CN104991144A - 基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，包括以下步骤：当定子接地保护误动跳机后，利用故障录波数据测量跳机后传递电压自由振荡过程中的特征频率；通过将特征频率与发电机运行频率，即工频50Hz进行比对，当工作频率大于传递电压固有的特征频率时电路呈容性，反之电路呈感性。电路呈容性即可定性推断发电机消弧线圈处于欠补偿状态，呈感性处于过补偿状态；本发明无需对一次系统及设备参数进行实测和计算，具有简单、准确、节省时间的特点。

Description

基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法

技术领域

本发明涉及一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法。

背景技术

发电机定子接地保护的快速动作对遏制发电机电气故障发展，降低发电机损坏程度，起着重要的作用。随着定子接地保护整定计算的规范和保护逻辑的完善，由主变传递电压引起的基波零序电压定子接地保护误动率已有所降低，然而在保护误动中，由传递电压引起的经消弧线圈接地机组的保护误动占很大比例，主要原因之一为消弧线圈的补偿方式不正确，导致了发电机零序电压过高，并且超过了定子接地保护定值，引起了定子接地保护的误动，甚至有导致多台机组同时跳闸的危险，严重威胁到电网的安全运行。

发电机升压变高压侧发生接地短路时，零序电压将通过变压器高、低压绕组间的相耦合电容传递到发电机侧，传递电压计算模型如图1所示。

其中，E0为变压器高压侧接地故障产生的零序电压；C1为主变高低压绕组间的等效耦合电容，电容值与变压器容量、高压侧电压等级和变压器中性点接地等因素有关；C2为发电机系统对地单相等效电容，包括发电机、变压器绕组等电气设备的对地电容；L1和R分别为发电机中性点消弧线圈的等效电感和电阻，电压表V处测得电压U0为发电机端传递零序电压。

规程要求单元接线形式的发电机组，发电机中性点经消弧线圈接地时必须采用欠补偿方式。消弧线圈在欠补偿方式下运行时，发电机系统的对地容性电流大于消弧线圈的电感电流，传递电压系数小于等于1，而在过补偿方式运行时传递电压系数可能趋向无穷大，导致在系统接地故障时发电机机端的零序电压过高，当超过保护定值时，将引起发电机定子零序电压接地保护误动。因此，要确保发电机在欠补偿的方式下运行。因此，当经消弧线圈机组定子接地保护误动后，应首先对消弧线圈的补偿方式进行检查确认。

目前，经消弧线圈接地机组的补偿方式均采用现场一次参数实测计算的方法。定子接地保护误动后，要依次对发电机消弧线圈电感值、发电机机端系统对地电容值、主变高低压绕组的耦合电容等设备参数进行现场实测，然后通过计算来确定消弧线圈的补偿方式。参数实测要求一次系统停电，有的一次设备无法停电，参数无法进行实测，只能采用经验值，即使是参数实测值，也存在一定误差，因此该方法计算误差较大，不准确，甚至有时导致错误识别补偿方式。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，该方法当发生定子接地保护误动后，基于传递电压特征频率，在无需对一次设备参数进行实测的情况下，快速、准确的确定机组消弧线圈的补偿方式。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，包括以下步骤：

(1)基于对传递电压产生的机理，针对机组的不同状态建立机组等效电路；

(2)当定子接地保护误动跳机后，利用故障录波数据测量跳机后传递电压自由振荡过程中的特征频率；

(3)将特征频率与发电机运行频率对比，判断机组等效电路阻抗性质；

(4)根据机组等效电路的阻抗性质，推断发电机消弧线圈的补偿状态。

所述步骤(1)中，忽略电路中消弧线圈的电阻，发电机系统等效为消弧线圈L₁与发电机对地等效电容C₂并联后再与升压变等效耦合电容C₁串联而形成的电路。

所述步骤(1)中，当系统发生接地故障时，如同在电路升压变等效耦合电容C₁端接入交流电压源E0，电压源的幅值等于系统接地故障时的零序电压，其频率为50H，经消弧线圈接地的机组，在系统侧发生接地故障而产生的传递电压，在故障消失后，机端的传递电压进入自由振荡过程。

所述步骤(2)中，当系统发生接地故障时，电压源的幅值等于系统接地故障时的零序电压，此时，发电机机端的传递电压是机组固有特征频率与接地零序电压频率形成的混频波形，传递电压频率用公式(1)计算：

$f=\frac{f_1+f_2}{2}---\left(1\right)$

式中：f为传递电压频率；f₁为LC电路的固有特征频率；f₂为系统侧零序电压E0频率。

所述步骤(2)中，当系统接地故障切除后，E0电压源作用消失，因LC电路自由振荡的特点，发电机传递电压并没有随系统接地故障的切除而消失，而是进入自由振荡状态并逐步衰减。

所述步骤(2)中，零序电压混频频率的计算方法为：

等效电路的固有特征频率计算如下，忽略电路中的电阻参数：

$\begin{array}{c}Z=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}+\frac{{\mathrm{j\ωL}}_1\·\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}}{{\mathrm{j\ωL}}_1+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}}\\ =\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}+\frac{{\mathrm{j\ωL}}_1}{1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_2}\\ =-j\frac{1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1(C_2+C_1)}{{\mathrm{\ωC}}_1(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_2)}\end{array}---\left(2\right)$

其中，Z为电路的等效阻抗；ω为角频率，令分子、分母为零，电路特征频率为：

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(C_2+C_1)}}---\left(3\right);$

其中，C₁为升压变等效耦合电容值，C₂为发电机对地等效电容值，L₁为消弧线圈电感值。

所述步骤(3)中，当定子接地保护误动跳机后，利用故障录波数据测得跳机后传递电压自由振荡的特征频率，并由机组等效电路可知，当电路工作频率大于电路固有的特征频率时电路呈容性，反之电路呈感性。

所述步骤(4)中，电路呈容性即可定性推断发电机消弧线圈处于欠补偿状态，呈感性处于过补偿状态。

本发明的有益效果为：

(1)本发明方法通过基于传递电压特征频率的分析，在无需实测机组系统一次参数的情况下，利用故障录波数据量测特征频率值，通过比对特征频率与工频频率实现准确判断发电机消弧线圈的补偿方式。

(2)本方法可以快速、准确的实现对消弧线圈接地机组补偿方式的判别，实用快捷，无需对一次系统及设备参数进行实测和计算，并排除了由于测试参数误差导致错误判断的可能性。判别时间从以往的系统停电、参数实测、计算分析、恢复送电等一周时间缩短到几分钟，无需参数实测的大型试验设备，节省了大量的人力、物力，节约了时间。

附图说明

图1是本发明的计算传递电压的近似简化电路图；

图2是本发明传递电压仿真波形图；

图3是本发明300MW机组故障录波图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

基于对传递电压产生的机理，针对机组的不同状态建立传递电压计算模型，并根据机组传递电压在自由振荡过程中的特征频率来确定发电机消弧线圈的补偿方式。

具体过程为：

当定子接地保护误动跳机后，利用故障录波数据测量跳机后传递电压自由振荡过程中的特征频率；通过将特征频率与发电机运行频率，即工频50Hz进行比对，当工作频率大于传递电压固有的特征频率时电路呈容性，反之电路呈感性。电路呈容性即可定性推断发电机消弧线圈处于欠补偿状态，呈感性处于过补偿状态。

本发明的辨识原理：

图1所示等效电路中，如果忽略电路中的电阻，发电机系统可等效为消弧线圈L1与发电机对地等效电容C2并联后再与升压变等效耦合电容C1串联而形成的电路，如图1电路a-b端口左边部分所示。当系统发生接地故障时，如同在电路a-b端接入交流电压源E0，电压源的幅值等于系统接地故障时的零序电压，其频率为50H。

利用PSCAD软件对经消弧线圈接地机组的传递电压进行仿真，图2为系统侧零序电压与发电机传递过电压的仿真波形。如图所示，故障期间传递电压频率为48.87，传递电压特征与图1所示故障录波基本一致。仿真证明，经消弧线圈接地的机组，在系统侧发生接地故障而产生的传递电压，在故障消失后，机端的传递电压将进入自由振荡过程，而不是立即消失。

系统侧发生故障期间，发电机机端的传递电压是机组固有特征频率(图1a-b端左边部分电路)与接地零序电压频率(图1a-b端右部分电路)形成的混频波形，传递电压频率可用公式(1)计算。

$f=\frac{f_1+f_2}{2}---\left(1\right)$

式中：f为传递电压频率；f1为图1a、b端左部分电路的固有特征频率；f2为系统侧零序电压E0频率。

定子接地保护将机组断路器跳开后，发电机不再与系统相联，升压变等效耦合电容C1分支处于开路状态而不起作用，这时机组参数等效电路变为消弧线圈L1与发电机对地等效电容C2并联电路，如图1c-b端口左侧电路所示。此时的传递电压频率主要取决于L1与C2并联回路的特征频率。

由图1所示，当系统接地故障切除后，E0电压源作用消失，因LC电路自由振荡的特点，发电机传递电压并没有随系统接地故障的切除而消失，而是进入自由振荡状态并逐步衰减。

当定子接地保护误动跳机后，利用故障录波数据可测得跳机后传递电压自由振荡的特征频率，并由传递电压计算模型及上述分析可知，当电路工作频率大于电路固有的特征频率时电路呈容性，反之电路呈感性。因此，通过比较机组在跳闸后传递电压的特征频率可以快捷的判断发电机消弧线圈的补偿方式，电路呈容性即可定性推断发电机消弧线圈处于欠补偿状态，呈感性处于过补偿状态。

下面结合实施例对本发明做进一步说明。

以某300WM机组误动事件为例进行详细阐述：

基于特征频率分析方法：

图3为某经消弧线圈接地机组的定子接地保护误动录波，通过对跳闸后发电机机端零序电压的频率进行测量，得出零序电压频率为48.6Hz，即传递电压特征频率为48.60Hz,在正常运行及发电机单相接地期间电气量频率为50Hz，通过比对得知传递电压特征频率小于工频频率，因此可判断该机组消弧线圈在欠补偿方式下运行，其运行方式正确。

参数实测方法计算及仿真验证：

主要电气实测参数为:发电机中性点消弧线圈电感L116.31H；发电机系统单相对地电容C20.232uF，升压变(242/20kV，360MVA)高低压绕组单相等效耦合电容C10.008uF，高压侧中性点不接地。

图1所示等效电路的固有特征频率计算如下，为简化计算,忽略电路中的电阻参数：

$\begin{array}{c}Z=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}+\frac{{\mathrm{j\ωL}}_1\·\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}}{{\mathrm{j\ωL}}_1+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}}\\ =\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}+\frac{{\mathrm{j\ωL}}_1}{1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_2}\\ =-j\frac{1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1(C_2+C_1)}{{\mathrm{\ωC}}_1(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_2)}\end{array}---\left(2\right)$

其中，Z为电路的等效阻抗；ω为角频率。令分子、分母为零，电路特征频率为：

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(C_2+C_1)}}---\left(3\right)$

将参数带入公式(3)，计算电路特征频率为46.46Hz，用公式(1)计算故障期间传递电压频率为48.32Hz，计算频率与图1传递电压频率48.64基本一致。

根据发电机实测参数，计算当发电机机端发生单相接地时，补偿电感电流IL、接地电容电流IC：

$\begin{array}{c}{I}_L=\frac{U_L}{\sqrt{3}\·2\mathrm{\π}f\·L1}\\ =\frac{20kV}{\sqrt{3}\·314\·16.31}\\ =2.25A\end{array}---\left(4\right)$

$\begin{array}{c}{I}_C=\sqrt{3}\·U_L\·2\mathrm{\π}f\·C2\\ =\sqrt{3}\×20kV\×314\×0.232\×{10}^{-6}\\ =2.54A\end{array}---\left(5\right)$

其中：UL：发电机线电压20kV，如再考虑消弧线圈中电阻，实际补偿电流将小于计算值。根据计算结果得知，补偿的电感电流为2.25A，发电机单相接地后的电容电流为2.54A，因电容电流小于电感电流，因此发电机消弧线圈处于欠补偿方式，与基于传递电压特征频率的判断方法的判定结果一致。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)基于对传递电压产生的机理，针对机组的不同状态建立机组等效电路；

(2)当定子接地保护误动跳机后，利用故障录波数据测量跳机后传递电压自由振荡过程中的特征频率；

(3)将特征频率与发电机运行频率对比，判断机组等效电路阻抗性质；

(4)根据机组等效电路的阻抗性质，推断发电机消弧线圈的补偿状态。

2.如权利要求1所述的一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，其特征是：所述步骤(1)中，忽略电路中的电阻，发电机系统等效为消弧线圈L₁与发电机对地等效电容C₂并联后再与升压变等效耦合电容C₁串联而形成的电路。

3.如权利要求1所述的一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，其特征是：所述步骤(1)中，当系统发生接地故障时，如同在电路升压变等效耦合电容C₁端接入交流电压源E0，电压源的幅值等于系统接地故障时的零序电压，其频率为50H，经消弧线圈接地的机组，在系统侧发生接地故障而产生的传递电压，在故障消失后，机端的传递电压进入自由振荡过程。

4.如权利要求1所述的一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，其特征是：所述步骤(2)中，当系统发生接地故障时，电压源的幅值等于系统接地故障时的零序电压，此时，发电机机端的传递电压是机组固有特征频率与接地零序电压频率形成的混频波形，传递电压频率用公式(1)计算：

$f=\frac{f_1+f_2}{2}---\left(1\right)$

式中：f为传递电压频率；f₁为LC电路的固有特征频率；f₂为系统侧零序电压E0频率。

5.如权利要求1所述的一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，其特征是：所述步骤(2)中，当系统接地故障切除后，E0电压源作用消失，因LC电路自由振荡的特点，发电机传递电压并没有随系统接地故障的切除而消失，而是进入自由振荡状态并逐步衰减。

6.如权利要求1所述的一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，其特征是：所述步骤(2)中，零序电压混频频率的计算方法为：

等效电路的固有特征频率计算如下，忽略电路中的电阻参数：

$\begin{array}{c}Z=\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}+\frac{{\mathrm{j\ωL}}_1\·\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}}{{\mathrm{j\ωL}}_1+\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_2}}\\ =\frac{1}{{\mathrm{j\ωC}}_1}+\frac{{\mathrm{j\ωL}}_1}{1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_2}\\ =-j\frac{1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1(C_2+C_1)}{{\mathrm{\ωC}}_1(1-{\mathrm{\ω}}^2{L}_1{C}_2)}\end{array}---\left(2\right)$

其中，Z为电路的等效阻抗；ω为角频率，令分子、分母为零，电路特征频率为：

$f_1=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_1(C_2+C_1)}}---\left(3\right);$

其中，C₁为升压变等效耦合电容值，C₂为发电机对地等效电容值，L₁为消弧线圈电感值。

7.如权利要求1所述的一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，其特征是：所述步骤(3)中，当定子接地保护误动跳机后，利用故障录波数据测得跳机后传递电压自由振荡的特征频率，并由机组等效电路可知，当电路工作频率大于电路固有的特征频率时电路呈容性，反之电路呈感性。

8.如权利要求1所述的一种基于传递电压特征频率的发电机消弧线圈补偿识别方法，其特征是：所述步骤(4)中，电路呈容性即可定性推断发电机消弧线圈处于欠补偿状态，呈感性处于过补偿状态。