CN1414676A - 选择性发电机定子单相接地保护方法 - Google Patents

Abstract

一种选择性发电机定子单相接地保护方法属于继电保护领域。方法如下：利用三次B样条小波作为分析工具；采集发电机机端和中性点侧的零序电压、机端零序电流分量作为参考电量，电压互感器和电流互感器接线形式采用标准接线；对机端零序电流相位作校正；采用零序电压经小波分析后的模极大值作为启动元件；根据发电机机端和中性点侧的零序电压、机端零序电流经小波分析后的模极大值特性是否一致判别发电机定子是否发生内部单相接地故障。本发明利用三次B样条小波直接对机端、中性点两侧的测量电压以及零序电流进行分析，能可靠识别出100％范围内的发电机定子接地故障，并具有选择性，本发明在各种运行方式下均能取得很高的保护灵敏度和可靠性。

Description

选择性发电机定子单相接地保护方法

技术领域

本发明涉及的是一种发电机定子单相接地保护方法，特别是一种选择性发电机定子单相接地保护方法，属于继电保护领域。

背景技术

发电机定子单相接地往往是相间或匝间短路的先兆，因此定子接地保护有十分重要的意义。经文献检索发现，黄少锋等人在《电网技术》2000年12期，上发表的“基于三次谐波相角突变原理的发电机定子接地保护”，该文提出：在保护原理的应用上，由发电机三次谐波和基波零序电压构成的100％定子接地保护方案在国内外已获得广泛应用，基波零序电压保护可以实现定子绕组85％～95％的保护。它与三次谐波电压型接地保护一起使用，可以共同实现100％定子绕组的接地保护。早期的三次谐波零序电压的保护方案多采用单侧量构成保护判据，由于三次谐波电势受工况影响较大且发电机都各自有自身规律，仅利用单侧电量构成的保护判据灵敏度较低且保护范围小。人们转而研究利用双侧电量构成保护判据，即以中性点和机端两侧的三次谐波电压量的组合作为动作量构成保护判据，以期减小发电机运行工况变化对保护的影响，从而提高保护灵敏度。但这种判据在机组容量进一步增大时，随机组对地分布电容增大而引起保护动作灵敏度不足，对于水轮发电机组尤为突出，随着对地电容的增大，灵敏度还将相应降低；同时，对扩大单元接线的发电机，这些方案都不具备选择性，不能区分接地故障位于机内或机外。外加电量式定子接地保护具有灵敏度高，能正确反映绕组绝缘下降的优点。但由于价格昂贵，该方案的实际应用不如零序电压方案普遍，并且同样存在无选择性的缺点。因此，研究基于零序电压具有高灵敏度的选择性定子单相接地保护方案仍具有重要意义。基于正交小波的三次谐波式发电机定子接地保护方案在灵敏度上取得了重要进步，但该方案仍然不具备选择性能。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种选择性发电机定子单相接地保护方法，使其具有选择性能，能正确识别发电机内外部故障，并能对发电机定子单相接地故障取得高灵敏度。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明方法如下：

(1)利用三次B样条小波作为分析工具；

(2)采集发电机机端和中性点侧的零序电压、机端零序电流分量作为参考电量，电压互感器和电流互感器接线形式采用标准接线；

(3)对机端零序电流相位作校正；

(4)采用零序电压经小波分析后的模极大值作为启动元件；

(5)根据发电机机端和中性点侧的零序电压、机端零序电流经小波分析后的模极大值特性是否一致判别发电机定子是否发生内部单相接地故障。

以下对本发明方法作进一步的限定：

(1)定子接地保护用电量的采集

本发明所需的电量包括机端和中性点侧零序电压以及机端零序电流，两套零序电压互感器分别接在发电机中性点和发电机机端两侧以测量保护用零序电压，为了实现保护方案的选择性能，零序电流互感器接在发电机机端侧。由于零序电流比较小，因此对测试仪器的精度要求比较高，至少采用16位的采集板。

(2)机端零序电流相位的校正

当发电机外部发生定子接地故障时，零序故障电压将产生零序电流，并经电流互感器流向机端。忽略电阻的影响，发电机零序机端等效电路的阻抗主要由发电机机端元件和自身参数决定，主要呈电抗特性。因此零序电流将滞后零序电压一定的角度。根据这一特点，可以对零序电流作角度校正，校正角度主要由发电机机端参数决定。通常，采用90°校正就基本能达到满足本方法实现的要求。

(3)启动元件的选取

零序电流采用零序电压的小波变换启动，这样零序电流的大小对启动基本上没有影响。

(4)发电机内部定子单相接地故障的判别

发电机内部发生定子单相接地故障时，机端和中性点两侧的三次谐波电压将发生变化，但主要表现为它们电压增量的相等，包括幅值与相位的相等。即使是经高电阻接地，其幅值和相角也将有轻微变化。扩大单元接线或单元接线的某台发电机发生接地故障或外部发生接地短路时，非故障发电机机端和中性点侧的零序电压增量同样会表现出这一特征。因此，单独利用零序电压增量的定子接地保护方案将不具备选择性。为了取得定子接地保护方案的选择性，引入零序电流小波变换极性判别的方式。当发电机发生定子接地故障时，故障分量电压将会产生零序电流，且零序电流流入发电机内部。当发生外部接地短路故障，零序电流方向表现为流出发电机。

由于小波变换每一尺度的局部模极大值浓缩了该尺度的主要信息，故由发电机两侧相等的故障分量引起的突变信息将主要通过模极大值来体现。因此机端和中性点两侧零序电压及零序电流经三次B样条小波变换后，在小波变换1、2尺度的波形上，其相同时段的小波变换模极大值的符号(极性)、位置和个数相同，及故障电压的小波变换模极大值是等同出现的。这是由于这些极大值对应于故障电量的突变点。采用小波函数对零序电流波形进行分析时，其模极大值也表现出这一相同特性。当然由于电流与电压存在一定的电势角度差，必然对波形分析引起一定的影响，需要作校正才能取得电压和电流模极大值的相同特性。另一方面，在发电机外部故障时，机端和中性点侧零序电压各尺度的小波变换模极大值也表现出相同的特征，但经校正后的零序电流模极大值只在位置和个数上相同，极性却呈现相反的特性。

因此，本发明利用机端、中性点测量电压及零序测量电流经小波变换后的模极大值特性有效识别出发电机定子内部是否发生单相接地故障，即同一尺度上同一位置两侧零序电压、零序电流的模极大值同号则判为接地故障，判据采用与机端、中性点两侧零序电压(基波零序电压和三次谐波电压的合成)和零序电流小波变换模极大值极性相与的方式。

发电机内部定子单相接地故障的判别方法如下：

①选取第2尺度的小波变换值作为提取特征，由于小波变换固有的滤波特性，能保证较高的抗干扰性能，并能较好地去除正常数据的影响，以确保识别的可靠性。

②以W_s.k(s＝1，2...，k＝1，2...)表示第s尺度的各局部模极大值，k表示模极大值点。例如W_1.1～W_1.3分别表示第1尺度上的模极大值点1～3。则各尺度上局部模极大值同号的识别方法可采用以下规则：

如果W_n.k-1＜W_n.k∩W_n.k+1＜W_n.k∩W_n.k＞0，则W_n.k是正极大值，

如果W_n.k-1＞W_n.k∩W_n.k+1＞W_n.k∩W_n.k＜0，则W_n.k是负极大值，

如果：W_n.k.ut＞0∩W_n.k.un＞0∩W_n.k.i＞0，则正同号，

W_n.k.ut＜0∩W_n.k.un＜0∩W_n.k.i＜0，则负同号

其中，W_n.k.ut为机端测量电压小波变换的局部极大值，W_n.k.un为中性点测量电压小波变换的局部极大值，W_n.k.i为零序电流小波变换的局部极大值。当连续超过n(n≥3)次同号时，即认为发生接地故障。

本发明不受系统运行方式的影响，系统运行方式变化时，机端和中性点侧三次谐波电压经小波变换后主要表现为连续而平缓的波形。另一方面，绝缘正常时，即使由于系统剧烈振荡或其它原因(如强励等)引起机端和中性点侧三次谐波电压产生突变，在同一尺度上两电压的小波变换模极大值将呈异号。两侧电压虽然在相同时段的局部模极大值位置和个数相同，但其符号相反，因此本发明将不会误动。

本发明综合利用基波零序和三次谐波电压合成量的突变寄异性，具有很高的灵敏度，在三峡一台700MW发电机中性点经12kΩ电阻的计算中表明，故障前后的零序电压、电流几乎没有变化，以往的保护方案无法检测到该接地故障，本发明能可靠检测出这种轻微接地故障。

本发明具有实质性特点和显著进步，传统的发电机定子接地保护方法由于原理上的缺陷及受装置水平的影响，灵敏度较低，很难满足大型发电机组对接地保护的灵敏度要求。本发明提出的方法利用三次B样条小波直接对机端、中性点两侧的测量电压以及零序电流进行分析，能可靠识别出100％范围内的发电机定子接地故障，并具有选择性，计算结果和动模实验还表明，本发明在各种运行方式下均能取得很高的保护灵敏度和可靠性，是一种较佳的具有选择性的定子接地保护方法。

具体实施方式

结合本发明方法的内容提供以下实施例：

本发明方法在一台15kVA的凸极模拟发电机作了实验验证，由于条件限制，不具备扩大单元接线的形式，发电机只能做外部短路故障实验。该机每相有两个并联分支，每支路串联10个线圈，机端附近5个线圈为每线圈4匝，中性点附近5个线圈为2匝。在A1支路上设有3个故障点a1(α＝40％)，a3(α＝70％)，a5(α＝90％)，在A2支路上有设有3个故障点a2，a4，a6，电气位置呈对称分布。短路前，电机为额定运行，励磁电流1.55A，输出功率12kW，功率因数0.8，额定相电压幅值115V，经升压变后为800V，接于220kV模拟线路，模拟三峡700MW大型水轮发电机。整个实验过程进行了各种条件的大量计算和分析，实验采用中国电力科学研究院研制的DF1024便携式波形记录仪录取故障波形和数据，根据故障数据对各方案进行离线计算和验证。表1是各短路点的实验结果，这个结果表明，本发明在各种短路情况下的保护灵敏度不低于10kΩ，在发电机突然加强励磁、系统突然严重振荡情况下能够可靠不误动，在发电机外部短路时也能够可靠不误动。因此，本发明在各种运行方式下均能取得很高的保护灵敏度和可靠性，在系统运行方式剧烈变化和外部故障情况下能可靠不误动，具有较强的选择性，适用于各种类型发电机定子绕组内部接地故障的判别。

                 表1保护方案的动模实验结果

√：表示保护动作，×：表示保护不动作

Claims (8)

1、一种选择性发电机定子单相接地保护方法，其特征在于方法如下：

(1)利用三次B样条小波作为分析工具；

(2)采集发电机机端和中性点侧的零序电压、机端零序电流分量作为参考电量，电压互感器和电流互感器接线形式采用标准接线；

(3)对机端零序电流相位作校正；

(4)采用零序电压经小波分析后的模极大值作为启动元件；

(5)根据发电机机端和中性点侧的零序电压、机端零序电流经小波分析后的模极大值特性是否一致判别发电机定子是否发生内部单相接地故障。

2、根据权利要求1所述的这种选择性发电机定子单相接地保护方法，其特征是以下对方法所作的进一步限定：

(1)定子接地保护用电量的采集；

(2)机端零序电流相位的校正；

(3)启动元件的选取；

(4)发电机内部定子单相接地故障的判别。

3、根据权利要求2所述的这种选择性发电机定子单相接地保护方法，其特征是所述的(1)定子接地保护用电量的采集具体如下：

所需的电量包括机端和中性点侧零序电压以及机端零序电流，两套零序电压互感器分别接在发电机中性点和发电机机端两侧以测量保护用零序电压，为了实现保护方案的选择性能，零序电流互感器接在发电机机端侧，由于零序电流比较小，因此对测试仪器的精度要求比较高，至少采用16位的采集板。

4、根据权利要求2所述的这种选择性发电机定子单相接地保护方法，其特征是所述的(2)机端零序电流相位的校正具体如下：

当发电机外部发生定子接地故障时，零序故障电压将产生零序电流，并经电流互感器流向机端，忽略电阻的影响，发电机零序机端等效电路的阻抗主要由发电机机端元件和自身参数决定，主要呈电抗特性，因此零序电流将滞后零序电压一定的角度，根据这一特点，对零序电流作角度校正，校正角度主要由发电机机端参数决定，通常采用90°校正即可。

5、根据权利要求2所述的这种选择性发电机定子单相接地保护方法，其特征是所述的(3)启动元件的选取具体如下：

零序电流采用零序电压的小波变换启动。

6、根据权利要求2所述的这种选择性发电机定子单相接地保护方法，其特征是所述的(4)发电机内部定子单相接地故障的判别具体如下：

为了取得定子接地保护方案的选择性，引入零序电流小波变换极性判别的方式，当发电机发生定子接地故障时，故障分量电压将会产生零序电流，且零序电流流入发电机内部，当发生外部接地短路故障，零序电流方向表现为流出发电机。

7、根据权利要求2或6所述的这种选择性发电机定子单相接地保护方法，其特征是，发电机内部发生定子单相接地故障时，机端和中性点两侧的三次谐波电压发生变化，利用机端、中性点测量电压及零序测量电流经小波变换后的模极大值特性有效识别出发电机内部定子单相接地故障，即同一尺度上同一位置两侧零序电压、零序电流的模极大值同号则判为接地故障，判据采用与机端、中性点两侧零序电压和零序电流小波变换模极大值极性相与的方式。

8、根据权利要求2或6所述的这种选择性发电机定子单相接地保护方法，其特征是是发电机内部定子单相接地故障的判别方法如下：

①选取第2尺度的小波变换值作为提取特征；

②以W_s.k，表示第s尺度的各局部模极大值，k表示模极大值点，s＝1，2…，k＝1，2…，则各尺度上局部模极大值同号的识别方法采用以下规则：

如果W_n.k-1＜W_n.k∩W_n.k+1＜W_n.k∩W_n.k＞0，则W_n.k是正极大值，

如果W_n.k-1＞W_n.k∩W_n.k+1＞W_n.k∩W_n.k＜0，则W_n.k是负极大值，

如果W_n.k.ut＞0∩W_n.k.un＞0∩W_n.k.i＞0，则正同号，W_n.k.ut＜0∩W_n.k.un＜0∩W_n.k.i＜0，则负同号其中，W_n.k.ut为机端测量电压小波变换的局部极大值，W_n.k.un为中性点测量电压小波变换的局部极大值，W_n.k.i为零序电流小波变换的局部极大值，当连续超过n次同号时，n≥3，即认为发生接地故障。