CN114200376A - 用于发电机机端电压互感器的故障预判系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于发电机机端电压互感器的故障预判系统及其控制方法，故障预判系统包括检测装置、保护装置和控制器，检测装置被配置为获取零序电压，零序电压来自发电机中性点接地变单相PT；保护装置被配置为保护发电机；控制器内设有第一比较器电路，第一比较器的第一输入端与检测装置电连接，第一比较器的第二输入端预设有第一电压阈值，第一比较器的输出端与保护装置电连接，当零序电压大于第一电压阈值时，控制器通过第一比较器电路控制保护装置工作，并发送第一报警信息至外部，第一报警信息包括PT早期故障信息。本发明提供的技术方案能够对PT早期的故障进行预警。

Description

用于发电机机端电压互感器的故障预判系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，特别涉及一种用于发电机机端电压互感器的故障预判系统及其控制方法。

背景技术

发电机机端电压互感器(以下简称“PT”)是大型火力发电厂中重要的电气设备，通常发电机机端PT设置三组，其中一组采用全绝缘接线方式，用于发电机匝间保护采样等；剩下两组半绝缘接线方式的PT一次绕组中性点直接接地，用于其他保护、测量、采样等用途。

由于近年来自并励发电机型式及新能源发电方式的广泛应用，使发电机机端电压含有大量高次谐波，以及发电机中性点接地方式采用非有效接地方式、特殊工况下易引起铁磁谐振(尤以半绝缘接线方式PT故障发生较多)，造成发电厂频发PT一次绕组匝间短路故障及机端PT一次保险缓慢熔断，进而由于PT故障引发非计划停运事故。

发电机机端PT一次绕组匝间短路早期故障发展比较缓慢，此时一次绕组存在少量匝间短路且故障点远离铁芯，且PT一次保险未完全断开，故障特征并不明显，也难以通过不平衡电流或温度等手段去发现。在失去故障监测手段的情况下，PT由早期故障发展成严重故障的过程中，由于故障电压采样变化量小以及相关保护、调节装置的采样和逻辑死区，极易引发发电机组误强励、过磁通、过电压以及因发电机基波零序定子接地保护误动跳闸等事故停电和机组非计划停运事故。因现阶段国内、外尚无专门针对PT一次绕组早期故障诊断的技术，故若能研究、发明一种发电机机端PT一次绕组匝间故障预判报警方案，可在PT故障早期有效预警并及时隔离故障点、避免或减少非计划停运，并可在PT严重故障引起设备跳闸时快速定位、排除故障点，缩短发电机等电气主设备停运时间，降低损失。

现有PT专用保护技术，国内先后产生了利用一次保险反时限动作特性反映PT一次绕组严重短路故障的一次元件保护；利用电气量负序分量反映PT一、二次绕组不对称故障的PT断线保护或励磁调节器中PT一次保险慢熔保护；利用双PT比较线电压偏差原理的PT一、二次绕组断线保护或励磁调节器中PT一次保险慢熔保护；利用发电机线电压、相电流采样门槛以及利用线电压采样变化率突变量故障量特征的PT断线保护装置等。

在目前上述几类方案中，利用一次保险反时限特性原理和利用电气量负序分量原理均可反映PT完全断线或内部严重故障，但不能及时反映PT早期轻微故障，灵敏性较差；利用双PT比较线电压偏差原理受励磁调节器等装置线电压采样死区的限制，不能灵敏反映PT早期轻微故障及PT一次保险慢熔等早期故障；利用发电机线电压、相电流采样门槛的PT断线保护装置，在发电机、变压器组及相邻电网发生短路故障、特别是不平衡短路时，容易误动；利用线电压采样变化率突变量故障量特征的PT断线保护装置，在电网外部故障、特别是较大扰动时由于采样电压突变而极易误动。综上所述，目前的发电机机端电压互感器匝间短路故障专用保护不仅无法进行早期故障诊断且灵敏度较低，容易造成误动作，故有一定的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够对PT早期故障进行判别预警的用于发电机机端电压互感器的故障预判系统及其控制方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种用于发电机机端电压互感器的故障预判系统，所述故障预判系统包括：

检测装置，其被配置为获取零序电压，所述零序电压来自发电机中性点接地变单相PT；

保护装置，其被配置为保护发电机；

控制器，其内设有第一比较器电路，所述第一比较器的第一输入端与所述检测装置电连接，所述第一比较器的第二输入端预设有第一电压阈值，所述第一比较器的输出端与所述保护装置电连接，当所述零序电压大于所述第一电压阈值时，所述控制器通过所述第一比较器电路控制所述保护装置工作，并发送第一报警信息至外部，所述第一报警信息包括PT早期故障信息。

所述检测装置内设有处理单元，所述处理单元被配置为对所述零序电压进行滤波处理，所述滤波处理的方式包括硬件滤波和/或傅里叶算法滤波。

所述控制器内还设有第一延时器，其被配置有第一延迟时间，所述控制器在所述第一延迟时间后控制所述保护装置工作。

所述控制器内还设有第二比较器电路和第二延时器，其中，所述第二比较器的第一输入端与所述检测装置电连接，所述第二比较器的第二输入端预设有第二电压阈值，所述第二比较器的输出端与所述保护装置电连接；所述第二延时器被配置有第二延迟时间；

当所述零序电压大于所述第二电压阈值时，在所述第二延迟时间后，所述控制器通过所述第二比较器电路控制所述保护装置工作，并发送第二报警信息至外部，所述第二报警信息包括定子接地告警信息。

所述控制器内还设有第三比较器电路和第三延时器，其中，所述第三比较器的第一输入端与所述检测装置电连接，所述第三比较器的第二输入端预设有第三电压阈值，所述第三比较器的输出端与所述保护装置电连接；所述第三延时器被配置有第三延迟时间；

当所述零序电压大于所述第三电压阈值时，在所述第三延迟时间后，所述控制器通过所述第三比较器电路控制所述保护装置工作，并发送第三报警信息至外部，所述第三报警信息包括定子接地跳闸信息。

所述第一电压阈值为1V，所述第一延迟时间为500ms，所述第二电压阈值为6V，所述第二延迟时间为6.5s，所述第三电压阈值为20V，所述第三延迟时间为0.5s。

所述控制器内设有与门逻辑电路，所述与门逻辑电路被配置为当以下条件均发生时，所述控制器控制所述保护装置工作，并发送报警信息至外部：

a.定子接地硬压板投入；b.定子接地软压板投入；c.PT一次保险慢熔投退控制字为“1”；d.所述零序电压大于所述第一电压阈值；e.所述零序电压选择控制字为“1”。

所述故障预判系统还包括提示装置，其被配置为发送报警信息，所述提示装置为蜂鸣器和/或LED和/或语音播报器。

一种基于上文所述的故障预判系统的控制方法，所述控制方法包括：采集发电机的零序电压，比较所述零序电压与预设的第一电压阈值，当所述零序电压大于所述第一电压阈值时，控制故障预判系统的保护装置工作，并发送第一报警信息至外部。

所述控制方法还包括对所述零序电压进行滤波处理，所述滤波处理的方式包括硬件滤波和/或傅里叶算法滤波。

本发明具有的优点：实现对PT早期故障的灵敏判断，为隔离轻微故障元件、减少机组非计划停运损失提供了可能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的故障预判系统的第一局部结构图；

图2为本发明实施例提供的故障预判系统的第一局部示意框图；

图3为本发明实施例提供的故障预判系统的第二局部示意框图。

其中，附图标记包括：1-发电机，2-发电机中性点配电变压器，3-发电机机端PT保护一，4-发电机机端PT保护二。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，更清楚地了解本发明的目的、技术方案及其优点，以下结合具体实施例并参照附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。除此，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、装置、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明的设计思想是：通过降低保护采样中零序电压故障启动定值门槛，以区分发电机、变压器组系统其它电气主设备发生的不平衡短路和断线故障；且通过采样点选取为发电机中性点零序电压，以此将机端PT某一组某一相一次绕组匝间短路故障发生早期与机端PT一次保险完全熔断(或一次引线断线)及二次回路开路(二次单相小开关跳闸)区分判别；且通过将保护动作出口方式整定为延时告警(不跳闸)且不参与其它保护闭锁逻辑，与发变组系统其它保护出口方式以及PT断线保护区别。

在本发明的一个实施例中，提供了一种用于发电机机端电压互感器的故障预判系统，故障预判系统包括检测装置、保护装置和控制器，其中，检测装置被配置为获取零序电压，零序电压来自发电机中性点接地变单相PT，另外，检测装置内还设有处理单元，处理单元被配置为对零序电压进行滤波处理以去除高次谐波，滤波处理的方式包括硬件滤波和/或傅里叶算法滤波，在本实施例中，通过硬件和傅里叶算法对零序电压进行滤波，不以此限定本发明的保护范围；保护装置被配置为保护发电机。

控制器内设有第一比较器电路和第一延时器，其中，第一比较器的第一输入端与检测装置电连接，第一比较器的第二输入端预设有第一电压阈值，第一比较器的输出端与保护装置电连接；第一延时器被配置有第一延迟时间。具体地，当零序电压大于第一电压阈值时，在第一延迟时间后，控制器通过第一比较器电路控制保护装置工作，并发送第一报警信息至外部，第一报警信息包括PT早期故障信息。在本实施例中，第一电压阈值为1V，第一延迟时间为500ms，但具体数值根据实际情况确定，不以此限定本发明的保护范围。

在本发明的一个实施例中，控制器内还设有第二比较器电路和第二延时器，其中，第二比较器的第一输入端与检测装置电连接，第二比较器的第二输入端预设有第二电压阈值，第二比较器的输出端与保护装置电连接；第二延时器被配置有第二延迟时间；

当零序电压大于第二电压阈值时，在第二延迟时间后，控制器通过第二比较器电路控制保护装置工作，并发送第二报警信息至外部，第二报警信息包括定子接地告警信息。在本实施例中，第二电压阈值为6V，第二延迟时间为6.5s，但具体数值根据实际情况确定，不以此限定本发明的保护范围。

在本发明的一个实施例中，控制器内还设有第三比较器电路和第三延时器，其中，第三比较器的第一输入端与检测装置电连接，第三比较器的第二输入端预设有第三电压阈值，第三比较器的输出端与保护装置电连接；第三延时器被配置有第三延迟时间；

当零序电压大于第三电压阈值时，在第三延迟时间后，控制器通过第三比较器电路控制保护装置工作，并发送第三报警信息至外部，第三报警信息包括定子接地跳闸信息。在本实施例中，第三电压阈值为20V，第三延迟时间为0.5s，但具体数值根据实际情况确定，不以此限定本发明的保护范围。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，控制器内设有与门逻辑电路，与门逻辑电路被配置为当以下条件均发生时，控制器控制保护装置工作，并发送报警信息至外部：a.定子接地硬压板投入；b.定子接地软压板投入；c.PT一次保险慢熔投退控制字为“1”；d.零序电压大于第一电压阈值；e.零序电压选择控制字为“1”。

在本发明的一个实施例中，本障预判系统还包括提示装置，其被配置为发送报警信息，提示装置为蜂鸣器和/或LED和/或语音播报器。

在本发明的一个实施例中，发电机中性点采用非有效接地方式或电阻接地，发电机中性点非有效接地时基波零序电压采样通常取自中性点侧U₀与机端3U₀比较，用于发电机定子接地保护采样判据。通过发电机中性点零序电压U₀来鉴别发电机机端电压互感器匝间短路故障，零序电压U₀采样取自发电机中性点接地变单相PT，零序电压采样通道采用硬件滤波及软件傅氏傅里叶算法滤除高次谐波分量。发电机机端电压互感器匝间短路故障可与发电机基波零序电压定子接地保护共用采样通道，保护逻辑类同，保护名称、定值启动门槛及出口方式不同。发电机电压互感器导致的一次保险慢熔的情况时有发生，难以被发现，可能造成机组非计划停运。因此通过在原有的发电机基波零序电压定子接地保护中增加一段发电机机端电压互感器匝间短路故障预判报警逻辑，就能很好对早期的故障进行预警，考虑防止保护频繁误动，动作值不应设置过小，可根据现场实际工况进行优化调整。本发明整定时将发电机机端电压互感器匝间短路故障预判报警和发电机基波零序电压定子接地保护分为三段定值以区分PT以及定子在运行过程中的不同状态，三段包括Ⅰ段、Ⅱ段和Ⅲ段，其中，Ⅰ段为极灵敏段，代表PT早期故障；Ⅱ段为灵敏段，代表定子接地告警；Ⅲ段为非灵敏段，代表定子接地跳闸，动作判据为：

U₀＞U_0j

U₀＞U_0l

U₀＞U_0f

式中，U₀为发电机中性点零序电压，U_0j代表极灵敏段匝间短路保护定值，U_0l代表灵敏段匝间短路保护定值，U_0f代表非灵敏段匝间短路保护定值。

在本发明的一个实施例中，如图1所示，本障预判系统包括发电机1、发电机中性点配电变压器2、发电机机端PT保护一3和发电机机端PT保护二4，具体地，分别采用发电机机端PT保护一3和发电机机端PT保护二4匝间短路故障专用保护预判报警对发电机机端电压互感器进行保护，且采用了与发电机基波零序电压定子接地保护共用采样通道的方式进行采样，其中，如图1所示，经发电机中性点配电变压器2产生的零序电压分别对应为发电机机端PT保护一3和发电机机端PT保护二4，然后分别去向图2所示的保护A柜和保护B柜中的中性点U₀，从而参与如图3所示的控制器中的逻辑计算。在本实施例中，微机保护装置型号是WFB-801A，在本装置中建立了如下逻辑，如图2所示，当压板投入且控制字为“1”的条件下，零序电压达到了保护启动门槛时，装置会发出机端PT一次保险慢熔告警。本实施例中的发电机电压互感器匝间短路故障预判报警极灵敏段定值设为1V，延时500ms告警，但极灵敏段定值应用于其他机组时，有可能会因不同机组或实际工况下采样参数变化规律发生变化。另外两段为现有的发电机定子接地保护，可与PT早期故障进行配合，实现了对发电机PT及定子故障全周期的预警和保护。Ⅱ段和Ⅲ段维持原有的保护定值不变，Ⅱ段灵敏段定值为6V，延时6.5S跳闸，Ⅲ段非灵敏段定值为20V，延时0.5S跳闸。极灵敏段定值的设立为超前预警发电机机端PT早期故障、防止事故扩大导致机组非停争取了宝贵时间。

在本发明的一个实施例中，提供了一种基于上文所述的故障预判系统的控制方法，控制方法包括：采集发电机的零序电压，比较零序电压与预设的第一电压阈值，当零序电压大于第一电压阈值时，控制故障预判系统的保护装置工作，并发送第一报警信息至外部。

进一步地，本控制方法还包括对零序电压进行滤波处理，滤波处理的方式包括硬件滤波和/或傅里叶算法滤波。

本控制方法实施例的思想与上述实施例中故障预判系统的工作过程属于同一思想，通过全文引用的方式将上述故障预判系统实施例的全部内容并入本控制方法实施例，不再赘述。

本发明要解决的技术问题是现有技术无法识别发电机机端PT的早期匝间短路故障，从而导致事故范围扩大的问题。本发明对PT早期故障反映灵敏，为隔离轻微故障元件、减少机组非计划停运损失提供了可能；并且，设计简单，使用现有发变组微机保护中定子接地保护零序电压采样，无需增加硬件投资，大大降低成本；同时，只需在备用出口通道增加一对报警接点，接线工作较少，节省工程费用；另外，使用判据简单，易与系统中励磁调节器、故障录波器等实现功能融合、互补，利于故障精准定位。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制其专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于发电机机端电压互感器的故障预判系统，其特征在于，所述故障预判系统包括：

检测装置，其被配置为获取零序电压，所述零序电压来自发电机中性点接地变单相PT；

保护装置，其被配置为保护发电机；

控制器，其内设有第一比较器电路，所述第一比较器的第一输入端与所述检测装置电连接，所述第一比较器的第二输入端预设有第一电压阈值，所述第一比较器的输出端与所述保护装置电连接，当所述零序电压大于所述第一电压阈值时，所述控制器通过所述第一比较器电路控制所述保护装置工作，并发送第一报警信息至外部，所述第一报警信息包括PT早期故障信息。

2.如权利要求1所述的故障预判系统，其特征在于，所述检测装置内设有处理单元，所述处理单元被配置为对所述零序电压进行滤波处理，所述滤波处理的方式包括硬件滤波和/或傅里叶算法滤波。

3.如权利要求1所述的故障预判系统，其特征在于，所述控制器内还设有第一延时器，其被配置有第一延迟时间，所述控制器在所述第一延迟时间后控制所述保护装置工作。

4.如权利要求3所述的故障预判系统，其特征在于，所述控制器内还设有第二比较器电路和第二延时器，其中，所述第二比较器的第一输入端与所述检测装置电连接，所述第二比较器的第二输入端预设有第二电压阈值，所述第二比较器的输出端与所述保护装置电连接；所述第二延时器被配置有第二延迟时间；

当所述零序电压大于所述第二电压阈值时，在所述第二延迟时间后，所述控制器通过所述第二比较器电路控制所述保护装置工作，并发送第二报警信息至外部，所述第二报警信息包括定子接地告警信息。

5.如权利要求4所述的故障预判系统，其特征在于，所述控制器内还设有第三比较器电路和第三延时器，其中，所述第三比较器的第一输入端与所述检测装置电连接，所述第三比较器的第二输入端预设有第三电压阈值，所述第三比较器的输出端与所述保护装置电连接；所述第三延时器被配置有第三延迟时间；

当所述零序电压大于所述第三电压阈值时，在所述第三延迟时间后，所述控制器通过所述第三比较器电路控制所述保护装置工作，并发送第三报警信息至外部，所述第三报警信息包括定子接地跳闸信息。

6.如权利要求5所述的故障预判系统，其特征在于，所述第一电压阈值为1V，所述第一延迟时间为500ms，所述第二电压阈值为6V，所述第二延迟时间为6.5s，所述第三电压阈值为20V，所述第三延迟时间为0.5s。

7.如权利要求1所述的故障预判系统，其特征在于，所述控制器内设有与门逻辑电路，所述与门逻辑电路被配置为当以下条件均发生时，所述控制器控制所述保护装置工作，并发送报警信息至外部：

a.定子接地硬压板投入；

b.定子接地软压板投入；

c.PT一次保险慢熔投退控制字为“1”；

d.所述零序电压大于所述第一电压阈值；

e.所述零序电压选择控制字为“1”。

8.如权利要求1所述的故障预判系统，其特征在于，所述故障预判系统还包括提示装置，其被配置为发送报警信息，所述提示装置为蜂鸣器和/或LED和/或语音播报器。

9.一种基于权利要求1所述的故障预判系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：采集发电机的零序电压，比较所述零序电压与预设的第一电压阈值，当所述零序电压大于所述第一电压阈值时，控制故障预判系统的保护装置工作，并发送第一报警信息至外部。

10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述控制方法还包括对所述零序电压进行滤波处理，所述滤波处理的方式包括硬件滤波和/或傅里叶算法滤波。

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