基于零序電壓故障暫態(tài)分量的發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)方案研究

1、基于零序電壓故障暫態(tài)分量的發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)方案研究畢大強(qiáng)，王祥珩，桂林，王維儉（清華大學(xué)電機(jī)系，北京100084）    摘  要：根據(jù)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子單相接地故障后機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓故障暫態(tài)分量近似相同的特點(diǎn)，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(jī)定子單相接地保護(hù)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(jī)端和中性點(diǎn)兩側(cè)零序電壓故障暫態(tài)分量的和與差做為保護(hù)動(dòng)作信號(hào)與制動(dòng)信號(hào)，通過比較相應(yīng)信號(hào)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(xì)仿真和試驗(yàn)結(jié)果，分析表明：新的暫態(tài)保護(hù)判

2、據(jù)具有很高的靈敏度和可靠性。    關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)；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(hù)1  引言        發(fā)電機(jī)定子單相接地故障具有很大的潛在危害性，可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的繞組短路故障。因此，定子繞組單相接地保護(hù)是發(fā)電機(jī)保護(hù)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(hù)組合實(shí)現(xiàn)100%定子繞組接地保護(hù)得到廣泛的應(yīng)用1?；阈螂妷罕Ｗo(hù)簡單可靠，但在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)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(hù)死區(qū)擴(kuò)大。傳統(tǒng)的

3、三次諧波電壓保護(hù)在運(yùn)行中容易誤動(dòng)，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(hù)靈敏度不斷提高的要求。        為提高三次諧波電壓保護(hù)的靈敏度，文2提出了三次諧波電壓自適應(yīng)保護(hù)方案，通過實(shí)時(shí)調(diào)整判據(jù)中的復(fù)比例系數(shù)，使正常時(shí)的動(dòng)作量很小，從而允許降低制動(dòng)量，在接地故障突然發(fā)生時(shí)保護(hù)具有較高的靈敏度。但該方案在不同負(fù)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(hù)方案，仿真表明判據(jù)能夠取得更高的靈敏度。但在實(shí)際應(yīng)用中，該判據(jù)的比值部分約束條件太強(qiáng)，

4、其整定值將對保護(hù)的靈敏度影響較大。        另外，小波變換在發(fā)電機(jī)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(hù)方案需要較高采樣率，并且易受噪聲干擾，因而離實(shí)際應(yīng)用還有一定的距離。        當(dāng)接地故障的過渡電阻較大時(shí)，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(hù)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(jī)正常運(yùn)行時(shí)機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓及其接地故障后故障暫態(tài)分量的變化特點(diǎn)，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(hù)方案，該保護(hù)方案具有較高的靈敏度，且受發(fā)電機(jī)運(yùn)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(hù)原理基礎(chǔ)        由于發(fā)電機(jī)定子繞組的漏抗和電阻遠(yuǎn)小于其對地容抗，若忽略定子繞組漏抗和電阻的影響，當(dāng)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(jī)端和中性點(diǎn)等效阻抗，rg為接地過渡電阻，為故障前故障點(diǎn)的電壓。從圖中可以看出，故障后機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓的故障分量近似相同(包括幅值與相位)。 

6、       正常運(yùn)行時(shí)，由于定子繞組對地電容不對稱使發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)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(yùn)行時(shí)三次諧波電壓的簡化電路如圖2所示，其中ct為每相機(jī)端附加電容，cg為每相繞組對地電容，rn、ln為中性點(diǎn)接地電阻和電感，為發(fā)電機(jī)三次諧波電動(dòng)勢，對于不同的中性點(diǎn)接地方式，機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓相位差不盡相同。當(dāng)ln = 0時(shí)，若rn趨向，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)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(jī)中性點(diǎn)接近直接接地，兩側(cè)三次諧波電壓相位差為90；當(dāng)rn = 1/3(cg+ct)時(shí)，發(fā)電機(jī)中性

7、點(diǎn)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(diǎn)接地電阻rn在0之間變化時(shí)，對應(yīng)正常時(shí)機(jī)端與中性點(diǎn)的三次諧波電壓相位差在90180之間變化。當(dāng)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)電抗器或消弧線圈接地（欠補(bǔ)償或諧振方式）時(shí)，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(shí)，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(diǎn)接地方式，正常時(shí)機(jī)端與中性點(diǎn)三次諧波電壓的相位差為90180。當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式變化或由于其它原因引起機(jī)端和中性點(diǎn)的三次諧波電壓變化時(shí)，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(shí)的規(guī)律。     為進(jìn)一步說明以上零序電壓的變化特點(diǎn)，利用文6中基于交流電機(jī)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(tái)三峽發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了仿真計(jì)算。發(fā)電機(jī)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(jī)端附加電容為0.2f，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和機(jī)端電壓互感器變比分別為點(diǎn)經(jīng)528.1電阻(等于發(fā)電機(jī)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(shí)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(jì)算，但影響三次諧波電壓在機(jī)端和中性點(diǎn)處的分配比例。繞組段數(shù)分得越多，仿真越準(zhǔn)確，但段數(shù)過多將大幅增加狀態(tài)方程的階數(shù)和計(jì)算量。綜合考慮計(jì)算量和準(zhǔn)確度，將仿真電機(jī)的定子繞組每分支分成12段進(jìn)行分析。當(dāng)b相第1分支靠近中性點(diǎn)第3匝線圈處經(jīng)8k過渡電阻發(fā)生接地故障時(shí)，圖3給出了機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓(ut、un)、相應(yīng)故障暫態(tài)分量(ut、un，計(jì)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(jī)端和中性點(diǎn)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(shí)機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓的相位差約為141。   

10、     當(dāng)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓突然增加時(shí)，機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓發(fā)生變化，圖4給出了此時(shí)機(jī)端和中性點(diǎn)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(shí)機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓的相位差。      仿真表明，對于不同中性點(diǎn)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(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓故障暫態(tài)分量具有同樣的特點(diǎn)。 3   基于零序電壓故障暫態(tài)分量的定子單相接地保護(hù)方案3.1 保護(hù)方案  

11、60; 根據(jù)以上分析的故障前后機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓的變化特點(diǎn)，提出了基于零序電壓故障暫態(tài)分量的單相接地保護(hù)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(dǎo)致發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)有偏移電壓，使得基于穩(wěn)態(tài)量的基波零序電壓保護(hù)在中性點(diǎn)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(hù)判據(jù)的動(dòng)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(shí)，基波零序電壓也會(huì)產(chǎn)生故障分量，這樣就有利于減小基波零序電壓保護(hù)在中性點(diǎn)附近的死區(qū)范圍，并提高保護(hù)的靈敏度。    理想的定子單相接地保護(hù)應(yīng)具有以下性質(zhì)3：

12、發(fā)生接地故障時(shí)，特征信號(hào)的幅值或相位只要有輕微的突變，判據(jù)就應(yīng)動(dòng)作；正常運(yùn)行時(shí)，特征信號(hào)的幅值或相位發(fā)生較大的緩變，判據(jù)也不應(yīng)動(dòng)作。而基于三次諧波電壓故障暫態(tài)分量的保護(hù)判據(jù)就具有上述特點(diǎn)，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(jī)端和中性點(diǎn)的三次諧波電壓增量近似相同，判據(jù)左側(cè)動(dòng)作量大于右側(cè)制動(dòng)量，判據(jù)靈敏動(dòng)作；其次，正常時(shí)機(jī)端和中性點(diǎn)的三次諧波電壓相位差大于90，當(dāng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行方式變化引起機(jī)端和中性點(diǎn)的三次諧波電壓發(fā)生變化時(shí)，即使有較大的緩變，判據(jù)左側(cè)動(dòng)作量總是小于右側(cè)制動(dòng)量，判據(jù)不會(huì)動(dòng)作。進(jìn)一步分析知，基于三次諧波電壓故障暫態(tài)分量的保護(hù)判據(jù)故障前后的動(dòng)作量和制動(dòng)

13、量變化方向相反，能夠自適應(yīng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的變化，魯棒性強(qiáng)，整定十分簡單。且其相量合成的結(jié)果也可以通過信號(hào)在一個(gè)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(dá)形式。    由機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓計(jì)算相應(yīng)的零序電壓故障分量瞬時(shí)值(ut、un，計(jì)算間隔為一個(gè)20ms)。設(shè)動(dòng)作信號(hào)uop=|ut+un|，制動(dòng)信號(hào)ures=|ut-un|+u。其中b為可靠性系數(shù)，根據(jù)機(jī)端和中性點(diǎn)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(shí)中性點(diǎn)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(jì)算可標(biāo)么化。取動(dòng)作信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)的譜能量分別作為保護(hù)的動(dòng)作量和制動(dòng)量，即可得到由信號(hào)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(dú)利用它就能夠?qū)崿F(xiàn)100%

15、定子繞組單相接地保護(hù)。為進(jìn)一步防止短時(shí)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(gè)工頻周期采樣點(diǎn)數(shù))次后才認(rèn)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(yàn)中，采用式(2)的能量型判據(jù)對其結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)以上保護(hù)方案，由發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)的零序電壓(ut、un)計(jì)算相應(yīng)零序電壓的故障分量瞬時(shí)值(ut、un)，進(jìn)一步計(jì)算保護(hù)動(dòng)作信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)的譜能量作為判據(jù)的動(dòng)作量與制動(dòng)量(euop、eures)。    對仿真結(jié)果，取保護(hù)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(hù)判據(jù)的動(dòng)作情況。從圖中可以看出，動(dòng)作量遠(yuǎn)大于制動(dòng)量，判據(jù)能夠靈敏動(dòng)作。圖6給出了圖4中所示的勵(lì)磁電壓變化過程中保護(hù)判據(jù)的動(dòng)作情況，從圖中可以看出，判據(jù)可靠制動(dòng)。                                   &#

17、160;   4   試驗(yàn)結(jié)果分析    為驗(yàn)證上述保護(hù)方案，在一臺(tái)15kw試驗(yàn)用凸極同步發(fā)電機(jī)上做了大量試驗(yàn)。試驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)如下：發(fā)電機(jī)額定電壓400v，每相兩分支，每分支7個(gè)線圈串聯(lián)，每個(gè)線圈都有抽頭。因?yàn)榘l(fā)電機(jī)每相繞組對地電容很小，約2.1nf，所以試驗(yàn)中在每相繞組的機(jī)端和中性點(diǎn)處各附加0.5f電容。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)958電阻接地，機(jī)端經(jīng)變比為1的變壓器接于380v電網(wǎng)運(yùn)行，輸出功率為1kw(因原動(dòng)機(jī)功率較小)。試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)，采樣頻率為2khz，各電壓量直

18、接測量。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對保護(hù)方案進(jìn)行離線計(jì)算和驗(yàn)證，限于篇幅，以下僅選取幾種具有代表性的試驗(yàn)分析說明。取保護(hù)判據(jù)的可靠性系數(shù)b= 1，考慮試驗(yàn)發(fā)電機(jī)正常時(shí)的噪聲較大，取門檻電壓u = 0.5v。    發(fā)電機(jī)a相第1分支靠近中性點(diǎn)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(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓、相應(yīng)零序電壓的故障分量以及保護(hù)判據(jù)的動(dòng)作量與制動(dòng)量比較，從圖中可以看出，保護(hù)判據(jù)能夠靈敏動(dòng)作。    為檢驗(yàn)判據(jù)的可靠性與選擇性，圖8所示為在0.19s時(shí)發(fā)電機(jī)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(shí)短路故障切除，之后發(fā)電機(jī)發(fā)生振蕩?？梢钥闯?，整個(gè)過程中保護(hù)判據(jù)可靠不動(dòng)作。    圖9中給出了發(fā)電機(jī)增加無功輸出時(shí)，保護(hù)判據(jù)的動(dòng)作分析。因?yàn)榛阈螂妷鹤兓苄?，盡管發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)的三次諧波電壓存在變化，但由于它們的相位與正常運(yùn)行時(shí)近似相同，所以判據(jù)可靠不動(dòng)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(hù)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(hù)判據(jù)的靈敏度，將發(fā)電機(jī)a相繞組的機(jī)端再附加0.54f電容，使發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)中性點(diǎn)存在偏移電壓。當(dāng)a相第1分支靠近中性點(diǎn)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(shí)，圖10中給出了機(jī)端和中性點(diǎn)的零序電壓、相應(yīng)零序電壓的故障分量以及保護(hù)判據(jù)的動(dòng)作量與制動(dòng)量。從圖中可以看出，基于故障暫態(tài)分量的接地保護(hù)判據(jù)能夠靈敏動(dòng)作。圖11給出了故障前后中性點(diǎn)基波零序電壓有效值、機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波電壓有效值的變化。從圖中可知，故障前中性點(diǎn)基波零序電壓約為25.2v，故障后約為25v，所以判據(jù)不能動(dòng)作；因?yàn)楣收线^渡電阻很大

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

23、;           從以上試驗(yàn)結(jié)果分析可知，發(fā)生單相接地故障時(shí)，上述保護(hù)判據(jù)具有較高的靈敏度，并且在發(fā)電機(jī)運(yùn)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(dòng)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(hù)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(hù)判據(jù)有效地提高了靈敏度，并且具有不受發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況影響、魯棒性強(qiáng)等特點(diǎn)。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(hù)裝置。仿

24、真和試驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了保護(hù)方案的正確性與有效性，能夠滿足保護(hù)靈敏度不斷提高的要求。參考文獻(xiàn)1  王維儉. 電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用 m. 北京：中國電力出版社, 1998.2  蘇洪波, 尹項(xiàng)根, 陳德樹(su hongbo, yin xianggen, chen deshu)微機(jī)自適應(yīng)式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)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