水電站微機發電機轉子接地保護裝置的設計

張春

摘 要:文章首先分析了大型水電機組應用上傳統發電機轉子的接地保護應用的不足之處,然后詳細介紹了一種新型轉子接地保護裝置的原理與特點,并通過結合現場模擬了轉子一點接地、轉子兩點接地保護試驗證明了該保護的靈敏度與可靠性。

關鍵詞:水電站轉子接地保護注入式

中圖分類號:TP393.11 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3791(2012)06(b)-0124-01

轉子一點接地是不能嚴重危害發電機的,這是發電機常見的故障,但是如果第二點接地接著出現問題,發電機會因此劇烈振動;破壞氣隙磁場的對稱性,降低無功出力;會因增大了發電機的轉子電流而燒損轉子,嚴重威脅著發電機的安全。轉子回路復雜的大型水電機組,有極高的概率發生接地故障,又因較高的轉子額定電壓,我們更應重視轉子繞組的對地絕緣檢測。

1傳統發電機轉子接地保護不足

常規發電機的故障概率和勵磁回路的復雜程度增加是因為需要通過長電纜把轉子電壓引入轉子接地保護集成的機組保護屏中;乒乓式轉子接地保護[1]的大量使用因為轉子接地位置可以測量,擁有較高的保護靈敏度。對于轉子電壓無法引出的機組(只引出轉子繞組一端),不能使用乒乓式轉子接地保護的原理。而且發電機無勵磁狀態下的轉子絕緣監測功能缺失,必須加上勵磁之后乒乓式轉子接地保護功能才能使用。可見,大型水電機組對保護配置高要求決定了傳統發電機轉子接地保護的不適用。

2新型發電機轉子接地保護裝置設計

2.1 設計原理

本文介紹的轉子接地保護采用的是雙端注入式,意為采用注入轉子繞組的正負兩端的偏移方波電源的方式來測得兩種狀態下方波電壓的轉子泄漏電流,保護裝置自產注入電壓,對轉子對地的絕緣電阻值進行實時求解,以保護反映下降的轉子對大軸絕緣電阻。

雙端注入式轉子接地保護可通過測量轉子一點接地的位置為故障排查提供參考,不受機組工況的影響,具備高可靠性與靈敏度。機組在未加勵磁或靜止的狀態下仍可正常工作是注入式轉子接地保護與傳統的轉子接地保護相比最突出的優點。

2.2 硬件設計

本文采用插件式結構設計,這一設計是面向功能的,并完全分開弱、強電回路,可以有效抑制電磁和靜電的干擾,同時不需要外部抗干擾器件就能實現抗干擾能力的增強。

(1)電源插件:此插件為整個裝置提供弱電電源。電源插件輸入220V的直流,輸出分別為+24V、±15V、+5V的直流,其分別作用于不同的芯片,如輸入開關量的電源以及驅動繼電器、MCU以及模數轉換芯片和各種其它芯片,其中,各回路具有電氣隔離的特點,各組電源具有不共地的特點。此外,裝置的安全性由于電源的監視功能以及電源50ms的延遲特性得到了進一步提高。

(2)主控單元插件:包括中央信號輸出自舉載入接口、輸出微控制器MCU(MicroControlUnit)、開關量采集及CANBUS、SRAM、E2PROM、FLASHROM網絡接口等部分在內的所有資源的管理控制。微控制器為其核心部分,其性能高集成度也高。該微控制器能夠很好的抵抗電磁的干擾,具有很好的實時性,資源豐富;表貼工藝及四層制板,具有非常緊湊的結構;能實現對快閃存儲器的重新編程;全部開入、CAN接口及開出均經過隔離處理,具有安全可靠的特點。瞬態抑制、吸收、濾波、模數轉換等一系列功能能夠通過采集模擬量來實現。每路模擬量分別于一路信號調理及A/D轉換相對應,測量精度高,轉換速度快,并且具有良好的穩定性及可靠性;串行通信,快速可靠;采樣回路沒有調整元件,A/D轉換器具有自動記憶測量精度功能,單次調整測量精度后現場無需調整零偏。

(3)交流接口插件:交流接口插件主要為外部模擬量提供輸入的接口。外部電壓、電流輸入經過互感器的隔離變換,將強電信號轉換成模數轉換回路可以識別的電壓信號,分為由高精度交流電流、精密電阻、有源濾波電路及電壓互感器構成的交流電壓輸入回路和交流電流輸入回路兩部分。

(4)直流邏輯插件:中央信號輸出及開出接點輸出是通過直流邏輯插件來控制的。底板通過直流邏輯插件輸出脈沖實現了MCU對脈沖的操作,全部操作輸出都要經光電隔離,當公共啟動繼電器中通過24V直流電源時,存在常開接點閉鎖,將其開出能夠實現增加出口可靠性的目的。控制回路中跳合閘出口繼電器能實現跳合閘操作的保持功能,而程序控制通過操作輸出實現脈沖輸出,

(5)人機對話接口(MMI):它是人與裝置之間交換信息的接口。通過鍵盤人機對話接口能夠實現信息的輸入,通過顯示屏人機對話接口能夠實現信息的獲取。面板與裝置主MCU通過485或232實現通信,存在單獨的CPU對面板進行管理和控制,口與通信,因此它是一個獨立的子系統。面板包括動作指示燈、128×64點陣背光液晶漢字顯示屏、十鍵觸摸式鍵盤等部件,能夠完成信號復歸、測試、控制操作、設置參數、信號指示、讀取信息等一系列功能。

3模擬實驗

3.1 模擬轉子一點接地保護試驗

轉子正、負兩端的輸入電壓在變阻箱的阻值在10kΩ以下時將轉子與變阻箱進行短接,一點接地的靈敏段經過5s的延時后發出報警信號;然后將轉子正、負兩端的輸入電壓在變阻箱的阻值在1kΩ以下時將轉子與變阻箱進行短接,一點接地經過5s的延時后發出報警信號;最后將保護硬壓板投入其中,將轉子正、負兩端的輸入電壓在變阻箱的阻值在1kΩ以下時將轉子與變阻箱進行短接,將變阻箱的阻值調整到1kΩ以下,并將轉子輸入電壓的正、負兩端與其短接,保護經過1s的延時后動在出口產生作用。上述作用是靜止狀態的機組中通過在發電機雙端增加轉子一點接地的保護功能而實現的。

3.2 模擬轉子兩點接地保護試驗

試驗前需要注意以下事項:1)“轉子一點接地報警”發生之后,轉子兩點接地保護才能投入,在轉子一點接地保護試驗不合格或者退出一點接地保護的情況下不能進行轉子兩點接地保護的試驗,并且轉子一點接地保護不投跳閘、只投信號。將發電機雙端注入式轉子一點接地與兩點接地保護在機組靜止狀態下投入,同時將轉子兩點接地保護硬壓板投入,將變阻箱阻值調到10kΩ以下,并將轉子輸入電壓正端與其短接,經過5s延時后,裝置發出“一點接地靈敏段報警”信號,經過15s延時后,“轉子兩點接地保護投入”信號發出,然后將轉子電壓負端與大軸輸入端短接,保護瞬時動作于出口。以上兩個試驗的結果可以有效的論證雙端注入式轉子接地保護具有保護徹底、適用工況廣泛、動作靈敏、可靠性高的優點。

4結語

本文對一種新型的微機發電機轉子接地裝置的設計原理進行了介紹,提出了檢測機組勵磁回路接地故障的有效方案,并經工程實踐對其靈敏、準確、可靠進行了證明。

參考文獻

[1] 李先彬.電力系統自動化[M].北京:水利電力出版社,1989.

[2] 王維儉.電氣主設備保護原理與應用[M].北京:中國電力出版社,1998.

[3] 王維儉.電氣主設備繼電保護原理與應用(第2版)[M].北京:中國電力出版社,2002.

[4] 南京南瑞繼電保護電氣有限公司.RCS-985發電機注入式定子轉子接地保護技術說明書Ver1.00,2007.