基于零序电压的发电机接地故障差动保护

熊海涛 王 姣

摘要:文章介绍了一种新的基于零序电压的发电机定子接地故障100%范围差动保护的方法。研究表明在发电机中性点以及端点的零序基频电压和三次谐波电压同时改变,并且他们表现出一些相同特点。根据这个新的保护方法研究零序基波电压和三次谐波电压的故障信息。正因为联系了零序基波电压和三次谐波电压的信息,新的保护方法可以100%的检测绕组接地故障。模拟及现场测试的结果显示新的保护方法比传统的保护方法更加灵敏。

关键词:故障构成;定子接地保护;零序基频电压

中图分类号:TM310.73文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)18-0115-02

1概 述

因为定子接地故障是发电机组常见的故障之一,并且能够引起很大的损失,因此定子接地故障越来越引起大家的重视。随着电力工业的发展,发电机单机容量越来越大,这对发电机的设计、制造、运行都提出了很大的挑战。

目前许多定子保护方法被提出及应用,最简单、广泛的方法是基于测量零序电压的方法。概括地说他们包含两个部分:零序基频电压方法和三次谐波方法。当设置良好时,零序基频电压保护方法可以保护90%～95%的定子绕组。但是它不能检测出中性点附近的接地故障,中性点附近的接地保护通常是利用三次谐波电压。在中性点或者是机端只利用三次谐波的保护灵敏度很低,这是因为三次谐波随着运行状态的改变变化非常大。因此很多文章提出了基于中性点电压和机端电压变化的保护方法。在实际应用中他们的灵敏度都很低,因为发电机的运行情况经常改变。为了克服这种缺点,也有文章提出了相应解决办法,但是对大容量的水电机组来说,这些方法的灵敏度仍然很低。

以上的方法只是单一应用了零序基频电压的故障信息或者三次谐波电压的故障信息,灵敏度不高。文章利用零序电压的差动保护提出了一种具有高灵敏度的保护方法,该方法可以检测整个定子绕组。

2基于零序电压保护方法的比较

2.1零序基频电压保护方法的灵敏度

接地保护方法的应用,是指无论是中性点接地还是机端短路都不受影响。在中国,接地分为三种情况:经配电变压器高阻抗接地、中性点经消弧线圈接地和不接地。模拟结果证明接地故障引起的基频电压在所有的绕组中都是一定的。因此作为保护动作参量的基波零序电压可取自发电机中性点,也可取自机端。一般现场整定基波零序电压型接地保护的动作电压为5～10 V。图1显示了在整定为5 V时的保护范围临界电压曲线。曲线1、2、3是接地情况I、II、III的分析。文中发电机定子每相5分支,每项对地接地电容C=1.8uF。

以中性点经配电变压器高阻接地为例,从图1可见,在允许过滤电阻为8KΩ的情况下,基波零序电压保护只能保护发电机端附近的94%～100%范围的定子绕组。在距中性点约40%的绕组部分,可以实现3 kΩ过渡电阻接地的故障保护。保护灵敏度随故障点与中性点的距离近似成线性增长,在机端的灵敏度为最大。基波零序电压保护在中性点附近的灵敏度普遍偏低。因此,必须要引入三次谐波电压保护,以消灭这部分死区。

2.2三次谐波电压保护灵敏度分析

通常定子接地保护的三次谐波保护方法通常都是基于比较中性点电压和机端电压的差值。在实际中大量使用的方法可以分为以下几种形式:

方法1:当U3n-KpU3t>?茁1U3n时动作

方法2:当U3t(t)-U3n(t)*U3t(t-tcc)/U3n(t-tcc)>?茁2U3n(t)时动作

方法1基于中性点电压与机端电压的比率。不幸的是即使发电机在无故障运行时中性点电压与机端电压的比率也不是常数。Kp是个常数或者可在投入运行前调为最佳值。这里必须指出这种保护方法的灵敏度并不非常令人满意。

上面两种方法的不同之处是:我们用方法2中的U3t(t-tcc)/ U3n(t-tcc)代替方法1中的Kp。这样就具有相对中性点电压和机端电压比率变化的适应能力。方法2的PCCR中,其中β2=0.06。我们可以看出它的保护区域为整个定子绕组,方法2的灵敏度也比方法1的高。很容易得出以下结论:

①即使中性点与机端电压的比率随着励磁和输出功率而变化,但是在正常运行情况下变化的比率要远小于接地故障的情况。②同方法1比较,方法2不需要增加极限情况来避免功率波动。因此可以确保在不同情况下的灵敏度。③方法2中的设置量可以看做是近似独立量。给与更有效的数据,计算错误将会减少。通过给β2选择较小的值可以改善灵敏度。当β2=0.045时自适应方法可以得到较高的灵敏度。但对于一些大型机组这仍然不够。例如三峡电站中机组的临界中性点电压需求为8 kΩ,显而易见即使是自适应方法也有办法满足。

对以上方法灵敏度限制的主要原因大,在最小运行方式下故障,中性点和机端电压的变化很小。这些小的变化无法达到启动量。我们可以发现零序基频电压方法和三次谐波方法有灵敏度补偿区域。与三次谐波方法相比,零序基频电压方法在中间和发电机机端时有较高的灵敏度区域。同时,三次谐波方法在中性点附近有较好的表现,而零序基频方法在中性点的表现不令人满意。根据这些,如果在新方法中能结合零序基频分量方法和三次谐波方法的信息,将会得到满意的灵敏度并且可以保护整个定子绕组。

3对零序电压故障构成的分析

零序电压故障构成包括零序基频电压和三次谐波电压,当定子发生接地故障时在中性点和机端的三次谐波电压会同时发生变化,即使是经高电阻接地。对于零序电压发电机绕组电阻的影响可以忽略不计。基于此,当接地故障发生时,在中性点和机端的三次谐波相增量是相等的。作为一个故障运行的发电机,三相对称遭到破坏,三相基频电压将会在定子接地故障时立即出现。基于相同的原因,由接地故障引起的零序基频电压在整个绕组中都是相同的。在机端和中性点的零序基频电压向量分别由Uot和Uon表示。这里有: Uot=Uon。

这表明在机端和中性点的零序基频电压增量是相等的。这一信息包含在保护继电器的测量信号中,作为结果,它可以用来决定发电机定子是否接地。

根据这些,文中继电器的主要部分是多通滤波器作为带通滤波器工作。继电器快速分解由发电机接地故障引起的零序基频分量和三次谐波分量。为了从本质上产生两个零序分量,多通滤波器设计成本办法输出两个信号。

4基于故障零序电压的差动保护

文中差动保护的原则是当定子接地故障发生时使用零序电压增量。根据第三章,了解在中性点和机端零序电压增量是相等的很重要。基于零序电压的相关差动保护的方法为当:—Uop—>β—Ures—时动作,其中:

Uop=—Ut(t)- Ut(t-tc)+ Un(t)- Un(t-tcc)

Ures=—Ut(t)- Ut(t-tc)- Un(t)+Un(t-tcc)

T=Kn是采样点,Tcc是计算周期。为了增加可靠性(4)需要重复计算m次(m>6)

本保护方法只考虑故障电压而不考虑非故障电压。在平常情况下或者是功率波动情况下的零序电压波形是连续的。在这种情况下无法检测增量程序启动不能发出警报。在另一种情况,当电流发生大的突变时中性点和机端电压的增量表现为不规则。但这并不会影响新的保护方法。当中性点电压和机端电压相反时,而且它们的振幅也不相同。同时,理论上并不存在零序基频电压,因为发电机是对称的。因此存在很强的抑制,这可以避免保护在正常情况下误动。因为只考虑了故障电压,新的保护方法具备较高的灵敏度。

5分析以及测试结果

为了阐述新保护策略的有效性,进行了基于方法1和2的不同测试来比较。

硬件设备是多通滤波器系统,其中包括一个主控制器以及1个或多个处理器,采样频率是4 800 Hz。数字信号处理器卡根据低成本原则设计,但是能够提供足够的设计能力。一个监视程序用来检测主微处理器的运行,当监控程序无法提供正常的信号时继电器的输出断开连接。

设备同时接受正常和非正常情况下的数据,并将这些数据存储,例如设置数据、电流、电压、记录的情况以及扰动,然后在LCD上把这些数据显示出来。这个系统还可以通过电缆之类的媒介和监控系统连接。保护功能通常自动运行且独立于通讯和控制系统。在通讯和控制系统中的任何不正常情况都不会影响保护功能的运行。保护的运行和动作只能取决于自身的硬件和软件。

由于新的保护方法基于差动保护原理,由于变量非常少,设置可以做到非常简单。通过显示了保护设备的连接,发电机组配电变压器高阻接地。在这里应该指出方法1和方法2的比较都经过确认。

6结 语

分析结果显示保护方法只使用基频电压或者是三次谐波电压在一些绕组区域不是很理想。但他们都具有敏感的可补偿区域。根据这些文章总结了一个新的方法,同时使用零序基频分量信息和三次谐波信息。由于在中性点和机端零序基频分量和三次谐波分量同时变化,并且在故障情况下表现出一些相同的特点,它可以用来判断电子绕组是否发生接地故障。

综上所述,新的发电机定子接地保护方法得到发展以及保护设备的实际执行也被证明是可行的,其中保护设备包括硬件和软件设备。由于零序基频电压和三次谐波电压信息被同时使用,保护方法可以获得较高的灵敏度。测试结果表明,提出的方法可以成功的监测出发电机定子接地故障。这种新方法可以获得比其它方法更高的灵敏度。

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