发电机转子滑环起火保护方法及系统

摘要

本发明公开了一种发电机转子滑环起火保护方法及系统，实时检测发电机励磁回路中的励磁电压U和励磁电流I，并计算当前的电阻R＝U/I；再基于电阻的变化判断是否有发电机转子滑环起火事故发生；判断方法如下：判据1：如果在Δt时间内电阻R的变化量超过了阈值k，则判断发电机转子滑环起火事故发生；判据2：如果电阻R的值超过k2倍稳态值，则判断发电机转子滑环起火事故发生；判据1和判据2中任一判据成立，则判定发电机转子滑环起火事故发生；当判定发电机转子滑环起火事故发生后，启动跳闸。该发电机转子滑环起火保护方法及系统能实时准确检测出起火故障，以防止设备受损，该方案实施方便，保护效果好，易于推广。

权利要求

1.一种发电机转子滑环起火保护方法，其特征在于，检测发电机励磁回路中的励磁电压U和励磁电流I，并计算当前的电阻R＝U/I；

再基于电阻的变化判断是否有发电机转子滑环起火事故发生；判断方法如下：判据1：如果在△t时间内电阻R的变化量超过了阈值k，则判断发电机转子滑环起火事故发生；

判据2：如果电阻R的值超过k2倍稳态值，则判断发电机转子滑环起火事故发生；

所述的△t取1-60s中的任一个值；所述的阈值k取1％-20％中的任一个值；

k2为1.15-1.4中的任一个值；

判据1和判据2中任一判据成立，则判定发电机转子滑环起火事故发生；

当判定发电机转子滑环起火事故发生后，启动跳闸。

2.根据权利要求1所述的发电机转子滑环起火保护方法，其特征在于，所述的励磁电压U和励磁电流I为△t1时间内的平均值；△t1为2-4s中的任一个值。

3.根据权利要求2所述的发电机转子滑环起火保护方法，其特征在于，所述的△t1＝

3s；△t＝10s，k＝10％。

4.根据权利要求1-3任一项所述的发电机转子滑环起火保护方法，其特征在于，在发电机转子滑环处配置弧光传感器，当弧光传感器检测到的光强度超过弧光传感器的整定值时，启动跳闸。

5.根据权利要求1-3任一项所述的发电机转子滑环起火保护方法，其特征在于，在发电机转子滑环的冷却风道处配置温度传感器，当温度传感器检测到的温度超过设定值时，启动跳闸。

6.一种发电机转子滑环起火保护系统，其特征在于，包括主控模块、励磁电压及励磁电流检测电路、报警电路和跳闸执行机构；在主控模块中集成有电阻计算单元；采用权利要求1-3任一项所述的发电机转子滑环起火保护方法的判断方法判断是否有发电机转子滑环起火事故发生。

7.根据权利要求6所述的发电机转子滑环起火保护系统，其特征在于，还包括与主控模块相连的温度检测电路。

8.根据权利要求6或7所述的发电机转子滑环起火保护系统，其特征在于，还包括与主控模块相连的弧光光强检测电路。

说明书

发电机转子滑环起火保护方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种发电机转子滑环起火保护方法及系统。

背景技术

[0002] 大型同步发电机励磁系统在运行过程中，滑环装置的故障率比较高，轻者减负荷运行，重者出现环火故障停机，并且对设备造成很大的损害，因滑环发热产生环火故障而引起机组非计划停运事件在国内各发电集团内部电厂曾多次发生，由于滑环环火可能会造成不可恢复的设备损坏，严重将可能会导致滑环烧损甚至引起转子大轴弯曲变形需返厂修理，事故的恢复时间较长，造成巨大的经济损失，有必要对此类事故引起重视并采取有效措施提前防范。针对滑环-碳刷装置的火花故障，目前来说没有专门的保护来切除这种故障，大部分电厂仅仅是采用加强设备巡视及定期维护的方法来防范事故的发生。也有部分电厂采取了以下措施，诸如在碳刷位置装设摄像头、采用简单的计算及逻辑判断滑环工作状况、测量滑环或冷却风温度等，采取上述种种措施仅仅只是作为一种辅助手段，其准确性及快速性均不能满足现场要求。

[0003] 有关弧光保护在相关文献中有论文提及，并且有产品用于中低压开关柜、母线等电弧光保护电弧光保护系统原理简单、动作迅速可靠，能够有效减轻电弧光对设备和人身的伤害。一般电弧光保护动作判据为故障时产生的两个条件：弧光和过电流。当检测到弧光和电流增量时发出跳闸指令信号；当检测到弧光或者电流增量时发出报警信号，并不发出跳闸指令。

[0004] 现阶段来讲没有专门针对滑环-碳刷装置的火花故障的保护。部分电厂采取的一些辅助的监视手段并不能准确快速的反应故障，原理不够成熟。

[0005] 滑环-碳刷装置的火花故障比较虽然不多见，一旦发生产生的后果则非常严重，可能造成主设备损坏及大量的经济损失。目前来说大部分电厂并没有装设相应的保护来反应这种故障，仅仅是采用加强设备巡视及定期维护的方法来防范事故的发生。由于各人的技能水平不同，仅仅通过加强设备定期维护并能不很好的解决问题，因此有必要设计一种专门的快速灵敏的保护方案来反映发电机组滑环-碳刷装置的火花故障。

发明内容

[0006] 本发明所要解决的技术问题是提供一种发电机转子滑环起火保护方法及系统，该发电机转子滑环起火保护方法及系统能实时准确检测出起火故障，以防止设备受损，该方案实施方便，保护效果好，易于推广。

[0007] 发明的技术解决方案如下：

[0008] 一种发电机转子滑环起火保护方法，实时检测发电机励磁回路中的励磁电压U和励磁电流I，并计算当前的电阻R＝U/I；

[0009] 再基于电阻的变化判断是否有发电机转子滑环起火事故发生；判断方法如下：

[0010] 判据1：如果在Δt时间内电阻R的变化量超过了阈值k，则判断发电机转子[0011] 滑环起火事故发生；

[0012] 判据2：如果电阻R的值超过k2倍稳态值，则判断发电机转子滑环起火事故[0013] 发生；

[0014] 所述的Δt取1-60s中的任一个值；

[0015] 所述的阈值k取1％-20％中的任一个值；

[0016] k2为1.15-1.4中的任一个值；

[0017] 判据1和判据2中任一判据成立，则判定发电机转子滑环起火事故发生；

[0018] 当判定发电机转子滑环起火事故发生后，启动跳闸。

[0019] 所述的励磁电压U和励磁电流I为Δt1时间内的平均值；Δt1为2-4s中的任一个值。

[0020] 所述的Δt1＝3s；Δt＝10s，k＝10％。

[0021] 在发电机转子滑环处配置弧光传感器，当弧光传感器检测到的光强度超过弧光传感器的整定值时，启动跳闸。

[0022] 在发电机转子滑环的冷却风道处配置温度传感器，当温度传感器检测到的温度超过设定值时，启动跳闸。

[0023] 一种发电机转子滑环起火保护系统，包括主控模块、励磁电压及励磁电流检测电路、报警电路和跳闸执行机构；在主控模块中集成有电阻计算单元；采用前述的发电机转子滑环起火保护方法的判断方法判断是否有发电机转子滑环起火事故发生。

[0024] 所述的发电机转子滑环起火保护系统还包括与主控模块相连的温度检测电路。

[0025] 所述的发电机转子滑环起火保护系统还包括与主控模块相连的弧光光强检测电路。

[0026] 技术构思：

[0027] 大型同步发电机组滑环-碳刷装置的火花故障不是一种频发性故障，但根据最近的事故统计资料表明，近年来由于环火造成发电机滑环烧毁恶性事故却逐渐增多。造成故障的原因多是由于碳刷与滑环接触电阻增大导致发热，严重时产生环火烧损电刷刷握及滑环，有鉴于此，本发明基于电阻的监测来实现发电机转子滑环起火保护。

[0028] 有益效果：

[0029] 本发明的发电机转子滑环起火保护方法及系统，独创性地基于碳刷与滑环接触电阻的变化监测发电机转子滑环起火是否发生，一旦故障发生，则及时启动跳闸以切除故障。

[0030] 与现有的集电环环火故障监测、报警方案相比较，本发明所使用的励磁阻抗变化量判据更为全面合理，能够取得更好的效果，现有的计算点只考虑短期(5s)内最大值与最小值，可能引起励磁电压平均值偏差较大，增加误判的可能。

[0031] 而且该发明综合考虑到引起滑环起火的各种后果因素，切合实际地增加了弧光判据和滑环冷却风温判据，抓住了环火故障的具体特征，克服了现有技术方案的局限性和偏差，使保护方案更加科学和全面，其准确性及快速性更符合现场实际，从而可避免了误判带来的不必要损失。

[0032] 本发明对发电机运行励磁回路阻抗的变化，弧光的产生及相关温度的变化综合判断能够准确快速的反应故障，且形成量化指标对故障程度进行衡量，识别故障发生的准确性高。

[0033] 另外，由于采集电流电压等数据时现有系统中已经具备的功能，因此，只需在控制中心增加电阻计算单元(如通过软件实现)即可实现阻抗监控，无需增加新的成本，因此，实施起来简单易行，成本较低廉，具有很高的使用和推广价值。附图说明[0034] 图1为发电机转子滑环起火保护系统的电原理框图；

[0035] 图2为发电机转子滑环起火过程的实测曲线。

具体实施方式

[0036] 以下将结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明：

[0037] 实施例1：

[0038] 一种发电机转子滑环起火保护方法，实时检测发电机励磁回路中的励磁电压U和励磁电流I【这里的电压和电流都是直流】，并计算当前的电阻R＝U/I；

[0039] 再基于电阻的变化判断是否有发电机转子滑环起火事故发生；判断方法如下：

[0040] 判据1：如果在Δt时间内电阻R的变化量超过了阈值k，则判断发电机转子滑环起火事故发生；

[0041] 判据2：如果电阻R的值超过k2倍稳态值，则判断发电机转子滑环起火事故发生；

[0042] 判据1和判据2中任一判据成立，则判定发电机转子滑环起火事故发生；

[0043] 当判定发电机转子滑环起火事故发生后，启动跳闸。

[0044] 所述的励磁电压U和励磁电流I为Δt1时间内的平均值；所述的Δt1＝3s；Δt＝10s，k＝10％。

[0045] 在发电机转子滑环处配置弧光传感器，当弧光传感器检测到的光强度超过弧光传感器的整定值时，启动跳闸。

[0046] 在发电机转子滑环的冷却风道处配置温度传感器，当温度传感器检测到的温度超过设定值时，启动跳闸。

[0047] 如图1，一种发电机转子滑环起火保护系统，包括主控模块、励磁电压及励磁电流检测电路、报警电路和跳闸执行机构；在主控模块中集成有电阻计算单元；采用前述的发电机转子滑环起火保护方法的判断方法判断是否有发电机转子滑环起火事故发生。所述的发电机转子滑环起火保护系统还包括与主控模块相连的温度检测电路。所述的发电机转子滑环起火保护系统还包括与主控模块相连的弧光光强检测电路。

[0048] 如图2，参见实测曲线：

[0049] 在A时刻处：U＝240V，I＝2550A，R＝0.0941(ohm)；为稳态时的参数；

[0050] 在B时刻处：U＝264V，I＝2520A，R＝0.1048(ohm)；为扰动时的参数；电阻为稳态时的1.11倍；

[0051] 在C时刻处：U＝282V，I＝2600A，R＝0.1085(ohm)；为故障发生初期的参数；电阻为稳态时的1.15倍；此时电阻开始上升；

[0052] 在D时刻处：U＝318V，I＝2590A，R＝0.1228(ohm)；为故障发生中期的参数；电阻为稳态时的1.30倍；此时电阻急剧上升。

[0053] 本专利涉及的滑环运行状态在线监测和自动保护装置就是专门针对滑环-碳刷装置的火花故障而设，碳刷接触不良时在运行中是有反映的，通过故障发生时励磁回路阻抗的变化，弧光的产生及相关温度的变化综合判断发电机的运行状况，能够较准确快速的反应的故障的发生，在故障早期发出声光信号，以提醒运行人员做出反应，进行相应的处理，排除故障，或者出口跳闸以避免事故扩大而造成严重后果减少损失。同时将阻抗测量数据在电厂DCS、SIS系统画面显示，运行人员和设备管理人员不仅可实时查看，并且可进行趋势分析，及时掌握设备异常情况。

[0054] 该自动保护装置主要由阻抗判据、温度判据、弧光判据三部分组成，保护可选择投信号或者出口跳闸。

[0055] 实施例2

[0056] 1.阻抗判据

[0057] 阻抗判据主要通过发电机保护实现，通过计算励磁实时阻抗值：

[0058] Rt＝U励磁/I励磁，并计算出励磁阻抗的5s移动平均值R5，5s平均值在3s内的突变量ΔR，10min移动平均值R600。

[0059] R0为励磁回路阻抗给定值。

[0060] 阻抗保护逻辑说明如下：

[0061] a)励磁阻抗告警：

[0062] 当励磁阻抗比给定值R0缓慢增大时，发出告警信号，提醒远行人员加强监视或者及时调整运行工况，避免事故扩大。

[0063] (R5-R600)≥5％R600或R5≥105％R0发“励磁回路阻抗告警I”告警；

[0064] (R5-R600)≥10％R600或R5≥110％R0发“励磁回路阻抗告警II”告警；

[0065] b)采样回路断线闭锁：

[0066] 计算阻抗所需的励磁电流、励磁电压由变送器采集。

[0067] ΔR≥50％R0，或者DCS系统判断励磁电流、励磁电压为坏质量时，闭锁保护出口。

[0068] c)阻抗保护出口：

[0069] 当R5≥115％R0，阻抗判据出口。

[0070] 2.弧光保护判据：

[0071] 由加装在滑环-碳刷装置的专用的弧光传感器、传送光信号的光纤及弧光保护装置构成。故障发生时产生火花，弧光传感器感受到光强度的增强，经过光纤传送给弧光保护装置，达到整定值后弧光保护装置动作，出口接点送至保护装置，作为保护判据。弧光保护定值可以根据现场环境进行整定以适应不同的环境要求。为了防止在定期维护过程中弧光判据误动作，设置KG1软压板，通过软压板操作可以对弧光保护进行投退操作。

[0072] 3.温度保护判据：

[0073] 当滑环-碳刷装置发生火花故障时，故障初期往往表现在滑环表面温度异常升高，因此在这里设置了温度判据，在滑环冷却风道处设立测温元件或采用红外线传感器，监测冷却风温，当冷却风温度变化量或者稳态量达到定值时，温度判据出口。温度判据也可通过软压板KG2进行投退。

[0074] 结合机组控制系统的特点，引入计算和判断逻辑组态，实时显示阻抗值，并输出报警，同时结合弧光保护和温度判据进行综合判断，发生故障时，使得断路器跳闸以切除故障。

[0075] 运用发电机励磁电压偏差测量判断法，对转子电压脉冲状波动进行动态计算分析和判断，反映滑环-碳刷工作状况。

[0076] 在故障发展的初期，运行人员得到报警信号后快速进行调整，进行相应的处理，排除故障，若变化趋势加快达到一定幅值将动作于发电机出口断路器跳闸，使故障切除，避免事故扩大。同时将阻抗等测量数据在电厂DCS、SIS系统画面显示，可实时查看并可为设备管理人员进行趋势分析，及时掌握设备异常情况，以便早期发现故障及时进行处理。