防止传递电压导致发电机定子接地保护误动的闭锁方法

摘要

本发明公开了一种防止传递电压导致发电机定子接地保护误动的闭锁方法，针对经消弧线圈接地机组，通过零序电压频率与系统工频频率的差别及系统侧零序电压3U0消失后延时复归两个判据来进行传递电压识别及闭锁，在系统接地故障切除后的设定延时之内且零序电压频率明显区别50Hz时，闭锁定子接地保护，否则开放定子接地保护。本方法相对于目前机组保护装置仅依靠提高保护定值防止误动的方法比较，本方法在系统故障切除后，传递电压进入自由振荡过程中可有效防止定子接地保护误动，保护定值无需与传递电压的幅值和时间进行配合，确保了定子接地保护动作的快速性和灵敏性，减少机组因保护误动而导致的停机，可有效防止对电厂的经济效益和社会效益的损失。

说明书

技术领域

本发明涉及一种防止传递电压导致发电机定子接地保护误动的闭锁方法。

背景技术

定子接地保护的快速动作对遏制发电机电气故障发展，降低发电机损坏程度，起着重要 的作用。随着定子接地保护整定计算的规范和保护逻辑的完善，由主变传递电压引起的基波 零序电压定子接地保护误动率已有所降低，然而在误动中，由传递电压引起的经消弧线圈接 地机组的保护误动占很大比例。目前，各主流厂家生产的发变组保护装置中，虽然定子接地 保护中均采用了传递电压闭锁逻辑，但根据现场统计，并没有有效的消除传递电压对定子接 地保护的影响，保护误动率较高，甚至有导致多台机组同时跳闸的危险，严重威胁到电网的 安全运行。

因此，如何简单、有效的消除传递电压对定子接地保护的影响是困扰技术人员的一大难 题。

发电机升压变高压侧发生接地短路时，零序电压将通过变压器高、低压绕组间的相耦合 电容传递到发电机侧，传递电压计算模型如图1所示。

其中，E0为变压器高压侧接地故障产生的零序电压；C₁为主变高低压绕组间的等效耦合 电容，电容值与变压器容量、高压侧电压等级和变压器中性点接地等因素有关；C₂为发电机 系统对地单相等效电容，包括发电机、变压器绕组等电气设备的对地电容；L₁和R分别为发 电机中性点消弧线圈的等效电感和电阻，电压表V处测得电压U0为发电机端传递零序电压。

目前，发变组定子接地保护中，传递过电压闭锁逻辑均通过检测系统侧3U0的幅值大小 来判断是否可能出现传递电压，逻辑图见图2，并作为防止传递电压导致定子接地保护误动 的唯一判据。当有接地故障时即认为发电机可能存在传递电压，则将闭锁定子接地保护功能； 当系统故障消失后，认为传递电压消失，则立即开放定子接地保护。因此，为防止传递电压 对定子接地保护的影响，在保护定值整定计算时，不得不将3U0定值抬高或延长保护动作延 时，以躲过传递过电压的影响，这样是以牺牲保护动作灵敏性，即保护范围，和保护动作快 速性为代价的。

根据现场保护动作统计，针对消弧线圈接地的发电机组，目前定子接地保护采用的传递 电压闭锁逻辑不能有效的消除传递电压的影响，依然会导致定子接地保护误动跳闸。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种防止传递电压导致消弧线圈接地发电机定子接地 保护误动的闭锁方法，该方法具有准确识别传递电压能力，可以有效防止传递电压导致的定 子接地保护误动。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种防止传递电压导致发电机定子接地保护误动的闭锁方法，包括以下步骤：

(1)通过检测系统侧发电机端传递零序电压幅值的大小来判断系统是否发生接地故障；

(2)判断发电机出现的零序电压是否因传递电压而引起，如果是，则闭锁定子接地保护；

(3)当系统侧故障切除后将通过对零序电压的频率检测来判断传递电压是否进入自由 振荡过程，检测到的频率明显偏离工频，则可判断产生了传递电压振荡，同时闭锁保护；否 则认为传递电压振荡衰减消失，同时开放保护；

(4)当传递电压衰减消失后，机组处于正常运行状态后，开放定子接地保护。

所述步骤(1)中，当系统发生接地故障时，电压源的幅值等于系统接地故障时的零序电 压，此时，发电机机端的传递电压是机组固有特征频率与接地零序电压频率形成的混频波形， 传递电压频率用公式(1)计算：

$f=\frac{f_1+f_2}{2}---\left(1\right)$

式中：f为传递电压频率；f₁为LC电路的固有特征频率；f₂为系统侧零序电压E0频率。

所述步骤(3)中，系统故障切除后，系统侧零序电压E0为零，计算等值电路为消弧线 圈与发电机对地等效电容并联后再与升压变等效耦合电容串联而形成的电路，此时的电路特 征频率为f₁，如果定子接地保护误动将机组断路器跳开后，发电机不再与系统相联，升压变 等效耦合电容分支处于开路状态而不起作用，这时机组参数等效电路变为消弧线圈与发电机 对地等效电容并联电路，此时的传递电压频率取决于消弧线圈与发电机对地等效电容并联回 路的特征频率。

所述步骤(3)当系统接地故障切除后，系统侧零序电压源作用消失，因LC电路自由振荡 的特点，发电机传递电压并没有随系统接地故障的切除而消失，而是进入自由振荡状态并逐 步衰减。

所述步骤(3)中，当系统接地故障切除后，系统侧零序电压3U0消失，发电机传递电压 3U0幅值依然存在，根据目前的保护闭锁判据，定子接地保护已处于开放状态，当发电机机 端零序电压3U0的幅值及持续时间大于保护定值时，定子接地保护误动跳机。

所述步骤(3)中，判断传递电压是否进入自由振荡过程的判据包括：判据一：系统故障 切除后，零序电压混频频率与系统工频频率的差别明显；判据二：系统侧零序电压3U0消失 后，传递电压的振荡过程将随一次时间参数而衰减消失，因此系统侧零序电压3U0消失延时 复归作为第二个判据，采用两个判据来进行传递电压识别，如两个判据均成立则继续闭锁定 子接地保护，否则将开放定子接地保护。

所述步骤(3)中，零序电压混频频率的计算方法为：

等效电路的固有特征频率计算如下，忽略电路中的电阻参数：

$\begin{array}{c}Z=\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_1}+\frac{{\mathrm{j\omega L}}_1·\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_2}}{{\mathrm{j\omega L}}_1+\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_2}}\\ =\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_1}+\frac{{\mathrm{j\omega L}}_1}{1-{\omega }^2{L}_1{C}_2}\\ =-j\frac{1-{\omega }^2{L}_1(C_2+C_1)}{{\mathrm{\omega C}}_1(1-{\omega }^2{L}_1{C}_2)}\end{array}---\left(2\right)$

其中，Z为电路的等效阻抗；ω为角频率，令分子、分母为零，电路特征频率为：

$f_1=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_1(C_2+C_1)}}---\left(3\right);$

其中，C₁为升压变等效耦合电容值，C₂为发电机对地等效电容值，L₁为消弧线圈电感值。

本发明的有益效果为：

(1)本方法针对于目前现有逻辑没有考虑传递电压振荡过程的影响而导致保护误动的 问题，通过基于传递电压特征频率及自由振荡过程分析，利用传递电压在系统故障切除后的 自由振荡的频率变化和延时特性进行识别，确保定子接地保护在传递电压存在期间持续保持 闭锁保护，以防止保护误动；在传递电压消失后，机组正常运行时，定子接地保护仍然按照 常规的定值开放运行；

(2)本方法可以有效的识别经消弧线圈接地机组的传递电压对发电机定子接地保护的 影响，相对于目前机组保护装置仅依靠提高保护定值防止误动的方法比较，本方法在系统故 障切除后，传递电压进入自由振荡过程中可有效防止定子接地保护误动，保护定值无需与传 递电压的幅值和时间进行配合，确保了定子接地保护动作的快速性和灵敏性，减少机组因保 护误动而导致的停机，可有效防止对电厂的经济效益和社会效益的损失。

附图说明

图1是本发明的计算传递电压的近似简化电路图；

图2是本发明的目前采用定子接地保护逻辑示意图；

图3是本发明定子接地保护闭锁逻辑示意图；

图4是本发明300MW机组故障录波图；

图5是本发明的传递电压仿真波形。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

一种防止传递电压导致发电机定子接地保护误动闭锁的方法，具体过程为：(1)当系统 侧发生接地故障时，通过检测系统侧零序电压3U0的大小来判断发电机是否出现传递电压， 如出现3U0则闭锁保护，当系统侧零序电压3U0消失则立即开放保护；(2)在系统接地故障 切除后，系统侧3U0立即消失，这时通过对发电机机端零序电压的频率检测来判断传递电压 是否进入振荡过程，如检测到的频率明显偏离50Hz，则可判断产生了传递电压振荡，同时闭 锁保护；否则认为传递电压振荡衰减消失，同时开放保护；因为振荡过程随系统一次时间常 数而衰减，因此增加系统故障切除后的延时复归判据，以增加判据的安全性，当系统故障切 除后经一定延时后则无条件开放保护。(3)在传递电压影响消除后机组进入正常运行状态时， 定子接地保护始终开放，此时定子接地保护定值无需与传递电压配合。

图1所示等效电路中，如果忽略电路中的电阻，发电机系统可等效为消弧线圈L₁与发电 机对地等效电容C₂并联后再与升压变等效耦合电容C₁串联而形成的电路，如图1电路a-b 端口左边部分所示。当系统发生接地故障时，如同在电路a-b端接入交流电压源E0，电压源 的幅值等于系统接地故障时的零序电压，其频率为50H。此时，发电机机端的传递电压是机 组固有特征频率(图1a-b端左边部分电路)与接地零序电压频率(图1a-b端右部分电路) 形成的混频波形，传递电压频率可用公式(1)计算。

$f=\frac{f_1+f_2}{2}---\left(1\right)$

式中：f为传递电压频率；f1为图1a、b端左部分电路的固有特征频率；f2为系统侧零 序电压E0频率。

系统故障切除后，图1所示E0为零，计算等值电路为消弧线圈L₁与发电机对地等效电 容C₂并联后再与升压变等效耦合电容C₁串联而形成的电路，如图1电路a-b端口左边部分所 示，此时的电路特征频率为f₁.

定子接地保护将机组断路器跳开后，发电机不再与系统相联，升压变等效耦合电容C₁分 支处于开路状态而不起作用，这时机组参数等效电路变为消弧线圈L₁与发电机对地等效电容 C₂并联电路，如图1c-b端口左侧电路所示。此时的传递电压频率主要取决于L₁与C₂并联回 路的特征频率。

由图1所示，当系统接地故障切除后，E0电压源作用消失，因LC电路自由振荡的特点， 发电机传递电压并没有随系统接地故障的切除而消失，而是进入自由振荡状态并逐步衰减。 目前的定子接地保护闭锁逻辑，因没有考虑传递电压自由振荡，延时衰减的特性，所以不能 有效的防止定子接地保护的误动。当系统接地故障切除后，系统零序电压3U0消失，发电机 零序电压3U0电压幅值依然存在，根据目前的保护闭锁判据，测试定子接地保护已处于开放 状态，当3U0的幅值及持续时间大于保护定值时，定子接地保护误动跳机。

本发明方法针对于目前现有逻辑没有考虑传递电压振荡过程的影响而导致保护误动的问 题，通过基于传递电压特征频率及自由振荡过程分析，利用传递电压在系统故障切除后的自 由振荡的频率变化和延时特性进行识别，确保定子接地保护在传递电压存在期间持续保持闭 锁保护，以防止保护误动；在传递电压消失后，机组正常运行时，定子接地保护仍然按照常 规的定值开放运行。本方法可实现在没有牺牲保护灵敏性及快速性的前提下消除传递电压的 影响。

实例一：以某经消弧线圈接地300WM机组误动事件为例详细说明本方法的判别过程， 图3为发明方法的逻辑示意图。

当系统发生接地故障时，系统侧的零序电压3U0将大于定值，这时因传递电压的原因将 在发电机产生零序电压，即传递电压，此时将定子接地保护闭锁。

当系统接地故障被切除后，根据理论分析发电机机端的零序电压将进入自由振荡过程， 其频率为发电机系统的特征频率与系统接地故障零序电压源频率(50Hz)的混频，具有明显 不同与工频电压50Hz频率特点，另外传递电压引起的发电机零序电压将随一次系统时间常 数的大小而衰减，因此根据以上传递电压自由振荡过程电气量特征而对振荡过程进行识别。 判据一：系统故障切除后，本例中零序电压混频频率为46.64Hz与系统工频频率50Hz的差 别明显；判据二：系统侧零序电压3U0消失后，传递电压的振荡过程将随一次时间参数而衰 减消失，因此系统侧零序电压3U0消失延时复归作为第二个判据，采用两个判据来进行传递 电压识别，如两个判据均成立则继续闭锁定子接地保护，否则将开放定子接地保护，防止保 护过度闭锁而影响发电机安全。

当机组运行过程中系统侧3U0为零，传递电压闭锁判据不起作用，定子接地保护持续开 放，当发生发电机接地故障时，保护可根据3U0定值及延时t1而动作跳闸，防止发电机故障 扩大。

特征频率计算过程：

图2为某经消弧线圈接地机组的定子接地保护误动录波。

参数实测方法计算及仿真验证：

主要电气实测参数为:发电机中性点消弧线圈电感L₁16.31H；发电机系统单相对地电容 C₂0.232uF，升压变(242/20kV，360MVA)高低压绕组单相等效耦合电容C₁0.008uF，高压 侧中性点不接地。

图1所示等效电路的固有特征频率计算如下，为简化计算,忽略电路中的电阻参数：

$\begin{array}{c}Z=\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_1}+\frac{{\mathrm{j\omega L}}_1·\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_2}}{{\mathrm{j\omega L}}_1+\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_2}}\\ =\frac{1}{{\mathrm{j\omega C}}_1}+\frac{{\mathrm{j\omega L}}_1}{1-{\omega }^2{L}_1{C}_2}\\ =-j\frac{1-{\omega }^2{L}_1(C_2+C_1)}{{\mathrm{\omega C}}_1(1-{\omega }^2{L}_1{C}_2)}\end{array}---\left(2\right)$

其中，Z为电路的等效阻抗；ω为角频率。令分子、分母为零，电路特征频率为：

$f_1=\frac{1}{2\pi \sqrt{L_1(C_2+C_1)}}---\left(3\right)$

将参数带入公式(3)，计算电路特征频率为46.46Hz，计算频率与图4系统故障切除后 传递电压频率46.59基本一致。

利用PSCAD软件对经消弧线圈接地机组发生系统接地故障进行数字仿真，图5为系统侧 零序电压与发电机传递过电压的仿真波形。如图所示，系统故障切除后传递电压频率为46.49， 与图1所示故障录波频率及计算频率基本一致，明显区别于工频频率50Hz。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付 出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。