CN101414744B - 一种双频注入式发电机定子接地保护方法 - Google Patents

Abstract

一种双频注入式发电机定子接地保护方法，属于电力系统主设备继电保护技术领域。首先检测发电机运行频率，当发电机运行频率大于10Hz且小于40Hz时，注入电源频率取100Hz，当发电机的运行频率不大于10Hz或不小于40Hz时，注入电源频率取20Hz。根据注入频率，由切换开关选取相应的100Hz带通滤波器或20Hz带通滤波器，使注入信号经滤波器由配电变压器二次侧绕组注入发电机中性点。由二次侧电压和电流的注入频率信号分量计算发电机接地故障电阻。本发明采用双频注入，消除发电机本体信号的影响和保护运行死区，实现在发电机的启停机全过程定子接地保护，用于大型发电机组、抽水蓄能机组或燃气轮机组的定子接地保护。

Description

一种双频注入式发电机定子接地保护方法

技术领域

本发明属于电力系统主设备继电保护技术领域，尤其涉及一种双频注入式发电机定子接地保护方法。

背景技术

据统计，在每年全国100MW以上发电机发生的本体故障中，定子接地故障占相当大的比重。发电机定子接地故障往往是更为严重的相间短路或匝间短路故障发生的先兆，定子接地保护的可靠与灵敏动作可以大幅减少这些严重故障的发生几率。如果接地故障电流被限制在安全接地电流范围内，发电机定子铁心可免受损伤，由故障导致的直接和间接经济损失也将大大减少。对于100MW及以上的发电机组，不仅要求装设100％保护区的定子接地保护，还要求在定子绕组任意一点经接地故障电阻接地时，保护能灵敏动作，以防止接地故障的进一步扩大。因此，定子接地保护是发电机继电保护系统中的重要组成部分。

过去，发电机主要配置基波零序电压型和三次谐波电压型定子接地保护，但由于前者存在保护死区和后者存在可靠性差的不足。相比之下，注入式定子接地保护所用信号是外加的，具有可靠性高、灵敏度高且与故障位置无关等特点，在新建和将建的大型发电机保护中得到普遍采用，其中注入20Hz电源式定子接地保护因判据简单和调试 方便，应用更广泛。

目前新建和将建的大型发电机采用配电变压器二次侧接电阻的中性点接地方式，装设外加电源型定子单相接地保护逐渐增多。但目前注入20Hz电源式发电机定子接地保护，受发电机频率变化的影响，在发电机的启停机过程(特别是针对抽水蓄能机组、燃气轮机机组)中不能实现全程保护，即在10～40Hz期间要闭锁保护。另一种注入12.5Hz信号的定子接地保护也仅能在发电机静止和额定运行时实现保护功能。已有外加电源型发电机定子接地保护专利，如发电机定子接地保护方法(ZL00114451.0)、中性点经消弧线圈接地发电机定值接地保护方法(ZL03143978.0)，这些方法受发电机运行频率的影响，也不能在发电机的启停机全过程实现定子接地保护。

发明内容

本发明的目的在于为了提高保护灵敏度，消除运行死区，保障发电机安全稳定运行，消除发电机本体所产生信号的影响，实现外加电源定子接地保护对发电机的全工况运行保护，提供一种双频注入式发电机定子接地保护方法，其特征在于依次含有以下步骤：

步骤(1)检测发电机的运行频率，按以下方式确定20Hz/100Hz变频电源的输出注入信号频率：

当发电机的运行频率大于10Hz且小于40Hz时，注入信号频率取100Hz，

当发电机的运行频率不大于10Hz或不小于40Hz时，注入信号频率取20Hz；

步骤(2)根据变频电源输出的注入信号频率，为消除发电机运行频率信号的影响，通过切换开关选取相应的滤波器，使注入信号经所述滤波器由发电机中性点配电变压器二次侧绕组注入发电机中性点，所述滤波器的特性如下：

注入信号频率为100Hz时，滤波器为100Hz带通滤波器，

注入信号频率为20Hz时，滤波器为20Hz带通滤波器；

步骤(3)从并接在所述配电变压器二次侧绕组上的分压器上采集该配电变压器二次侧的电压u，同时从串接在所述配电变压器二次侧绕组上的电流互感器上采集该配电变压器二次侧的电流i，所述配电变压器二次侧的电压u和电流i的采样数据在一个双频注入式定子接地保护装置中分别依次经过低通滤波器、多路开关以及模数转换后，输入CPU中并保存；

步骤(4)计算周期为100ms，按照分压器的分压比计算出电压u中配电变压器二次侧注入频率信号电压分量 

按照电流互感器变比计算出所述电流i中配电变压器二次侧注入频率信号电流分量 

步骤(5)按下式计算所述配电变压器二次侧的定子绕组对地导纳Y：

$Y=\frac{\stackrel{\·}{I}}{\stackrel{\·}{U}}$

步骤(6)按下式计算折算到一次侧的定子绕组接地故障电阻R_g：

$R_g=k^2\frac{1}{\mathrm{Re}\left(Y\right)},$ 其中k为配电变压器变比，Re(Y)表示Y的实部；

步骤(7)所述CPU将步骤(6)中得到的接地故障电阻R_g值与存储的保护设定的接地故障电阻高整定值和接地故障电阻低整定值来进行比较：

当所述接地故障电阻R_g值高于保护设定的接地故障电阻高整定值时，显示无故障，

当所述接地故障电阻R_g值低于保护设定的接地故障电阻高整定值，高于保护设定的接地故障电阻低整定值时，发出告警信号，

当所述接地故障电阻R_g值低于保护设定的接地故障电阻低整定值时，发出跳闸命令，执行跳闸动作。

附图说明

本发明的有益效果是：解决了现有外加20Hz电源定子接地保护方法为了避免误动在发电机启停机过程中需要闭锁不能全程投入运行的问题；计算接地故障电阻值R_g不受发电机本体信号频率的影响；消除了保护运行死区，扩大了保护范围。

图1是本发明实施例的发电机部分接线示意图。

图2是本发明实施例的双频注入式定子接地保护装置工作原理框图。

图3是考虑配电变压器参数的双频注入式定子接地保护的T型等效电路。

图4是本发明实施例中双频注入式定子接地保护的主要流程图。

图5是本发明实施例中发电机启动运行在30Hz时，发电机定子经1000Ω电阻发生接地故障，双频注入式定子接地保护装置采集的配电变压器二次侧的电压u和电流i以及计算的接地故障电阻R_g，其中(a)为u(t)曲线，(b)为i(t)曲线，(c)为R_g(t)曲线。

具体实施方式

下面结合附图来说明一下本发明的原理和具体的实施方式。

本发明采用的装置如图1和图2所示。图1中G表示发电机，T表示主变压器，T_n表示发电机中性点配电变压器，R_n是发电机中性点经配电变压器高阻接地时的二次侧接地电阻，VD是二次侧分压器，CT是电流互感器。本实施例中20Hz/100Hz双频注入是在发电机中性点配电变压器T_n二次侧，20Hz/100Hz变频电源为双频注入电源，注入电源的输出注入信号经切换开关切换，由20Hz带通滤波器或100Hz带通滤波器经配电变压器T_n注入发电机G的中性点。20Hz带通滤波器在20Hz下的阻抗不大于6欧姆，在50Hz下的阻抗大于150欧姆，100Hz带通滤波器在100Hz下的阻抗不大于6欧姆，在50Hz下的阻抗大于150欧姆。双频注入式定子接地保护装置通过分压器VD和中间电流互感器CT采集配电变压器T_n二次侧的电压u和电流i。

图2是实施例中双频注入式定子接地保护装置的工作原理框图，配电变压器T_n二次侧的电压u和电流i分别经V/V交流电压变换器和I/V交流电流变换器转换成小电压信号，再经低通滤波器滤波。CPLD(复杂可编程序控制器)控制多路开关切换各路输入量以及16位A/D转换器进行模拟量和数字量的转换，各数字量输入CPU中完成定子接地保护计算，根据计算结果由CPLD控制开关量输出，由出口继电器中的相应继电器执行发告警信号或跳闸，同时给出故障信息。其中EEPROM用来存储程序以及保护设定的接地故障电阻高整 定值和低整定值，SRAM和FLASH用来存储保护计算的中间变量和故障信息等。

过去分析外加电源型单相接地保护的等效电路时，认为配电变压器的漏阻抗很小可以忽略不计，激磁阻抗很大认为开路，不考虑配电变压器参数的影响。由所述配电变压器二次侧的电压u和电流i计算配电变压器二次侧注入频率信号电压分量U和电流分量I，从而计算出一次侧接地故障电阻R_g。

实际上，配电变压器的激磁阻抗并非无穷大，漏阻抗也会产生压降。当考虑配电变压器的参数影响时，以变压器T型等效电路为基础计算出一次侧接地故障电阻R_g。图3是考虑配电变压器漏阻抗和激磁阻抗等参数的T型等效电路，其中，

与R₂、L₂分别是一、二次侧绕组的漏电阻和漏电感，

是激磁电阻和激磁电感。其中  $R_1^{\′}=R_2=R_k/2,$ $L_1^{\′}=L_2=L_k/2,$ R_k、L_k是配电变压器的漏电阻和漏电感。配电变压器的参数可由空载和短路实验测得。u_20/100是双频注入电源，R_20/100是双频注入电源的内阻，是发电机发生接地故障后由本体信号产生的零序电压，该电压的频率为发电机的运行频率，

是折算到配电变压器二次侧的发电机接地故障电阻，R_n是发电机中性点经配电变压器高阻接地时的二次侧接地电阻，C′是发电机绕组对地电容。由配电变压器二次侧注入频率的电压u_f和电流i_f可准确计算出一次侧注入频率的电压u_s和电流i_s，由u_s与i_s，可准确计算一次侧接地故障电阻R_g。

本发明实施例中的双频注入式定子接地保护的主要流程如图4 所示：

步骤401：检测发电机的运行频率，确定变频电源的输出注入信号频率：当发电机的运行频率大于10Hz且小于40Hz时，变频电源的注入频率取100Hz，当发电机的运行频率不大于10Hz或不小于40Hz时，变频电源的注入频率取20Hz。实施例中发电机运行频率为30Hz，取变频电源的注入频率为100Hz；

步骤402：根据变频电源的注入频率，改变切换开关位置，选取相应的带通滤波器，当变频电源的注入频率为100Hz时，切换开关接通100Hz带通滤波器，当变频电源的注入频率为20Hz时，切换开关接通20Hz带通滤波器。实施例中变频电源的注入频率为100Hz，切换开关接通100Hz带通滤波器；

步骤403：，为消除发电机运行频率信号的影响，注入信号经相应带通滤波器由配电变压器二次侧绕组注入发电机中性点。

步骤404：用一个并接在所述配电变压器二次侧绕组上的分压器采集该配电变压器二次侧的电压u，再用一个串接在所述配电变压器二次侧绕组上的电流互感器采集该配电变压器二次侧的电流i，所述采样数据在双频注入式定子接地保护装置中依次经过低通滤波器滤波，多路开关切换及模数转换后，输入到CPU中并保存；

步骤405：按照计算周期为100ms，利用所述电压u按照分压器的分压比计算出配电变压器二次侧注入频率信号电压分量U，利用所述电流i按照电流互感器变比计算出配电变压器二次侧注入频率信号电流分量I；

步骤406：计算配电变压器二次侧的定子绕组对地导纳Y

当不考虑配电变压器的参数影响时：

$Y=\frac{\stackrel{\·}{I}}{\stackrel{\·}{U}};$

或者，当考虑配电变压器的参数影响时：

$Y=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_s}{{\stackrel{\·}{U}}_s},$ 其中，

为按变压器T型等效电路计算的注入频率信号电压和电流分量。

步骤407：计算折算到一次侧的定子绕组接地故障电阻R_g：

$R_g=k^2\frac{1}{\mathrm{Re}\left(Y\right)},$ 其中k为配电变压器变比，Re(Y)表示Y的实部；

考虑配电变压器的参数影响较不考虑配电变压器的参数影响时接地故障电阻的计算值准确度高。由于定子接地保护的重要性，通常选择流程406中考虑配电变压器的参数影响时的配电变压器二次侧的定子绕组对地导纳Y计算折算到一次侧的定子绕组接地故障电阻R_g。

步骤408：CPU根据设定并存储的保护设定的接地故障电阻高定值和低整定值来与上述计算的接地故障电阻R_g比较。

步骤409：当上述计算的接地故障电阻R_g低于保护设定的接地电阻低整定值时发出跳闸命令，出口继电器执行跳闸动作。

步骤410：当上述计算的接地故障电阻R_g高于保护设定的接地电阻低整定值，低于保护设定的接地电阻高整定值时发出告警命令，出口继电器执行发告警信号动作。

步骤411：当上述计算的接地故障电阻R_g高于保护设定的接地电阻高整定值时为无故障状态，出口继电器执行无故障正常运行指示。

本实施例中当计算的接地故障电阻R_g低于保护的高整定值5kΩ，高于保护的低整定值500Ω时发告警信号，当接地故障电阻R_g低于保护的低整定值500Ω时发跳闸命令，得到开关量输出，由相关继电器执行跳闸动作。

在本发明的双频注入式定子接地保护实施例中，当发电机启动运行在30Hz，经1000Ω电阻发生接地故障时。按本发明的双频注入式发电机定子接地保护方法，用双频注入式定子接地保护装置采集配电变压器二次侧电压u(t)和电流i(t)以及计算接地故障电阻值R_g(t)。如图5所示，R_g计算结果十分接近于1000Ω，准确度很高，发电机定子接地保护正常运行，装置对发电机实施发报警信号保护。

本发明采用双频注入，消除发电机本体信号的影响和保护运行死区，实现在发电机的启停机全过程定子接地保护，用于大型发电机组、抽水蓄能机组或燃气轮机组的定子接地保护。

Claims (1)

1.一种双频注入式发电机定子接地保护方法，其特征在于：

步骤一.检测发电机的运行频率，按以下方式确定20Hz/100Hz变频电源的输出注入信号频率：

当发电机的运行频率大于10Hz且小于40Hz时，注入信号频率取100Hz，

当发电机的运行频率不大于10Hz或不小于40Hz时，注入信号频率取20Hz；

步骤二.根据变频电源输出的注入信号频率，为消除发电机运行频率信号的影响，通过切换开关选取相应的滤波器，使注入信号经所述滤波器由发电机中性点配电变压器二次侧绕组注入发电机中性点，所述滤波器的特性如下：

注入信号频率为100Hz时，滤波器为100Hz带通滤波器，

注入信号频率为20Hz时，滤波器为20Hz带通滤波器；

步骤三.从并接在所述配电变压器二次侧绕组上的分压器上采集该配电变压器二次侧的电压u，同时从串接在所述配电变压器二次侧绕组上的电流互感器上采集该配电变压器二次侧的电流i，所述配电变压器二次侧的电压u和电流i的采样数据在一个双频注入式定子接地保护装置中分别依次经过低通滤波器、多路开关以及模数转换后，输入CPU中并保存；

步骤四.计算周期为100ms，按照分压器的分压比计算出电压u中配电变压器二次侧注入频率信号电压分量

按照电流互感器变比计算出所述电流i中配电变压器二次侧注入频率信号电流分量

步骤五.按下式计算所述配电变压器二次侧的定子绕组对地导纳Y：

$Y=\frac{\stackrel{\·}{I}}{\stackrel{\·}{U}}$

步骤六.按下式计算折算到一次侧的定子绕组接地故障电阻R_g：

其中k为配电变压器变比，Re(Y)表示Y的实部；

步骤七.所述CPU将步骤六中得到的接地故障电阻R_g值与存储的保护设定的接地故障电阻高整定值和接地故障电阻低整定值来进行比较：

当所述接地故障电阻R_g值高于保护设定的接地故障电阻高整定值时，显示无故障，

当所述接地故障电阻R_g值低于保护设定的接地故障电阻高整定值，高于保护设定的接地故障电阻低整定值时，发出告警信号，

当所述接地故障电阻R_g值低于保护设定的接地故障电阻低整定值时，发出跳闸命令，执行跳闸动作。

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