CN113949319B - 一种发电机定子单相接地故障消弧方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种发电机定子单相接地故障消弧方法及系统，属于发电机领域，方法包括：监测发电机的工作状态是否正常，并在工作状态为单相接地故障时，通过在线故障定位得到故障点至中性点的绕组电动势；计算令中性点电压与绕组电动势大小相等方向相反时需要注入中性点的注入电流，启动零序电压有源调控装置向中性点注入该注入电流以消弧；消弧预设时间后，根据发电机中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量计算故障电流；根据故障电流与设定阈值之间的关系辨识发电机单相接地故障的类型，并选取与类型对应的保护策略进行发电机保护。对发电机定子瞬时性接地故障进行有效消弧，提高供电可靠性。

Description

一种发电机定子单相接地故障消弧方法及系统
技术领域
本发明属于发电机领域，更具体地，涉及一种发电机定子单相接地故障消弧方法及系统。
背景技术
大型发电机容易发生弧光接地故障，是发电机保护的一大难题。国内外大型发电机组普遍采用中性点经消弧线圈或配电变压等非有效接地方式，从而限制单相接地故障电流。此类无源消弧方式仅能补偿故障点工频无功残流，无法补偿有功电流，且无法适应各种复杂的发电机定子接地故障情况，消弧能力有限。间歇性弧光接地故障易形成过电压，如不及时消除故障电流，可能烧毁发电机定子绕组。然而，若定子接地保护在瞬时性接地故障情况下动作并切除发电机，将引发长时间机组停电事故，影响供电可靠性，造成巨大经济损失。随着新能源并网比例增大，主力机组的重要性逐渐提升，瞬时性故障时轻易切机不利于电网的稳定运行。目前针对发电机定子接地故障消弧方面的研究存在一定缺陷，达到消弧效果的搜索时间过长，可能加剧故障后果，且在工程上无法判断是否消弧成功，没有考虑对定子接地保护的影响。
针对发电机定子接地故障，现有保护可分为传统保护和新型保护。传统的发电机定子接地保护为基波零序电压保护和三次谐波保护共同构成的100％定子接地保护，以及低频注入式保护。此类保护均已在工程上得到广泛应用并已有大量研究对其进行修正和改进。上述保护方法均无法独立分辨瞬时性定子接地故障，在此情况下无法与零序电压有源调控装置配合，无法灵活满足发电机可持续供电需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种发电机定子单相接地故障消弧方法及系统，其目的在于对发电机定子瞬时性接地故障进行有效消弧，提高供电可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种发电机定子单相接地故障消弧方法，包括：S1，监测发电机的工作状态是否正常，并在所述工作状态为单相接地故障时，通过在线故障定位得到故障点至中性点的绕组电动势；S2，计算令中性点电压与所述绕组电动势大小相等方向相反时需要注入中性点的注入电流，启动零序电压有源调控装置向中性点注入所述注入电流以消弧；S3，消弧预设时间后，根据发电机中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量计算故障电流；S4，根据所述故障电流与设定阈值之间的关系辨识发电机单相接地故障的类型，并选取与所述类型对应的保护策略进行发电机保护。
更进一步地，所述S1中监测发电机的工作状态是否正常包括：监测发电机中性点基波零序电压、发电机中性点三次谐波电压和注入式定子接地保护装置的接地过渡电阻，当所述发电机中性点基波零序电压、发电机中性点三次谐波电压或接地过渡电阻中的任一项大于相应整定值时，发电机的工作状态为单相接地故障。
更进一步地，所述S2中计算得到的注入电流为：
其中，为所述注入电流，/>为所述绕组电动势，YA、YB、YC分别为A、B、C相绕组对地导纳，ZT为中性点接地变压器的短路阻抗和短路损耗所对应的阻抗，YN为中性点对地导纳。
更进一步地，所述S3中计算得到的故障电流为：
其中，为所述故障电流，/>为第一中性点零序电压的基频变化量，/>为第二中性点零序电压的基频变化量，/>为第一中性点零序电流的基频变化量，/>为第二中性点零序电流的基频变化量。
更进一步地，消弧预设时间后，所述S3中还包括：分两次逐次减小所述注入电流的幅值，并在每次减小过程中获取中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量，得到所述和/>
更进一步地，所述S4中判断发电机单相接地故障的类型的判断依据为：
其中，s1为电压设定阈值，s2为电流设定阈值。
更进一步地，所述电流设定阈值和所述电压设定阈值分别由发电机中性点处安装的零序电流互感器和零序电压互感器的精度整定得到。
更进一步地，所述S4中选取与所述类型对应的保护策略进行发电机保护包括：当所述类型为瞬时性接地故障时，停止零序电压有源调控装置向中性点注入电流，保护闭锁；当所述类型为永久性接地故障时，保护动作并切除发电机。
按照本发明的另一个方面，提供了一种发电机定子单相接地故障消弧系统，包括：监测模块，用于监测发电机的工作状态是否正常，并在所述工作状态为单相接地故障时，通过在线故障定位得到故障点至中性点的绕组电动势；消弧模块，用于计算令中性点电压与所述绕组电动势大小相等方向相反时需要注入中性点的注入电流，启动零序电压有源调控装置向中性点注入所述注入电流以消弧；故障电流计算模块，用于消弧预设时间后，根据发电机中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量计算故障电流；保护选取模块，用于根据所述故障电流与设定阈值之间的关系辨识发电机单相接地故障的类型，并选取与所述类型对应的保护策略进行发电机保护。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：对于发电机定子单相接地故障，在发电机中性点引入零序电压有源调控装置向发电机中性点注入电流，有效的降低故障点电压和电流，可以补偿故障电流的无功、有功分量，进行有效消弧；进一步地，基于注入电流后中性点零序电压和电流的特性，辨别故障是否消弧，有效区分瞬时性接地故障和永久性接地故障，根据不同的故障类型进行不同的保护策略，实现在瞬时性接地故障时发电机的不停电运行，避免频繁停机和计划外停机检修，保证系统供电可靠性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的发电机定子单相接地故障消弧方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的基于零序电压有源调控的发电机定子接地故障示意图；
图3为本发明实施例提供的发电机定子C相绕组距中性点α＝0.875处发生高过渡电阻接地故障时，零序电压有源调控注入电流后的故障点接地电流和对地电压变化图；
图4为本发明实施例提供的发电机定子单相接地故障消弧系统的框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
图1为本发明实施例提供的发电机定子单相接地故障消弧方法的流程图。参阅图1，结合图2-图3，对本实施例中发电机定子单相接地故障消弧方法进行详细说明，方法包括操作S1-操作S4。
操作S1，监测发电机的工作状态是否正常，并在工作状态为单相接地故障时，通过在线故障定位得到故障点至中性点的绕组电动势。
根据本发明的实施例，操作S1中监测发电机的工作状态是否正常包括：监测发电机中性点基波零序电压、发电机中性点三次谐波电压和注入式定子接地保护装置的接地过渡电阻，当发电机中性点基波零序电压、发电机中性点三次谐波电压或接地过渡电阻中的任一项大于相应整定值时，判定发电机的工作状态为单相接地故障。
操作S2，计算令中性点电压与绕组电动势大小相等方向相反时需要注入中性点的注入电流，启动零序电压有源调控装置向中性点注入该注入电流以消弧。
参阅图2，以故障发生在C相距离中性点α处为例，则注入电流可以表示为：
其中，为注入电流，/>为中性点电压，/>分别为发电机A、B、C相电源，为故障点至中性点的绕组电动势，YN为中性点对地导纳，YA、YB、YC分别为发电机A、B、C相相绕组对地导纳，Yf为故障相对地导纳，当故障发生在C相时Yf＝Yc+1/Rf，ZT为中性点接地变压器的短路阻抗和短路损耗所对应的阻抗。
为了实现单相接地故障消弧，保证故障点电压为零，应调节中性点电压与绕组电动势大小相等方向相反，即应调节代入上式可得：
假设发电机三相完全对称，且各相对地电容相等，则需要向中性点注入的电流为：
操作S3，消弧预设时间后，根据发电机中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量计算故障电流。
根据本发明的实施例，操作S3中，消弧预设时间后，分两次逐次减小注入电流的幅值，并在每次减小过程中获取中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量，得到和/>其中，/>和/>为第一次减小注入电流幅值的过程中获取中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量，/>和/>为第二次减小注入电流幅值的过程中获取中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量。
具体地，消弧预设时间后，预设时间例如为0.2s，减小注入电流的幅值至原来的1/M，测量中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量得到和/>再减小注入电流的幅值至原来的1/N，测量中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量得到/>和/>其中，1＜M＜＜N。
仍以C相发生单相接地故障为例，本实施例中，减小注入电流使得中性点零序电压变化量为可得各相接地电流变化为：
其中，分别为A、B、C相对地电流的变化量，/>为故障电流。
此时，若故障点已经消弧，则说明改变中性点零序电压，各相接地电流变化相等。若是永久性接地故障，则/>一直存在，故障相接地电流变化依然大于其它两相。
各相绕组接地电流并不容易测量，因此，本实施例中用更容易测量的发电机中性点零序电流来代替相接地电流作为判据。为中性点侧A、B、C相电流，为机端A、B、C相电流。根据电路特性可知发电机中性点零序电流表达式为：
上式表明相接地电流的变化可体现在中性点零序电流中，即：
根据上式可知，若消弧成功，令通过测量不同时刻得到的/>和/>可以求得以两组数据/>和/>为例，可得故障电流/>为：
操作S4，根据故障电流与设定阈值之间的关系辨识发电机单相接地故障的类型，并选取与该类型对应的保护策略进行发电机保护。
在零序装置有源调控一段时间后，减小注入电流幅值，通过测量中性点零序电流的基频变化量和零序电压的基频变化量来计算故障电流，根据故障电流与设定阈值之间的关系判断是否消弧成功。理论上而言，设定阈值为0，若则说明消弧成功，否则为永久性接地故障。实际应用中，计及互感器测量及误差问题，为防止误判，设定阈值应略大于0，设定阈值例如选取0.1，即/>则说明消弧成功，否则为永久性接地故障。
根据本发明的实施例，发生永久性金属性接地时，由于故障点直接与大地相连，过渡电阻为0，此时减小注入电流并不能在故障点引起电压的变化，导致中性点所测得零序电压的变化为0，则计算所得会造成误判。因此需设定一个前提，若第二次测量得到的说明发生了永久性接地故障，无需再计算/>计及互感器测量及误差问题，取作为阈值。
综上，操作S4中判断发电机单相接地故障的类型的判断依据为：
其中，s1为电压设定阈值，s2为电流设定阈值。电流设定阈值s2和电压设定阈值s1分别由发电机中性点处安装的零序电流互感器和零序电压互感器的精度整定得到。
需要说明的是，对于发电机定子接地保护而言，相较于配网中使用的中性点零序电压，故障电流更能直观反应发电机定子单相接地故障的存在，这是因为发电机中性点零序电压会受到其它发电机故障比如发电机相间短路、匝间短路等等的影响。除此之外，发电机定子单相接地故障对发电机定子铁芯损害大，而接地故障电流大小能反应定子单相接地故障对发电机的损害程度，本实施例中计算的故障电流还可以用于对发电机铁芯及运行状态进行评估和诊断。因此，本实施例中基于故障电流辨识发电机单相接地故障的类型，具有更高的辨识准确度和精度，更为可靠。
根据本发明的实施例，操作S4中选取与该类型对应的保护策略进行发电机保护包括：当该类型为瞬时性接地故障时，停止零序电压有源调控装置向中性点注入电流，保护闭锁；当该类型为永久性接地故障时，保护动作并切除发电机。
进一步地，在PSCAD/EMTDC软件平台中搭建如图2所示的基于零序电压有源调控的发电机定子接地故障仿真模型，发电机各参数见表1，负荷采用三相平衡的恒定阻抗负载模型，统一等效为P＝1000MW和Q＝800MVar。
表1
参数名称 代号 单位 机组数据
发电机额定容量 S MVA 1278
发电机无功功率 P MW 1150
额定电压 UtN kV 24
额定电流 ItN A 30739
定子绕组每相对地电容 Cf μF 0.397
机端设备每相对地电容 Cω μF 0.405
定子每相直流电阻 ra mΩ 1.528
注入式保护注入源内电势 E V 30
注入式保护注入源内阻 R Ω 8
接地变压器变比 U0/U02 kV/kV 24/0.866
(1)设置0.2s时在发电机定子C相绕组距中性点α＝0.875处发生Rf＝2000Ω的接地故障，0.5s时执行本实施例中的消弧方法，注入电流使得到故障点接地电流和对地电压幅值变化如图3所示。分析图3可知，接地故障电流的基波分量和故障相电压基频幅值将下降为零，表明消弧成功。
(2)分别对故障位置距中性点α＝0.875和α＝0.125的不同故障类型的消弧效果进行仿真，结果列表如表2所示，表中幅值均指的是基频幅值。
表2
分析表2中的结果可知，本实施例中的消弧方法在零序电压有源调控下可以有效的降低接地故障电流和电压，可以起到主动接地消弧的作用。
(3)设置故障位置距中性点α＝0.875和α＝0.125不同故障类型的仿真，执行本实施例中的消弧方法，具体步骤为：监测发电机中性点基波零序电压和三次谐波电压，当电压大于整定值时保护启动，判定发电机发生单相接地故障；获取注入电流使/>延时0.2s后，减小注入电流的幅值，测得中性点零序电流和零序电压的基频变化量和/>并根据上述判断依据及相关计算公式进行计算得到表3。
表3
根据表3分析可知，永久性金属性接地时改变注入电流幅值并不会引起中性点零序电压的变化，完全符合理论分析结果。无论是瞬时性故障还是永久性故障，通过上述判据得到的结果均与仿真情况一致。故障位置和过渡电阻均不会对结果产生影响。
相比于传统消弧方法，本实施例中基于零序电压有源调控的消弧方法能够在各种发电机定子接地故障下有效消弧，所提出的保护策略可以辨别故障类型，区分瞬时性接地故障和永久性接地故障并做针对性处理，有效消除瞬时性接地故障并保证保护不误动，利于发电机的持续可靠运行。
图4为本发明实施例提供的发电机定子单相接地故障消弧系统的框图。参阅图4，该发电机定子单相接地故障消弧系统400包括监测模块410、消弧模块420、故障电流计算模块430以及保护选取模块440。
监测模块410例如执行操作S1，用于监测发电机的工作状态是否正常，并在工作状态为单相接地故障时，通过在线故障定位得到故障点至中性点的绕组电动势。
消弧模块420例如执行操作S2，用于计算令中性点电压与绕组电动势大小相等方向相反时需要注入中性点的注入电流，启动零序电压有源调控装置向中性点注入该注入电流以消弧。
故障电流计算模块430例如执行操作S3，用于消弧预设时间后，根据发电机中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量计算故障电流。
保护选取模块440例如执行操作S4，用于根据故障电流与设定阈值之间的关系辨识发电机单相接地故障的类型，并选取与该类型对应的保护策略进行发电机保护。
发电机定子单相接地故障消弧系统400用于执行上述图1-图3所示实施例中的发电机定子单相接地故障消弧方法。本实施例未尽之细节，请参阅前述图1-图3所示实施例中的发电机定子单相接地故障消弧方法，此处不再赘述。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种发电机定子单相接地故障消弧方法，其特征在于，包括：
S1，监测发电机的工作状态是否正常，并在所述工作状态为单相接地故障时，通过在线故障定位得到故障点至中性点的绕组电动势；
S2，计算令中性点电压与所述绕组电动势大小相等方向相反时需要注入中性点的注入电流，启动零序电压有源调控装置向中性点注入所述注入电流以消弧；
S3，消弧预设时间后，根据发电机中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量计算故障电流；计算得到的故障电流为：
其中，为所述故障电流，/>为第一中性点零序电压的基频变化量，/>为第二中性点零序电压的基频变化量，/>为第一中性点零序电流的基频变化量，/>为第二中性点零序电流的基频变化量；
S4，根据所述故障电流与设定阈值之间的关系辨识发电机单相接地故障的类型，并选取与所述类型对应的保护策略进行发电机保护，判断发电机单相接地故障的类型的辨识判据为：
其中，s1为电压设定阈值，s2为电流设定阈值。
2.如权利要求1所述的发电机定子单相接地故障消弧方法，其特征在于，所述S1中监测发电机的工作状态是否正常包括：
监测发电机中性点基波零序电压、发电机中性点三次谐波电压和注入式定子接地保护装置的接地过渡电阻，当所述发电机中性点基波零序电压、发电机中性点三次谐波电压或接地过渡电阻中的任一项大于相应整定值时，发电机的工作状态为单相接地故障。
3.如权利要求1所述的发电机定子单相接地故障消弧方法，其特征在于，所述S2中计算得到的注入电流为：
其中，为所述注入电流，/>为所述绕组电动势，YA、YB、YC分别为A、B、C相绕组对地导纳，ZT为中性点接地变压器的短路阻抗和短路损耗所对应的阻抗，YN为中性点对地导纳。
4.如权利要求1所述的发电机定子单相接地故障消弧方法，其特征在于，消弧预设时间后，所述S3中还包括：分两次逐次减小所述注入电流的幅值，并在每次减小过程中获取中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量，得到所述和/>
5.如权利要求1所述的发电机定子单相接地故障消弧方法，其特征在于，所述电流设定阈值和所述电压设定阈值分别由发电机中性点处安装的零序电流互感器和零序电压互感器的精度整定得到。
6.如权利要求1所述的发电机定子单相接地故障消弧方法，其特征在于，所述S4中选取与所述类型对应的保护策略进行发电机保护包括：
当所述类型为瞬时性接地故障时，停止零序电压有源调控装置向中性点注入电流，保护闭锁；
当所述类型为永久性接地故障时，保护动作并切除发电机。
7.一种发电机定子单相接地故障消弧系统，其特征在于，包括：
监测模块，用于监测发电机的工作状态是否正常，并在所述工作状态为单相接地故障时，通过在线故障定位得到故障点至中性点的绕组电动势；
消弧模块，用于计算令中性点电压与所述绕组电动势大小相等方向相反时需要注入中性点的注入电流，启动零序电压有源调控装置向中性点注入所述注入电流以消弧；
故障电流计算模块，用于消弧预设时间后，根据发电机中性点零序电压的基频变化量和中性点零序电流的基频变化量计算故障电流；算得到的故障电流为：
其中，为所述故障电流，/>为第一中性点零序电压的基频变化量，/>为第二中性点零序电压的基频变化量，/>为第一中性点零序电流的基频变化量，/>为第二中性点零序电流的基频变化量；
保护选取模块，用于根据所述故障电流与设定阈值之间的关系辨识发电机单相接地故障的类型，并选取与所述类型对应的保护策略进行发电机保护，判断发电机单相接地故障的类型的辨识判据为：
其中，s1为电压设定阈值，s2为电流设定阈值。
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