CN111796203A - 一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，包括：采集被拖动机组的零序电压，计算零序电压总有效值和零序电压工频分量有效值；获取被拖动机组的转速ω；静止变频器拖动同步电机的启动过程中，当被拖动机组转速较低时，若机组零序电压的工频分量超过一定门槛，且该零序电压工频分量的有效值与机组零序电压总有效值的比值也超过门槛，则认为静止变频器网桥侧或与网桥侧连接的其他设备发生了单相接地故障。本发明还同时提出了相应的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别装置。采用本发明的技术方案，能准确识别静止变频器网桥侧的单相接地故障，节省故障排查时间，判据简单可靠，易于实现。

Description

一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法及装置

技术领域

本发明涉及电力系统继电保护，更具体的涉及一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法及装置。

背景技术

静止变频器作为启动电源拖动同步机组时，输出频率逐渐升高的电流驱动机组连续加速，直至设定转速。对于抽水蓄能机组，在启动初期机组转速较低时，机桥侧电压幅值也较低，无法给晶闸管提供足够的换相电压，静止变频器采用强迫换相方式，输出变压器也被旁路，静止变频器与机组直接相连；而调相机和燃气轮发电机组的静止变频器均采用“高-低”设计，未配置输出变压器，在整个拖动过程期间，静止变频器与机组直接相连。若静止变频器的网桥侧及其连接设备发生接地故障，在整流和逆变回路晶闸管的轮换导通作用下，被拖动机组电压中会出现工频分量，其大小与接地故障点的过渡电阻成反比。

对于这种接地故障，虽然输入变压器低压侧装设有PT，但是由于该PT一次中性点不接地，由PT二次电压不能准确计算零序电压值，难以采用零序过电压原理构成保护，静止变频器的控制保护装置内常未配置该接地保护功能。被拖动机组的保护装置虽然配置零序电压保护功能，但考虑到无故障拖动过程中，机组电压频率极低，为防止因PT低频传变特性过差导致保护误动，常常暂时退出零序电压保护。而且，即使机组零序电压保护功能投入，从保护动作行为也难以确定接地故障点在机组内部或是外部，可能会误导现场人员接地故障排查的方向。

综上所述，目前尚未有专门针对静止变频器网桥侧接地短路故障的监测或保护功能，有必要研究相应的故障识别方法。

发明内容

本发明的目的是：提供一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法及装置，以帮助电厂人员快速排查故障。

为了达成上述目的，本发明采用的技术方案是：

第一方面，本发明提出了一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，包括：

采集被拖动机组的零序电压，计算零序电压总有效值和零序电压工频分量有效值；

获取被拖动机组的转速ω；

判断是否满足如下判别条件：

式中，ω为被拖动机组的转速，ω_set为转速门槛值；U_0,n为机组零序电压工频分量有效值，U_set为零序电压门槛值；U₀为零序电压总有效值，K_set为零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛；

所述判别条件满足且持续时间超过预设时间定值，则判为静止变频器网桥侧单相接地故障。

优选地，所述获取被拖动机组的转速ω的方法是：基于接入的转速传感器或键相传感器的脉冲信号计算得到转速ω，或者是利用接入的发电机电压或电流测量电气频率后再转换为转速值。

优选地，所述的零序电压工频分量有效值采用傅氏算法计算。

优选地，所述的零序电压总有效值的计算方法为半波积分算法或全波积分算法。

优选地，所述的转速门槛值ω_set＝α·ω_n，其中，ω_n为被拖动机组的额定转速，α为系数。

优选地，所述系数α的取值范围可以为：α∈[0.1,0.5]。

优选地，所述的零序电压门槛值U_set取值范围为1V～20V。

优选地，所述的零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛K_set取值范围为0.5～1.0。

优选地，所述的预设时间定值取值范围为0.5s～1s。

第二方面，本发明提出了一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别装置，包括：

零序电压获取单元：用于采集被拖动机组的零序电压；

有效值计算单元：用于根据所采集的零序电压，计算零序电压总有效值和零序电压工频分量有效值；

机组转速获取单元：用于获取被拖动机组的转速ω；

判断单元：用于判断是否满足如下判别条件：

式中，ω为被拖动机组的转速，ω_set为转速门槛值；U_0,n为机组零序电压工频分量有效值，U_set为零序电压门槛值；U₀为零序电压总有效值，K_set为零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛；所述判别条件满足且持续时间超过预设时间定值，则判为静止变频器网桥侧单相接地故障。

本发明的有益效果是：本发明通过静止变频器拖动同步电机的启动过程中，当被拖动机组转速较低时，若机组零序电压的工频分量超过一定门槛，且该零序电压工频分量的有效值与机组零序电压总有效值的比值也超过门槛，则认为静止变频器网桥侧或与网桥侧连接的其他设备发生了单相接地故障。能准确识别静止变频器网桥侧的单相接地故障，节省故障排查时间，判据简单可靠，易于实现。

附图说明

图1是本发明的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法实施例示意图。

图2是12-6脉动“高-低-高”静止变频器系统的网桥1侧单相接地的示意图。

图3是某电站抽水蓄能机组变频启动初期，静止变频器输入变压器低压侧A相对地绝缘损坏后，被拖动机组的中性点零序电压波形。

图4是被拖动机组的中性点零序电压的频谱分析结果。

图5是被拖动机组零序电压工频分量有效值和零序电压总有效值的计算结果。

图6是被拖动机组零序电压工频分量有效值与零序电压总有效值的比值变化图。

图7是本发明的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别装置实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1所示为本发明的一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法实施例，包括如下步骤：

(1)采集被拖动机组的零序电压，计算零序电压总有效值和零序电压工频分量有效值；

(2)获取被拖动机组的转速ω；

(3)判断是否满足如下判别条件：

式中，ω为被拖动机组的转速，ω_set为转速门槛值；U_0,n为机组零序电压工频分量有效值，U_set为零序电压门槛值；U₀为零序电压总有效值，K_set为零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛。所述判别条件满足且持续时间超过预设时间定值，则判为静止变频器网桥侧单相接地故障。

其中，获取被拖动机组的转速ω的方法可以采用以下任意一种：基于接入的转速传感器的脉冲信号计算得到转速ω，或者是基于接入的键相传感器的脉冲信号计算得到转速ω，或者是利用接入的发电机电压或电流测量电气频率后再转换为转速值。

优选的实施例中，零序电压工频分量有效值采用傅氏算法计算。

优选的实施例中，零序电压总有效值的计算方法为半波积分算法或全波积分算法。

优选的实施例中，转速门槛值ω_set＝α·ω_n，其中，ω_n为被拖动机组的额定转速，α为系数。系数α的取值范围可以为：α∈[0.1,0.5]。

优选的实施例中，零序电压门槛值U_set取值范围为1V～20V。

优选的实施例中，零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛K_set取值范围为0.5～1.0。

优选的实施例中，预设时间定值取值范围为0.5s～1s。

实施例2：

以某300MW抽水蓄能机组为例，静止变频器系统整流桥为12脉动，逆变桥为6脉动，机组0～5Hz(对应于10％额定转速)期间采用强迫换相方式运行，输出变压器被旁路。如图2所示。

正常运行时，静止变频器系统各处绝缘良好，发电机三相电压对称，主要是正序电压分量，零序电压仅有极小的不平衡分量，电压频率低，并跟随机组转速逐渐升高。采用如下步骤判别：

(1)采集被拖动机组中性点零序电压，以1.2kHz的固定采样率得到采样值序列，采用工频全波傅氏算法实时计算零序电压工频分量的有效值，同时采用全波积分算法计算零序电压的总有效值。

全波傅氏算法公式为：

式中，U_r、U_i分别为零序电压工频分量的实部和虚部，N为一周波内的采样点数，设定为24，U(k)为本周波数据窗内的零序电压采样值序列，U_0,n为零序电压工频分量有效值。

(2)全波积分算法的数据窗取连续两次过零点的采样区间，且为了防止部分时段采样值在0值上下波动而误取为过零点，筛选过零点时应进行数据窗大于12个采样点的容错判别。全波积分算法的计算公式为：

式中，U₀为零序电压总有效值，N为一周波内的采样点数，即24，abs为取绝对值函数，U(k)为本周波数据窗内的采样值序列，M取1.414。

(3)接入被拖动机组机端线电压信号，利用过零点测频算法计算当前机组转速ω为：

其中，f_s为采样频率，此处为1200；x₀、x₁为机端线电压信号前一过零时刻t₀前后的两个相邻采样值，且x₀≤0，x₁＞0；y₀、y₁为机端线电压信号当前过零时刻t₁前后的两个相邻采样值为，且y₀≤0，y₁＞0；K为x₁采样点时刻与y₀采样点时刻之间所间隔的采样周期数。ω_n为被拖动机组的额定转速，

假设K＝11，f_s＝1200，x₀＝-0.04，x₁＝0.12，y₀＝-0.1，y₁＝0.05，则计算结果为：

(4)对上述计算出的当前时刻机组转速、机组零序电压总有效值和工频分量有效值进行如下判别：

式中，ω为被拖动机组的转速，ω_set为转速门槛值；U_0,n为机组零序电压工频分量有效值，U_set为零序电压门槛值；U₀为零序电压总有效值，K_set为零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛。

若上式满足，且持续时间超过T_set＝0.5s，则认为静止变频器网桥侧发生了接地故障。

该抽水蓄能机组的静止变频器某次运行起始，机组刚开始转动时，装置采集到的被拖动机组零序电压波形出现异常，如图3所示。对该波形进行分析发现，零序电压中包含明显的工频分量、三次谐波分量和低频分量，如图4所示。

定值整定为：U_set＝5V，K_set＝0.6，ω_set＝0.5·ω_n。

装置计算出零序电压工频分量有效值U_0,n和零序电压总有效值U₀，如图5所示。由图看见，零序电压工频分量的有效值超过门槛，即U_0,n>U_set。

计算零序电压工频分量有效值与零序电压总有效值的比值K，如图6所示。定值整定为，则由图可见，比例值K也超过门槛，即

综上所述，所有判据满足条件，持续0.5s后判别为静止变频器网桥侧发生了单相接地故障。

该方法能够识别励磁变低压侧单相接地故障，节省故障排查时间，并且判据简单可靠，易于实现。

实施例3：

如图7所示，本发明的一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别装置实施例包括：零序电压获取单元、有效值计算单元、机组转速获取单元和判断单元。其中：

零序电压获取单元：用于采集被拖动机组的零序电压。

有效值计算单元：用于根据所采集的零序电压，计算零序电压总有效值和零序电压工频分量有效值。

机组转速获取单元：用于获取被拖动机组的转速ω。

判断单元：用于判断是否满足如下判别条件：

式中，ω为被拖动机组的转速，ω_set为转速门槛值；U_0,n为机组零序电压工频分量有效值，U_set为零序电压门槛值；U₀为零序电压总有效值，K_set为零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛；所述判别条件满足且持续时间超过预设时间定值，则判为静止变频器网桥侧单相接地故障。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (10)

1.一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，其特征是，包括：

采集被拖动机组的零序电压，计算零序电压总有效值和零序电压工频分量有效值；

获取被拖动机组的转速ω；

判断是否满足如下判别条件：

式中，ω为被拖动机组的转速，ω_set为转速门槛值；U_0,n为机组零序电压工频分量有效值，U_set为零序电压门槛值；U₀为零序电压总有效值，K_set为零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛；

所述判别条件满足且持续时间超过预设时间定值，则判为静止变频器网桥侧单相接地故障。

2.根据权利要求1所述的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，其特征是：所述获取被拖动机组的转速ω的方法是：基于接入的转速传感器或键相传感器的脉冲信号计算得到转速ω，或者是利用接入的发电机电压或电流测量电气频率后再转换为转速值。

3.根据权利要求1所述的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，其特征是：所述的零序电压工频分量有效值采用傅氏算法计算。

4.根据权利要求1所述的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，其特征是：所述的零序电压总有效值的计算方法为半波积分算法或全波积分算法。

5.根据权利要求1所述的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，其特征是：所述的转速门槛值ω_set＝α·ω_n，其中，ω_n为被拖动机组的额定转速，α为系数。

6.根据权利要求5所述的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，其特征是：所述系数α的取值范围为：α∈[0.1,0.5]。

7.根据权利要求1所述的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，其特征是：所述的零序电压门槛值U_set取值范围为1V～20V。

8.根据权利要求1所述的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，其特征是：所述的零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛K_set取值范围为0.5～1.0。

9.根据权利要求1所述的静止变频器网桥侧单相接地故障的识别方法，其特征是：所述的预设时间定值取值范围为0.5s～1s。

10.一种静止变频器网桥侧单相接地故障的识别装置，其特征是，包括：

零序电压获取单元：用于采集被拖动机组的零序电压；

有效值计算单元：用于根据所采集的零序电压，计算零序电压总有效值和零序电压工频分量有效值；

机组转速获取单元：用于获取被拖动机组的转速ω；

判断单元：用于判断是否满足如下判别条件：

式中，ω为被拖动机组的转速，ω_set为转速门槛值；U_0,n为机组零序电压工频分量有效值，U_set为零序电压门槛值；U₀为零序电压总有效值，K_set为零序电压工频分量有效值与总有效值的比值门槛；所述判别条件满足且持续时间超过预设时间定值，则判为静止变频器网桥侧单相接地故障。

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