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第 卷第 期 电网技术 Vol. No. 007 年 6 月 Power System Technology Jun. 007 文章编号 :000-67(007)-008-05 中图分类号 :TM77 文献标识码 :A 学科代码 :470 4054 乒乓式励磁绕组接地保护方式的改进与分析 张侃君, 尹项根, 陈德树 ( 电力安全与高效湖北省重点实验室 ( 华中科技大学 ), 湖北省武汉市 40074) Improvement and Analysis on Ping-Pong Type of Ground Protection for Field Winding ZHANG Kan-jun,YIN Xiang-gen,CHEN De-shu (Electric Power Security and High Efficiency Lab (Huazhong University of Science and Technology), Wuhan 40074,Hubei Province,China) ABSTACT: Current ping-pong type of field winding ground protections cannot detect grounding fault of field winding while generator is in free-running operation or shut down. To remedy this defect, the authors propose an improved scheme for ping-pong type field winding ground protection, that is, a DC voltage is injected into field winding and switching-over circuit is connected in parallel with the injected voltage. The principle of this improving scheme and the criterion for protection action are given; several problems such as the calculation method of grounding resistance, the selection of parameters in switching-over circuit and that of switching-over period are analyzed. Simulation results show that the accuracy and sensitivity of the improved scheme can meet the requirement of practical operation. By means of calculating grounding resistance by sampling redundant algorithm, the affects of bad sampled data and non-steady DC operating condition on protection accuracy can be effectively reduced. KEY WODS: field winding ground fault protection ; sensitivity;sampling redundant algorithm;power system 摘要 : 针对乒乓式接地保护在发电机处于空转或停机时无法 对励磁绕组接地故障进行检测的问题, 提出给励磁绕组注入 一个直流电压, 并将开关切换回路接在该电压两端的改进方案, 给出了该方案的原理和保护动作判据, 对接地电阻计算 方法 切换回路元件参数和切换周期的选取等问题进行了分 析 仿真试验结果表明改进方案的精度和灵敏度可以满足实 际运行需要 通过采样冗余算法计算接地电阻可有效降低采 样值坏数据以及非稳态直流工况对保护精度的影响 关键词 : 励磁绕组接地保护 ; 灵敏度 ; 采样冗余算法 ; 电力 系统 0 引言 励磁绕组接地故障是一种常见的发电机故障形式, 现在广泛采用以励磁电压为参量的乒乓切换 [-5] 式保护对其进行检测 但是, 当发电机处于空转 和停机状态时, 由于励磁电压很小或等于 0, 乒乓切换式保护将无法检测到励磁绕组接地故障 为解决这个问题, 文献 [6] 针对模拟式转子一点接地保护方式提出了改进方案, 但未进行详细的分析 本文提出一种乒乓切换式微机保护的改进方案, 并对其原理 灵敏度和应用中的若干问题进行了分析 乒乓式励磁绕组接地保护的原理 乒乓式励磁绕组一点接地保护原理见图 al E K D I I S S D f _ + C ( a)l 图 乒乓式励磁绕组一点接地保护原理图 Fig. Diagram of ping-pong type protection for one point ground fault in field winding 图中 :E 为励磁电动势 ; L 为励磁绕组电阻 ; 为分压电阻 ; C 为取样电阻 ;S 和 S 为电子切换开关, 在保护工作过程中,S 和 S 不停地轮流断开和 闭合 ;D 和 D 为反向二极管, 对 S S 起保护作用 假定 K 点发生经电阻 f 的一点接地故障, 正实数 α 为故障点到励磁绕组正极性端的百分比 (0 α ),I 和 I 为流经 f 的各回路电流 由于 L 的阻值远小于 和 C, 因此可将图 所示的电路简化为一个含有内电动势的电路 [7] 针对电子开关相邻的两次切换过程列写回路方程, 可得 E C f = ( + C) U + ku () U( f + + C) α = E C

0 张侃君等 : 乒乓式励磁绕组接地保护方式的改进与分析 Vol. No 改进方案的保护判据和灵敏度分析. 保护判据.. 一点接地保护对于一点接地故障, 一般采用电阻判据 < ().set 式中.set 为一点接地过渡电阻整定值.. 两点接地保护两点接地故障的电阻判据为 < () f f.set 式中 f.set 为两点接地过渡电阻整定值 由于 f 计算较繁琐, 也可采用故障点位置变化判据 α ε () > α 当发生一点接地故障后, 记下故障被确认时刻的 和 α 数值, 此后如果发生第二点接地故障, 计算的 α 值会有变化, 当变化量 Δα 超过整定阈值 ε α 时, 则认为发生两点接地故障 两点接地保护动作延时可以按照躲过瞬时出现的两点接地故障来整定.. 闭锁判据当 U 0 的幅值较小时, 保护将无法检测绕组接地故障, 此时应闭锁保护 ; 并且为防止 ΔU 数值过小而导致式 (5)(6) 计算结果溢出, 也要做相应处理 闭锁判据为 U0 < ε (4) U < ε 式中 ε 和 ε 分别为相应的电压阈值. 保护灵敏度分析.. 一点接地保护由式 (5) 可知, 当认为励磁电动势 E 恒定时, 与 E 和故障点位置 α 无关, 即使 E=0, 保护仍然可以准确测量出接地阻抗的数值, 其灵敏度不受 E 波动和 α 的影响 公式 (6) 中存在 E, 但式中 U 和 E 的关系为 U = E k E α = α C + C + (5) 当 α 和 的数值保持不变时,U 和 E 呈线性关系, 所以 α 的计算结果也不受 E 波动的影响 但是, 当 E 很小或等于 0 时,U 和 E 无法准确测量, 此时将无法准确计算 α 在实际运行中, 保护灵敏度受以下因素影响 : 直流电压测量电路的精度限制 [8-9], 包括直流测量芯片的最大线性度 AD 转换芯片精度等 ; 保护电路元件因素, 包括注入电压的大小 电子开关的 正向压降和处于截止状态时的泄漏电流等 ; 其它 因素, 包括发电机励磁系统中的谐波电压分量等 假设直流电压测量芯片采用 AD0 隔离放大 器, 其最大线性度为 ±0.05%, 最大输入电压为 ±5 V, 即最小可分辨的电压为 ±.5 mv; 采用 位 AD 转 换芯片, 最大输入电压为 ±5 V, 可正确转换的最小 输入电压为 ±.5 mv; 为保证测量的准确性, 取电压 的最小准确测量值为 0.05 V 设 U 0 =50 V, C =400 Ω, =0 kω, 不计其它相关因素的影响, 则保护能检 测到的最大接地电阻为 U 0 C f.max = C = 79.6kΩ U min (6) 上式表明一点接地保护灵敏度很高 但这仅是理想 状态下的情况 在实际运行中, 由于电路因素和谐 波电压 [0] 的影响, 保护灵敏度很难达到式 (6) 的结 果, 但完全满足实用性要求.. 两点接地保护 由式 (9) 可知, f 的计算与 E 和 α β 无关, 但 是要受 计算精度的影响 如果采用电阻判据, 当 测量不准时, 会给 f 的计算带来较大误差 如果采用故障点位置变化判据, 当出现第二点接地 故障时, 采用式 (6) 计算新的故障点位置 UU 0 α = = α + β ( U) E + f (7) 式中 :U 为测量电压 ;ΔU 可由式 (7)(8) 联立计算得 到 由式 (7) 可得 α = α α = β + f (8) 由上式知, 当第二点接地故障为金属性短路时 ( f =0), Δα = β ; 当第二点接地故障为非金属性短 路时 ( f 0), Δα < β 因此, 当 f 较大时,Δα 数 值将偏小, 且与 β 值偏差较大 4 改进方案的仿真分析 4. 仿真模型介绍 在图 所示电路的基础上, 采用 matlab 软件 构建励磁绕组接地故障仿真模型 [], 如图 5 所示 励磁绕组用 4 段 π 型等效电路来表示, 采用三 峡左岸电厂 ALSTOM 机组参数 [] : 额定电压为 475.9 V, 空载电压为 9.8 V, 电阻 e =0.0 9 Ω, 电感 L e =.58 mh, 对地电阻 y =5 MΩ, 对地电容 C y =.64 μf 开关 S S 的切换周期为 s, 泄漏电 流为 0 μa 阻容吸收回路参数为 s =0 Ω,C s =0. μf

第 卷第 期电网技术 K Le Le Le e e e + E Zs Kr y Cy y Cy y Cy y Cy y Le e f Le e Cy 4.. 两点接地故障试验 () 设置 E=475.9 V, =0 kω,t =.5 s, 改变 f 的大小, 结果如表 所示 表 两点接地保护灵敏度和精度试验结果 Tab. esults of sensitivity and precision experiment of two points ground fault protection s Cs + Out in U0 S C + _ V 图 5 励磁绕组接地故障仿真模型 Fig. 5 The simulation model of field winding ground fault 其余参数为 : e=0.5 e,l e=0.5 L e, e=0.5 e, L e =0.5 L e, e =0.0 e,l e =0.0 L e ; y =8 y, C y =C y /8, y =4 y,c y =C y /4;=0 kω, C =0.4 kω; Z S 为励磁系统内阻, 阻值很小 假设在 0 s 发生一点接地故障, 接地电阻为, 故障点位置 α=0.4; 在 t 时刻发生第二点接地故障 ( 由开关 K r 控制 ), 接地电阻为 f, 两故障点之间 的距离 β=0.5 4. 仿真试验结果 4.. 一点接地故障试验 Uc 一点接地时, 开关 K r 处于断开状态 () 设置 E=475.9 V, 改变 的大小, 检测 保护的灵敏度和精度, 结果如表 所示 由表 可知, 随着 的增加, 测量值和实际 值之间的偏差也有所增大 但由三峡左岸电厂 ALSTOM 机组一点接地保护定值 ( =0 kω 动作于 告警, =5 kω 动作于跳闸 ) 可知, 改进方案的保护 灵敏度是满足要求的 表 一点接地保护灵敏度和精度试验结果 Tab. esults of sensitivity and precision experiment of one point ground fault protection 序号 4 5 实际值 /kω 计算值 /kω 误差 /% 计算值 误差 /% 0. 0.99 4 0. 0.40 0.5.99 0.5 0.40 0.5 0 9.5.5 0.407.75 50 47.5 5 0.47 4.5 00 89. 0.7 0.4 8.5 () 设置 =0 kω, 改变 E 的数值, 检测相关测量数值的变化, 结果如表 所示 表 一点接地保护励磁电动势变化试验结果 Tab. esults of field electromotive force change experiment of one point ground fault protection 序号 E/V 计算值 /kω α 计算值 475.9 9.8 0 9.5 9.5 9.4 In Out S α s Cs 0.407 0.408 序号 4 f 实际值 /kω 计算值 /kω 误差 /% 0. 0.0 7.84.004 0. 0 0.4.5 00.7 5.85 Δα 计算值 β 计算值 0.9 0.4 0. 0.4 0.7 0.4 0.05 0.45 表 中, 当 f 值变大时,Δα 的计算值和实际值之间的误差迅速变大, 而 β 的计算值保持稳定, 且 f 和 β 的计算值与实际值相差不大 所以, 建议两点接地保护采用电阻判据 ( 式 ), 以保证保护准确动作 () 设置 =0 kω, f = kω,t =.5 s, 改变 E 的数值, 结果如表 4 所示 表 4 两点接地保护励磁电动势变化试验结果 Tab. 4 esults of field electromotive force change experiment of two points ground fault protection 序号 E/V f 计算值 //kω β 计算值 475.9 9.8 0.004.0.004 0.4 0.4 由表 和 4 可知, 当 E 发生变化后, 接地电阻 f 和故障点位置 α β 的数值保持稳定 (E=0 除外 ), 验证了式 (5) 的分析结果 5 实际应用中若干问题的分析 5. 注入电压极性对保护灵敏度的影响图 中 U 0 与 E 顺向串连, 如果二者反向串连, 当励磁绕组发生经 的一点接地故障时, 等效电路图仍可参见图, 只是注入电压改为 U 0, 此时有 U 0 C = C (9) U 其中 U0 U = C = U (0) + + C 因此, 式 (9) 与式 (5) 的计算结果相同, 表明注入电压的极性不影响保护灵敏度 5. 切换回路元件参数的选取由图 可知, 发电机正常运行时, 励磁绕组也通过电阻 和 C 接地, 如果 和 C 的阻值过小, 会影响绕组的对地绝缘 若 和 C 选用高阻, 切换电路中流过的电流 I 和 I 较小, 此时电子开关的泄漏电流会对保护精度产生较大影响 因此, 和

张侃君等 : 乒乓式励磁绕组接地保护方式的改进与分析 Vol. No C 的阻值要适中, 根据工程要求, 建议取 = 0~50 kω, 取样电阻 C =(/0~/00) 5. 接地电阻计算方法的选取 通常先采用积分算法计算测量电压, 然后求出 相应接地电阻值 该方法在大多数情况下可以满足 保护精度的要求, 但是当测量电压出现坏数据或者 出现非稳态直流工况 ( 例如 : 当励磁绕组发生接地故 障时, 由于绝缘材料被破坏后的残留物或电弧的影 响, 接地电阻会发生变化 ) 时, 积分算法会有较大误 差 这里介绍一种采样冗余算法, 其原理与采样值 差动保护类似 [-4] 由于电子开关切换时存在暂态过程, 因此可以 等暂态过程结束后再测量电压 ( 例如取电压后半段 波形 ) 由一个切换周期内的电压采样值计算相应的 接地电阻瞬时值 假设当 S 闭合 S 断开时, C 两端电压的第 m 个采样值为 u m ; 当 S 断开 S 闭合时, 其第 m 个采样值为 u m, 由 u m 和 u m 计算 得到相应的瞬时接地电阻值 f. m 以切换周期为 s 一个周波内采样 0 点为例, 每个切换周期计算的 接地电阻值的个数为 N = 50 0 = 50 将这 50 个计算值 ( f. m,m=,,,50) 和保护定值 进行比较, 如果满足保护动作条件的阻值数量占总 数的比例大于设定值 ( 例如设为 95%), 则认为该切 换周期满足保护动作条件 ; 如果在连续多个切换周 期 ( 假设为 个 ) 均满足保护动作条件, 则确认励磁 绕组发生接地故障 该方法采用多点比较 冗余判断, 可有效防止 采样值坏数据对接地电阻计算的影响 ; 对于电阻发 生变化的接地故障, 采样冗余算法虽然不能完全消 除计算误差, 但是可以反应出接地电阻数值的变化 趋势, 从而快速 准确地判断出保护的动作状态 5.4 电子开关切换周期的选取 为保证接地电阻的计算精度, 一般要等暂态过 程结束后 C 两端的电压达到稳态再进行测量, 所 以电子开关切换周期不宜取得过短 在以上分析 中, 均假设 E 保持恒定, 但实际上 E 是不断改变的, 因此, 切换周期也不宜取得过长, 这样才能保证在 一个周期内 E 保持恒定的条件成立 按工程要求, 建议切换周期选为 ~ s 5.5 对于暂态发展性故障的处理 对于部分机组 ( 例如双水内冷发电机等 ), 转子 绕组漏水可能引起绕组一片接地, 但这种故障也是由一点接地逐渐发展成为两点乃至多点 ( 一片 ) 接地, 因此只要动作延时配合得当, 保护是可以做出正确判断的 6 结论 () 本文提出的改进方案对于一点接地和两点接地保护, 故障电阻 故障点位置的计算均不受励磁电动势变化的影响, 解决了原有保护在励磁电压很小或为 0 的情况下无法检测绕组接地故障的问题, 保护精度和灵敏度可以满足实际运行需要 () 对于两点接地保护, 当第二点接地电阻数值较大时, 采用故障点位置变化值判据无法准确判断故障, 建议采用电阻判据以保证保护可靠动作 () 注入直流电压的极性对保护灵敏度没有影响 ; 为保证接地电阻的计算精度, 应选择合适的切换电路元件参数和切换周期, 并且通过引入采样冗余算法可以快速 准确地判断出保护的动作状态 参考文献 [] 朱亚明, 沈全荣, 郑玉平, 等.LFP-98/98 微机型发电机成套保护装置 [J]. 电力系统自动化,998,():49-5. Zhu Yaming,Shen Quanrong,Zheng Yuping,et al.lfp-98/98 digital generator protection set[j].automation of Electric Power Systems,998,():49-5(in [] 姚翔. 发电机转子一点接地乒乓式微机保护的研究 [J]. 电力自动化设备,000,0(6):7-8. Yao Xiang.Study on ping-pong type microcomputer protection for one-point grounding fault of generator exciting rotor[j].electric Power Automation Equipment,000,0(6):7-8(in [] 王显平. 提高切换采样式励磁回路接地保护灵敏度及可靠性的方法 [J]. 继电器,00,0(6):5-5. Wang Xianping.A way to improve the sensitivity and reliability of grounding protection in switch-over sampling energized circuit [J].elay,00,0(6):5-5 (in [4] 王维俭. 电气主设备继电保护原理与应用 [M]. 北京 : 中国电力出版社,00. [5] 李宾, 屠黎明, 苏毅, 等. 发电机转子绕组接地保护综述 [J]. 电力设备,006,7():-6. Li Bin,Tu Liming,Su Yi,et al.summarization of one point earth-fault protection for generator rotor[j].electrical Equipment, 006,7():-6(in [6] 杜欣荣, 赵正滨, 李霞, 等. 乒乓式转子一点接地保护的原理改进方案 [J]. 继电器,999,7(6):4-44. Du Xinrong,Zhao Zhengbin,Li Xia,et al.principle improvement scheme for time sequence rotor one point earthing protection [J].elay,999,7(6):4-44 (in [7] 郭光荣. 发电机转子励磁绕组接地保护 [J]. 电力系统自动化, 00,7(0):7-76. Guo Guangrong.The earth fault protection for generator rotor field ( 下转第 4 页 contined on page 4)

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