水电站微机发电机转子接地保护装置的设计

　　摘 要:文章首先分析了大型水电机组应用上传统发电机转子的接地保护应用的不足之处,然后详细介绍了一种新型转子接地保护装置的原理与特点,并通过结合现场模拟了转子一点接地、转子两点接地保护试验证明了该保护的灵敏度与可靠性。

　　关键词:水电站 转子接地保护 注入式

　　中图分类号:TP393.11 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)06(b)-0124-01

　　转子一点接地是不能严重危害发电机的,这是发电机常见的故障,但是如果第二点接地接着出现问题,发电机会因此剧烈振动;破坏气隙磁场的对称性,降低无功出力;会因增大了发电机的转子电流而烧损转子,严重威胁着发电机的安全。转子回路复杂的大型水电机组,有极高的概率发生接地故障,又因较高的转子额定电压,我们更应重视转子绕组的对地绝缘检测。

　　1 传统发电机转子接地保护不足

　　常规发电机的故障概率和励磁回路的复杂程度增加是因为需要通过长电缆把转子电压引入转子接地保护集成的机组保护屏中;乒乓式转子接地保护[1]的大量使用因为转子接地位置可以测量,拥有较高的保护灵敏度。对于转子电压无法引出的机组(只引出转子绕组一端),不能使用乒乓式转子接地保护的原理。而且发电机无励磁状态下的转子绝缘监测功能缺失,必须加上励磁之后乒乓式转子接地保护功能才能使用。可见,大型水电机组对保护配置高要求决定了传统发电机转子接地保护的不适用。

　　2 新型发电机转子接地保护装置设计

　　2.1 设计原理

　　本文介绍的转子接地保护采用的是双端注入式,意为采用注入转子绕组的正负两端的偏移方波电源的方式来测得两种状态下方波电压的转子泄漏电流,保护装置自产注入电压,对转子对地的绝缘电阻值进行实时求解,以保护反映下降的转子对大轴绝缘电阻。

　　双端注入式转子接地保护可通过测量转子一点接地的位置为故障排查提供参考,不受机组工况的影响,具备高可靠性与灵敏度。机组在未加励磁或静止的状态下仍可正常工作是注入式转子接地保护与传统的转子接地保护相比最突出的优点。

　　2.2 硬件设计

　　本文采用插件式结构设计,这一设计是面向功能的,并完全分开弱、强电回路,可以有效抑制电磁和静电的干扰,同时不需要外部抗干扰器件就能实现抗干扰能力的增强。

　　(1)电源插件:此插件为整个装置提供弱电电源。电源插件输入220V的直流,输出分别为+24V、±15V、+5V的直流,其分别作用于不同的芯片,如输入开关量的电源以及驱动继电器、MCU以及模数转换芯片和各种其它芯片,其中,各回路具有电气隔离的特点,各组电源具有不共地的特点。此外,装置的安全性由于电源的监视功能以及电源50ms的延迟特性得到了进一步提高。

　　(2)主控单元插件:包括中央信号输出自举载入接口、输出微控制器MCU(MicroControlUnit)、开关量采集及CANBUS、SRAM、E2PROM、FLASHROM网络接口等部分在内的所有资源的管理控制。微控制器为其核心部分,其性能高集成度也高。该微控制器能够很好的抵抗电磁的干扰,具有很好的实时性,资源丰富;表贴工艺及四层制板,具有非常紧凑的结构;能实现对快闪存储器的重新编程;全部开入、CAN接口及开出均经过隔离处理,具有安全可靠的特点。瞬态抑制、吸收、滤波、模数转换等一系列功能能够通过采集模拟量来实现。每路模拟量分别于一路信号调理及A/D转换相对应,测量精度高,转换速度快,并且具有良好的稳定性及可靠性;串行通信,快速可靠;采样回路没有调整元件,A/D转换器具有自动记忆测量精度功能,单次调整测量精度后现场无需调整零偏。

　　(3)交流接口插件:交流接口插件主要为外部模拟量提供输入的接口。外部电压、电流输入经过互感器的隔离变换,将强电信号转换成模数转换回路可以识别的电压信号,分为由高精度交流电流、精密电阻、有源滤波电路及电压互感器构成的交流电压输入回路和交流电流输入回路两部分。

　　(4)直流逻辑插件:中央信号输出及开出接点输出是通过直流逻辑插件来控制的。底板通过直流逻辑插件输出脉冲实现了MCU对脉冲的操作,全部操作输出都要经光电隔离,当公共启动继电器中通过24V直流电源时,存在常开接点闭锁,将其开出能够实现增加出口可靠性的目的。控制回路中跳合闸出口继电器能实现跳合闸操作的保持功能,而程序控制通过操作输出实现脉冲输出,

　　(5)人机对话接口(MMI):它是人与装置之间交换信息的接口。通过键盘人机对话接口能够实现信息的输入,通过显示屏人机对话接口能够实现信息的获取。面板与装置主MCU通过485或232实现通信,存在单独的CPU对面板进行管理和控制,口与通信,因此它是一个独立的子系统。面板包括动作指示灯、128×64点阵背光液晶汉字显示屏、十键触摸式键盘等部件,能够完成信号复归、测试、控制操作、设置参数、信号指示、读取信息等一系列功能。

　　3 模拟实验

　　3.1 模拟转子一点接地保护试验

　　转子正、负两端的输入电压在变阻箱的阻值在10kΩ以下时将转子与变阻箱进行短接,一点接地的灵敏段经过5s的延时后发出报警信号;然后将转子正、负两端的输入电压在变阻箱的阻值在1kΩ以下时将转子与变阻箱进行短接,一点接地经过5s的延时后发出报警信号;最后将保护硬压板投入其中,将转子正、负两端的输入电压在变阻箱的阻值在1kΩ以下时将转子与变阻箱进行短接,将变阻箱的阻值调整到1kΩ以下,并将转子输入电压的正、负两端与其短接,保护经过1s的延时后动在出口产生作用。上述作用是静止状态的机组中通过在发电机双端增加转子一点接地的保护功能而实现的。

　　3.2 模拟转子两点接地保护试验

　　试验前需要注意以下事项:1)“转子一点接地报警”发生之后,转子两点接地保护才能投入,在转子一点接地保护试验不合格或者退出一点接地保护的情况下不能进行转子两点接地保护的试验,并且转子一点接地保护不投跳闸、只投信号。将发电机双端注入式转子一点接地与两点接地保护在机组静止状态下投入,同时将转子两点接地保护硬压板投入,将变阻箱阻值调到10kΩ以下,并将转子输入电压正端与其短接,经过5s延时后,装置发出“一点接地灵敏段报警”信号,经过15s延时后,“转子两点接地保护投入”信号发出,然后将转子电压负端与大轴输入端短接,保护瞬时动作于出口。以上两个试验的结果可以有效的论证双端注入式转子接地保护具有保护彻底、适用工况广泛、动作灵敏、可靠性高的优点。

　　4 结语

　　本文对一种新型的微机发电机转子接地装置的设计原理进行了介绍,提出了检测机组励磁回路接地故障的有效方案,并经工程实践对其灵敏、准确、可靠进行了证明。

　　参考文献

　　[1] 李先彬.电力系统自动化[M].北京:水利电力出版社,1989.

　　[2] 王维俭.电气主设备保护原理与应用[M].北京:中国电力出版社,1998.

　　[3] 王维俭.电气主设备继电保护原理与应用(第2版)[M].北京:中国电力出版社,2002.

　　[4] 南京南瑞继电保护电气有限公司.RCS-985发电机注入式定子转子接地保护技术说明书Ver1.00,2007.