CN103718405B - 接地故障保护 - Google Patents

Abstract

本发明关于对系统噪声具有减少的敏感性的稳健的接地故障保护系统。在对于例如发电机等的电机的接地故障保护系统中，具有注入频率f_i的注入信号施加到电机以便在电机的导体上生成周期性偏压，并且评估对其的响应信号。注入频率根据电机的系统参量或系统性质（其指示干扰响应信号或叠加在响应信号上的系统噪声）来适应性地修改，即，调整或选择。因此，注入频率的静态、预定选择被放弃以便获得根据电机的系统参量的最近值的灵活方法，其最终导致接地故障保护系统的稳定性和可靠性增加。

Description

接地故障保护

技术领域

本发明涉及保护性继电领域，并且特别地涉及大型电机中的接地故障保护。它与现有技术的电机的接地故障保护系统有所不同。

背景技术

用于检测例如大型发电机等电机的导体上的接地故障的方法在US 5739693中公开。接地故障因为对导体与接地电位上的铁件之间的电气绝缘的机械损坏而出现。接地故障产生故障电流，故障电阻可以从该故障电流来计算并且评估来评价故障。为了检测邻近发电机的断电星点（即，在发电机中性处或附近）的故障，发电机的导体凭借适合的注入信号而相对于接地电位偏置。主动注入偏置信号导致在发电机保护系统中频繁使用的所谓的“100%定子大地保护”。

具体地，具有等于标称网络频率的四分之一的固定注入频率（即，在50Hz电网中是12.5Hz或在60Hz电网中是15Hz）的周期性矩形注入信号由专用信号发生器通过注入互感器和接地电阻而注入定子或转子绕组内。同步保护继电器测量对该注入的响应信号。从该响应信号，可以计算在发电机中性或转子电路侧的接地故障。

这种接地故障保护系统对于扰乱是敏感的，其中扰乱可导致对运行的公用事业和电力用户两者具有不利影响的误操作或非操作。特别地，发电机中性（对于定子接地故障保护系统）经历寄生电磁信号或噪声（处于能扰乱接地故障保护功能的某些频带中）并且励磁系统（对于转子接地故障保护系统）实际上生成这样的寄生电磁信号或噪声。

同样，现有的接地故障保护系统可对于超频或欠频条件是敏感的。特别地，在发电机速度降到50Hz以下（例如，少至48.5Hz，这在弱电网中并不罕见）的情况下，发现转子接地故障功能自发地脱扣。对于具有静态励磁的发电机，在发电机频率的倍数处（即，当发电机在50Hz处运行时是300Hz，或当发电机在48.5Hz处运行时是291Hz）的谐波（由励磁系统的晶闸管引起）由并入保护功能（其评估响应信号）中的数字滤波器消除。然而，保护算法的标称和静态300Hz数字滤波器对于滤波291Hz噪声不太高效。因此，当发电机速度开始偏离标称电网频率时，某种噪声泄漏到保护功能内并且最终引起误脱扣。

发明内容

因此本发明的目标是提供具有对系统噪声的降低的敏感性的更稳健的接地故障保护系统。该目标通过根据本申请的适应性修改接地故障系统和接地故障保护系统的方法来实现。另外的优选实施例从本申请中显而易见。

根据本发明，在对于例如发电机等电机的接地故障保护系统中，具有注入频率f_i的注入信号施加到电机以便在电机的导体上生成周期性偏压，并且评估对其的响应信号。注入频率根据电机的系统参量或系统性质（其指示干扰响应信号或叠加在响应信号上的系统噪声）来适应性修改，即，调整或选择。因此，注入频率的静态预定选择被放弃以便获得根据电机的系统参量的最近值而灵活方法，其最终导致接地故障保护系统的稳定性和可靠性的增加。

在本发明的优选变化形式中，连接到电机的电力电网的线路或电网频率是第一系统参量。注入频率根据实际线路频率与50Hz或60Hz的标称线路频率的偏离来适应性修改。特别地，重复地与实际线路频率与标称线路频率的偏离成比例地调整注入频率。因此，注入频率用噪声谱来标度，并且可逃脱保护功能的标称和静态数据滤波器的任何寄生噪声在干扰响应信号方面的可能性较小。

在本发明的优选变化形式中，报告系统噪声（其叠加在响应信号上）的噪声谱n(f)是第二系统参量。扫描系统噪声的包括或涵盖多个候选注入频率的频率范围，并且从这些候选频率之中选择具有最低噪声的基本注入频率。因此，处于注入频率处的基本系统噪声被最小化。

在本发明的优选变化形式中，使两个截然不同的噪声体系分离的发电机速度阈值n_t是第三系统参量。在发电机启动期间，作为发电机速度（从零到大约标称发电机速度）的函数而测量或记录代表第一和第二候选注入频率周围的系统噪声的两个系统噪声谱。如果可以识别发电机速度阈值，其中在该阈值之下的第一噪声谱是不严重的并且在该阈值之上的第二噪声谱是不严重的，在任何未来发电机启动期间在阈值处使注入频率从第一候选频率改变到第二候选频率。因此，接地故障保护可以直接从发电机速度零来提供。

根据有利实施例，注入频率自适应允许在可能的频带内为不同的电机选择不同的频率。因此，对于牢固地并联连接在相同母线上的发电机具有静态注入的现有的保护方案中存在的干扰（即，没有任何电流分离）被避免。为了动态自适应注入频率，继电器之间的通信对每一个继电器提供其他装置的当前频率设置，使得可以进行没有相互扰乱的适当校准。协调方案假设没有几个继电器同时开始自适应而导致不稳定的情形。

可有益地应用本发明以在具有低至20MVA额定功率的发电机中提供100%定子接地故障保护。也就是说，具有小于100MVA的额定功率的发电机（其由于成本原因到目前为止局限于95%定子接地故障保护）可从100%定子接地故障保护中受益而不会因可靠性原因需要任何额外措施或投入。

附图说明

本发明的主旨将参照优选示范性实施例（其在附图中图示）在下列正文中更详细地说明，其中：

图1示意地示出接地故障检测设置；

图2是60Hz发电机之间测量的噪声谱；以及

图3描绘在50Hz涡轮发电机启动期间记录的两个示范性噪声谱，和适当得出的注入频率f_i。

具体实施方式

图1描绘用于检测电机（特别是例如发电机等三相机器）的定子绕组（R，S，T）上的接地故障的电路设置。绕组的星点或发电机中性10凭借在信号发生器20中生成并且经由接地电阻馈送到星点的注入信号u_i而偏置。为了检测接地故障，测量跨接地电阻的电压u_RE并且将其馈送到接地故障保护继电器21中的评估单元。基于注入并且测量的电压，在评估单元中计算故障电阻R_f。根据下文指出的选项在保护继电器处确定适应性修改的注入频率f_i，并且经由通信链路22将其从保护继电器21传送到信号发生器20。

图2是在60Hz发电机中性的1Hz与200Hz之间测量的噪声谱n(f)。该噪声谱通过测量进入接地故障保护继电器的所有相关频率的配置工具而建立。为此，配置工具在与保护继电器相同的位点处或附近连接到发电机的导体。保护继电器可自身适于执行这些配置任务。在调试期间的相当晚的阶段并且利用运行中的可能的噪声源，配置工具扫描相关频率并且记录噪声谱。在该背景下，噪声不仅由电网或附连的一次设备（例如启动频率转换器SFC）生成，而且还由使响应信号失真的测量互感器引起。

在图2中，独特的噪声峰在60、120和180Hz处可见。在15Hz的常规注入频率（箭头）周围，某种寄生噪声也是可见的。因此，12Hz或18Hz周围的候选注入频率更适合。配置工具可确定或建议一个或几个无扰频带，其中基本或标称注入频率可以从其中选择。利用此，调试工程师具有为定子和转子电路选择最佳基本注入频率的良好指导，从而使注入系统能够在没有或仅具有很少噪声的无扰频率范围中操作。

图3顶部曲线图描绘在50Hz涡轮发电机在1与3300rpm之间启动期间记录的示范性噪声谱。在30Hz带中，谐波在600rpm、900rpm和1800rpm处产生；在150Hz带中，谐波仅在3000rpm处（即，在标称电网频率处或附近）显现。图3底部曲线图描绘逐步的注入频率f_i，其适于上文的噪声谱，并且使保护继电器的数字滤波功能与之对应。在发电机启动过程的开始时，注入频率设置成150Hz（因为预计在高达2400rpm阈值速度没有150Hz谐波），并且之后，即在超出2400rpm的发电机速度，注入频率减少至例如大约30Hz的基本注入频率，因为30Hz谐波在该速度水平将已经失去。

为了确定适当的阈值或切换发电机速度，如在图3中的频率选择性噪声谱必须至少在最起初的启动过程期间记录。随后，这样的谱可重复更新。再次，这可由专用配置工具或由保护继电器自身进行。至少对于所有的后续启动过程，工作接地故障保护然后可直接从发电机速度零来建立。

为了减轻在例如欠频条件下的滤波器错误，启用电网频率跟踪，并且使实际注入频率f_i偏离先前选择的基本注入频率。这在图3底部曲线图中通过在从初始150Hz注入频率的不连续下降后的有限斜坡来描绘。与30Hz的静态基本注入频率相对照，实际注入频率f_i与电网频率或发电机速度所成的比例变化，并且仅等于在50Hz尖峰情况下的基本注入频率。通过示例，48.5Hz的电网频率将导致注入频率中0.9Hz的偏离。基于图2中描绘的那类的整个噪声谱（其包括白斑）用电网频率来标度这一假设，保护继电器处的静态数字滤波器（其滤波作为标称电网频率的严格倍数的目标）不能阻断的寄生噪声从而被规避。为了在基本注入频率周围设置对应较小的适应性修改，实际电网频率优选地由保护继电器自身确定。

与上文提到的通过评估噪声轮廓的基本注入频率自适应并行或作为它的备选，基本注入频率关于不同发电机负载条件的自适应也是可能的。这样的负载条件反映在发电机负载拾取之前和之后的不同阶段；例如在标称负载的50%以上或以下的发电机负载；或发电机断路器闭合或断开。将对每个能识别的负载条件确定基本注入频率并且将其存储在查找表中。

标号列表

10	发电机中性	20	信号发生器
				21	故障保护继电器	22	通信链路

Claims (12)

1.一种用于适应性地修改电机的接地故障保护系统的方法，其中所述系统将具有注入频率f_i的注入信号u_i注入所述电机的导体内并且评估对所述注入信号u_i的响应信号u_RE以便识别所述电机中的接地故障，所述方法包括：

－测量所述电机的指示系统噪声的系统参量，以及

－根据所述系统参量来适应性地修改所述注入频率。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述系统参量是连接到所述电机的电力电网的线路频率f_g，所述方法包括：

－根据实际线路频率与标称线路频率的偏离来适应性地修改所述注入频率f_i。

3.如权利要求1所述的方法，进一步包括重复地适应性修改所述注入频率。

4.如权利要求2所述的方法，进一步包括与所述实际线路频率与标称线路频率的偏离成比例地重复调整所述注入频率。

5.如权利要求1所述的方法，其中所述系统参量是噪声谱n(f)，所述方法包括：

－测量在包括多个候选注入频率的频率范围内的噪声谱，以及

－从所述候选注入频率之中选择具有最低噪声的基本注入频率。

6.如权利要求1所述的方法，其中所述系统参量是发电机速度阈值n_t，所述方法包括：

－测量在发电机启动期间对于候选启动注入频率的第一系统噪声谱和对于候选基本注入频率的第二系统噪声谱，

－识别发电机速度阈值，其中在所述阈值之下的第一噪声谱是可接受的并且在所述阈值之上的第二噪声谱是可接受的，以及

－将所述注入频率选为在所述阈值之下为启动注入频率并且在所述发电机速度阈值之上为基本注入频率。

7.如权利要求1-5中任一项所述的方法，所述方法包括：

- 在发电机启动期间，记录第一噪声谱，其指示作为发电机速度的函数的在第一频率周围的频带中的噪声，

- 在发电机启动期间，记录第二噪声谱，其指示作为发电机速度的函数的在第二频率周围的频带中的噪声，

- 识别发电机速度阈值n_t，其中在所述阈值以下的第一噪声谱是可接受的，并且在所述阈值以上的第二噪声谱是可接受的，以及

- 选择所述注入频率成为对于在所述阈值n_t以下的发电机速度是第一频率而对于在所述阈值n_t以上的发电机速度是第二频率。

8.如权利要求1-5中任一项所述的方法，所述方法进一步包括以下步骤：

- 选择第一候选注入频率和第二候选注入频率；

- 在发电机启动期间，测量第一系统噪声谱，其表示作为发电机速度的函数的在第一候选注入频率周围的系统噪声，

- 在发电机启动期间，测量第二系统噪声谱，其表示作为发电机速度的函数的在第二候选注入频率周围的系统噪声，

- 识别发电机速度阈值n_t，其中在所述阈值以下的第一噪声谱是不严重的，并且在所述阈值以上的第二噪声谱是不严重的，以及

- 在后续的发电机启动期间，在发电机速度阈值n_t处，将所述注入频率从第一候选频率改变成所述第二候选频率。

9.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中另外的电机导电地连接到所述电机，所述方法包括：

－为所述另外的电机选择另外的基本注入频率，其与为所述电机选择的基本注入频率不同。

10.如权利要求1-6中任一项所述的方法，进一步包括关于不同的发电机负载状况适应性地修改所述注入频率。

11.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其中所述接地故障保护系统用于具有超出20MVA功率的发电机中的转子和/或定子接地故障保护。

12.一种用于电机的接地故障保护系统，其包括：

用于将具有注入频率f_i的注入信号u_i注入所述电机的导体（10）内的信号发生器（20），以及

评估对所述注入信号u_i的响应信号u_RE以便识别所述电机中的接地故障的接地故障保护继电器（21），

其特征在于，

所述信号发生器（20）经由通信链路（22）通信地连接到所述保护继电器（21）以接收注入频率f_i的值，其根据如权利要求1-10中任一项所述的方法而被适应性地修改。