CN114002614A - 变速抽水蓄能机组转子绕组单相接地故障的判别方法 - Google Patents

变速抽水蓄能机组转子绕组单相接地故障的判别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，包括步骤：(1)接入转子绕组三相对地电压测量信号；(2)将三相对地电压两两相减得到三个线电压，计算三个线电压的基波分量有效值；(3)计算三相对地电压的总有效值、基波分量有效值，进而得到谐波分量有效值；(4)若三个线电压的基波分量有效值均大于门槛且三相对地电压的谐波分量有效值均低于低定值门槛或者均高于高定值门槛，且持续时间超过延时定值，认为转子绕组发生单相接地故障。本发明解决了常规零序电压保护灵敏度受接地故障前转子绕组运行电压影响的问题，且无需改动一次设备，实现简便。

Description

变速抽水蓄能机组转子绕组单相接地故障的判别方法
技术领域
本发明涉及电力系统主设备继电保护，尤其涉及变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的保护。
背景技术
变速抽水蓄能机组为交流励磁方式，转子内置三相对称分布的励磁绕组。交流励磁系统采用交-直-交变频控制，输出特定频率范围的低频交流励磁电压(一般为-10％～+10％fn，fn为定子侧额定频率)至三相转子绕组，以建立转子励磁磁场。交流励磁电压的频率、幅值和相位在交流励磁系统的调节作用下，通过控制发电机励磁磁场的大小、相对转子的位置和电机的转速，实现机组有功和无功的解耦控制，从而获得相比于定速抽水蓄能机组更加优越的运行性能。转子一点接地故障是发电机组的常见故障，单相接地故障时故障点流过的电流是交流励磁全系统(转子绕组，交流励磁输出端联接元件等)对地电容电流之和，该电流较大时可能导致绕组绝缘损坏，甚至烧损铁芯。因此，有必要装设转子绕组接地故障保护。
目前，变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法主要有两种：
(1)零序电压保护。该方法利用不接地系统单相接地后产生的零序电压来识别故障，具体步骤是，保护系统采用固定采样频率采集转子绕组三相对地电压的离散信号；对三相对地电压信号直接求和得到自产零序电压信号(3U0)，然后通过低通滤波分离出零序电压的基波分量；依据转子侧当前工作频率，取对应的数据窗(比如对应于2.5Hz工作频率，数据窗取 400ms时长的采样序列)，用傅氏算法或均方根算法得到零序电压有效值；当零序电压超过门槛定值时，认为转子绕组发生接地故障。
这种方法是不接地电力系统接地故障的常见判别方法，保护原理简单，计算量也较小。对于变速机组转子侧接地故障保护，与以往工频系统应用场景所不同的是，在不同工况下转子侧运行电压不同，而采用固定门槛定值，在低转子电压运行工况下保护的灵敏度下降，保护范围变小。
(2)注入式转子接地保护。该方法在转子绕组端部使用大功率电阻等元件构造一个系统中性点，保护的注入电源模块输出的特定频率的交流电压信号通过隔离变压器由所构造的系统中性点注入至转子绕组对地的回路中，通过实时测量注入回路的电压和电流，经滤波、变换、补偿等处理后计算出转子回路对地绝缘的等效阻抗。当该阻抗低于门槛定值时，认为发生了单相接地故障。
这种方法借鉴了常规机组注入式定子接地保护的基本原理和实现方式，该方法对包含转子绕组中性点在内的不同位置接地故障均具有较高的灵敏度，且能够实现机组静止状态下的对地绝缘监测。但是，保护系统构成复杂，设备成本高，实施工作量也较大。
发明内容
本发明提供了一种变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，采用的技术方案包含以下步骤：
(1)采样转子绕组三相对地电压；
(2)将三相对地电压两两相减计算三个线电压，并计算三个线电压的基波分量有效值；
(3)计算三相对地电压的总有效值和基波分量有效值，进而得到谐波分量有效值；
(4)当同时满足以下三个条件时认为发生接地故障：①、三个线电压的基波分量有效值大于门槛定值，②、三相对地电压的谐波分量有效值均低于低定值门槛或者均高于高定值门槛，③、①和②持续满足的时间超过延时定值；否则认为未发生接地故障。
进一步：步骤(1)中转子绕组三相对地电压的采集方法是：在机组交流励磁系统的机侧安装电子式电压互感器或霍尔式电压互感器，输出表征转子电压大小的数字量信号或模拟量信号。
进一步：步骤(2)中三个线电压的计算方法为：uab＝ua-ub，ubc＝ub-uc，uca＝uc-ua，其中，ua、ub、uc为转子绕组三相对地电压，uab、ubc、uca为转子绕组三个线电压。
进一步：步骤(2)中线电压的基波分量有效值和步骤(3)中三相对地电压的基波分量有效值的计算方法是：采用数字式低通滤波算法或模拟式低通滤波电路的滤波处理，分离出线电压/三相对地电压中的基波分量，然后采用均方根算法或傅氏算法计算基波分量有效值。
进一步：步骤(3)中三相对地电压的谐波分量有效值的计算公式为：
Figure BDA0002604901870000021
Figure BDA0002604901870000022
其中，Uh,a、Uh,b、Uh,c分别为三相对地电压的谐波分量的有效值，Uall,a、Uall,b、Uall,c分别为三相对地电压的总有效值，Ul,a、Ul,b、Ul,c分别为三相对地电压的基波分量有效值。
进一步：步骤(4)中所述的门槛定值取正常运行时转子最低工作电压的0.6～0.9倍。
进一步：步骤(4)中所述的低定值门槛取正常运行时三相对地电压谐波分量的0.5～0.8 倍。
进一步：步骤(4)中所述的高定值门槛取正常运行时三相对地电压谐波分量的1.2～1.5 倍。
进一步：步骤(4)中所述的延时定值取值范围为0.5～10s。
本发明还提供了一种变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别装置，该判别装置包括采样模块、总有效值计算模块、线电压计算模块、基波分量计算模块、谐波分量计算模块以及判别模块，其中：
采样模块，采样转子绕组三相对地电压；
总有效值计算模块，计算采样模块输出的三相对地电压的总有效值；
线电压计算模块，将三相对地电压两两相减计算三个线电压；
基波分量计算模块，计算三个线电压的基波分量有效值以及三相对地电压的基波分量有效值；
谐波分量计算模块，根据三相对地电压的总有效值和三相对地电压的基波分量有效值计算三相对地电压的谐波分量有效值；
判别模块，根据三个线电压的基波分量有效值、三相对地电压的谐波分量有效值判别是否发生基地故障；判别依据为：当同时满足以下①、②和③时认为发生接地故障：①、三个线电压的基波分量有效值大于门槛定值，②、三相对地电压的谐波分量有效值均低于低定值门槛或者均高于高定值门槛，③、①和②持续满足的时间超过延时定值；否则认为未发生接地故障。
本发明的有益效果是：本发明所公开的判别方法，灵敏度和保护范围与转子运行电压大小无关，相比于零序电压保护，在不同运行工况下具有更一致的保护性能。而且，保护系统不需要额外装设一、二次保护回路，实现简便。
附图说明
图1是变速抽水蓄能机组典型主接线图。
图2是本发明技术方案的逻辑流程图。
图3是变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的试验波形。
图4是转子绕组三个线电压波形。
具体实施方式
针对图1所示的典型的变速抽水蓄能机组，本发明公开方法的逻辑流程如图2所示，下面以变速抽水蓄能机组试验模拟的转子绕组接地故障试验数据为例，对本发明的具体实施方式进行详细说明。图3为转子绕组A相靠端部20％位置处单相接地故障试验的波形，分别为转子绕组A、B、C三相对地电压录波数据。接地故障发生时刻为0.3s，持续0.3s后故障消失，故障前转子侧当前工作频率为4Hz。保护方案的具体实施步骤为：
(1)以250ms数据窗(4Hz对应的周期时长)采用均方根算法计算接地故障期间三相对地电压的总有效值，计算结果为：Uall,a＝16.1V，Uall,b＝105.8V，Uall,c＝106.7V。
(2)将转子绕组三相对地电压两两相减，得到三个线电压的波形如图4所示。使用数字式低通滤波器对相电压信号进行低通滤波，滤出基波分量，并计算其有效值。
所用的低通滤波器为：
Figure BDA0002604901870000041
σ＝0.5,ωc＝4×2πf,f＝5Hz
写成离散方程为：
Figure BDA0002604901870000042
若当前时刻序号为n，则对应的滤波器差分方程为：
Figure BDA0002604901870000043
其中：
Figure BDA0002604901870000044
式中，T为采样周期，假设系统采样频率为1000Hz，则T＝1/1000s。x(n)、x(n-1)和x(n-2)分别为当前n时刻、n-1时刻和n-2时刻的相电压采样值，y1(n)、y1(n-1)、y1(n-2) 分别为当前n时刻、n-1时刻和n-2时刻的滤波器中间变量值，y2(n)为当前n时刻滤波器输出电压值。
二阶低通滤波器参数为：
Figure BDA0002604901870000045
以250ms数据窗采用均方根算法分别计算相电压和线电压中基波分量的有效值为： Ul,a＝15.9V，Ul,b＝105.5V，Ul,c＝106.2V；Ul,ab＝122.3V，Ul,bc＝120.2V，Ul,ca＝125.8V。
(3)将相电压总有效值和基波分量有效值做平方差，得到谐波分量的有效值为：
Figure BDA0002604901870000046
Figure BDA0002604901870000051
(4)针对保护判据，判别是否满足接地故障条件。门槛定值Uset1取正常运行时转子最低工作电压的0.6～0.9倍，此处取90V；低定值门槛Uset2取正常运行时三相对地电压谐波分量的0.5～0.8倍；此处取15V。判别如下：
Figure BDA0002604901870000052
式中，min函数返回三个参数的最小值，max函数返回三个参数的最大值。三个判据条件均满足，若转子绕组电压满足该式的持续时间超过1s，则认为发生接地故障。
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 (10)

1.变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，其特征是，包括步骤：
(1)采样转子绕组三相对地电压；
(2)将三相对地电压两两相减计算三个线电压，并计算三个线电压的基波分量有效值；
(3)计算三相对地电压的总有效值和基波分量有效值，进而得到谐波分量有效值；
(4)当同时满足以下三个条件时认为发生接地故障：①、三个线电压的基波分量有效值大于门槛定值，②、三相对地电压的谐波分量有效值均低于低定值门槛或者均高于高定值门槛，③、①和②持续满足的时间超过延时定值；否则认为未发生接地故障。
2.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，其特征是：步骤(1)中转子绕组三相对地电压的采集方法是：在机组交流励磁系统的机侧安装电子式电压互感器或霍尔式电压互感器，输出表征转子电压大小的数字量信号或模拟量信号。
3.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，其特征是：步骤(2)中三个线电压的计算方法为：uab＝ua-ub，ubc＝ub-uc，uca＝uc-ua，其中，ua、ub、uc为转子绕组三相对地电压，uab、ubc、uca为转子绕组三个线电压。
4.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，其特征是：步骤(2)中线电压的基波分量有效值和步骤(3)中三相对地电压的基波分量有效值的计算方法是：采用数字式低通滤波算法或模拟式低通滤波电路的滤波处理，分离出线电压/三相对地电压中的基波分量，然后采用均方根算法或傅氏算法计算基波分量有效值。
5.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，其特征是：步骤(3)中三相对地电压的谐波分量有效值的计算公式为：
Figure FDA0002604901860000011
Figure FDA0002604901860000012
其中，Uh,a、Uh,b、Uh,c分别为三相对地电压的谐波分量的有效值，Uall,a、Uall,b、Uall,c分别为三相对地电压的总有效值，Ul,a、Ul,b、Ul,c分别为三相对地电压的基波分量有效值。
6.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的保护方法，其特征是：步骤(4)中所述的门槛定值取正常运行时转子最低工作电压的0.6～0.9倍。
7.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，其特征是：步骤(4)中所述的低定值门槛取正常运行时三相对地电压谐波分量的0.5～0.8倍。
8.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，其特征是：步骤(4)中所述的高定值门槛取正常运行时三相对地电压谐波分量的1.2～1.5倍。
9.如权利要求1所述的变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别方法，其特征是：步骤(4)中所述的延时定值取值范围为0.5～10s。
10.变速抽水蓄能机组转子绕组接地故障的判别装置，其特征是：该判别装置包括采样模块、总有效值计算模块、线电压计算模块、基波分量计算模块、谐波分量计算模块以及判别模块，其中：
采样模块，采样转子绕组三相对地电压；
总有效值计算模块，计算采样模块输出的三相对地电压的总有效值；
线电压计算模块，将三相对地电压两两相减计算三个线电压；
基波分量计算模块，计算三个线电压的基波分量有效值以及三相对地电压的基波分量有效值；
谐波分量计算模块，根据三相对地电压的总有效值和三相对地电压的基波分量有效值计算三相对地电压的谐波分量有效值；
判别模块，根据三个线电压的基波分量有效值、三相对地电压的谐波分量有效值判别是否发生基地故障；判别依据为：当同时满足以下①、②和③时认为发生接地故障：①、三个线电压的基波分量有效值大于门槛定值，②、三相对地电压的谐波分量有效值均低于低定值门槛或者均高于高定值门槛，③、①和②持续满足的时间超过延时定值；否则认为未发生接地故障。
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