CN100495055C - 检测发电机定子单相接地故障方向的方法 - Google Patents

Abstract

一种检测发电机定子单相接地故障方向的方法，属于继电保护领域。方法如下：采集发电机机端和中性点侧的零序电压、机端零序电流分量作为参考电量，电压互感器和电流互感器接线形式采用标准接线；根据发电机机端和中性点侧的故障分量三次谐波电压的相角相同并同时小于某一定值来判别距中性点50%范围内发电机定子是否发生内部单相接地故障；根据发电机机端零序电压和机端零序电流分量的相角关系来判别距中性点50%-100%范围以内的发电机定子是否发生内部单相接地故障。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。

Description

检测发电机定子单相接地故障方向的方法

技术领域

本发明涉及的是一种电机接地保护技术领域的方法，具体是一种检测发电机定子单相接地故障方向的方法。

背景技术

由于单机容量大，大型发电机组的地位变得非常重要，它的安全运行直接影响到电网的稳定性，同时，大型发电机组由于造价昂贵，结构复杂，一旦遭受损坏，需要的检修期长，给国民经济造成的直接和间接经济损失巨大。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。

经对现有技术的文献检索发现，黄少锋等人在《电网技术》2000年12期，上发表的“基于三次谐波相角突变原理的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，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；同时，对扩大单元接线的发电机，这些方案都不具备选择性，不能区分接地故障位于机内或机外。外加电量式定子接地保护具有灵敏度高，能正确反映绕组绝缘下降的优点。但由于价格昂贵，该方案的实际应用不如零序电压方案普遍，并且同样存在无选择性的缺点。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种检测发电机定子单相接地故障方向的方法，使相应的保护具有选择性能，能正确识别发电机内外部故障，并能对发电机定子单相接地保护取得高灵敏度。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤：

(1)定子接地保护用电量的采集：采集发电机机端和中性点侧的三次谐波电压，机端零序电压、机端零序电流分量作为参考电量；

本发明所需的电量包括机端和中性点侧零序电压以及机端零序电流，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电压。为了实现保护方案的选择性能，零序电流互感器接在发电机机端侧以测量机端机端零序电流。电压互感器和电流互感器接线形式采用标准接线。

(2)发电机定子单相接地故障方向的判别，包括：

①根据发电机机端和中性点侧的故障分量三次谐波电压的相角相同并同时小于某一定值来判别距中性点约50％范围内发电机定子是否发生内部单相接地故障；

②根据发电机机端零序电压和机端零序电流分量的相角关系来判别距中性点50％-100％范围以内(即距机端50％范围内)的发电机定子是否发生内部单相接地故障。

发电机三次谐波电压是按匝沿绕组纵向分布，因此正常运行发电机的中性点处三次谐波电压相角为负，机端三次谐波电压的相角为正，并且它们的相角差接近180⁰。即使改变有功或无功功率，其相角差变化也极小，可近似视为0。定义短路匝比α为由中性点到短路点的串联匝数与一相串联匝数的比。则对正常运行的发电机来说，虽然各分支绕组的三次谐波电压值随三次谐波匝电动势的分布有可能不尽相同，但其相角却都表现为相同的变化规律。即在中性点侧三次谐波电压相角为最大负值，随着α的递增，其相角逐渐增大，在距绕组中部某处相角值为零，到发电机机端相角达到最大正值。

发电机发生定子单相接地故障后，机端和中性点侧的三次谐波电压增量是近似相等的，包括幅值与相位的相等。当发电机外部发生金属性的单相接地故障时，三次谐波电压增量相角将接近于故障前发电机机端的三次谐波电压相角值。随着过渡电阻值的增大，其相角值虽然有些变化，但将一直保持为正角度。发电机内部发生定子单相接地故障时，故障分量三次谐波电压的相角一定小于正常运行时的机端三次谐波电压的相角。随着α的递减，相角逐渐减小，到绕组中部某处，其值为零。故障越接近于中性点，相角值越小，到发电机中性点处时，故障分量三次谐波电压相角值将达到负的最大值。

上述方法对定子绕组50％以上范围内的单相接地不能反映方向，因此在50％以上范围单相接地仍存在无选择性问题，即不能很好地区分单相接地是在50％以上的定子绕组内部还是在发电机定子绕组外部。为了取得机端附近定子接地保护方案的选择性，需要引入基波零序电流和基波零序电压的相位比较。由于保护范围主要是50％以上的定子绕组，因此零序故障电压和电流均相对较大。当发电机发生定子接地故障时，零序电流自线路经电流互感器CT流向发电机。当发生外部接地短路故障，零序电流自发电机经电流互感器CT流向线路。由于产生零序电流的零序电压在发电机绕组中基本相同，因此可以采用零序电压和零序电流相位的关系来识别故障方向。规定由发电机流向外部的电流方向为正，则当故障在发电机内部时，零序电流与零序电压的相位差只受机端设备每相对地电容和发电机电容的影响，即零序电压约超前于零序电流90⁰。如果考虑系统参数的影响，则一般为70⁰～90⁰之间。当单相接地故障在发电机外部时，其相位差将与发电机电容和中性点接地电阻有关，由于容抗值远远小于中性点接地阻抗值，因此可以忽略。对中性点以配电变压器副方接电阻方式接地的发电机，中性点接地阻抗的阻抗角约为10⁰～30⁰左右。考虑电流是由线路流向发电机内部，则有电流超前电压150⁰～170⁰左右。

由于三次谐波电压保护主要识别靠近中性点50％范围以内的单相接地故障，因此可以有方向元件如下：

$\arg ({\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{3s}\left(t\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{3s}(t-t_c))<\mathrm{\&epsiv;}\&cap;\arg ({\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{3n}\left(t\right)-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{3n}(t-t_c))<\mathrm{\&epsiv;}$

分别是发电机中型点和机端的三次谐波电压，其中t＝kn，即采样时刻，t_c为计算间隔，一般取两个或三个工频周期。ε为相角差定值，可取5～10⁰。

对基波零序电压值，无论故障位于何处，相位差均与过渡电阻R无关。因此，对距中性点50％-100％范围以内的接地故障，有方向元件如下：

其中：

为基波零序电压和零序电流值，ε为相角差定值，可取5～10⁰。

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主要表现为连续而平缓的波形。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(约180⁰)。因为不管系统运行方式怎样变化，定子绕组的感抗和电阻远远小于它的容抗这一事实是不会改变的。这一结论同样适用于汽轮发电机。因此本发明将不会误判。

本发明克服了传统的发电机定子接地保护方法没有方向识别功能，很难满足大型发电机组对接地保护的灵敏度要求。本发明提出的方法利用机端、中性点两侧的零序电压和电流进行分析，能对发电机定子接地故障提供可靠的方向识别功能。计算结果和动模实验还表明，本发明在各种运行方式下均能取得很高的灵敏度和可靠性，在各种短路情况下的保护灵敏度不低于10kΩ。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例在一台15kVA的凸极模拟发电机进行，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，模拟三峡700MW大型水轮发电机。实施例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和外部故障情况下能可靠不误动，具有较强的选择性，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 (1)

1、一种检测发电机定子单相接地故障方向的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)定子接地保护用电量的采集：采集发电机机端和中性点侧的三次谐波电压，机端零序电压、机端零序电流分量作为参考电量；

(2)发电机定子单相接地故障方向的判别，包括：

①根据发电机机端和中性点侧的故障分量三次谐波电压的相角相同并同时小于某一定值，来判别距中性点50％范围内发电机定子是否发生内部单相接地故障；

②根据发电机机端零序电压和机端零序电流分量的相角关系来判别距中性点50％-100％范围以内的发电机定子是否发生内部单相接地故障；

所述①中，对距中性点50％范围以内的接地故障，方向元件为：

$\arg ({\stackrel{.}{U}}_{3s}\left(t\right)-{\stackrel{.}{U}}_{3s}(t-t_c))<\mathrm{\&epsiv;}\&cap;\arg ({\stackrel{.}{U}}_{3n}\left(t\right)-{\stackrel{.}{U}}_{3n}(t-t_c))<\mathrm{\&epsiv;}$

其中：U_3s(t)、分别是发电机中性点和机端的三次谐波电压，t为采样时刻，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°；

所述②中，对距中性点50％-100％范围以内的接地故障，方向元件为：

其中：

为基波零序电压和零序电流值，ε为相角差定值，取5～10°。