CN104917148B - 一种发电机注入式定子接地保护方法和保护装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种发电机注入式定子接地保护方法及装置，检测外加电源两端的低频电压和流经外加电源的低频电流，分别求得注入电源装置内阻值、接地变压器负载电阻值及漏阻抗值；通过低频交流回路相量计算，根据导纳法求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值Rg；当检测到Rg低于保护报警值或跳闸值时，保护动作为报警或跳闸；或者，根据所述低频电压和所述低频电流求出输入阻抗幅值，当检测到所述输入阻抗幅值低于所述保护装置整定高定值时，保护动作为报警；当检测到所述输入阻抗幅值低于所述保护装置整定低定值时，保护动作为跳闸。本方法适用于从发电机中性点接地变压器注入低频信号方式，也适用于从机端开口三角PT注入低频信号方式。
Description
技术领域
本发明属于电力系统领域，特别涉及发电机注入式定子接地的继电保护方法及装置。
背景技术
目前，国内大型发电机中性点经接地变压器接地方式应用广泛，一般需配置注入式定子接地保护。如图1常规发电机注入式定子接地保护测量示意图，在图1中，G表示大型发电机；
N表示发电机中性点；
NGD表示中性点接地设备；
GND表示发电机以高阻接地方式接地；
Rn表示接地变压器二次负载电阻；
a表示外加低频电源装置；
b表示低频带通滤波器；
c表示中间电流互感器；
d表示发电机定子接地保护装置；
Rg表示发电机定子绕组接地过渡电阻。
取接地变压器二次侧的电压和电流为计算量，采用专门的硬件滤波、数字滤波器和全波傅里叶运算提取注入到发电机的低频电压、电流的相量，采用交流电路的相量计算，可求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值。如果按照如图1中，常规发电机注入式定子接地保护测量示意图，对于发电机单相接地故障，接地变压器二次负载电阻两端低频电压低频电流
可计算此时工频分量与低频分量幅值的相差倍数，电压倍数相差28.8倍，电流倍数288倍，所以常规注入式定子接地保护为了准确计算接地电阻阻值，需要设计滤波比很高的数字滤波器用于提前低频分量，甚至在不满足的情况下，需要设计专门的硬件滤波。
因此，采用常规方案较难解决以下两个问题：（1）解决好发电机接地故障时工频分量对接地电阻计算的影响。当发电机定子绕组发生接地故障时，尤其是机端发生金属性接地故障，工频分量幅值远大于注入低频分量，这给提取低频分量带来较大的困难，具体内容可参见论文《百万千瓦机组注入式定子接地保护的研究与开发》（刘小波，《华电技术》，第30卷，第7期）。为提取低频分量，必需设计复杂的数字滤波器，甚至需设计专门的硬件滤波器，同时多层滤波环节必然带来定子接地保护判别的固有延时加长；（2）在接地变压器二次负载电阻很小情况下，如国内某大型水电厂接地变二次负载阻值0.1Ω，由于低频电源输出回路近似被接地变压器二次负载电阻短接，所以二次负载电阻上的低频电压非常小，相应的继电保护装置测量到的低频电压信号就非常小，信号不可靠，严重情况下导致注入式定子接地保护无法应用。
发明内容
本发明的主要目的，在于提供一种发电机注入式定子接地保护方法。针对上述现状，本方法提出了解决方法，在接地变二次负载阻值较大和很小情况下均可保证有足够大低频分量用于接地阻值计算，同时缩小保护固有延时。
本发明提出以下方案：一种发电机注入式定子接地保护方法，包括步骤：
检测外加电源两端的低频电压和流经外加电源的低频电流，分别求得注入电源装置内阻值、接地变压器二次负载电阻阻值和接地变压器漏阻抗值；通过低频交流回路相量计算，根据导纳法求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值；当检测到所述发电机定子绕组接地故障过渡电阻低于保护装置整定高定值时，保护动作为报警；当检测到所述发电机定子绕组接地故障过渡电阻低于保护装置整定低定值时，保护动作为跳闸；或者，根据所述低频电压和所述低频电流求出输入阻抗幅值，当检测到所述输入阻抗幅值低于所述保护装置整定高定值时，保护动作为报警；当检测到所述输入阻抗幅值低于所述保护装置整定低定值时，保护动作为跳闸。
进一步地：在停机工况下，采用短接外加电源输出回路试验，检测此时外加电源两端低频电压和流经外加电源低频电流，求得外加电源装置内阻阻值。
进一步地：在停机工况下，采用实测接地变压器二次负载电阻试验，检测此时外加电源两端低频电压和流经外加电源低频电流，求得接地变压器二次负载电阻阻值。
进一步地：在停机工况下，将接地变压器一次绕组短路，检测此时外加电源两端低频电压和流经外加电源低频电流，求得接地变压器漏阻抗值。
进一步地：利用低频交流回路相量计算方法，求得所述发电机定子绕组接地故障过渡电阻具体使用公式：
其中，n为接地变压器电压变比，为外加电源两端的低频电压，为流经外加电源的低频电流，Rin为注入电源装置内阻值，Rn为接地变压器二次负载电阻阻值，Zk为接地变压器漏阻抗值。
进一步地：求得所述出输入阻抗幅值Z具体使用公式：
其中，n为接地变压器电压变比，为外加电源两端的低频电压，为流经外加电源的低频电流。
进一步地：还包括步骤，测量发电机各种正常工况下定子绕组无接地故障时最大的输入阻抗幅值，以所述最大的输入阻抗幅值作为设置所述保护装置整定高定值和所述保护装置整定低定值的依据。
本发明还提供一种发电机注入式定子接地保护装置，其特征在于包括检测单元、计算单元、判断单元，其中，
所述检测单元用于检测低频电压源装置的端口电压和低频电压源装置的流经电流，或者分别检测在短接外加电源输出回路试验、短接外加电源输出回路试验、接地变压器一次绕组短路时的低频电压源装置的端口电压和低频电压源装置的流经电流；
所述计算单元用于根据所述检测单元获得的电压和电流值计算发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值和/或输入阻抗幅值；
所述判断单元用于将所述发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值或者输入阻抗幅值与保护装置整定值比较，当低于保护装置整定值所述高定值时，保护动作为报警；当低于保护装置整定低定值时，保护动作为跳闸。
进一步地，所述检测单元还包括低频带通滤波器，与所述低频电压源装置串联，相应地，所述端口电压指所述低频电压源装置的两端电压，该端口电压经所述带通滤波器滤波后而得，所述低频电压源装置的流经电流指流经所述低频电压源装置及所述带通滤波器的电流。
本发明的有益效果是：本发明的技术方案中，低频电压、低频电流的信号都比较强，受接地变压器二次负载电阻的影响较小，解决了接地变压器二次负载阻值非常小的情况下常规注入式定子接地保护不能应用的问题。
附图说明
图1是常规发电机注入式定子接地保护测量示意图；
图2是本发明中发电机注入式定子接地保护测量示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明的两种技术方案进行详细说明。
在图2中，
Rg表示发电机定子绕组接地过渡电阻。
Z表示发电机外加电源端口输入阻抗。
其他符合含义与图1中表示相同。
本发明提供一种发电机注入式定子接地保护方法，较优的实施例描述如下：
包括如下步骤：
方案一.针对接地变压器二次负载电阻较大情况，继电保护装置可检测的低频电压、电流信号量较大，采用如下步骤。
（1）如图2所示，在发电机静止工况下，将外加低频电源并接在接地变压器二次侧负载电阻联线断开并短接，在低频下测得电压和电流，可求得外加低频电源内阻值Rin。试验结束后恢复外加低频电源与接地变压器二次侧负载电阻联接。
（2）断开接地变压器二次侧负载电阻和接地变压器二次绕组的联接，在低频下测得电压和电流，结合（1）测得的外加电源内阻Rin，可求得二次负载电阻Rn。恢复接地变压器二次侧负载电阻和接地变压器二次绕组的联接。
（3）断开发电机中性点与接地变压器一次绕组的联线，短接接地变压器一次侧绕组，在低频下测得电压和电流，求得在低频下的接地变压器折算到二次侧的短路阻抗Zk。恢复发电机中性点与接地变压器一次绕组的联线。
（4）计算发电机定子绕组接地故障过渡电阻一次值步骤如下：
（4.1）向发电机中性点接地变压器二次侧注入低频电源，测得低频电源两端的电压和流过低频电源的电流，提取低频电压和低频电流
（4.2）结合步骤（1）～步骤（3）中求得的外加低频电源内阻Rin、接地变二次负载电阻Rn和接地变压器短路阻抗Zk，利用低频交流回路相量计算，可求得流向发电机定子绕组低频电流和发电机定子绕组对地低频电压根据导纳法求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻Rg：
式（1）
其中，n为接地变压器电压变比。
（5）当检测到发电机定子绕组接地故障过渡电阻值低于保护装置整定高定值时，保护动作于报警；当检测到发电机定子绕组接地故障过渡电阻值低于保护装置整定低定值时，保护动作于跳闸。
方案2.针对接地变压器二次负载电阻很小，常规注入式定子接地保护检测的低频电压和低频电流信号很小，无法应用时，采用如下步骤。
（1）以外加电源两端低频电压和流经外加电源低频电流为计算量，计算低频电压与低频电流比值，可求得输入阻抗幅值Z：
式（2）
（2）当检测到输入阻抗幅值Z低于保护装置整定高定值时，保护动作于报警；当检测到输入阻抗幅值Z低于保护装置整定低定值时，保护动作于跳闸。
以某电厂一台550MW水轮发电机的具体参数为例作进一步说明。该发电机中性点接地变压器容量Sn为75kVA，一次额定电压Un为18kV，变比k为18kV/0.15kV，二次负载电阻Rn为0.1Ω。低频注入电源为20Hz交流电源，对应工频内阻抗值为Rn,50=160Ω，对应低频内阻抗值Rn,20=8Ω。
当发电机机端发生金属性短路时，发电机中性点一次电压升高为相电压，其工频电压幅值U1,50约为：
则接地变压器二次负载电阻上工频电压幅值U2,50约为：
则接地变压器二次负载电阻上工频电流幅值I2,50：
本发明取外加电源两端的低频电压，其大小为低频电源两端低频电压值约为ULF≈22V，此时外加电源两端工频电压US,50≈0V。
流经外加电源的低频电流，大小流经外加电源低频电流ILF：
流经外加电源工频电流IS,50：
可知此时低频电压幅值和低频电流幅值大于工频电压、工频电流幅值，所以可大大降低数字滤波器滤过比，缩短保护固有延时。
根据现场实测，发电机在正常工况下，实测低频电压与低频电流比值幅值最大值Zmax=115kΩ（折算至一次值）。当发电机定子绕组经5kΩ电阻接地时，实测低频电压与低频电流比值幅值Z=93.7kΩ。根据该测量数据可以判别发电机定子绕组绕组绝缘已下降，验证在接地变二次负载电阻偏小的情况下也可应用。
另外本发明还提供一种发电机注入式定子接地保护装置，其特征在于包括检测单元、计算单元、判断单元，其中，
所述检测单元用于检测电压和电流，或者分别检测在短接外加电源输出回路试验、短接外加电源输出回路试验、接地变压器一次绕组短路时的电压和电流；
所述计算单元用于根据所述检测单元获得的电压和电流值计算发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值和/或输入阻抗幅值；
所述判断单元用于将所述发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值或者输入阻抗幅值与保护装置整定值比较，当低于保护装置整定值所述高定值时，保护动作为报警；当低于保护装置整定低定值时，保护动作为跳闸。
进一步地，本发明所提供的所述检测单元中还包括低频带通滤波器，与所述低频电压源装置串联，相应地，所述端口电压指所述低频电压源装置的两端电压，该端口电压经所述带通滤波器滤波后而得，所述低频电压源装置的流经电流指流经所述低频电压源装置及所述带通滤波器的电流。与常规注入式定子接地保护原理相比，由于本发明回路中有带通滤波器（附图2中的b），受工频分量的影响大大的削减，降低了数字滤波器设计难度，减少了因硬件滤波或软件滤波产生的固有延时。
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改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (9)
1.一种发电机注入式定子接地保护方法，其特征在于包括步骤：
检测外加电源两端的低频电压和流经外加电源的低频电流，分别求得注入电源装置内阻值、接地变压器二次负载电阻阻值和接地变压器漏阻抗值；通过低频交流回路相量计算，根据导纳法求得发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值；当检测到所述发电机定子绕组接地故障过渡电阻低于保护装置整定高定值时，保护动作为报警；当检测到所述发电机定子绕组接地故障过渡电阻低于保护装置整定低定值时，保护动作为跳闸；或者，
根据所述低频电压和所述低频电流求出输入阻抗幅值，当检测到所述输入阻抗幅值低于所述保护装置整定高定值时，保护动作为报警；当检测到所述输入阻抗幅值低于所述保护装置整定低定值时，保护动作为跳闸。
2.如权利要求1所述的一种发电机注入式定子接地保护方法，其特征在于：在停机工况下，采用短接外加电源输出回路试验，检测此时外加电源两端低频电压和流经外加电源低频电流，求得外加电源装置内阻阻值。
3.如权利要求1所述的一种发电机注入式定子接地保护方法，其特征在于：在停机工况下，采用实测接地变压器二次负载电阻试验，检测此时外加电源两端低频电压和流经外加电源低频电流，求得接地变压器二次负载电阻阻值。
4.如权利要求1所述的一种发电机注入式定子接地保护方法，其特征在于：在停机工况下，将接地变压器一次绕组短路，检测此时外加电源两端低频电压和流经外加电源低频电流，求得接地变压器漏阻抗值。
5.如权利要求1至4中任一项所述的一种发电机注入式定子接地保护方法，其特征在于：利用低频交流回路相量计算方法，求得所述发电机定子绕组接地故障过渡电阻具体使用公式：
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其中，n为接地变压器电压变比，为外加电源两端的低频电压，为流经外加电源的低频电流，Rin为注入电源装置内阻值，Rn为接地变压器二次负载电阻阻值，Zk为接地变压器漏阻抗值。
6.如权利要求1所述的一种发电机注入式定子接地保护方法，其特征在于：求得所述输入阻抗幅值Z具体使用公式：
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其中，n为接地变压器电压变比，为外加电源两端的低频电压，为流经外加电源的低频电流。
7.如权利要求1所述的一种发电机注入式定子接地保护方法，其特征在于：还包括步骤，测量发电机各种正常工况下定子绕组无接地故障时最大的输入阻抗幅值，以所述最大的输入阻抗幅值作为设置所述保护装置整定高定值和所述保护装置整定低定值的依据。
8.一种发电机注入式定子接地保护装置，其特征在于包括检测单元、计算单元、判断单元，其中，
所述检测单元用于检测低频电压源装置的端口电压和低频电压源装置的流经电流，或者分别检测在短接外加电源输出回路试验、短接外加电源输出回路试验、接地变压器一次绕组短路时的低频电压源装置的端口电压和低频电压源装置的流经电流；
所述计算单元用于根据所述检测单元获得的电压和电流值计算发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值和/或输入阻抗幅值；
所述判断单元用于将所述发电机定子绕组接地故障过渡电阻阻值或者输入阻抗幅值与保护装置整定值比较，当低于保护装置整定高定值时，保护动作为报警；当低于保护装置整定低定值时，保护动作为跳闸。
9.如权利要求8所述的一种发电机注入式定子接地保护装置，其特征在于，所述检测单元还包括低频带通滤波器，与所述低频电压源装置串联，相应地，所述端口电压指所述低频电压源装置的两端电压，该端口电压经所述带通滤波器滤波后而得，所述低频电压源装置的流经电流指流经所述低频电压源装置及所述带通滤波器的电流。
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