副边)，U2n_VT_NP为中性点零序PT副边；U0set按照中性点零序PT变比整定，U0set应按照变比进行转换后与机端零序电压进行比较；
当以上三个条件有任意一个不满足时，认为系统出现不对称故障，零序负序电压低判据不满足，发电机不是工作在三相对称状态；当以上三个条件均满足时，认为系统没有出现不对称故障，零序负序电压低判据满足，发电机工作在三相对称状态；
当机端正序电压有效值低于设定的最小正序电压有效值门槛，闭锁零序负序电压低判据；
U1T≤U1set
式(9)
其中，U1T为机端正序电压有效值，U1set为设定的最小正序电压有效值门槛,U1set为25～40V。
7.根据权利要求1所述的一种汽轮机发电机组定子冷却水水质异常的检测方法，其特征在于：步骤4中当监测到接地故障过渡电阻小于报警定值后，相电压相位正常判据满足且最小相电压有效值高于最低相电压有效值门槛，同时零序负序电压低判据满足且机端正序电压有效值高于设定的最小正序电压有效值门槛，经延时t装置动作于机组定子冷却水水质异常电导率上升报警，该t为0.1～5s。
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