CN110048372B - 一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法，包括以下步骤：实时采集高压发电机的基波零序电压，中性点、机端当前故障时刻与前Δt未故障时刻的三次谐波电压。当基波零序电压越限或三次谐波电压保护动作量同时大于保护制动量与辅助制动门槛时，判定高压发电机发生定子单相接地故障，保护装置启动，将故障的高压发电机从电力系统中隔离。本发明方法中的改进方案在降低制动系数的同时增加了辅助制动门槛，消除了高压输电网三次谐波电压波动对保护方案的影响，彻底解决高压发电机定子单相接地保护灵敏度与可靠性不高的难题。

Description

一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法
技术领域
本发明涉及一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法，适用于利用高压发电机发电的电力系统。
背景技术
20世纪末，瑞典ABB公司研发了一种利用交联聚乙烯(XLPE)电缆绕制定子绕组的高压发电机(Powerformer)。攻克了发电机设计的绝缘难题，使其机端输出电压从20kV以下跃变到理论上的400kV，从而实现了发电单元与高压输电网的直联，这项技术被誉为“21世纪的发电技术”。
在世界能源格局深刻调整、环境资源约束不断加强的新时期，我国能源电力技术的变革推动着发电设备朝着大容量、高效、安全与可持续的方向发展。利用高压发电机直联并网的能源供应模式有望得到迅速的普及。当常规发电机和高压发电机具有相同的额定容量时，高压发电机的每相对地电容电流是常规发电机的30倍。高压发电机定子单相接地故障具有更大的潜在危害性，可能导致更为严重的绕组短路故障。因此，定子绕组单相接地保护是发电机保护系统中的重要单元。
由于高压发电机定子绕组材料的改变、绕制方式的改良与绝缘方式的不同，导致定子单相接地故障暂态机理与保护策略均与常规发电机有着本质的区别。基波零序电压保护简单可靠，但在发电机中性点附近存在死区，并且随着定子绕组三相对地电容不对称度的增加，接地保护死区范围扩大。传统的三次谐波电压保护在运行中容易误动，并且随着定子绕组对地电容的增加与高压输电网三次谐波电压影响的加强，灵敏度降低，很难满足目前对保护灵敏度不断提高的要求。
因此，本发明提出了一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法，保证高压发电机供电系统的安全稳定运行。具有深远的意义和广阔的应用前景。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法。通过电压互感器实时测量高压发电机的基波零序电压与各时刻中性点、机端、高压输电网侧的三次谐波电压。引入机端三次谐波电压的调整系数，根据机端、中性点三次谐波的实时测量值，自适应的调整动作量中的机端三次谐波电压，使动作量在高压发电机正常运行时保持最小。考虑高压输电网的三次谐波电压对保护方案的影响，引入高压输电网三次谐波变化量的辅助制动门槛。当基波零序电压越限时，基波零序电压电压保护动作；当三次谐波电压动作量同时大于制动量与辅助制动门槛时，三次谐波电压保护动作；否则不动作。
本发明消除了高压输电网三次谐波电压对保护方案的影响，在降低制动系数的同时增加了自适应辅助制动门槛判据，从而有效的兼顾高压发电机保护方案的灵敏度与可靠性。
本发明所采用的技术方案包括以下步骤：
1、一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法，其特征是，包括如下步骤：
1)实时采集高压发电机基波零序电压U0，当基波零序电压大于动作整定值时，判定该高压发电机发生定子单相接地故障，否则执行步骤2)；
2)实时采集当前故障时刻中性点三次谐波电压
Figure GDA0001597491600000021
机端三次谐波电压
Figure GDA0001597491600000022
采集前Δt未故障时刻中性点三次谐波电压
Figure GDA0001597491600000023
机端三次谐波电压
Figure GDA0001597491600000024
当下述启动判据成立时，判定该高压发电机发生定子单相接地故障；启动判据为：
Figure GDA0001597491600000025
其中
Figure GDA0001597491600000026
为机端三次谐波电压调整系数；Kset为制动系数；
3)否则判定该高压发电机未发生定子单相接地故障，继续在线监测高压发电机的零序电压和三次谐波电压。
2、根据权利要求1所述的一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法，其特征在于：所述步骤2)中利用下式计算机端三次谐波电压调整系数
Figure GDA0001597491600000027
Figure GDA0001597491600000028
本发明的技术效果在于：高压发电机省去了升压变压器等相关电气设备，直联并网运行。导致高压发电机定子单相接地故障保护易受高压输电网的三次谐波电压的影响。本方法引入机端三次谐波电压调整系数与辅助制动门槛，应对高压发电机运行方式的变化，自适应的调整相应的动作量与制动量。本方法在原有发电机保护方案的基础上降低制动系数的同时增加了自适应制动门槛判据，能有效的兼顾保护方案的灵敏度与可靠性。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
下面根据说明书附图对本发明的技术方案做进一步详细表述。
参见图1，图1为本发明的系统结构示意图，两个电压互感器接于高压发电机两侧，用来提取高压发电机两侧的电压数据；零序电压U0取自高压发电机机端电压互感器的开口三角绕组或消弧线圈二次侧电压；高压发电机通过厂内的公共母线向外部系统进行供电。
为了验证本发明所描述的一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法的可行性，按图1所示的高压发电机单相接地故障模型进行了仿真，相关参数如下：额定电压156kV，定子每相电阻1.87Ω，每相漏电感1.2mH，每相对地电容1.764μF，发电机外部连接设备每相对地电容0.15μF，消弧线圈电感Ln＝580.185mH，中性点接地电阻Rn＝18.227Ω。
对高压发电机进行定子单相接地故障分析，故障点位置距中性点分别1匝、2匝、……、12匝；过渡电阻Rf分别为5Ω、500Ω、1000Ω、……、5000Ω、5500Ω；采样频率为1600Hz。考虑高压侧三次谐波对高压发电机的影响，采集故障发生后基波零序电压
Figure GDA0001597491600000031
中性点三次谐波电压
Figure GDA0001597491600000032
和机端三次谐波电压
Figure GDA0001597491600000033
一共得到3×12×12＝432组数据，部分数据如表1所示(全文数据均为U/3)。
表1
Figure GDA0001597491600000034
根据表1可以看出，高压发电机发生定子单相接地故障时，故障点越靠近机端，
Figure GDA0001597491600000035
幅值就越高；故障点越靠近中性点，
Figure GDA0001597491600000036
幅值呈降低趋势，
Figure GDA0001597491600000037
幅值呈增加趋势。据此，基波零序电压保护方案整定值设置为1kV，则可满足90％以上故障条件下保护可靠动作。中性点附近的故障死区由改进后的三次谐波电压保护方案来补充。本文以故障发生在第1匝绕组附近为例，验证改进的三次谐波电压保护方案的可靠性。采集故障发生前与后一个周期内的三次谐波电压数据，故障前
Figure GDA0001597491600000041
当Kset2＝0.03、γ＝0.1时，相关仿真数据如表2所示。
表2
Figure GDA0001597491600000042
由表2可看出：在中性点附近发生经过渡电阻单相接地故障时，三次谐波电压保护方案的动作量
Figure GDA0001597491600000043
均大于制动量UZ，保护可靠动作。弥补了基波零序电压带来的中性点附近故障保护死区的缺陷。两者相互配合构成了高压发电机100％双频式定子单相接地保护方案。

Claims (2)

1.一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法，其特征是，包括如下步骤：
1)实时采集高压发电机基波零序电压U0，当基波零序电压大于动作整定值时，判定该高压发电机发生定子单相接地故障，否则执行步骤2)；
2)实时采集当前故障时刻中性点三次谐波电压
Figure FDA0001597491590000011
机端三次谐波电压
Figure FDA0001597491590000012
采集前Δt未故障时刻中性点三次谐波电压
Figure FDA0001597491590000013
机端三次谐波电压
Figure FDA0001597491590000014
当下述启动判据成立时，判定该高压发电机发生定子单相接地故障；启动判据为：
Figure FDA0001597491590000015
其中
Figure FDA0001597491590000016
为机端三次谐波电压调整系数；Kset为制动系数；
3)否则判定该高压发电机未发生定子单相接地故障，继续在线监测高压发电机的零序电压和三次谐波电压。
2.根据权利要求1所述的一种改进的高压发电机定子单相接地故障保护方法，其特征在于：所述步骤2)中利用下式计算机端三次谐波电压调整系数
Figure FDA0001597491590000017
Figure FDA0001597491590000018
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