CN104218526A - 采用分段相角补偿的发电机注入式定子接地保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用分段相角补偿的发电机注入式定子接地保护方法。通过静态试验方法，获得发电机注入式定子接地保护装置测量回路中间CT低频信号的传变特性：保护装置检测发电机机端三相电压和发电机中性点零序电流，以此来确定测量回路中间CT所处的工作点；保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号和低频注入电流信号根据测量回路中间CT所处的工作点进行分段相角补偿，计算接地过渡电阻阻值R_E；将该计算值与保护装置中的电阻定值相比较，如果R_E小于电阻定值，则经过设定的短延时判定出现了定子接地故障，保护装置报警或跳闸；这是注入式定子接地保护的电阻判据。

Description

采用分段相角补偿的发电机注入式定子接地保护方法

技术领域

本发明涉及电力系统领域，更具体地涉及发电机注入式定子接地的继电保护方法。 

背景技术

目前大型发电机中性点多采用经配电变压器高阻接地方式。当发电机定子绕组发生单相接地时，故障电流有可能破坏发电机定子铁心，也有可能引起非故障相的对地电压升高，使事故扩大。随着发电机组容量的增大，定子铁心检修也变得复杂，一旦定子铁心受到破坏，检修时间长，机组停机的经济损失十分巨大。因此，大型发电机要求装设无死区的100%定子接地保护，外加低频电源的100%注入式定子接地保护成为目前大型发电机定子接地保护的标准配置。 

常规的注入式定子接地保护技术的基本原理是：低频电源装置将低频电压加在发电机中性点配电变压器接地负载电阻上，通过接地变压器将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中，发电机定子绕组绝缘正常的情况下，注入的电流主要表现为电容电流；当发生接地故障后，注入电流出现电阻性电流。检测注入的低频电压、低频电流信号，通过导纳法可计算出接地故障的过渡电阻，从而判定接地故障。保护逻辑由电阻判据和零序电流判据共同构成，保护装置检测出接地过渡电阻阻值小于定值，判定出现定子接地故障；保护装置检测出零序电流值超过定值，同样判为定子接地故障。 

总结近年来的注入式定子接地保护运行和调试经验，发现在传变低频小信号时，发电机中性点接地变压器和中间CT具有非线性的特点，角度误差较大，影响接地电阻的测量。因为发电机机端金属性单相接地故障时，流过中性点接地变压器副边的工频电流很大，有几百安培，中间CT的额定电流需考虑到大的工频电流的测量需要，变比较大；而注入低频电流较小，金属性接地时输出的短路电流最大也不过几安培左右，处于中间CT传变特性的起始段，其传变误差具有非线性的特点。根据注入式定子接地保护等效原理图，接地过渡电阻是通过导纳法，由低频电压、电流信号的大小和相位来计算的，这就需要保证其幅值和相位的准确测量。目前，国内大多数大型水电、火电、核电机组，发电机运行状态下，其中性点零序电流有较大的3次谐波分量，中间CT的工作点发生变化，导致注入低频信号的相角偏移（如三峡左岸VGS机组，无接地故障情况下，相角从270度偏移到276度），静止无接地故障时测量的接地电阻为无穷大，发电机正常 运行无接地故障时测量的接地电阻下降到报警值附近，影响了接地电阻的测量。对于这种3次谐波分量变化导致中间CT工作点变化，低频信号相角误差大的发电机组，上述常规的注入式定子接地保护不能直接应用，需要有新型的注入式定子接地保护方法。 

发明内容

本发明的目的是：设计一种发电机注入式定子接地保护方法，可以应用于不同工况下注入式低频信号相角误差明显变化的发电机系统。 

本发明采取的技术方案是：采用分段相角补偿的发电机注入式定子接地保护方法，通过静态试验方法，获得发电机注入式定子接地保护装置测量回路中间CT低频信号的传变特性：保护装置检测发电机机端三相电压和发电机中性点零序电流，以此来确定测量回路中间CT所处的工作点；保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号和低频注入电流信号根据测量回路中间CT所处的工作点进行分段相角补偿，计算接地过渡电阻阻值R_E；将该计算值与保护装置中的电阻定值相比较，如果R_E小于电阻定值，则经过设定的短延时判定出现了定子接地故障，保护装置报警或跳闸；这是注入式定子接地保护的电阻判据。 

进一步的，保护装置检测发电机机端三相电压V_a、V_b、V_c，检测机端PT是否断线，检测发电机中性点零序电流3次谐波I_n03w，利用这三组信息量判别中间CT的工作点；判别公式为： 

max{V_a,V_b,V_c}＞V_set   (1) 

PTDX＝0   (2) 

I_N0.3W＞I_set   (3) 

其中，V_a、V_b、V_c是发电机机端PT二次电压值的有效值，V_set是内部定值，一般V_set在(80%～90%V_rated)范围内取值，V_rated是发电机额定电压值对应的PT二次电压值；PTDX为PT是否断线的判别标志，PTDX=0表示PT回路正常，PTDX=1表示PT回路异常，上述条件(1)和(2)的逻辑结果经过逻辑“与门”后，再经“延时”操作（延时定值t_set为保护装置内部定值，取值范围是500ms～1000ms），如果输出结果为1，表示当前是发电机运行状态，如果输出结果为0，表示当前是发电机静止状态；再根据条件(3)的中性点零序电流3次谐波大小，判定中间CT的工作点，进行适当补偿；上述逻辑判别中的定值V_set、I_set和t_set都是内部定值，用户无需整定；I_n03w为现场实测值，包含一 系列的点。其中PTDX是继电保护装置判别标志。PTDX=0表示PT正常，此时PT不是没有输出；PTDX=1表示PT异常。 

进一步的，保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号和低频注入电流信号根据测量回路中间CT的工作点状态，采用不同的相角补偿定值来计算接地过渡电阻阻值R_E，公式为： 

$R_E=\frac{1}{\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LF}}}{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}.\mathrm{Cor}}}\right)}---\left(4\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}.\mathrm{Cor}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}}\×e^{j{\mathrm{\α}}_i}$

式中e^jαi，表示将相量偏移α_i角度，α_i角度通过现场实测测量回路中间CT特性，再进行数字插值的方式获取。 

进一步的，保护装置中的相角补偿定值αi均能通过现场实测原始数据再进行数学处理的方法获取；实测方法是主变压器高压侧断路器分断，发电机静止，GCB闭合，发电机与主变压器相连，注入低频电源投入运行；设定相角补偿定值β₁，使装置测量的注入低频电压电流间角度为270度；在发电机接地变压器二次侧施加不同幅值的3次谐波零序电流，设定相角补偿定值β_i（i=2,3,4…）,使得装置测量的注入低频电压电流间角度均为270度；最后使用数学方法对β_i（i=1,2,3,4…）进行数字插值处理，即可得到分段相角补偿定值α_i（i=1,2,3,4,5,6…）。 

进一步的，原常规的注入式定子接地保护中的电流判据不变。即，保护装置检测发电机中性点接地变低压侧的电流，当该电流超过保护装置中的电流定值后，经过设定的短延时判定出现了较为严重的定子接地故障，保护装置报警或跳闸。 

低频电源装置将低频电压加在发电机中性点配电变压器接地负载电阻上，通过接地变压器将低频电压信号注入到发电机定子绕组对地的零序回路中；通过静态试验的方法，获取中间CT在不同工作点对于低频小信号的测量误差曲线；保护装置检测发电机机端电压和中性点零序电流3次谐波分量，判别发电机的运行状态是静止状态还是运行状态；保护装置检测注入的低频电压、低频电流信号，采用分段相角补偿方法计算接地故障的过渡电阻阻值，消除不同工况下低频信号相角变化对接地电阻计算的影响。用电阻判据和电流判据实现注入式定子接地保护。 

本发明的有益效果是：不更改注入式定子接地保护的二次接线回路，通过中间CT 的工作点识别和分段相角补偿方法，保护装置可适应低频电压、电流信号间相角明显变化的系统，实现接地电阻的精确测量（注入式定子接地保护的接地电阻计算精度高）。 

附图说明

图1是本发明的一个典型应用接线图， 

图2是本发明设计的判别中间CT工作点的逻辑图， 

图3是本发明涉及的相角补偿定值数学处理方法示意图。 

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明，参见图1中：a.发电机。b.主变压器。 

c.发电机出口断路器GCB。d.发电机中性点配电变压器。e.发电机中性点配电变压器的负载电阻。f.低频电源。g.保护装置测量低频注入电流用的电流互感器。 

h.发电机保护装置。 

图2中：a.电压判别的逻辑元件。当发电机机端三相电压的最大值大于定值，该元件输出逻辑值1，否则输出逻辑值0。b.发电机机端PT断线的信号元件。当信号PTDX=0（信号为低电平）时，表示机端PT正常，该元件输出逻辑值1；当信号PTDX=1（信号为高电平）时，表示机端PT异常，该元件输出逻辑值0。c.根据发电机中性点零序电流3次谐波大小，来判别中间CT的工作点位置，进行适当的相角补偿。 

d.“与门”操作。e.“延时”操作。当输入信号变位时（由0变1，或由1变0），经过延时t_set让输出信号等于输入信号。f.逻辑判别结果输出，判为当前工况为“发电机静止工况”。g.逻辑判别结果输出，判为当前工况为“发电机运行工况”，并根据中性点零序电流3次谐波大小识别中间CT的工作点，进行适当的相角补偿。 

图3中：a.中间CT相角误差曲线示例。对于固定幅值、角度的低频信号，通入不同的3次谐波电流时，由中间CT传变特性所导致的相角误差曲线。b.用插值方法处理过的中间CT相角误差曲线。根据获取的离散数据点，通过数学方法进行插值处理，如线性插值（或拉格朗日插值）等，获取的中间CT相角误差拟合曲线。c.发电机静止无故障情况下，中间CT相角误差值。常规注入式定子接地保护认为其相角误差是固定的，在不同工况下均使用该值进行相角补偿。 

实施例：本发明设计了一种采用分段相角补偿方法的发电机注入式定子接地保护方法。下面结合某电厂一台700MW水轮发电机的具体情况，以最简单的两段式相角补偿来说明该方法的具体实施方式。 

主接线图以及注入式定子接地保护接线图如附图1所示。该发电机额定容量700MW，额定功率因数0.9，额定电压20kV。发电机定子绕组每相对地电容Cg=1.35uF。发电机中性点接地变压器额定容量180kVA，额定电压变比20kV/866V，低压侧负载电阻1.0Ω。 

当发电机处于静止无接地故障状态时，低频信号电压电流间相角应为270度，可使用补偿定值1进行修正，得到精确的接地电阻值。当发电机处于运行无接地故障状态时，不修改接线，在保护装置上测量低频信号间相角，应为270度，采用补偿定值2进行修正，可以得到精确的接地电阻值。 

实施注入式定子接地保护的具体步骤如下： 

（1）保护装置检测发电机机端电压互感器PT二次侧电压，计算得到三相电压信号的有效值：V_a、V_b、V_c。 

（2）保护装置检测发电机机端电压互感器断线信号PTDX。当信号PTDX=0（信号为低电平）时，表示机端PT正常；当信号PTDX=1（信号为高电平）时，表示机端PT处于不正常工作状态。 

（3）按下面的公式进行工况判别： 

max{V_a,V_b,V_c}＞V_set   (1) 

PTDX＝0   (2) 

其中，V_a、V_b、V_c是发电机机端PT二次电压值的有效值，V_set是内部定值，一般V_set在(80%～90%V_rated)范围内取值，V_rated是发电机额定电压值对应的PT二次电压值。上述条件(1)和(2)的逻辑结果经过逻辑“与门”后，再经“延时”操作（延时定值t_set为保护装置内部定值，取值范围是500ms～1000ms），如果输出结果为1，表示当前是发电机运行状态，如果输出结果为0，表示当前是发电机静止状态。上述逻辑判别中的定值V_set和t_set都是内部定值，用户无需整定。 

其逻辑含义是：如果发电机机端电压足够大，且机端电压互感器没有断线情况，则表明发电机处于运行状态；反之，则表明发电机处于静止状态。 

（4）保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号和低频注入电流信号

（5）如果步骤（4）判别认为当前是静止状态，则采用下式计算接地故障的过渡电阻： 

$R_E=\frac{1}{\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LF}}}{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}.\mathrm{Cor}}}\right)}---\left(3\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}.\mathrm{Cor}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}}\×e^{j{\mathrm{\α}}_i}$

式中Re(*)，表示取复数相量的实部。e^jα1，表示将相量偏移α₁角度；α₁角度通过现场实测的方式取得。 

如果步骤（4）判别认为当前是发电机运行状态，则采用下式计算出接地故障的过渡电阻： 

$R_E=\frac{1}{\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LF}}}{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}.\mathrm{Cor}}}\right)}---\left(4\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}.\mathrm{Cor}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}}\×e^{j{\mathrm{\α}}_2}$

e^jα2，表示将相量偏移α₂角度；α₂角度通过现场实测的方式取得。 

实测方法是主变压器高压侧断路器分断，发电机静止，GCB闭合，发电机与主变压器相连，在此状态下由保护装置实测注入的低频电压、电流的角度，校正到270度，该校正定值为相角补偿定值1，表示静止状态下，注入式定子接地保护测量低频电压和电流信号的角度误差值；主变压器高压侧断路器分断，发电机加额定电压，GCB分断，不更改接线，直接读取保护装置测量的低频电压和电流信号角度，校正到270度相位关系，该校正定值即为相角补偿定值2。 

（6）保护装置经过上述步骤就计算得到了接地过渡电阻R_E。将该计算值与保护装置中的电阻定值相比较，如果R_E小于电阻定值，则经过设定的短延时判定出现了定子接地故障，保护装置报警或跳闸。这是注入式定子接地保护的电阻判据。 

（7）原常规的注入式定子接地保护中的电流判据不变。即，保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电流，当该电流超过保护装置中的电流定值后，经过设定的短延时判定出现了较为严重的定子接地故障，保护装置报警或跳闸。 

采用上述方法，在不更改注入式定子接地保护的二次接线回路的情况下，可以有效的判别中间CT的工作点，通过两种计算方法（式3和式4），保护装置可以准确计算接地故障的过渡电阻阻值，从而适应了低频电压电流信号间相角的变化，实现精确的发电机注入式定子接地保护。 

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何等同替换或改动，并不超出本发明保护范围。 

Claims (5)

1.采用分段相角补偿的发电机注入式定子接地保护方法，其特征是：通过静态试验方法，获得发电机注入式定子接地保护装置测量回路中间CT低频信号的传变特性：保护装置检测发电机机端三相电压和发电机中性点零序电流，以此来确定测量回路中间CT所处的工作点；保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号和低频注入电流信号根据测量回路中间CT所处的工作点进行分段相角补偿，计算接地过渡电阻阻值R_E；将该计算值与保护装置中的电阻定值相比较，如果R_E小于电阻定值，则经过设定的短延时判定出现了定子接地故障，保护装置报警或跳闸；这是注入式定子接地保护的电阻判据。

2.如权利要求1所述的采用分段相角补偿的发电机注入式定子接地保护方法，其特征是：保护装置检测发电机机端三相电压V_a、V_b、V_c，检测机端PT是否断线，检测发电机中性点零序电流3次谐波I_n03w，利用这三组信息量判别中间CT的工作点；判别公式为：

max{V_a,V_b,V_c}＞V_set   (1)

PTDX＝0   (2)

I_N0.3W＞I_set   (3)

其中，V_a、V_b、V_c是发电机机端PT二次电压值的有效值，V_set是内部定值，一般V_set在(80%～90%V_rated)范围内取值，V_rated是发电机额定电压值对应的PT二次电压值；PTDX为PT是否断线的判别标志，PTDX=0表示PT回路正常，PTDX=1表示PT回路异常，上述条件(1)和(2)的逻辑结果经过逻辑“与门”后，再经“延时”操作（延时定值t_set为保护装置内部定值，取值范围是500ms～1000ms），如果输出结果为1，表示当前是发电机运行状态，如果输出结果为0，表示当前是发电机静止状态；再根据条件(3)的中性点零序电流3次谐波大小，判定中间CT的工作点，进行适当补偿；上述逻辑判别中的定值V_set、I_set和t_set都是内部定值，用户无需整定；I_n03w为现场实测值，包含一系列的点。

3.如权利要求1所述的采用分段相角补偿的发电机注入式定子接地保护方法，其特征是：保护装置检测发电机中性点接地变压器低压侧的电压与电流信号，经过数字滤波，得到低频注入电压信号和低频注入电流信号根据测量回路中间CT的工作点状态，采用不同的相角补偿定值来计算接地过渡电阻阻值R_E，公式为：

$R_E=\frac{1}{\mathrm{Re}\left(\frac{{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{LF}}}{{\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}.\mathrm{Cor}}}\right)}---\left(4\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}.\mathrm{Cor}}={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{LF}}\×e^{j{\mathrm{\α}}_i}$

式中e^jαi，表示将相量偏移α_i角度，α_i角度通过现场实测测量回路中间CT特性，再进行数字插值的方式获取。

4.如权利要求3所述的采用分段相角补偿的发电机注入式定子接地保护方法，其特征是：保护装置中的相角补偿定值α_i均能通过现场实测原始数据再进行数学处理的方法获得；实测方法是主变压器高压侧断路器分断，发电机静止，GCB闭合，发电机与主变压器相连，注入低频电源投入运行；设定相角补偿定值β₁，使装置测量的注入低频电压电流间角度为270度；在发电机接地变压器二次侧施加不同幅值的3次谐波零序电流，设定相角补偿定值β_i（i=2,3,4…）,使得装置测量的注入低频电压电流间角度均为270度；最后使用数学方法对β_i（i=1,2,3,4…）进行数字插值处理，即可得到分段相角补偿定值α_i（i=1,2,3,4,5,6…）。

5.如权利要求1所述的采用分段相角补偿的发电机注入式定子接地保护方法，其特征是：原常规的注入式定子接地保护中的电流判据不变。即，保护装置检测发电机中性点接地变低压侧的电流，当该电流超过保护装置中的电流定值后，经过设定的短延时判定出现了较为严重的定子接地故障，保护装置报警或跳闸。