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硕士学位同步发电机转子在线监测仪的研制论文.doc

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硕士学位同步发电机转子在线监测仪的研制论文.doc

硕 士 学 位 论 文同步发电机转子在线监测仪的研制学科专业 电气工程研究方向 电力电子及微机实时控制北方交通大学工程硕士专业学位论文 目录目 录第一章 概述 11.1 引言11.2 选题的意义21.3 检测项目及其性能指标要求31.4 本论文主要研究的内容 3第二章 在线计算同步发电机转子绕组的绝缘电阻及寻找故障接地点方法的研究 52.1 同步发电机的基本原理52.2 发电机转子接地故障分析62.2.1 转子接地的发生及其危害性62.2.2 转子接地时应采取的措施72.3 接地的分类92.4 传统的对转子绕组的绝缘电阻的监视方法92.5 转子在运行中的监视92.6 接地点的自动定位12第三章 在线计算同步发电机转子绕组温度方法的研究 133.1 发电机的允许温度和温升133.2 发电机转子温度的监视143.3 发电机转子局部过热的研究16第四章 系统原理框图及硬件电路设计 194.1 系统功能及总体结构 194.2 硬件系统设计原则214.3 微处理器的选择224.4 微处理器 PIC16F877 简介234.5 系统扩展234.6 系统配置244.6.1 前向通道244.6.2 人机对话通道 28北方交通大学工程硕士专业学位论文 目录4.6.2.1 键盘接口 284.6.2.2 显示器接口 304.6.3 计算机相互通道 314.6.4 后向通道 324.7 抗干扰设计 33第五章 系统软件设计 375.1 概述375.2 软件设计特点385.3 主要功能模块395.3.1 键盘功能模块 405.3.2 串行通讯模块425.3.3 数字滤波模块445.3.4 标度变换模块465.4 系统软件流程框图46第六章 实验结果及分析 516.1 实验室测试与分析516.2 现场测试与分析53第七章 结论 54致谢 55参考文献 56攻读学位期间所发表的论文、专利、获奖 58北方交通大学工程硕士专业学位论文 内容摘要内容摘要本文所论述的同步发电机转子在线监测仪,可以用于在线监测同步发电机转子绕组的接地电阻以及接地点的快速自动定位,而且可以在线监测发电机转子绕组的温度,解决了目前还是靠运行人员手工检查、测量和手工计算发电机转子绕组绝缘电阻值和绕组温度值的缺点,能够正确区分和确定每一个故障接地点,这对快速排除故障,保证发电机安全可靠地运行具有重要意义,同时也节省了大量人工测量,手工计算的劳动强度,安全可靠性也得到了保证。本监测仪由单片机测控系统构成,实用、先进是本装置的特征,因此,可以作为发电机的在线检测设备推广使用。本文对发电机转子接地的发生及其危害性,在线计算同步发电机转子绕组的绝缘电阻及寻找故障接地点的原理和方法;发电机允许的温度和温升,在线计算同步发电机转子绕组温度的原理和方法作了比较深入的研究,并对发电机转子局部过热现象作了分析,论述了同步发电机转子在线监测仪的研制过程,并给出了实验结果。详细阐述了单片机测控系统的硬件、软件及其特点,并对抗干扰措施作了分析。本监测仪实时采集同步发电机转子的各种参数,根据测量数据可以自动计算出发电机转子绕组的接地电阻、发电机转子绕组温度值,可以准确地判断出转子绕组是在哪一点接地。如果被测发电机转子绕组的接地电阻低于报警值或者转子绕组的温度逐渐升高并达到报警值,本装置立即发出报警信号,提醒值班人员注意,并且提供了 RS485 通讯接口,可以与电厂的 DCS 系统通讯,为发电机组的安全运行和电厂的自动化程度的提高创造了条件。关键词同步发电机转子绕组绝缘电阻,同步发电机转子绕组接地故障定位,同步发电机转子绕组温度北方交通大学工程硕士专业学位论文 ABSTRACTABSTRACTThe on-line monitor for synchronous generator motor introduced in this thesis,can be used not only for real time detection insulated resistance and located the grounding point rapidly but also for real time detection temperature of the coil of the generator motor,resolved the drawback at present depend on the worker on duty to inspect and calculate manually on the insulated resistance and temperature of the coil of the generator motor,the device is capable of distinguish and confirm every grounding point,this is very important for removing trouble quickly and ensure the generator operation in Safety and reliability, at the same time, saving a great deal of works in high intensity .This device is composed by the microcomputer-based data detecting and processing system .Practicability and advancement are elementary feature of the device,Hence,the device can be popularized as measuring appliance for the generator.A systematic and comprehensive research on the principle and is discussed about the occurrence and harmfulness of grounding of the generator motor, on-line calculation for the insulated resistance and located the grounding point of the coil of the synchronous generator motor, the temperature and its limit of the coil of the synchronous generator motor, on-line calculation for the temperature of the coil of the synchronous generator motor, and the local over-heat of the temperature of the of the synchronous generator motor is also discussed. This paper states the development process and results of the experiment of the on-line monitor for the synchronous generator motor, elaborates the hardware, the software and their traits of the microcomputer-based system, the measures of anti-interference are also analyzed.The microcomputer-based data detecting and processing system gather various parameters real time in the course of the motion of generator. according to the measured data,the device can not only calculate the insulated resistance value and the temperature value of the coil of the synchronous generator motor, but also tell where the grounding point of the coil of the synchronous generator motor is. Once 北方交通大学工程硕士专业学位论文 ABSTRACTthe insulated value of the generator under the alarm threshold or the temperature value of the generator over the alarm threshold, the device immediately send out alarm signal, noticing the man on duty pay attention to the coil of the synchronous generator motor. The RS485 communication interface are provided to communicate with the DCS system of the power plants, the device prepares the conditions for safety running of generators and improving automation of power plants.KEYWORDS insulated resistance of the coil of the synchronous generator motor, located the grounding point of the coil of the synchronous generator motor, temperature of the coil of the synchronous generator motor.北方交通大学工程硕士专业学位论文 第一章1第一章 概述1.1引言随着我国电力工业的发展,电力系统本身变得越来越庞大和复杂,当前,电力主要还是来自火力和水力发电厂,因此如何确保发电厂的发电机组的安全运行一直受到发电企业的广泛关注,以保证电气设备安全、可靠和经济地运行。发电机转子绕组接地就是发电机常见的故障之一。当发电机转子绕组发生一点接地后,虽然仍能运行,但已构成了事故隐患。因为在这种情况下,若再发生另一点接地,就构成了两点接地。一旦发生两点接地,就可能烧毁转子绕组、铁芯或护环,同时,还可能引起机组强烈振动和转子轴磁化和断路器跳闸等故障。从而引发严重的电力系统事故,如发电机烧坏、系统振荡、解列等恶性事故。因此能够及时监测到转子绕组的绝缘降低和准确找出接地点,可以帮助运行人员及时排除故障,保证发电机安全运行。所以在发电厂中对发电机转子绕组的绝缘监测是保证发电机安全运行的一种不可缺少的技术手段。为了避免发电机绕组发生两点接地,要求绝缘监测设备当发电机转子绕组发生一点接地时,能立即检测出接地点,并当绝缘下降到一定值时发出报警信号,以便运行人员迅速排除接地故障,使发电机恢复正常运行。同时,由于发电机运行时,本身要消耗一部分能量,这部分能量包括机械损耗、铁芯损耗、铜损耗和附加损耗等,该损耗转换成热量,会使电机各部分的温度逐渐升高,当超过发电机的绝缘材料或结构件的容许温度时,就会使绝缘材料或结构件迅速老化或损坏,对绝缘材料老化有重大影响的是绝缘物的温度,绝缘材料受热后,温度愈高,老化越快,寿命越短,从而缩短发电机的使用年限。为了保证设备的安全运行,对发电机转子绕组接地的检测和对发电机转子绕组温度的检测是每一个发电企业的运行人员日常工作职责之一。但是现北方交通大学工程硕士专业学位论文 第一章2阶段还没有一种能够直接监视到发电机转子接地故障和温度的仪表,只是靠运行人员手工检查、测量和计算,工作效率不高,非常麻烦,而且安全可靠性也不尽人意。影响电厂的正常生产,于国于民都不利。1.2选题意义本课题来源于电力生产第一线,本发电机转子在线监测仪就是针对上述情况,为有效地解决发电机转子绕组的绝缘监测和接地点的快速自动定位以及转子绕组温度自动实时监测显示的技术问题而提供的一种新型的发电机转子绕组绝缘和转子绕组温度自动实时检测的在线监测装置。它是由外壳和内部电路构成,外壳壳体前部的面板上有键盘、显示器、指示灯、后部背板上有接线端子,其内部电路由中央处理电路,A/D 转换电路,键盘输入电路,显示及报警指示电路,串行通讯电路,电源及附属电路构成。其结构新颖独特,装配使用方便,可很好地用于解决发电机转子绕组绝缘监视和接地故障定位的问题,以及发电机转子绕组温度自动监测的问题,节省了大量人工测量,手工计算的劳动强度,提高了工作效率和自动化程度,确保了发电机组的运行安全,具有显著的经济和社会效益。发电机转子在线监测仪在安装使用时将壳体安装在发电机的励磁屏或机旁控制屏上,随时监测该发电机转子绕组绝缘及绕组温度的运行状况,一旦发电机转子绕组绝缘发生接地并达到报警值或发电机转子绕组温度升高并达到报警值,立即发出报警信号,提醒值班人员注意,同时并将该发电机转子绕组绝缘电阻值,正滑环对地的电压值,负滑环对地的电压值及发电机转子绕组温度值等运行参数和故障状况通过 RS-485 总线等的通讯网络传送到安装在主控室内的 DCS 监视主机上。这样,运行人员就能够在主控室内方便地观察到几百米之外任意一发电机转子绕组绝缘及绕组温度的运行状况。如果任意一发电机转子绕组绝缘发生接地及绕组温度发生异常,运行人员在主控室内马上知道,可以快速排除故障,这对提高工作效率,保证发电机安全可靠地运行具有重要意义。随着单片机技术和电力电子技术的发展,高性能的单片机和高性能的电力电子器件层出不穷,为我们解决上述问题提供了方便,对于上面技术方案北方交通大学工程硕士专业学位论文 第一章3中所要求的元器件,很容易获得,且物美价廉。也就是说,按照以上方案开发出来的产品,其成本是比较低的,因此,其市场竞争力是比较强劲的。因此,本同步发电机转子在线监测仪的研制成功,必将大大改善现场工作人员的工作环境,其劳动效率,安全性都有进一步的提高,可以作为发电机的监测设备推广使用。1.3检测项目及其性能指标要求同步发电机转子在线监测仪要解决的问题之一为发电机转子绕组的绝缘电阻在线监测以及接地点的快速自动定位。按照电厂的要求,发电机转子绕组的绝缘电阻,在正常运行时应不小于0.5 兆欧。如果发现转子绕组的绝缘电阻小于 0.5 兆欧时,应立即采取措施,查明原因进行处理,防止事故的发生。因此,发电机转子在线监测仪在 0.5兆欧附近应能准确测量、显示、报警。同步发电机转子在线监测仪要解决的另一个主要问题为发电机转子绕组温度的在线监测。一般在入口空气温度为 40 时,发电机转子绕组规定的最高允许温度C0为 130 。因此,发电机转子在线监测仪在正常温度范围内应能准确测量、C0显示,在转子绕组温度超过 130 时应能准确测量、显示、报警。01.4 本论文主要研究的内容1. 探讨在线计算同步发电机转子绕组的绝缘电阻以及寻找故障定位方法。2. 探讨在线计算同步发电机转子绕组的温度方法。3. 自行设计微机型的同步发电机转子在线监测系统的硬件电路、软件编程以及系统调试。4. 现场实验考核,收集试验数据,改善性能,为产品定型准备条件。北方交通大学工程硕士专业学位论文 第二章4第二章 在线计算同步发电机转子绕组的绝缘电阻及接地故障点自动定位方法的研究2.1同步发电机的基本原理在近代火力、水力发电厂中的发电机几乎都是三相同步发电机。同步发电机在运行时由原动机驱动,它把机械能转换为电能。同步电机分成定子和转子两个基本组成部分。定子同三相异步电动机的定子没有什么区别,也是由机座、定子铁心和三相绕组等组成。这部分也常称为电枢。所谓电枢,就是电机中产生感应电动势的部分。同步电机的转子是磁极,其铁心上绕有励磁绕组,用直流励磁。因为转子在空间转动,所以励磁绕组的两端分别接在固定在转轴上的两只滑环上。环与环,环与转轴,都是互相绝缘的。在环上,用弹簧压着两个固定的电刷,直流励磁电流经此通入励磁绕组。同步电机的轴上装有这两只滑环,也是它的结构特点。如图 2.1 所示,当直流电经电刷、滑环通入转子绕组后,在磁极间就产生磁力线。磁力线从转子的 N 极经过定、转子间的空气隙和定子铁芯后,回到转子的 S 极,此时,若发电机的转子由原动机带动旋转,则转子磁场的磁力线就被定子绕组切割,定子绕组中就会感应出电势来。CBARc-LLQ FLQ轴电刷滑环SQ

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