專利名稱：有源切換式轉子接地保護的方法
技術領域：
本發明涉及一種繼電保護的方法，尤其是新型有源切換式轉子接地保護的方法。
背景技術：
繼電保護裝置是電網包括發電機等大型裝置安全運行的重要部件，目前現有轉子接地保護存在以下問題1)通常的電橋式一點接地保護在故障發生在勵磁繞組中點附近時，即使是金屬性接地，保護也不能動作，因而保護存在一定的死區。
2)疊加直流電壓式一點接地保護在勵磁繞組上不同點接地時，流過繼電器的電流相差很大，因而不同點接地時靈敏度相差很大。
3)疊加交流電壓式一點接地保護由于受勵磁繞組對地電容的影響較大，靈敏度較低。
4)用導納繼電器的疊加交流電壓式一點接地保護在實際運行中，動作特性受很多因素影響，易發生誤動或拒動。
5)切換采樣式轉子一點接地保護原理測量精度較高，但其在未加勵磁電壓的情況下不能監視轉子絕緣情況。
6)疊加方波電源式轉子一點接地保護具有測量精度高，靈敏度與接地位置無關的特點，但需要另外附加一個電源裝置，電源裝置尺寸與機組保護不一致，不利于組屏。
7)目前已有的有源轉子接地保護都沒有可靠的轉子兩點接地保護。
發明內容
本發明的目的提出一種新型有源轉子接地保護方法，尤其是一種測量精度較高的轉子一點接地保護方法，包括一點接地保護和兩點接地保護，能夠滿足轉子繞組各種引出方式(引出正負兩端或只能引出單端)的要求，靈敏度高且與轉子接地位置無關，保護無死區，并能構成可靠的轉子兩點接地保護。且提供尺寸相同的電源裝置，靈敏度與接地位置無關。
本發明的目的是這樣實現的有源切換式轉子接地保護的方法，通過嵌入一至兩個相同的直流電源構成轉子接地保護回路，連接于轉子的正負端之間或其中一端與地之間，采樣電路中串聯有電阻，且串聯有二極管，并在電源與地之間設有采樣電阻，在采樣電阻上并聯有電子開關(如圖1和圖6所示)，并由轉子接地保護軟件控制電子開關的開和合，測量兩種狀態下的泄漏電流，實時計算轉子接地電阻，從而與接地電阻的整定值進行比較而得到保護判據。采樣電路中還串聯有二極管。
本發明有源轉子接地保護方法的特點是1)方案簡潔，易于實現，注入直流電源由保護裝置自產，也可采用外加注入電源裝置；2)不受轉子繞組對地電容的影響，接地電阻測量精度高，經現場試驗實測，在接地電阻0～100kΩ范圍內計算誤差小于±5％；3)靈敏度與轉子接地位置無關，勵磁繞組上各點接地時都具有很高的靈敏度，保護無死區；4)可在未加勵磁電壓的情況下監視轉子絕緣，并能滿足無刷勵磁機組轉子接地保護的要求。
5)適用于轉子繞組各種引出方式的機組，并能實現構成可靠的轉子兩點接地保護，兩點接地保護的靈敏度為3％。
6)電子開關的開合時間可以根據回路電流充放電情況自動調整。一般在0.2-2秒之間，可以適合各種類型的發電機組轉子。
四
圖1為本發明有源轉子接地保護方法原理圖(方案一)圖2為本發明只引出轉子繞組正端的情況(方案一)圖3為本發明轉子兩點接地保護原理圖一(只引出正端)圖4為本發明只引出轉子繞組負端的情況(方案一)圖5為本發明轉子兩點接地保護原理圖一(只引出負端)圖6為本發明有源轉子接地保護原理圖(方案二)圖7為本發明只能引出轉子繞組正端的情況(方案二)圖8為本發明轉子兩點接地保護原理圖二(只引出正端)圖9為本發明只引出轉子繞組負端的情況(方案二)圖10為本發明轉子兩點接地保護原理圖二(只引出負端)五具體實施方式
本發明的方法具體化有兩種測量方案，分別介紹如下1)方案一，保護原理圖如圖1所示。
①轉子繞組能夠同時引出正、負端的情況時，串聯兩個相同的直流電源于轉子的正負端之間，采樣電路中串聯有二只電阻Rx，Ry，兩個相同直流電源之間設有一采樣電路Rx與地聯接，在這一只采樣電阻上并聯有電子開關S，在電子開關閉合和斷開兩種狀態下，測量兩種狀態下的泄漏電流i1和i2，得到含有4個未知數的4個方程式，求解此方程組，即可求得轉子一點接地電阻和轉子一點接地位置；本發明方法的進一步改進是利用轉子一點接地位置的變化量可實現轉子兩點接地保護。本發明串聯的電阻與采樣電阻的阻值相同、也可以不同。
圖中U為直流電源模塊，Ur1、Ur2分別為轉子接地點兩側轉子電壓，Rx、Ry為回路串接電阻，兩電阻一般相同為R，也可以不同，Rg為轉子對地絕緣電阻，S為電子開關，以下同。
下面的公式推導過程中，假設電子開關開、合過程中轉子電壓Ur1和Ur2保持不變。電阻Rx，Ry的阻值可以相同，也可以不同，一般取0.5-20K的整數數值，更優的1-10K。
狀態1s合Ur1+U＝i1on·Ry+(i1on-i2on)·Rg(1)Ur2+U＝i2on·Ry+(i2on-i1on)·Rg(2)狀態2s開Ur1+U＝i1off·Ry+(i1off-i2off)·(Rg+Rx) (3)Ur2+U＝i2off·Ry+(i2off-i1off)·(Rg+Rx) (4)式中i1on、i2on為電子開關處于合位時流過回路1和回路2的泄漏電流；i1off、i2off為電子開關處于開位流過回路1和回路2的泄漏電流，通過測量電阻測得。
由(1)-(2)＝(3)-(4)可求得Rg=(i1off-i2off-i1on+i2on)·Ry+2·(i1off-i2off)·Rx2(i1on-i2on-i1off+i2off)---(5)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg=(3i1off-3i2off-i1on+i2on)2(i1on-i2on-i1off+i2off)×R---(6)]]>當Rg＜Rg.set.1時，判為轉子一點接地。
將(5)式代入(1)、(2)式，即可求得Ur1和Ur2，進而求得轉子一點接地位置αα=Ur2Ur1+Ur2×100%---(7)]]>發生轉子一點接地后，轉子兩點接地保護延時投入，根據接地位置的變化，即可實現轉子兩點接地保護|Δα|＞ε(8)發生轉子一點接地后，轉子兩點接地保護延時的時間為100-200ms，根據接地位置的變化，即可實現轉子兩點接地保護。②轉子繞組只能引出正端的情況，串聯直流電源于轉子的正端與地之間，采樣電路中串聯有電阻Ry，和一采樣電路Rx，在這一只采樣電阻上并聯有電子開關S，在電子開關閉合和斷開兩種狀態下，測量兩種狀態下的泄漏電流，即可求得轉子的一點接地電阻和第二點接地電阻。
采樣電阻的位置有兩種情況一是在串聯電阻Ry與電源之間，或在電源與地之間。如圖2所示狀態1電子開關s合Uα+U＝i1on·(Ry+Rg) (9)狀態2電子開關s開Uα+U＝i1off·(Rx+Ry+Rg) (10)聯立求解得Rg=i1off·(Rx+Ry)-i1on·Ryi1on-i1off---(11)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg=2·i1off-i1oni1on-i1off×R---(12)]]>
則轉子一點接地判據為Rg＜Rg.set.1當發生第二點接地時，其示意圖如圖3所示狀態1電子開關s合Uα+U＝i1on·Ry+(i1on-i2on)·Rg1(13)Uβ＝i2on·Rg2+(i2on-i1on)·Rg1(14)狀態2電子開關s開Uα+U＝i1off·(Rx+Ry)+(i1off-i2off)·Rg1(15)Uβ＝i2off·Rg2+(i2off-i1off)·Rg1(16)聯立以上4式可求得第二點接地電阻Rg2Rg2=ilogg·(Rx+Ry)-ilogg·Ry(i1on-i1off)·Rg1+i1on·Ry-ioff·(Rx+Ry)·Rg1---(17)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg2=(2ioff-i1on)·R·Rg1(i1on-i1off)·Rg1+(i1on-2i1off)·R---(18)]]>式中Rg1已在第一點接地時求出。
反應第二點接地電阻可構成如下轉子兩點接地保護判據Rg2＜Rg.set.2③轉子繞組只能引出負端的情況類同上述情況，如圖4所示狀態1電子開關s合Uα+U＝i2on·(Ry+Rg) (19)狀態2電子開關s開Uα+U＝i2off·(Rx+Ry+Rg)(20)聯立求解得Rg=i2off·(Rx+Ry)-i2on·Ryi2on-i2off---(21)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg=2·i2off-i2oni2on-i2off×R---(21)]]>
則轉子一點接地判據為Rg＜Rg.set.1當發生第二點接地時，其示意圖如下圖5所示狀態1電子開關s合Uα+U＝i2on·Ry+(i2on-i2on′)·Rg1(23)Uβ＝i2on′·Rg2+(i2on′-i2on)·Rg1(24)狀態2電子開關s開Uα+U＝i2off·(Rx+Ry)+(i2off-i2off′)·Rg1(25)Uβ＝i2off′·Rg2+(i2off′-i2off)·Rg1(26)聯立以上4式可求得第二點接地電阻Rg2Rg2=i2off·(Rx+Ry)-i2on·Ry(i2on-i2off)·Rg1+i2on·Ry-i2off·(Rx+Ry)·Rg1---(27)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg2=(2i2off-i2on)·R·Rg1(i2n-i2off)·Rg1+(i2on-2i2off)·R---(28)]]>式中Rg1已在第一點接地時求出。
反應第二點接地電阻可構成如下轉子兩點接地保護判據Rg2＜Rg.set.22)本發明的改進還包括下述方案，即方案二轉子繞組能夠同時引出正、負端的情況時，串聯兩個相同的直流電源于轉子的正負端之間，采樣電路中串聯有二只的電阻Rx和Ry，兩個相同直流電源又分別串聯一采樣電路Rx，在這二只采樣電阻上分別并聯有電子開關S，兩電源之間與地有連接，在電子開關閉合和斷開兩種狀態下，測量兩種狀態下的泄漏電流i1和i2，得到含有4個未知數的4個方程式，求解此方程組，即可求得轉子一點接地電阻和轉子一點接地位置；并可實現兩點接地位置的保護。①轉子繞組可同時引出正、負兩端的情況測量兩種狀態下的泄漏電流i1和i2，得到含有4個未知數的4個方程式，求解此方程組，即可求得轉子一點接地電阻和轉子一點接地位置，利用轉子一點接地位置的變化量可實現轉子兩點接地保護。如圖6所示，圖中U為48V直流電源模塊下面的公式推導過程中，假設電子開關s1和s2開、合過程中轉子電壓Ur1和Ur2保持不變。
狀態1s1合，s2開Ur1+U＝i1·Ry+(i1-i2)·Rg(29)
Ur2+U＝i2·(Rx+Ry)+(i2-i1)·Rg(30)狀態2s1開，s2合Ur1+U＝i1′·(Rx+Ry)+(i1′-i2′)·Rg(31)Ur2+U＝i2′·Ry+(i2′-i1′)·Rg(32)式中i1、i2為狀態1情況下流過回路1和回路2的泄漏電流；i1′、i2′為狀態2情況下流過回路1和回路2的泄漏電流。
由(29)-(30)＝(31)-(32)得i1·Ry-i2·(Rx+Ry)+2(i1-i2)·Rg＝i1′·(Rx+Ry)-i2′·Ry+2(i1′-i2′)·Rg(33)求得Rg的表達式如下Rg=(i1′+i2)·(Rx+Ry)-(i2′+i1)·Ry2(i1-i2)-2(i1′-i2′)---(34)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg=(2i1′+i2′)-(i1-2i2)2(i1-i2)-2(i1′-i2′)×R---(35)]]>當Rg＜Rg.set時，判為轉子一點接地。
將(29)式代入(24)、(25)式，即可求得Ur1和Ur2，進而求得轉子一點接地位置αα=Ur2Ur1+Ur2---(36)]]>根據接地位置的變化，即可實現轉子兩點接地保護|Δα|＞ε(37)②轉子繞組只能引出正端的情況，如圖7所示，狀態1電子開關s1合Uα+U＝i1on·(Ry+Rg) (38)狀態2電子開關s1開Uα+U＝i1off·(Rx+Ry+Rg) (39)聯立求解得Rg=i1off·(Rx+Ry)-i1on·Ryi1on-i1off---(40)]]>當Rx＝Ry＝R時
Rg=2·i1off-i1oni1on-i1off×R---(41)]]>則轉子一點接地判據為Rg＜Rg.set.1當發生第二點接地時，其示意圖如下如圖8所示，狀態1電子開關s1合Uα+U＝i1on·Ry+(i1on-i2on)·Rg1(42)Uβ＝i2on·Rg2+(i2on-i1on)·Rg1(43)狀態2電子開關s1開Uα+U＝i1off·(Rx+Ry)+(i1off-i2off)·Rg1(44)Uβ＝i2off·Rg2+(i2off-i1off)·Rg1(45)聯立以上4式可求得第二點接地電阻Rg2Rg2=i1off·(Rx+Ry)-i1on·Ry(i1on-i1off)·Rg1+i1on·Ry-i1off·(Rx+Ry)·Rg1---(46)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg2=(2i1off-i1on)·R·Rg1(i1on-i1off)·Rg1+(i1on-2i1off)·R---(47)]]>式中Rg1已在第一點接地時求出。
反應第二點接地電阻可構成如下轉子兩點接地保護判據Rg2＜Rg.set.2③轉子繞組只能引出負端的情況，如圖9所示狀態1電子開關s2合Uα+U＝i2on·(Ry+Rg) (48)狀態2電子開關s2開Uα+U＝i2off·(Rx+Ry+Rg)(49)聯立求解得Rg=i2off·(Rx+Ry)-i2on·Ryi2on-i2off---(50)]]>當Rx＝Ry＝R時
Rg=2·i2off-i2oni2on-i2off×R---(51)]]>則轉子一點接地判據為Rg＜Rg.set.1當發生第二點接地時，其示意圖如圖10所示狀態1電子開關s2合Uα+U＝i2on·Ry+(i2on-i2on′)·Rg1(52)Uβ＝i2on′·Rg2+(i2on′-i2on)·Rg1(53)狀態2電子開關s2開Uα+U＝i2off·(Rx+Ry)+(i2off-i2off′)·Rg1(54)Uβ＝i2off′·Rg2+(i2off′-i2off)·Rg1(55)聯立以上4式可求得第二點接地電阻Rg2Rg2=i2off·(Rx+Ry)-i2on·Ry(i2on-i2off)·Rg1+i2on·Ry-i2off·(Rx+Ry)·Rg1---(56)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg2=(2i2off-i2on)·R·Rg1(i2on-i2off)·Rg1+(i2on-2i2off)·R---(57)]]>式中Rg1已在第一點接地時求出。
反應第二點接地電阻可構成如下轉子兩點接地保護判據Rg2＜Rg.set.2。
權利要求
1.有源切換式轉子接地保護的方法，其特征是通過嵌入一至兩個相同的直流電源構成轉子接地保護回路，連接于轉子的正負端之間或其中一端與地之間，采樣電路中串聯有電阻，且串聯有二極管，并在電源與地之間設有采樣電阻，在采樣電阻上并聯有電子開關，并由轉子接地保護軟件控制電子開關的開和合，測量兩種狀態下的泄漏電流，實時計算轉子接地電阻，從而與接地電阻的整定值進行比較而得到保護判據。
2.由權利要求1所述的有源切換式轉子接地保護的方法，其特征是轉子繞組能夠同時引出正、負端的情況時，串聯兩個相同的直流電源于轉子的正負端之間，采樣電路中串聯有二只的電阻R，兩個相同直流電源之間設有一采樣電路R與地聯接，在這一只采樣電阻上并聯有電子開關S，在電子開關閉合和斷開兩種狀態下，求得轉子一點接地電阻和轉子一點接地位置。
3.由權利要求1或2所述的有源切換轉子接地保護的方法，其特征是利用轉子一點接地位置的變化量可實現轉子兩點接地保護，當Rg＜Rg.set.1時，判為轉子一點接地求得Ur1和Ur2，進而求得轉子一點接地位置αα=Ur2Ur1+Ur2×100%]]>發生轉子一點接地后，轉子兩點接地保護延時投入，根據接地位置的變化，即可實現轉子兩點接地保護|Δα|＞ε發生轉子一點接地后，轉子兩點接地保護延時的時間為100-200ms，根據接地位置的變化，即可實現轉子兩點接地保護。
4.由權利要求1或2所述的有源切換式轉子接地保護的方法，其特征是串聯的電阻與采樣電阻的阻值相同或不同。
5.由權利要求1所述的有源切換式轉子接地保護的方法，其特征是轉子繞組只能引出正端或負端的情況下，串聯直流電源于轉子的正端與地之間，采樣電路中串聯有電阻R，和一采樣電路R，在這一只采樣電阻上并聯有電子開關S，在電子開關閉合和斷開兩種狀態下，測量兩種狀態下的泄漏電流，即可求得轉子一點接地電阻和第二點接地電阻。
6.由權利要求1或2所述的有源切換式轉子接地保護的方法，其特征是采樣電路的位置有兩種情況一是在串聯電阻R與電源之間，或在電源與地之間。
7.由權利要求1所述的有源切換式轉子接地保護的方法，其特征是轉子繞組同時引出正、負端的情況時，串聯兩個相同的直流電源于轉子的正負端之間，采樣電路中串聯有二只的電阻(Rx、Ry)，兩個相同直流電源又分別串聯一采樣電路(Rx)，在這二只采樣電阻上分別并聯有電子開關S，兩電源之間與地有連接，在電子開關閉合和斷開兩種狀態下，測量兩種狀態下的泄漏電流i1和i2，得到轉子一點接地電阻和轉子一點接地位置；利用轉子一點接地位置的變化量可實現轉子兩點接地保護。
8.由權利要求7所述的有源切換式轉子接地保護的方法，其特征是轉子繞組可同時引出正、負兩端的情況測量兩種狀態下的泄漏電流i1和i2，即可求得轉子一點接地電阻和轉子一點接地位置，利用轉子一點接地位置的變化量可實現轉子兩點接地保護下面的公式推導過程中，假設電子開關s1和s2開、合過程中轉子電壓Ur1和Ur2保持不變。狀態1s1合，s2開Ur1+U＝i1·Ry+(i1-i2)·Rg(29)Ur2+U＝i2·(Rx+Ry)+(i2-i1)·Rg(30)狀態2s1開，s2合Ur1+U＝i1′·(Rx+Ry)+(i1′-i2′)·Rg(31)Ur2+U＝i2′·Ry+(i2′-i1′)·Rg(32)式中i1、i2為狀態1情況下流過回路1和回路2的泄漏電流；i1′、i2′為狀態2情況下流過回路1和回路2的泄漏電流；由(29)-(30)＝(31)-(32)得i1·Ry-i2·(Rx+Ry)+2(i1-i2)·Rg＝i1′·(Rx+Ry)-i2′·Ry+2(i1′-i2′)·Rg(33)求得Rg的表達式如下Rg=(i1′+i2)·(Rx+Ry)-(i2′+i1)·Ry2(i1-i2)-2(i1′-i2′)---(34)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg=(2i1′-i2′)-(i1-2i2)2(i1-i2)-2(i1′-i2′)×R---(35)]]>當Rg＜Rg.set時，判為轉子一點接地；將(29)式代入(24)、(25)式，即可求得Ur1和Ur2，進而求得轉子一點接地位置αα=Ur2Ur1+Ur2---(36)]]>根據接地位置的變化，即可實現轉子兩點接地保護|Δα|ε。
9.由權利要求7所述的有源切換式轉子接地保護的方法，其特征是轉子繞組只能引出正端的情況，狀態1電子開關s1合Uα+U＝i1on·(Ry+Rg)(38)狀態2電子開關s1開Uα+U＝i1off·(Rx+Ry+Rg)(39)聯立求解得Rg=i1off·(Rx+Ry)-i1on·Ryi1on-i1off---(40)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg=2·i1off-i1oni1on-i1off×R---(41)]]>則轉子一點接地判據為Rg＜Rg.set.1當發生第二點接地時，狀態1電子開關s1合Uα+U＝i1on·Ry+(i1on-i2on)·Rg1(42)Uβ＝i2on·Rg2+(i2on-i1on)·Rg1(43)狀態2電子開關s1開Uα+U＝i1off·(Rx+Ry)+(i1off-i2off)·Rg1(44)Uβ＝i2off·Rg2+(i2off-i1off)·Rg1(45)聯立以上4式可求得第二點接地電阻Rg2Rg2=i1off·(Rx+Ry)-i1on·Ry(i1on-i1off)·Rg1+i1on·Ry-i1off·(Rx+Ry)·Rg1---(46)]]>當Rx＝Ry＝R時Rg2=(2i1off-i1on)·R·Rg1(i1on-i1off)·Rg1+(i1on+2i1off)·R---(47)]]>反應第二點接地電阻可構成如下轉子兩點接地保護判據Rg2＜Rg.set.2。
全文摘要
有源轉子接地保護的方法，通過嵌入一至兩個相同的直流電源構成轉子接地保護回路，連接于轉子的正負端之間或其中一端與地之間，采樣電路中串聯有電阻，且串聯有二極管，并在電源與地之間設有采樣電阻，在采樣電阻上并聯有電子開關，并由轉子接地保護軟件控制電子開關的開和合，測量兩種狀態下的泄漏電流，實時計算轉子接地電阻，從而與接地電阻的整定值進行比較而得到保護判據。本發明有源轉子接地保護方法簡潔，易于實現，注入直流電源由保護裝置自產，也可采用外加注入電源裝置；不受轉子繞組對地電容的影響，接地電阻測量精度高，經現場試驗實測，在接地電阻0～100kΩ范圍內計算誤差小于±5％。
文檔編號H02H7/06GK1731643SQ20051009410
公開日2006年2月8日 申請日期2005年8月30日 優先權日2005年8月30日
發明者沈全榮, 嚴偉, 陳俊, 鄭玉平 申請人:南京南瑞繼保電氣有限公司