CN100431231C - 故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法 - Google Patents

Abstract

一种故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法，属于电气技术领域。方法如下：采用半正交小波作为启动工具；采集发电机机端和中性点侧的零序电压分量作为参考电量，电压互感器接线形式采用标准接线；以零序电压，包括基波零序电压和三次谐波零序电压，经小波分析后的模极大值的判别作为启动判据；根据机端和中性点侧的三次谐波电压增量的相角比差是否满足要求判别发电机是否发生定子内部单相接地故障。本发明能可靠识别出100%范围内的发电机定子接地故障。计算结果和动模实验还表明，在各种运行方式下均能取得很高的保护灵敏度和可靠性。

Description

故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种发电机定子单相接地保护方法，特别是一种高灵敏度故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法，属于电气技术领域。

背景技术

目前大多数大中型发电机组均采用中性点不接地或中性点经高阻抗接地方式(如中性点经配电变压器副方接电阻接地或中性点经消弧线圈接地等)，这种情况下的发电机定子绕组发生接地故障时，接地故障电流和电压将主要取决于发电机定子绕组对地电容的大小和分布，绕组结构和连接方式，以及与接地点有关的绕组的重新分配。发电机定子单相接地往往是相间或匝间短路的先兆，因此定子接地保护有十分重要的意义。

经文献检索发现，苏洪波等人在《电网技术》1996年9期上发表了“微机自适应式发电机定子接地保护”。该文提出：在保护原理的应用上，由发电机三次谐波和基波零序电压构成的100％定子接地保护方案在国内外已获得广泛应用，基波零序电压保护可以实现定子绕组85％～95％的保护。它与三次谐波电压型接地保护一起使用，可以共同实现100％定子绕组的接地保护。早期的三次谐波零序电压的保护方案多采用单侧量构成保护判据，由于三次谐波电势受工况影响较大且发电机都各自有自身规律，仅利用单侧电量构成的保护判据灵敏度较低且保护范围小。人们转而研究利用双侧电量构成保护判据，即以中性点和机端两侧的三次谐波电压量的组合作为动作量构成保护判据，如自适应式定子接地保护方案，以期减小发电机运行工况变化对保护的影响，从而提高保护灵敏度。但这种判据在机组容量进一步增大时，随机组对地分布电容增大而引起保护动作灵敏度不足，对于水轮发电机组尤为突出。随着对地电容的增大，灵敏度还将相应降低。此外，这些方案的灵敏度受发电机接地方式的影响也很大，使得现场保护方案的选择更加复杂化。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法，使其具有高可靠性，能正确识别发电机定子接地故障，并能对发电机定子单相接地故障取得高灵敏度，解决背景技术中存在的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法如下：

(1)采用半正交小波作为启动工具；

(2)采集发电机机端和中性点侧的零序电压分量作为参考电量，电压互感器接线形式采用标准接线；

(3)以零序电压(包括基波零序电压和三次谐波零序电压)经小波分析后的模极大值的判别作为启动判据；

(4)根据机端和中性点侧的三次谐波电压增量的相角比差是否满足要求判别发电机是否发生定子内部单相接地故障。

以下对本发明方法作进一步的限定，具体包含如下内容：

(1)定子接地保护用电量的采集

本发明所需的电量包括机端和中性点侧零序电压(包括基波零序电压和三次谐波零序电压)。两套零序电压互感器分别接在发电机中性点和发电机机端两侧以测量保护用零序电压。由于零序电压比较小，因此对测试仪器的精度要求比较高，至少采用14位的采集板，采集频率至少64次/周波。

(2)启动元件的选取

主判据采用零序电压(包括基波零序电压和三次谐波零序电压)的小波变换启动，这样零序电压的大小对启动基本上没有影响。发电机内部发生定子单相接地故障时，机端和中性点两侧的零序电压将发生变化，但主要表现为它们电压增量的相等，包括幅值与相位的相等。即使是经高电阻接地，其幅值和相角也将有轻微变化。由于小波变换每一尺度的局部模极大值浓缩了该尺度的主要信息，故由发电机两侧相等的故障分量引起的突变信息将主要通过模极大值来体现。因此机端和中性点两侧零序电压经小波变换后，在小波变换1、2尺度的波形上，其相同时段的小波变换模极大值的符号(极性)、位置和个数相同，及故障电压的小波变换模极大值是等同出现的。这是由于这些极大值对应于故障电压的突变点。本发明利用机端、中性点测量电压经小波变换后的模极大值特性有效启动发电机内部是否定子单相接地故障，即同一尺度上同一位置两侧零序电压的模极大值同号则启动接地故障判别。

判据采用与机端、中性点两侧零序电压(基波零序电压和三次谐波电压)经小波变换模极大值极性相与的方式。方法如下：

(1)选取第2尺度的小波变换值作为提取特征，由于小波变换固有的滤波特性，能保证较高的抗干扰性能，并能较好地去除正常数据的影响，以确保识别的可靠性。

(2)以W_s.k(s＝1，2...，k＝1，2...)表示第s尺度的各局部模极大值，k表示模极大值点。例如W_1.1～W_1.3分别表示第1尺度上的模极大值点1～3。则各尺度上局部模极大值同号的识别方法可采用以下规则：

如果W_n.k-1＜W_n.k∩W_n.k+1＜W_n.k∩W_n.k＞0则W_n.k是正极大值，

如果W_n.k-1＞W_n.k∩W_n.k+1＞W_n.k∩W_n.k＜0则W_n.k是负极大值，

如果：W_n.k.ut＞0∩W_n.k.un＞0∩W_n.k.i则正同号，W_n.k.ut＜0∩W_n.k.un＜0∩W_n.k.i＜0则负同号

其中，W_n.k.ut为机端测量电压小波变换的局部极大值，W_n.k.un为中性点测量电压小波变换的局部极大值。当连续超过n(n≥3)次同号时，即启动接地故障判别。

(3)发电机定子单相接地故障的判别

理论上，发电机正常运行情况下，机端和中性点3次谐波电压夹角与发电机3次谐波电势无关，只与发电机对地固有参数有关。此特性是选择相角量的依据。现场实测结果也表明，当改变有功或无功时，中性点和机端3次谐波电压夹角的缓慢变化基本上趋近于零，因此两者夹角的变化很小，其相角差接近于反向(＞100°)。而当发生单相接地故障时，机端和中性点侧的三次谐波电压增量的相角相等。因此提出相角比差判据，该判据只判别电压故障分量的相角，与它们稳态时的夹角无关，所以适用于各种情况下的发电机。判据表达式为：

$|(\arg \left(U_{3s}\left(t\right)\right)-\arg \left(U_{3s}(t-t_c)\right))-(\arg \left(U_{3n}\left(t\right)\right)-\arg \left(U_{3n}(t-t_c)\right))|\≤\mathrm{\ϵ}$

其中t＝kn，即采样时刻，t_c为计算间隔，取两个或三个工频周期。ε为相角差定值，可取5～10°之间。为防止短时干扰影响，扰动发生后，运用判据式重复判3次或者3次以上，再发命令。

一般说来，

的比值，随接地点的不同呈不同变化。与正常运行时的

值相比，当故障点位于发电机绕组中部附近时，

值的变化量要小于故障点位于中性点和机端附近的变化量，因此双频式定子接地保护在绕组中部接地放障时灵敏度较低。本发明的动作量由故障后的三次谐波零序电压中减去负荷分量得到，并以此构成故障分量相角比差保护，保护灵敏度只与装置精度有关。此外，基于故障分量三次谐波电压相角比差原理的保护方案与其他判据不一样，其灵敏度与发电机中性点接地方式无关，常规方案灵敏度受接地方式的影响很大，本发明由于去除了负荷分量的影响，适用于任何接地方式的发电机保护。研究表明，故障发生后，中性点及机端三次谐波电压增量的幅值与相位都相等，而由于运行方式的变化及其它因素导致的两侧三次谐波电压的变化只是使它们增量的比值呈一定的恒等关系，并且它们的相角差接近180°(＞100°)，不可能满足判据式。因此，故障分量原理的保护方案能取得很高的可靠性，只要能取出保证计算精度的故障分量，保护的精度也能得到相应提高。

本发明不受系统运行方式的影响，系统运行方式变化时，机端和中性点侧三次谐波电压经小波变换后主要表现为连续而平缓的波形。另一方面，绝缘正常时，即使由于系统剧烈振荡或其它原因(如强励等)引起机端和中性点侧三次谐波电压产生突变，在同一尺度上两电压的小波变换模极大值将呈异号。两侧电压虽然在相同时段的局部模极大值位置和个数相同，但其符号相反，因此将不会误启动。由于此时三次谐波电压增量的相角比差与正常发电机三次谐波电压相角比差相等，因此保护判据也不会误动。

本发明综合利用基波零序和三次谐波电压合成量的突变奇异性，具有很高的启动灵敏度，利用故障分量三次谐波电压的相角差比，具有很高的保护灵敏度。在三峡一台700MW发电机中性点经12kΩ电阻的计算中表明，故障前后的零序电压几乎没有变化。以往的保护方案无法检测到该接地故障，但本发明能可靠检测出这种轻微接地故障。

本发明具有实质性特点和显著进步，由于原理上的缺陷及受装置水平的影响，传统的发电机定子接地保护方案灵敏度较低，很难满足大型发电机组对接地保护的灵敏度要求。本发明提出的新型发电机定子接地保护方案，能可靠识别出100％范围内的发电机定子接地故障。计算结果和动模实验还表明，在各种运行方式下均能取得很高的保护灵敏度和可靠性，是一种较佳的定子接地保护方案。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下实施例：

本发明方法在一台15kVA的凸极模拟发电机作了实验验证。该机每相有两个并联分支，每支路串联10个线圈，机端附近5个线圈为每线圈4匝，中性点附近5个线圈为2匝。在A1支路上设有3个故障点a1(α＝40％)，a3(α＝70％)，a5(α＝90％)，在A2支路上有设有3个故障点a2，a4，a6，电气位置呈对称分布。短路前，电机为额定运行，励磁电流1.55A，输出功率12kW，功率因数0.8，额定相电压幅值115V，经升压变后为800V，接于220kV模拟线路，模拟700MW大型水轮发电机。整个实验过程进行了各种条件的大量计算和分析，实验采用中国电力科学研究院研制的DF1024便携式波形记录仪录取故障波形和数据，根据故障数据对各方案进行离线计算和验证。表1是各短路点的实验结果，这个结果表明，本发明在各种短路情况下的保护灵敏度不低于10kΩ，在发电机突然加强励磁、系统突然严重振荡情况下能够可靠不误动，在发电机外部短路时也能够可靠不误动。因此，本发明在各种运行方式下均能取得很高的保护灵敏度和可靠性，在系统运行方式剧烈变化时能可靠不误动，适用于各种类型发电机定子绕组内部接地故障的判别。

表1保护方案的动模实验结果

√：表示保护动作，×：表示保护不动作

Claims (5)

1、一种故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法，其特征在于，方法如下：

(1)采用半正交小波作为启动工具；

(2)采集发电机机端和中性点侧的零序电压分量作为参考电量，电压互感器接线形式采用标准接线；

(3)以零序电压，包括基波零序电压和三次谐波零序电压，经小波分析后的模极大值的判别作为启动判据；

(4)根据机端和中性点侧的三次谐波电压增量的相角比差是否满足要求判别发电机是否发生定子内部单相接地故障。

2、根据权利要求1所述的故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

(1)采集定子接地保护用的电量，

(2)选取启动元件，

(3)判别发电机定子单相接地故障。

3、根据权利要求2所述的故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法，其特征是，所述的定子接地保护用电量的采集，具体如下：

电量包括机端和中性点侧零序电压，中性点侧零序电压包括基波零序电压和三次谐波零序电压，两套零序电压互感器分别接在发电机中性点和发电机机端两侧测量保护用零序电压，测量仪器至少采用14位的采集板，采集频率至少64次/周波。

4、根据权利要求1所述的故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法，其特征是，所述的发电机定子单相接地故障的判别，内容如下：

当发生单相接地故障时，机端和中性点侧的三次谐波电压增量的相角相等，采用相角比差判据，该判据只判别电压故障分量的相角，适用于各种情况下的发电机，判据表达式为：

$\left|(\arg \left({\stackrel{\·}{U}}_{3s}\left(t\right)\right)-\arg \left({\stackrel{\·}{U}}_{3s}(t-t_c)\right)\right)-\left(\arg \right({\stackrel{\·}{U}}_{3n}\left(t\right))-\arg ({\stackrel{\·}{U}}_{3n}(t-t_c)\left)\right)|\≤\mathrm{\ϵ}$

其中t＝kn，即采样时刻，t_c为计算间隔，取两个或三个工频周期，ε为相角差定值，取5～10°之间。

5、根据权利要求4所述的故障分量相角比差式发电机定子单相接地保护方法，其特征是，扰动发生后，运用判据式重复判3次或者3次以上，再发命令。