CN100428604C - 发电机复合零序电压匝间保护的方法 - Google Patents

Abstract

发电机复合零序电压匝间保护的方法，复合零序电压的判据采用下式：u₂₀＝c₁*u₁₀+c₂*u_n0；其中c₁、c₂为复数常量，c₁*u₁₀+c₂*u_n0定义为复合零序电压，它与纵向零序电压u₂₀相等，即复合零序电压也反映发电机的匝间短路；且在有专用匝间保护TV2情况下能对复合零序电压的保护、在专用匝间TV2一次和二次绕组回路发生异常时，利用复合零序电压作为匝间保护；在设有专用匝间保护TV2和横差CT情况下亦能用复合零序电压的保护，对现场机端和中性点TV的极性及c₁、c₂进行确定，本发明利用复合零序电压元件代替负序元件来满足匝间保护的要求。

Description

发电机复合零序电压匝间保护的方法

一、技术领域

本发明涉及发电机匝间保护的方法，尤其是发电机复合零序电压匝间保护的方法。

二、背景技术

目前，发电机匝间短路的保护主要有三种，它们分别是专用CT的横差保护、专用PT的匝间保护和无CT，PT的负序方向保护。对于后两种的保护不免用到负序量作为判断条件，负序量由于算法原因本身具有无法克服的缺陷，即在暂态过渡过程计算不准，而且在系统运行频率偏离额定频率时，正序量也会计算出负序量。发电机的匝间短路保护是快速主保护之一，它要求较高的灵敏度和动作速度，所以匝间短路保护用到负序量不是太理想。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种发电机匝间短路保护的方法，尤其是用复合零序电压元件代替负序元件来满足匝间保护的要求。

本发明的技术解决方案是：

发电机所在运行系统是小电流接地系统，如图1所示是发电机具有三种TV的关系连接图。TV1是发电机机端通用PT，它的二次零序电压设为u₁₀。TV2是专用匝间PT，它的二次零序电压设为u₂₀。TVn是中性点单相PT二次零序电压设为u_n0，这是用复合零序电压量作为匝间短路判据的理论依据。为了判据实现，以下分析数据采集通道的干扰和误差对零序和负序量的影响。

发电机复合零序电压匝间保护的方法，复合零序电压的判断用下式：

u₂₀＝c₁*u₁₀+c₂*u_n0(1)

其中c₁、c₂为复数常量，c₁*u₁₀+c₂*u_n0定义为复合零序电压，它与纵向零序电压u₂₀相等，即复合零序电压也反映发电机的匝间短路；

在有专用匝间保护电压互感器TV2情况下复合零序电压的保护方法是：

第一步利用c₁*u₁₀+c₂*u_n0作为一次断线闭锁条件，判据设计：

3U₂₀＞U_set且|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＜k*U_set

c₁、c₂分别是模值0～5之间，角度是0度～360度之间的某个复数；k为0～1之间某一个常数；U_set是匝间保护定值；

第二步利用c₁*u₁₀+c₂*u_n0和机端电压互感器TV1负序电压作为一次断线闭锁条件，判据设计：

3U₂₀＞U_set且U₁₂＜k1*U_set和U₂₂＞k2*U_set，或|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＜k*U_set

k1、k2分别为0～1之间的某个常数，U₁₂为机端电压互感器TV1负序电压，U₂₂为专用匝间保护电压互感器TV2的负序电压；

第三步利用|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|和机端电压互感器TV1、专用匝间保护电压互感器TV2的线电压作为一次断线闭锁条件，判据设计：

3U₂₀＞U_set且|U_1xy-U_2xy|＞k3*U_set或|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＜k*U_set

x，y为a、b、c三相中的任意两相，k3为0～7之间的某个常数。

第四步在专用匝间保护电压互感器TV2的一次和二次绕组回路发生异常时，在异常处理期间机组运行情况下，利用复合零序电压作为匝间保护，判据设计：

|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＞U_set且加区外故障制动判据作为匝间保护的报警或跳闸判据。

在专用匝间保护电压互感器TV2的一次和二次绕组回路发生异常时，利用复合零序电压作为匝间保护的辅助判据：

第一步3U₂₀＜U_set并且|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＞k*U_set

第二步在电压互感器正确接线情况下三次谐波电压满足关系方程

$U_{32}=\sqrt{U_{31}^2+{(K*U_{3n})}^2-2*K*U_{3n}*U_{31}*\cos \mathrm{\α}}$

其中U₃₂是匝间保护电压互感器(TV2)的三次谐波电压，U₃₁机端三次谐波电压，U_3n中性点三次谐波电压，K是电压互感器的相关系数，由机端和中性点电压互感器变比确定，α是机端与中性点的三次谐波电压夹角；如果不满足该关系那么为回路异常。

设有专用匝间保护电压互感器TV2和横差电流互感器CT情况下复合零序电压的应用是：

第一步利用机端两种一次中性点接地的电压互感器分别组成两个复合零序电压|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|、|c₁*u₂₀+c₂*u_n0|，将其中的大者大于U_set，而小者小于k4*U_set作为一次断线闭锁判据，将复合零序电压小者且加区外故障制动判据作为匝间保护的报警或跳闸判据。k4是大于0小于或等于1之间的某一常数；

第二步利用机端两种一次中性点接地的电压互感器分别组成两个复合零序电压|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|、|c₁*u₂₀+c₂*u_n0|和三个线电压差值|U_1xy-U_2xy|，将其中复合零序电压的大者大于U_set，而线电压差值|U_1xy-U_2xy|大者大于k5*U_set作为一次断线闭锁判据，将复合零序电压小者且加区外故障制动判据作为匝间保护的报警或跳闸判据。k5是0～7之间的某个常数，x，y为a、b、c三相中的任意两相；

第三步利用机端两种一次中性点接地的电压互感器分别组成两个复合零序电压|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|、|c₁*u₂₀+c₂*u_n0|和两个负序电压U₁₂、U₂₂将其中复合零序电压的大者大于U_set，且其负序电压大于k6*U_set而复合零序电压小者所对应的负序电压小于k7*U_set作为一次断线闭锁判据，将复合零序电压小者且加区外故障制动判据作为匝间保护的报警或跳闸判据；k6、k7分别是0～1之间的某个常数。

二次误差分析

由于现代电机制造工艺的提高，发电机正常运行时三相定子绕组的结构及电气参数是对称的，误差很小，负序量及零序量应当是接近零，但是TV二次部分测量的量却不是零，而且表现较大的差异，这是由四方面因素决定的：

(1)电磁干扰对二次电缆的影响。

现场的电磁干扰是很大的，特别是一次系统发生故障时干扰是更大的，此时干扰和故障特征的整个动态过程掺和一起，对保护装置的硬件及软件是个重大的考验，虽然经过二次电缆的屏蔽接地使干扰电压大大减小，但是对保护装置影响却不容忽视。电力系统电气量是以工频量占主导地位，产生的干扰是工频共模干扰。对于复合零序电压是由TV1与TVn的开口零序电压线性运算组成的，这种干扰电压有相互抵消的趋势。

(2)发变组系统对地等效阻抗对测量的影响

当发电机机端对地的三相等值阻抗z_1a、z_1b、z_1c不相等时，即便发电机三相电压对称也会产生机端和中性点零序电压，即二次测量电压发生中性点漂移，它的大小由z_1a、z_1b、z_1c不对称程度决定，不论由z_1a、z_1b、z_1c产生多大的零序电压，由(1)式可知复合零序电压仍然是零，不受影响。

(3)TV2一次保险熔断对TV1的影响。

匝间保护所用TV2发生一次断线时，需要闭锁匝间保护。对于发生的快速熔断，一般特征量比较明显容易满足闭锁条件，但是对于慢速熔断闭锁判据考虑不慎会闭锁不了而误跳闸。

TV2一次保险熔断影响TV1的方式之一：现场有的机组将TV1与TV2绕组布置在同一间隔，它们之间没有屏蔽隔离。当TV2的一次保险快速熔断时，TV1励磁绕组在TV2相邻间隔位置，很容易受到电磁干扰。另一种方式是如果TV1，TV2二次电缆放在同一根电缆中，任一组TV一次保险熔断，通过电磁耦合，必然在另一组出现负序和零序。

采用复合零序电压作为TV2一次断线的闭锁判据，则不受上述情况影响，因此，TV2一次断线时可靠闭锁匝间保护。

(4)TV漏抗与二次采样通道的的影响

TV二次负载也影响测量误差，TV将一次电压传变二次侧，绕组的漏抗影响线性传变，漏抗的存在使TV对称的三相电压在二次可能出现负序及零序误差。机端TV的绕组一般都有三侧绕组，第二绕组用于正序负序电压的测量，第三绕组用于外接零序的测量，系统正常运行时，第三绕组零序电压几乎为零，这种工况下，第三绕组漏抗为零，也就不会引起该侧绕组漏抗误差。第二绕组有额定的三相电压，相应二次漏抗亦存在，第二绕组负载越大误差越大。所以利用第三绕组的复合零序电压误差小于利用第二绕组的负序量。

保护装置采样通道包括二次小PT，电阻电容等参数组成的滤波回路和AD元件，正常运行时A、B、C三相电压工作在额定电压，每一相的PT的励磁特性不好及通道的参数变化必然影响通道负序分量，而外接零序通道正常运行时，电压几乎为零，所以受影响较小。

从以上分析可知，复合零序电压量在干扰、TV负载、二次回路上引起的误差小于利用第二绕组的负序量，具有明显的优势。

四、附图说明

图1为发电机TV关系图

五、具体实施方式

实测及试验数据

如表1所示为运行机组实时数据值，从表1可以看出，对于TV1、TV2外接零序小于自产零序。TV2外接零序电压等同于发电机纵向零序电压，因为TV2中性点与发电机中性点相连不对称负载不影响零序量，所以都很小。复合零序电压c₁*u₁₀+c₂*u_n0很小。TV1外接零序小于自产零序电压，所以在间接反应发电机纵向零序u₂₀＝c₁*u₁₀+c₂*u_n0，用外接比自产误差小。

表1现场运行机组三组TV电压值比较

	TV1负序	TV1自产零序	TV1外接零序	TVn零序	复合零序电压	TV2外接零序	TV2负序
								沙角A电厂/V	0.22	0.33	0.26	0.27	0.02	0.03	0.08
珠江电厂1号机/V	0.07	0.22	0.08	0.03	0.04	0.01	0.07
								珠江电厂2号机/V	0.1	0.32	0.25	0.27	0.03	0.02	1.1
三门峡电厂1号机/V	0.03	1.42	0.71	0.69	0.04	0.04	0.05
								华盛电厂/V	0.04	0.21	0.08	0.08	0.02	0.03	0.02

表2是动模试验数据。短路位置定义是距中性点百分数表示：A3、B3为A、B相10％，B1是B相2.5％，A2是A相5％，B4是B相20％，A21是A相二分支5％。误差％是匝间短路时以纵向零序电压TV2的测量值为基准的，复合零序电压的误差百分数。最大误差是5.1％，对于匝间短路几伏纵向零序电压数量级误差并不大。

表2.动模试验数据

匝间短路位置	TV1零序(V)	TVn零序(V)	复合零序(V)	TV2零序(V)	误差％
						A3A21	3.37	2.59	1.81	1.90	5.1
B1B3	3.61	1.32	2.98	3.11	4.3
						A2A3	3.52	1.26	2.26	2.37	4.5
B3B4	3.84	1.53	3.59	3.74	3.8

复合零序电压在微机保护的应用

一、在有专用匝间保护TV2情况下复合零序电压的应用

应用1可以利用c₁*u₁₀+c₂*u_n0作为一次断线闭锁条件，判据设计：

3U₂₀＞U_set且|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＜k*U_set

c₁、c₂分别是模值0～5，角度是0度～360度的复数。k为0～1-个常数。U_set是匝间保护定值

应用2可以利用c₁*u₁₀+c₂*u_n0和机端TV1负序电压作为一次断线闭锁条件，判据设计：

3U₂₀＞U_set且U₁₂＜k1*U_set和U₂₂＞k2*U_set，或|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＜k*U_set

k1、k2分别为0～1一常数，U₁₂为机端TV1负序电压，U₂₂为专用匝间TV2负序电压。

应用3可以利用|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|和机端TV1、专用匝间TV2的线电压作为一次断线闭锁条件，判据设计：

3U₂₀＞U_set且|U_1xy-U_2xy|＞k3*U_set或|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＜k*U_set

x，y为a、b、c为三相电压，k3为0～7常数。

应用4在专用匝间TV2一次和二次绕组回路发生异常时，在异常处理期间机组运行情况下，可以利用复合零序电压作为匝间保护，判据设计：

|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＞U_set且加区外故障制动判据作为匝间保护的报警或跳闸判据。

辅助判据：为了监视机端TV1与中性点TVn的接线正确，可以设计满足以下条件时匝间回路异常报警

a    3U₂₀＜U_set &|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＞k*U_set

b  在TV正确接线情况下三次谐波电压满足关系方程

$U_{32}=\sqrt{U_{31}^2+{(K*U_{3n})}^2-2*K*U_{3n}*U_{31}*\mathrm{COS\α}}$

其中U₃₂是TV2的三次谐波电压，U₃₁机端三次谐波电压，U_3n中性点三次谐波电压，K是TV的相关系数，它的值由机端和中性点的TV变比确定，α是机端与中性点的三次谐波电压夹角。如果不满足该关系为回路异常。

二在没有专用匝间保护TV2和横差CT情况下复合零序电压的应用

应用1利用机端两种通用TV分别组成两个复合零序电压|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|、|c₁*u₂₀+c₂*u_n0|，将其中的大者大于U_set，而小者小于k4*U_set作为一次断线闭锁判据，将复合零序电压小者且加区外故障制动判据作为匝间保护的报警或跳闸判据。k4是0～1常数。

应用2利用机端两种通用TV分别组成两个复合零序电压|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|、|c₁*u₂₀+c₂*u_n0|和三个线电压差值|U_1xy-U_2xy|，将其中复合零序电压的大者大于U_set，而线电压差值|U_1xy-U_2xy|大者大于k5*U_set作为一次断线闭锁判据，将复合零序电压小者且加区外故障制动判据作为匝间保护的报警或跳闸判据。K5是0～7常数，x，y为a、b、c表示三相电压。

应用3利用机端两种通用TV分别组成两个复合零序电压|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|、|c₁*u₂₀+c₂*u_n0|和两个负序电压U₁₂、U₂₂将其中复合零序电压的大者大于U_set，且其负序电压大于k6*U_set而复合零序电压小者所对应的负序电压小于k7*U_set作为一次断线闭锁判据，将复合零序电压小者且加区外故障制动判据作为匝间保护的报警或跳闸判据。K6，K7分别是0～1常数。

三.现场机端和中性点TV的极性及c₁、c₂的确定

极性确定：起机空载试验时机端与中性点三次谐波零序电压相角就可以确定极性，如果是150度～210度是正确的极性，如果是-30度～30度反极性接线。

c₁、c₂确定：

在现场有条件情况下，起机进行空载试验时，机端某一相经高阻接地，励磁电压从零慢慢升起，机端与中性点二次基波零序电压从0V到5V测出多组电压相量来确定相关c₁、c₂系数曲线，通过该曲线，保护程序可以通过插值法，根据中性点基波电压的大小计算出对应的系数，从而比较准确计算出复合零序电压。

结论：

通过理论分析、现场实际运行机组数据分析以及动模试验，说明了复合零序电压作为匝间保护新判据，可以反应发电机内部匝间故障；复合零序电压判据作为纵向零序电压判据的辅助判据，可以可靠闭锁TV2一次断线引起的匝间保护的误动。通过分析表明，复合零序电压判据性能上优于采用负序量的匝间保护。

Claims (3)

1、发电机复合零序电压匝间保护的方法，其特征是复合零序电压的判据采用下式：

u₂₀＝c₁*u₁₀+c₂*u_n0

其中c₁、c₂为复数常量，c₁*u₁₀+c₂*u_n0定义为复合零序电压，它与纵向零序电压u₂₀相等，即复合零序电压也反映发电机的匝间短路；

且在有专用匝间保护电压互感器(TV2)情况下复合零序电压的保护的方法是：

第一步：利用c₁*u₁₀+c₂*u_n0作为一次断线闭锁条件，判据设计：

3U₂₀＞U_set且|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＜k*U_set

c₁、c₂分别是模值0～5之间，角度是0度～360度的复数；k为0～1之间某一个常数；U_set是匝间保护定值；

第二步：利用c₁*u₁₀+c₂*u_n0和机端电压互感器(TV1)负序电压作为一次断线闭锁条件，判据设计：

3U₂₀＞U_set且U₁₂＜k1*U_set和U₂₂＞k2*U_set，或|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＜k*U_set

k1、k2分别为0～1之间的某个常数，U₁₂为机端电压互感器(TV1)负序电压，U₂₂为专用匝间保护电压互感器(TV2)的负序电压；

第三步：利用|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|和机端电压互感器(TV1)、专用匝间保护电压互感器(TV2)的线电压作为一次断线闭锁条件，判据设计：

3U₂₀＞U_set且|U_1xy-U_2xy|＞k3*U_set或|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＜k*U_set

x、y为a、b、c三相电压中的任意两相，k3为0～7之间的某个常数；

第四步：在专用匝间保护电压互感器(TV2)的一次和二次绕组回路发生异常时，在异常处理期间机组运行情况下，利用复合零序电压作为匝间保护，判据设计：|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＞U_set且加区外故障制动判据作为匝间保护的报警或跳闸判据。

2、由权利要求1所述的发电机复合零序电压匝间保护的方法，其特征是在专用匝间保护电压互感器(TV2)的一次和二次绕组回路发生异常时，利用复合零序电压作为匝间保护的辅助判据：

第一步3U₂₀＜U_set并且|c₁*u₁₀+c₂*u_n0|＞k*U_set

第二步在电压互感器正确接线情况下三次谐波电压满足关系方程

$U_{32}=\sqrt{U_{31}^2+{(K*U_{3n})}^2-2*K*U_{3n}*U_{31}*\cos \mathrm{\α}}$

其中U₃₂是专用匝间保护电压互感器(TV2)的三次谐波电压，U₃₁是机端三次谐波电压，U_3n是中性点三次谐波电压，K是电压互感器的相关系数，由机端和中性点电压互感器变比确定，α是机端与中性点的三次谐波电压夹角；如果不满足该关系则为回路异常。

3、由权利要求1所述的发电机复合零序电压匝间保护的方法，其特征是现场机端和中性点电压互感器的极性确定的方法是：

起机空载试验时机端与中性点三次谐波零序电压相角确定极性，如果相角是150度～210度则是正确的极性，如果是-30度～30度之间某一值则是反极性接线；

c₁、c₂的确定方法是：

在现场有条件情况下，起机进行空载试验时，机端某一相经高阻接地，励磁电压从零慢慢升起，机端与中性点二次基波零序电压从0V到5V测出多组电压相量来确定相关c₁、c₂系数曲线，通过该曲线，保护程序通过插值法，根据中性点基波电压的大小计算出对应的系数，从而计算出复合零序电压。

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