水电站微机发电机转子接地保护装置的原理与设计

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【摘 要】叙述了水电站综合自动化系统中微机发电机转子接地保护装置的基本原理、软硬件设计。本装置以高速高性能微处理机及实时多任务操作系统为基本开发手段，利用切换采样原理构成机组励磁回路一点和两点接地保护，测定转子接地故障点位置和过渡电阻的大小。

【关键词】转子；一点接地；两点接地；微控制器；多任务操作系统

1 前言

机组转子绝缘损坏时引起的励磁回路接地故障是发电机的常见故障，转子一点接地对发电机并不会造成直接危害，但如果发现后不及时处理而发展成为转子两点接地故障，会使发电机转子电流增大，烧损转子；气隙磁场的对称性遭到破坏，使无功出力降低，同时还会导致发电机剧烈振动。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。

微机转子接地保护装置以长记忆特性和强大的数据处理能力为机组励磁回路一点和两点接地新的保护方案提供了有力的保障，其优点是功能完善、使用及维护方便、智能化程度高、体积小、适应一次系统灵活性大，目前成为机组转子接地保护的主要保护方式。

2 硬件设计

面向功能的插件式结构设计，将强弱电回路完全分开，可大大抑制静电和电磁干扰，增强抗干扰能力，无需外部抗干扰器件。

2.1 电源插件

给整个装置提供弱电电源。输入直流220V，分别输出直流+5V（用于MCU及各芯片）、?15V（用于模数转换芯片）和+24V（用于驱动继电器及作为开关量输入的电源），各回路电气隔离，各组电源均不共地。另外电源50ms延迟特性及电源监视功能，进一步提高了装置的安全性。

2.2 主控单元插件

管理和控制所有资源。包括微控制器MCU（Micro Control Unit）、模拟量采集、开关量采集、开关量输出、中央信号输出及FLASHROM、SRAM、E2PROM、CANBUS网络接口、自举载入接口等部分。

核心部分高性能高集成度微控制器，资源丰富，实时性好，抗电磁干扰能力强；快闪存储器可重新编程；所有开入、开出、CAN接口全部经过隔离，安全可靠；四层制板及表贴工艺，结构紧凑。

模拟量采集实现模数转换、瞬态抑制、吸收、滤波等功能。每路模拟量对应一路信号调理及A/D转换，转换速度快，测量精度高，并具有较好的可靠性和稳定性；串行通信，快速可靠；采样回路无调整元件，A/D转换器具有测量精度单次调整后自动记忆功能，现场不需调整零偏。

2.3 交流接口插件

为外部模拟量提供输入接口。外部电流、电压输入经互感器隔离变换后，把强电信号转换为模数转换回路可识别的电压信号，分为交流电流输入回路和交流电压输入回路两部分，由高精度高线性度交流电流、电压互感器、精密电阻及有源滤波电路构成。

2.4 直流逻辑插件

完成控制开出接点输出及中央信号输出。MCU经底板通过直流逻辑插件输出操作脉冲，所有操作输出全部经过光电隔离，且开出24V直流电源通过公共启动继电器的常开接点闭锁，以增加出口的可靠性。操作输出为程序控制的脉冲输出，跳合闸操作可由控制回路中跳合闸出口继电器实现保持功能。

2.5 人机对话接口（MMI）

人与装置交换信息的接口。通过显示屏获取信息，通过键盘输入信息。面板为一独立的子系统，由单独的CPU管理和控制，通过232或485口与装置主MCU通信，包括十键触摸式键盘、128×64点阵背光液晶汉字显示屏、动作指示灯，完成读取信息、设置参数、测试、控制操作、信号指示、信号复归等功能。

3 软件设计

当励磁回路发生一点接地故障（转子绕组绝缘损坏）时动作于信号，尽快转移负荷，停机检修，避免发生两点接地故障，造成严重后果。

当励磁回路发生两点接地故障时动作于跳闸。

本装置利用切换采样原理（乒乓式变桥原理）测量接地故障点位置和接地电阻大小。电路原理见下图。

E为励磁回路直流电动势，S1、S2为由微机控制的静态联动开关。切换开关S1、S2轮流导通，分别测量E和R1两端电压U得到E、E′和U、U′。当转子（励磁绕组）一点接地时，根据实测的两组数据可以计算出接地电阻Rf和故障点位置?。

当S1接通，S2断开时，可得方程：

( R + R1 + Rf )I1 - ( Rf + R1 )I2 = αE

-( Rf + R1 )I1 + ( Rf + R1 + 2R )I2 = ( 1–α)E

当S1断开，S2接通时，可得方程：

( 2R + R1 + Rf )I1’ - ( Rf + R1 )I2’ = αE’

-( Rf + R1 )I1’ + ( Rf + R1 + R )I2’ = ( 1–α)E’

解之可得接地电阻、故障点位置如下：

当检测到接地电阻Rf小于给定的接地电阻整定值时，发出转子一点接地信号。

当转子一点接地时，记录第一点接地的位置?，同时可整定是否给出一点接地信号。当转子发生两点接地时Δ?=?-?′，所以当Δ?大于整定值时判为转子两点接地，动作于跳闸。

转子接地逻辑框图如下：

4 结束语

本文对微机发电机转子接地装置的设计，提供了机组励磁回路接地故障检测的有效解决方案，经工程实践证明准确、可靠、灵敏。有方案提出将桥臂电阻改为二极管，以解决电阻长期使用产生误差而影响测量精度的问题。

参考文献

[1]李先彬. 电力系统自动化，水利电力出版社，1989

[2]王维俭. 电气主设备保护原理与应用，中国电力出版社，1998

[3]国家电力调度中心. 电力系统继电保护，中国电力出版社，1997