乒乓式、注入式转子接地保护的对比与应用.docx
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第4卷第35期2014年12月
水利水电工程
CONSTRUCTION
乒乓式、注入式转子接地保护的对比与应用
信泽发
大唐观音岩水电开发有限公司四川攀枝花617012
摘要:
转子接地是发电机的常见故障,转子一点接地对发电机不会造成直接危害,但若再发生一点接地,则会破坏气隙磁场,引起机组振动,所以,准确地检测转子一点接地是避免发生两点接地而造成严重故障的前提。
本文探讨了目前比较常用的两种转子接地保护——乒乓式和低频方波电压注入式转子一点接地保护的原理,对比了它们的优缺点,并以金安桥电厂为例,介绍了该厂1-3Hz低频方波电压注入式转子灵敏接地保护的原理、应用及改造情况。
关键词:
转子接地保护;注入式;乒乓式;1-3Hz低频方波电压
中图分类号:
B819 文献标识码:
A
引言:
在水电厂中,机组转子绝缘损坏引起的转子接地是发电机的常
Rg=
R1E
U1+U2
(R1+R)
(1-4)
见故障。
转子一点接地对发电机并不会造成直接危害,但若再相继发生第二点接地故障,两故障点之间在励磁电压的作用下将会流过较大的故障电流,则可能因过热而进一步烧伤转子本体;由于部分绕组被短接了,气隙磁场的对称性遭到了破坏,发电机所能发的无功功率减少了,在无功需求很大的情况下对系统不利;更严重的是气隙磁通失去了平衡,将会引起发电机旋转的不平衡,引起振动,对于多级发电机而言振动还会相当剧烈,从而造成灾难性的后果。
由于故障发展到转子两点接地时已对发电机组造成了严重的损坏,因此在转子发生一点接地时就应立即转移负荷,平稳停机处理,所以,准确地检测转子一点接地是避免发生两点接地而造成严重故障的前提。
1乒乓式开关切换式一点接地保护
1.1基本原理
图1乒乓式开关切换采样原理
金安桥电厂发电机保护采用的是许继电气WFB-801A型微机保护,其自带的转子接地保护为乒乓式开关切换原理,原理图见图1所示,通过求解两个不同的接地回路方程,实时计算转子接地电阻值和接地位置。
其中:
S1、S2为由微机控制的电子开关,Rg为接地电阻,α为接地点位置(转子电压负端为0,转子电压正端为100%),E为转子电压,R1为测量电阻。
计算接地位置并记忆,为判断转子两点接地作准备。
(1-1)所以很容易求得测量电阻R1在开关切换时两端的电压,有
(1-2)由此可以得到接地点α和接地电阻的值Rg分别为:
当Rg小于或等于接地电阻高定值时,经延时发转子一点接地信号,当Rg小于或等于接地电阻低定值时,经延时作用于发信或跳闸。
1.2此保护原理的优缺点该保护的保护范围为整个转子绕组,且不受转子回路绕组对地
电容及接地点位置的影响,调试和整定很方便,正确动作率高。
但该保护在发电机停机或者无励磁状态时,不能检测发电机转
子绕组回路的接地故障;并且故障距离和接地电阻值是在S1、S2切换时励磁电压不变的情况下计算得到的,当励磁电压发生变化时,故障距离和接地电阻值无法由计算得到,因此在设备选型时,未采用许继电气WFB-801A型微机保自带的乒乓式转子接地保护。
2低频方波电压注入式转子接地保护在金安桥电厂的应用及改造
金安桥电厂转子接地保护采用的是西门子7UM62型发电机保护中的1-3Hz低频方波电压注入式的转子灵敏接地保护,如图2所示,7XT7100为1-3Hz低频方波信号发生器,7XR6004为电阻箱,7UM622为转子接地保护装置,TD1和TD2为保护装置的测量变送器端子。
A、B套转子接地保护共用同一个低频方波信号发生器和同一路低频信号注入回路,不会造成两套转子接地保护装置同时投入时注入信号相互干扰,从而引起装置误动的问题。
2.1基本原理
该保护要往发电机的励磁回路注入幅值约为50V的直流电压,这个直流电压的正负极性每秒钟变换1-4次,具体的变换频率取决于信号发生装置的频率整定值。
转子回路的注入电压Ug由控制单元7XT7100产生,这个方波电压穿越电阻箱单元7XR6004,然后通过高阻值电阻对称地耦合到励磁回路,同时通过串联的低阻值测量电阻RM连接到接地电刷(对地电动势)。
测量电阻上的电压和控制电压通过保护装置上的测量变送器端子接入保护装置。
控制电压在幅值和频率上都与注入的50V方波电压成正比,转子回路中的接地电流则通过串联的低阻值测量电阻上的电压降反应出来。
如图3所示。
a=U1U1+U2
(1-3)
图2金安桥电厂转子一点接地保护原理图
水利水电工程
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图3方波电压注入转子回路的接线示意图
图中,CE为转子回路的对地电容;RS为串接电阻;Ug为来自于控制单元7XT71的方波电压;fg为控制单元7XT71产生的方波频率;Ig为流轻控制单元7XT71进入转子回路的接地电流。
每当注入的直流电压Ug的极性发生翻转,就会产生充电电流Ig并流经电阻箱单元进入励磁回路的转子对地电容。
这个充电电流在低阻值测量电阻上按照一定比例形成电压降Umeas,一旦转子回路对地电容充电完毕,测量回路中的充电电流将变为零。
如果励磁回路中发生了接地故障,那么在测量回路中将会形成持续的接地电流。
接地电流的幅值取决于故障电阻的大小。
转子接地故障保护的偏置电压采用低频率方波电压信号,可以有效地消除转子回路存在的对地电容对故障电阻测量带来的不利影响。
同时,在受到来自于励磁系统的干扰信号影响的情况下,确保有足够的裕度。
2.2测量方法
保护装置通过测量得到的控制电压Ucontrol,确定直流电压极性翻转的时刻并且触发测量。
同时,保护装置还要计算出控制电压的幅值并且将之变换为注入转子回路的直流电压Ug。
转子回路中的实际故障电阻阻值由测量电压Umeas决定,这个测量电压的幅值与转子回路的接地电流Ig成正比。
控制电压的极性每翻转一次,测量电压的直流分量就可以通过一系列的平均值过滤处理而获得。
控制单元的方波频率一定要设置得足够低,以保证在平均值过滤处理过程中转子回路的对地电容已经充电完毕。
这种测量方法可以探测出转子回路对地的高阻值故障。
2.3该保护在金安桥电厂中的应用情况金安桥电厂的发电机保护使用的是许继电气生产的WFB-801A
型微机保护,但由于该保护装置自带的乒乓式开关切换原理的转子一点接地保护在发电机停机或者无励磁状态时,不能检测发电机转子绕组回路的接地故障,所以特增加了两套西门子7UM62型1-3Hz低频方波电压注入式的转子灵敏接地保护。
保护接地电阻Rg高定值整定为RgH=10kΩ,延时tH=5s,动作于告警;而接地电阻低定值整定为RgL=1kΩ,延时tL=1s,动作于跳闸。
但金安桥电厂实际仅将接地电阻高定值的动作出口接点引至许继WFB-801A型微机型发电机保护装置上,当任意一套西门子转子接地保护动作后,都将给许继WFB-801A型发电机保护A、B柜一个开入信号,发电机保护A、B柜在信号开入后发“转子接地”告警信号,运行人员检查确认后,申请转移负荷,将机组平稳停机检查。
如图4所示,图中仅绘制了A套转子接地保护的接地故障告警回路,B套与A套一样,在此略去。
第4卷第35期2014年12月
图4金安桥电厂转子一点接地故障告警回路
2.4保护的改进
如图2所示,由于金安桥电厂的外加工频注入电压是引自机端电压互感器,在发电机停机或者无励磁状态时,机端电压互感器将失电,所以保护将不能检测发电机转子绕组回路的接地故障;而在发电机升流、升压及停机过程中,由于机端电压的幅值及频率均不是额定值,会导致注入到转子回路中的1-3Hz低频方波信号异常,经三年运行表明,其结果是转子回路的对地测量阻抗不准确,会出现阻抗值跃变,可能导致保护误动或拒动,因此需要改进。
其改进方案为:
通过拨动拨码开关,将1-3Hz低频方波信号发生器7XT7100的外加工频注入电压的额定值由AC100V调整为AV220V,拆除自机端电压互感器的电缆,重新布置一根型号为“ZRB-KFFP2×2.5”的电缆至机组逆变电源屏,将1-3Hz低频方波信号发生器7XT7100的外加工频注入电压更改为取自AC220V的机组逆变电源屏。
由于机组逆变电源屏的交流电压由机组直流电源逆变而成,有机组直流蓄电池做后备,可保证在发电机停机、无励磁状态、升流及升压过程中电压恒定不变,因此可保证注入到转子回路中的1-3Hz低频方波信号正常,确保保护装置可靠运行。
2.5保护的优点保护不受转子回路对地电容的影响,无动作死区,且非常灵敏,
最高可反应80kΩ的接地阻抗,主要用于大型机组。
在发电机处于升流、升压及停机过程中,甚至当处于停运状态时,该保护均能实时监测转子绕组的对地绝缘状况。
3结束语
这两种原理的转子接地保护在性能和使用场合上各有所长,但从现场实际运行情况来看,西门子7UM62型1-3Hz低频方波电压注入式的转子灵敏接地保护更灵敏、更完善,然而成本却比较高,因此各电厂应根据自身实际情况和对保护装置性能的要求,选择适合自己电厂实际情况的保护厂家及方案。
参考文献:
[1]WFB-801A微机发电机保护装置技术说明书.许继电气股份有限公司
[2]7UM62V4.6多功能发电机、电动机和变压器保护装置技术说明书.西门子电力自动化有限公司
[3]7UM62多功能电机保护用户手册.西门子电力自动化有限公司
作者简介:
信泽发(1984-),男,本科,助理工程师。
文章被我刊收录,以上为全文。
此文章编码:
2014D6207
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