基于零序電壓故障暫態(tài)分量的發(fā)電機定子單相接地保護方案研究

1、基于零序電壓故障暫態(tài)分量的發(fā)電機定子單相接地保護方案研究畢大強，王祥珩，桂林，王維儉（清華大學電機系，北京100084）    摘  要：根據(jù)發(fā)電機發(fā)生定子單相接地故障后機端和中性點零序電壓故障暫態(tài)分量近似相同的特點，提出了兩種形式的基于零序電壓故障暫態(tài)分量的發(fā)電機定子單相接地保護方案；第一種形式將基波零序電壓與三次諧波電壓分開處理；第二種形式無需將兩者分開，直接把機端和中性點兩側(cè)零序電壓故障暫態(tài)分量的和與差做為保護動作信號與制動信號，通過比較相應(yīng)信號的譜能量大小檢測定子單相接地故障。文中給出了第二種判據(jù)形式的詳細仿真和試驗結(jié)果，分析表明：新的暫態(tài)保護判

2、據(jù)具有很高的靈敏度和可靠性。    關(guān)鍵詞：發(fā)電機；接地故障；零序電壓；故障暫態(tài)分量；譜能量；定子單相接地保護1  引言        發(fā)電機定子單相接地故障具有很大的潛在危害性，可能導致更為嚴重的繞組短路故障。因此，定子繞組單相接地保護是發(fā)電機保護系統(tǒng)中的重要單元。目前，基于穩(wěn)態(tài)量的基波零序電壓與三次諧波電壓保護組合實現(xiàn)100%定子繞組接地保護得到廣泛的應(yīng)用1。基波零序電壓保護簡單可靠，但在發(fā)電機中性點附近存在死區(qū)，并且隨著定子繞組三相對地電容不對稱度的增加，接地保護死區(qū)擴大。傳統(tǒng)的

3、三次諧波電壓保護在運行中容易誤動，并且隨著定子繞組對地電容的增加，靈敏度降低，很難滿足目前對保護靈敏度不斷提高的要求。        為提高三次諧波電壓保護的靈敏度，文2提出了三次諧波電壓自適應(yīng)保護方案，通過實時調(diào)整判據(jù)中的復比例系數(shù)，使正常時的動作量很小，從而允許降低制動量，在接地故障突然發(fā)生時保護具有較高的靈敏度。但該方案在不同負載下的靈敏度不同，按重載工況整定，犧牲了輕載工況下的靈敏度。文3提出了基于三次諧波電壓故障分量的定子接地保護方案，仿真表明判據(jù)能夠取得更高的靈敏度。但在實際應(yīng)用中，該判據(jù)的比值部分約束條件太強，

4、其整定值將對保護的靈敏度影響較大。        另外，小波變換在發(fā)電機定子單相接地故障檢測中也有應(yīng)用4,5，但基于小波變換的保護方案需要較高采樣率，并且易受噪聲干擾，因而離實際應(yīng)用還有一定的距離。        當接地故障的過渡電阻較大時，故障前后的穩(wěn)態(tài)量變化很小，但故障后仍存在故障暫態(tài)過程，利用故障暫態(tài)分量構(gòu)成保護判據(jù)將比穩(wěn)態(tài)分量獲得更高的靈敏度。本文分析了發(fā)電機正常運行時機端和中性點零序電壓及其接地故障后故障暫態(tài)分量的變化特點，提出了基于零序電壓故障

5、暫態(tài)分量的定子單相接地保護方案，該保護方案具有較高的靈敏度，且受發(fā)電機運行工況影響較小。2   基于零序電壓故障暫態(tài)分量的定子單相接地保護原理基礎(chǔ)        由于發(fā)電機定子繞組的漏抗和電阻遠小于其對地容抗，若忽略定子繞組漏抗和電阻的影響，當定子發(fā)生單相接地故障后，基波和三次諧波電壓故障分量的零序簡化電路都可以等效為圖1中的電路，其中zt、zn分別為機端和中性點等效阻抗，rg為接地過渡電阻，為故障前故障點的電壓。從圖中可以看出，故障后機端和中性點零序電壓的故障分量近似相同(包括幅值與相位)。 

6、       正常運行時，由于定子繞組對地電容不對稱使發(fā)電機機端和中性點存在基波零序電壓，但兩者的大小幾乎相同，且變化很小。正常運行時三次諧波電壓的簡化電路如圖2所示，其中ct為每相機端附加電容，cg為每相繞組對地電容，rn、ln為中性點接地電阻和電感，為發(fā)電機三次諧波電動勢，對于不同的中性點接地方式，機端和中性點三次諧波電壓相位差不盡相同。當ln = 0時，若rn趨向，發(fā)電機中性點不接地，兩側(cè)三次諧波電壓相位差為180；若rn很小，發(fā)電機中性點接近直接接地，兩側(cè)三次諧波電壓相位差為90；當rn = 1/3(cg+ct)時，發(fā)電機中性

7、點經(jīng)電阻接地，若無附加電容，兩側(cè)三次諧波電壓相位差約為146，若有附加電容，兩側(cè)三次諧波電壓相位差比146略小。即中性點接地電阻rn在0之間變化時，對應(yīng)正常時機端與中性點的三次諧波電壓相位差在90180之間變化。當發(fā)電機中性點經(jīng)電抗器或消弧線圈接地（欠補償或諧振方式）時，若rn = 0，兩側(cè)三次諧波電壓相位差為180；若rn為小值電阻時，兩側(cè)三次諧波電壓相位差略小于180。    由以上分析可知，根據(jù)不同的中性點接地方式，正常時機端與中性點三次諧波電壓的相位差為90180。當發(fā)電機運行方式變化或由于其它原因引起機端和中性點的三次諧波電壓變化時，這兩電壓變化量的比值

8、近似不變，且其變化量的相位差近似于正常時的規(guī)律。     為進一步說明以上零序電壓的變化特點，利用文6中基于交流電機多回路分析方法的定子單相接地故障暫態(tài)仿真模型，對一臺三峽發(fā)電機組進行了仿真計算。發(fā)電機額定電壓為20kv，每相5分支，每分支串聯(lián)線圈數(shù)為36匝，定子繞組每相對地電容1.81f，考慮機端附加電容為0.2f，發(fā)電機中性點和機端電壓互感器變比分別為點經(jīng)528.1電阻(等于發(fā)電機三相對地容抗值)接地。     基于多回路的仿真模型中考慮了定子鐵心飽和的影響，同時將定子繞組分成多段以考慮繞組對地分布電容。分段數(shù)不影響繞組

9、中三次諧波電壓大小的計算，但影響三次諧波電壓在機端和中性點處的分配比例。繞組段數(shù)分得越多，仿真越準確，但段數(shù)過多將大幅增加狀態(tài)方程的階數(shù)和計算量。綜合考慮計算量和準確度，將仿真電機的定子繞組每分支分成12段進行分析。當b相第1分支靠近中性點第3匝線圈處經(jīng)8k過渡電阻發(fā)生接地故障時，圖3給出了機端和中性點零序電壓(ut、un)、相應(yīng)故障暫態(tài)分量(ut、un，計算間隔為20ms)的波形以及兩側(cè)零序電壓中三次諧波電壓分量相位差的變化。從圖中可以看出，機端和中性點零序電壓的故障暫態(tài)分量(包括基波與三次諧波)幾乎相同，正常時機端和中性點三次諧波電壓的相位差約為141。   

10、     當發(fā)電機勵磁電壓突然增加時，機端和中性點零序電壓發(fā)生變化，圖4給出了此時機端和中性點的零序電壓、相應(yīng)故障暫態(tài)分量以及兩側(cè)零序電壓中三次諧波電壓故障分量的相位差。從圖中可以看出，三次諧波電壓故障分量的相位差接近正常時機端和中性點三次諧波電壓的相位差。      仿真表明，對于不同中性點接地方式、不同過渡電阻、不同故障位置下發(fā)生單相接地故障，機端和中性點零序電壓故障暫態(tài)分量具有同樣的特點。 3   基于零序電壓故障暫態(tài)分量的定子單相接地保護方案3.1 保護方案  

11、60; 根據(jù)以上分析的故障前后機端和中性點零序電壓的變化特點，提出了基于零序電壓故障暫態(tài)分量的單相接地保護方案。式中  uset為門檻電壓；為可靠性系數(shù)。    由于繞組對地電容不對稱，導致發(fā)電機正常運行時中性點有偏移電壓，使得基于穩(wěn)態(tài)量的基波零序電壓保護在中性點附近存在死區(qū)。若采用基波零序電壓的故障分量作為保護判據(jù)的動作量，即使有偏移電壓存在，在死區(qū)內(nèi)發(fā)生單相接地故障時，基波零序電壓也會產(chǎn)生故障分量，這樣就有利于減小基波零序電壓保護在中性點附近的死區(qū)范圍，并提高保護的靈敏度。    理想的定子單相接地保護應(yīng)具有以下性質(zhì)3：

12、發(fā)生接地故障時，特征信號的幅值或相位只要有輕微的突變，判據(jù)就應(yīng)動作；正常運行時，特征信號的幅值或相位發(fā)生較大的緩變，判據(jù)也不應(yīng)動作。而基于三次諧波電壓故障暫態(tài)分量的保護判據(jù)就具有上述特點，首先，三次諧波電壓的故障暫態(tài)分量反應(yīng)了接地故障的突變程度，接地故障發(fā)生后機端和中性點的三次諧波電壓增量近似相同，判據(jù)左側(cè)動作量大于右側(cè)制動量，判據(jù)靈敏動作；其次，正常時機端和中性點的三次諧波電壓相位差大于90，當發(fā)電機運行方式變化引起機端和中性點的三次諧波電壓發(fā)生變化時，即使有較大的緩變，判據(jù)左側(cè)動作量總是小于右側(cè)制動量，判據(jù)不會動作。進一步分析知，基于三次諧波電壓故障暫態(tài)分量的保護判據(jù)故障前后的動作量和制動

13、量變化方向相反，能夠自適應(yīng)發(fā)電機運行工況的變化，魯棒性強，整定十分簡單。且其相量合成的結(jié)果也可以通過信號在一個周期內(nèi)的能量來描述，這樣就無需將零序電壓中的基波和三次諧波分開，由此可得到以下基于譜能量的第二種判據(jù)表達形式。    由機端和中性點零序電壓計算相應(yīng)的零序電壓故障分量瞬時值(ut、un，計算間隔為一個20ms)。設(shè)動作信號uop=|ut+un|，制動信號ures=|ut-un|+u。其中b為可靠性系數(shù)，根據(jù)機端和中性點三次諧波故障分量的相位角關(guān)系可取1；u為門檻電壓，可取正常時中性點基波零序偏移電壓的4%20%，主要是為躲過正常情況下基波增量的非零輸出。其

14、中，l為數(shù)據(jù)窗長度；t為采樣間隔，計算可標么化。取動作信號和制動信號的譜能量分別作為保護的動作量和制動量，即可得到由信號譜能量描述的第二種判據(jù)形式為    euop > eures                          (2)式(2)中包括基波和三次諧波增量的共同變化，所以單獨利用它就能夠?qū)崿F(xiàn)100%

15、定子繞組單相接地保護。為進一步防止短時干擾的影響，提高判據(jù)的可靠性，在式(1)或式(2)連續(xù)滿足m(可取1/22/3個工頻周期采樣點數(shù))次后才認為發(fā)生單相接地故障。3.2 仿真結(jié)果分析    在以下仿真和試驗中，采用式(2)的能量型判據(jù)對其結(jié)果進行分析。根據(jù)以上保護方案，由發(fā)電機機端和中性點的零序電壓(ut、un)計算相應(yīng)零序電壓的故障分量瞬時值(ut、un)，進一步計算保護動作信號和制動信號的譜能量作為判據(jù)的動作量與制動量(euop、eures)。    對仿真結(jié)果，取保護判據(jù)的可靠性系數(shù)b= 1， u = 0.1v。圖5給出了圖3

16、中所示的接地故障過程中保護判據(jù)的動作情況。從圖中可以看出，動作量遠大于制動量，判據(jù)能夠靈敏動作。圖6給出了圖4中所示的勵磁電壓變化過程中保護判據(jù)的動作情況，從圖中可以看出，判據(jù)可靠制動。                                   &#

17、160;   4   試驗結(jié)果分析    為驗證上述保護方案，在一臺15kw試驗用凸極同步發(fā)電機上做了大量試驗。試驗中的各項參數(shù)如下：發(fā)電機額定電壓400v，每相兩分支，每分支7個線圈串聯(lián)，每個線圈都有抽頭。因為發(fā)電機每相繞組對地電容很小，約2.1nf，所以試驗中在每相繞組的機端和中性點處各附加0.5f電容。發(fā)電機中性點經(jīng)958電阻接地，機端經(jīng)變比為1的變壓器接于380v電網(wǎng)運行，輸出功率為1kw(因原動機功率較小)。試驗中采用日本yokogawa電氣公司生產(chǎn)的dl716數(shù)字示波器錄取試驗數(shù)據(jù)，采樣頻率為2khz，各電壓量直

18、接測量。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對保護方案進行離線計算和驗證，限于篇幅，以下僅選取幾種具有代表性的試驗分析說明。取保護判據(jù)的可靠性系數(shù)b= 1，考慮試驗發(fā)電機正常時的噪聲較大，取門檻電壓u = 0.5v。    發(fā)電機a相第1分支靠近中性點第1匝線圈在0.075s經(jīng)8.364k過渡電阻發(fā)生接地故障，圖7給出了機端和中性點零序電壓、相應(yīng)零序電壓的故障分量以及保護判據(jù)的動作量與制動量比較，從圖中可以看出，保護判據(jù)能夠靈敏動作。    為檢驗判據(jù)的可靠性與選擇性，圖8所示為在0.19s時發(fā)電機a相第1分支第4匝線圈與a相第2分支第1匝線圈之間發(fā)生同相不

19、同分支短路故障，在0.57s時短路故障切除，之后發(fā)電機發(fā)生振蕩。可以看出，整個過程中保護判據(jù)可靠不動作。    圖9中給出了發(fā)電機增加無功輸出時，保護判據(jù)的動作分析。因為基波零序電壓變化很小，盡管發(fā)電機機端和中性點的三次諧波電壓存在變化，但由于它們的相位與正常運行時近似相同，所以判據(jù)可靠不動作。                       

20、0;                                                  為了對比以上提出

21、的基于故障暫態(tài)分量的接地保護判據(jù)與傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)量的基波零序電壓和三次諧波電壓保護判據(jù)的靈敏度，將發(fā)電機a相繞組的機端再附加0.54f電容，使發(fā)電機正常運行時中性點存在偏移電壓。當a相第1分支靠近中性點第1匝線圈處在0.07s經(jīng)8.364k過渡電阻發(fā)生接地故障時，圖10中給出了機端和中性點的零序電壓、相應(yīng)零序電壓的故障分量以及保護判據(jù)的動作量與制動量。從圖中可以看出，基于故障暫態(tài)分量的接地保護判據(jù)能夠靈敏動作。圖11給出了故障前后中性點基波零序電壓有效值、機端和中性點三次諧波電壓有效值的變化。從圖中可知，故障前中性點基波零序電壓約為25.2v，故障后約為25v，所以判據(jù)不能動作；因為故障過渡電阻很大

22、, 故障前后機端和中性點三次諧波電壓變化很小，所以判據(jù)|u3t/u3n|>kres也不能動作。對比可知，基于故障暫態(tài)分量的保護判據(jù)具有更高的靈敏度。                                       

23、;           從以上試驗結(jié)果分析可知，發(fā)生單相接地故障時，上述保護判據(jù)具有較高的靈敏度，并且在發(fā)電機運行工況發(fā)生變化、其他繞組短路以及振蕩過程中，判據(jù)可靠不動作，具有良好的選擇性。5   結(jié)論    與通常穩(wěn)態(tài)量的基波零序電壓和三次諧波電壓定子單相接地保護判據(jù)相比，基于零序電壓故障暫態(tài)分量的定子單相接地保護判據(jù)有效地提高了靈敏度，并且具有不受發(fā)電機運行工況影響、魯棒性強等特點。對于能量形式的判據(jù)，無需將基波與三次諧波電壓分離開，簡化了保護裝置。仿

24、真和試驗結(jié)果都驗證了保護方案的正確性與有效性，能夠滿足保護靈敏度不斷提高的要求。參考文獻1  王維儉. 電氣主設(shè)備繼電保護原理與應(yīng)用 m. 北京：中國電力出版社, 1998.2  蘇洪波, 尹項根, 陳德樹(su hongbo, yin xianggen, chen deshu)微機自適應(yīng)式發(fā)電機定子接地保護的研究(a microcomputer based adaptive generator protection for stator ground fault)j. 電網(wǎng)技術(shù)(power system technology), 1996, 20(11)：59-61, 67.3  nengling tai, xianggen yin, deshu chen, et al. analysis of stator ground protection schemes for hydro-generator of three-gorges power plant based on zero seq