基于三次谐波电压变化量差动原理的定子接地保护方法

摘要

本发明公开了一种基于三次谐波电压变化量差动原理的定子接地保护方法，该保护利用中性点三次谐波电压变化量与经实时调整系数校正过的机端三次谐波电压变化量来合成差动电压及制动电压，并进行差动判别，能有效区分定子接地故障与发电机三次谐波电压的正常波动。辅助判据根据高压侧三次谐波电压变化量来设置浮动的制动门坎值，避免了因主变高压侧三次谐波电压变化而导致的误动。本发明提高了大型机组三次谐波电压定子单相接地保护的灵敏度，减小了保护受机组运行变化的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于三次谐波电压变化量差动原理的定子接地保护方法，属于发 电机定子单相接地保护技术领域。

背景技术

大型发电机的定子接地故障电流较大，对定子铁芯烧损较严重，易引发相间短路 或匝间短路，严重威胁机组的运行安全。常用的定子接地保护主要有注入式定子接地保护 与双频定子接地保护。

注入式定子接地保护在大型机组已有较多应用，其优点明显，可直接测量接地电 阻，理论上灵敏度一致且停机不受影响。但该保护需要一套额外的注入电源，成本较高，且 保护装置投运时厂方人员现场校正流程复杂，接地变二次侧电流互感器的工作特性在发电 机工况变化时仍需改善。这些不利因素限制了注入式定子接地保护的全面推广。

双频定子接地保护由基波零序电压保护与三次谐波电压保护组成。基波零序电压 保护简单可靠，但在中性点附近存在死区。三次谐波电压保护的类型较多，均能反应中性点 附近的接地故障，但在定子绕组的中部灵敏度较低甚至存在死区。实际使用时将基波零序 电压原理与三次谐波电压原理相结合实现100％定子接地保护。由于双频定子接地保护原 理简单，成本低，保护性能可靠，双重化的发电机保护至少有一套会选用双频定子接地保 护。

对于大型机组，基波零序电压保护的灵敏度易受机组对地电容影响，若机组定子 对地电容较大，基波零序电压保护的低灵敏度区域将从中性点附近向绕组中部扩大，现有 三次谐波电压保护与基波零序电压保护相配合会遇到灵敏度不够的问题。因此，在微机保 护性能不断提高的背景下，三次谐波电压原理的定子接地保护仍在不断发展，提出更高灵 敏度的定子接地保护方案很有必要。

发明内容

目的：为了解决基波零序电压保护与传统三次谐波电压保护相配合应用于大型机 组时灵敏度不足的问题，本发明提出一种基于三次谐波电压变化量差动原理的定子接地保 护方法，具有较高的灵敏度和可靠性。

技术方案：本发明利用发电机中性点的三次谐波电压变化量与经实时调整系数校 正过的机端三次谐波电压变化量来合成差动电压U_3d及制动电压U_3r，并使用判据U_3d>U_3r进行 差动判别，如果满足，保护动作；为防止高压侧三次谐波电压的干扰，增加辅助判据，根据高 压侧三次谐波电压变化量来设置浮动的制动门坎值U_dt，当高压侧三次谐波电压变化时能实 时调整制动门坎，如果U_3d>U_dt，则与判据U_3d>U_3r的判别结果与门出口；中性点、机端及高压侧 三次谐波电压变化量计算中的记忆时间Δt至少需要4个基波周期；判据U_3d>U_3r与U_3d>U_dt至 少持续满足2个基波周期，保护才能动作。

利用发电机中性点的三次谐波电压变化量与经实时调整系数校正过的机端三次 谐波电压变化量来合成差动电压U_3d及制动电压U_3r，并使用判据U_3d>U_3r进行差动判别，步骤 如下：

步骤一：对发电机中性点零序电压、机端零序电压进行采样得到瞬时值U_n、U_s；

步骤二：利用傅氏算法对瞬时值U_n、U_s进行计算，得到当前的中性点三次谐波电压 向量当前的机端三次谐波电压向量前Δt时刻的中性点三次谐波电压向量 前Δt时刻的机端三次谐波电压向量

步骤三：计算中性点三次谐波电压变化量机端三次谐波 电压变化量

步骤四：计算实时调整系数然后计算差动电压制 动电压其中K_set是制动系数，取0.6～0.9；

步骤五：判断U_3d、U_3r的关系是否满足U_3d>U_3r，如果满足，保护动作。

为防止高压侧三次谐波电压的干扰，增加辅助判据，根据高压侧三次谐波电压变 化量来设置浮动的制动门坎值U_dt，当高压侧三次谐波电压变化时能实时调整制动门坎，如 果U_3d>U_dt，同时满足U_3d>U_3r，保护动作；步骤如下：

5a：对主变高压侧零序电压进行采样得到瞬时值E_h；

5b：通过傅氏算法对瞬时值E_h进行计算，得到当前的高压侧三次谐波电压向量为 前Δt时刻的主变高压侧三次谐波电压向量为

5c：计算高压侧三次谐波电压变化量

5d：计算发电机三次谐波电压幅值然后计算制动门坎电压 γ为主变高低压侧三次谐波电压耦合系数，在此作为定值输 入，计算公式为其中ω₃为三次谐波角频率，值为942.5rad/s， C_M为主变高低压侧每相耦合电容，C_f为发电机三相对地总电容，C_t为发电机机端外部设备对 地总电容，Z_3n为发电机中性点三次谐波等效接地阻抗，接地变接地时Z_3n为中性点接地变等 效一次电阻，消弧线圈接地时Z_3n为中性点消弧线圈三次谐波感抗，不接地时1/Z_3n为零。

作为优选方案，中性点、机端、高压侧三次谐波电压变化量计算中的记忆时间Δt 至少需要4个基波周期。

作为优选方案，差动电压U_3d、制动电压U_3r及制动门坎U_dt的关系U_3d>U_3r与U_3d>U_dt必 须连续满足至少2个基波周期，保护才能动作。

有益效果：本发明提供的基于三次谐波电压变化量差动原理的定子接地保护方 法，利用发电机中性点的三次谐波电压变化量与经实时调整系数校正过的机端三次谐波电 压变化量来合成差动电压与制动电压，并进行差动判别，能有效区分定子接地故障与发电 机三次谐波电压正常变化，提高了定子接地保护的稳定性。常规保护方案未检测主变高压 侧的三次谐波电压，无法将高压侧与发电机的三次谐波电压分开考虑，为防止误动采用较 为可靠且固定的制动系数，灵敏度无法提高。本发明中的辅助判据考虑了高压侧三次谐波 电压的干扰，在高压侧三次谐波电压不变时具有很高的灵敏度，当高压侧三次谐波电压变 化时能实时调整制动门坎值，尽可能保证灵敏度又防止误动作。

附图说明

图1TV安装位置图；

图2发电机正常运行时三次谐波等效电路；

图3发电机定子接地三次谐波等效电路；

图4运行工况正常变化时三次谐波电压向量；

图5定子接地时三次谐波电压向量；

图6本发明的处理过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1是本发明的TV安装位置图。图中G表示发电机，T表示主变，TV1是机端电压互感 器，TV2表示发电机中性点电压互感器(或接地变压器或消弧线圈)，TV3是主变高压侧电压 互感器。

图2是发电机正常运行时的三次谐波电压等效电路(发电机定子绕组漏抗与电阻 远小于定子绕组对地容抗，忽略定子绕组漏抗与电阻)。其中C_f是定子绕组3相对地总电容， C_t为机端设备对地总电容，C_M为主变高低压侧每相耦合电容，Z_3n为中性点接地变或消弧线 圈在三次谐波下的等效阻抗，是发电机三次谐波电压，为机端三次谐波电压，为中 性点三次谐波电压，为主变高压侧饱和引起的三次谐波电压。

图3是定子单相接地三次谐波等效电路(忽略高压侧三次谐波电压，由于C_M远小于 C_f，且无法预测高压侧三次谐波电压相位，现有三次谐波电压原理定子接地保护分析均忽 略高压侧三次谐波电压)。图中R_g为故障接地电阻，接地电阻将发电机三次谐波电压分为了 两部分与本发明中的差动主判据是在忽略高压侧三次谐波电压的基础上得到的，而 辅助判据专门考虑了高压侧三次谐波电压的影响。

图4是机组运行工况正常改变导致发电机三次谐波电压变化的向量图(假设发电机三 次谐波电压的初始相位为0°)，图4是在图2的基础上得到的。图4中分 别是变化前的中性点及机端三次谐波电压向量，机组运行工况改变时发电机三次谐波电压 由变为分别是变化后的中性点及机端的三次谐波 电压向量。由于接地参数保持不变，中性点、机端两侧的三次谐波电压变化量保持了变化前 的相位关系，通过引入合适的系数将机端三次谐波电压变化量校正为 使与中性点三次谐波电压变化量大小相等、方 向相反。表达式为

${\stackrel{·}{K}}_4=-\frac{{\stackrel{·}{U}}_{3n}(t-\Delta t)}{{\stackrel{·}{U}}_{3s}(t-\Delta t)}=\frac{{\mathrm{j\omega }}_3(0.5C_f+C_t)}{1/Z_{3n}+0.5{\mathrm{j\omega }}_3{C}_f}---\left(1\right)$

式中ω₃为三次谐波角频率，值为942.5rad/s，Z_3n是中性点接地变或者消弧线圈的 三次谐波等效阻抗。分析的相位角：在消弧线圈接地时(Z_3n＝jω₃L_n)，大型发电机均采用 欠补偿方式，即当时，由于C_t<C_f，不难得到所以的相 位角为0度；在不接地方式时，的相位角也是0度；在接地变方式下(Z_3n＝R_n)，相位角在0～90度之间。

图5是发电机定子单相接地引起中性点、机端两侧三次谐波电压变化的向量图(假 设发电机三次谐波电压的初始相位为0°，接地前后发电机三次谐波电压不变)，图5是在图 2、图3的基础上得到的。图5中电压符号的含义参考图4说明。易见中性点、机端三次谐波电 压变化量与是相等的。同样，将机端三次谐波电压变化量校正为根据上文对相位角的分析，可以看出与夹角一 定是锐角，两者不会使合成向量的幅值明显削弱。

基于对图5～6的分析，利用与合成向量的幅值作为差动电压，基 于三次谐波电压变化量差动原理定子接地保护的动作量U_3d与制动量U_3r定义为

$\left(\begin{array}{c}{U}_{3d}=|\Delta {\stackrel{·}{U}}_{3n}\left(t\right)+{\stackrel{·}{K}}_4\Delta {\stackrel{·}{U}}_{3s}\left(t\right)|\\ U_{3r}=K_{set}\left(\right|\Delta {\stackrel{·}{U}}_{3n}\left(t\right)|+|{\stackrel{·}{K}}_4\Delta {\stackrel{·}{U}}_{3s}\left(t\right)\left|\right)\\ \Delta {\stackrel{·}{U}}_{3n}\left(t\right)={\stackrel{·}{U}}_{3n}\left(t\right)-{\stackrel{·}{U}}_{3n}(t-\Delta t)\\ \Delta {\stackrel{·}{U}}_{3s}\left(t\right)={\stackrel{·}{U}}_{3s}\left(t\right)-{\stackrel{·}{U}}_{3s}(t-\Delta t)\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中K_set为制动系数。动作主判据为

U_3d＞U_3r(3)主判据未考虑高压侧三次谐波电压的影响，在此定义的变化 量为

$\Delta {\stackrel{·}{E}}_{3h}\left(t\right)={\stackrel{·}{E}}_{3h}\left(t\right)-{\stackrel{·}{E}}_{3h}(t-\Delta t)---\left(4\right)$

根据图2，传递至低压侧引起发电机中性点及机端的三次谐波电压变化量为

$\Delta {\stackrel{·}{U}}_{3n}\left(t\right)=\Delta {\stackrel{·}{U}}_{3s}\left(t\right)=\gamma \Delta {\stackrel{·}{E}}_{3h}\left(t\right)---\left(5\right)$

式中γ是高、低压侧三次谐波电压传递系数，表达式为

$\gamma =\left|\frac{1.5{\mathrm{j\omega }}_3{C}_M}{1/Z_{3n}+{\mathrm{j\omega }}_3(3C_M+C_j+C_t)}\right|---\left(6\right)$

式(5)代入式(2)可得高压侧三次谐波电压变化时引起的保护动作量为

$U_{3d}=\left|\gamma \Delta {\stackrel{·}{E}}_{3h}\left(t\right)(1+{\stackrel{·}{K}}_4)\right|---\left(7\right)$

当该动作量大于式(2)中的制动量U_3r时，保护会误动，需要增加辅助判据相配合。 辅助判据为

U_3d>U_dt(8)

式中U_dt为制动门坎，主要用以躲避高压侧三次谐波电压变化量的干扰。根据式 (7)，考虑互感器采样、装置运算等可能带来的误差，制动门坎值可设置为

$U_{dt}=1.2\left|\gamma \Delta {\stackrel{·}{E}}_{3h}\left(t\right)(1+{\stackrel{·}{K}}_4)\right|+0.05E_3---\left(9\right)$

式中，发电机三次谐波电压幅值

根据一台300MW发电机变压器组的参数，提供本发明的具体实施例。所需具体参 数：发电机定子三相绕组对地总电容C_f为0.528μF，发电机机端外部设备对地总电容C_t为 0.348μF(含机端三相冲击波吸收电容0.3μF)，主变高低压侧耦合电容C_M为0.0047μF，接地 变接地时中性点等效接地电阻为R_n＝3636Ω，变化量计算记忆时间Δt为80ms。

本发明的实施例方法如图6所示，具体包括以下步骤：

步骤1：对发电机中性点零序电压、机端零序电压、主变高压侧零序电压进行采样 得到瞬时值U_n(k)、U_s(k)、E_h(k)；

步骤2：利用全波傅氏算法(N取24，X (k)为瞬时值输入)对步骤1中的瞬时值U_n(k)、U_s(k)、E_h(k)进行计算得到各个三次谐波电压 的复数向量：当前的中性点三次谐波电压向量当前的机端三次谐波电压向量当前的高压侧三次谐波电压向量前80ms的中性点三次谐波电压向量前 80ms的机端三次谐波电压向量前80ms的主变高压侧三次谐波电压向量

步骤3：计算中性点三次谐波电压变化量机端三次谐波电 压变化量高压侧三次谐波电压变化量

步骤4：计算实时调整系数然后计算差动电压制动电压K_set取0.75；

步骤5：计算发电机三次谐波电压幅值然后计算制动门坎电压 γ取0.00756；

步骤6：计算主判据U_3d＞U_3r与辅助判据U_3d＞U_dt是否满足，如果主判据与辅助判据 同时并连续满足40ms以上，保护动作。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人 员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应 视为本发明的保护范围。