基于零序電壓的發電機接地故障差動保護

熊海濤 王 姣

摘要:文章介紹了一種新的基于零序電壓的發電機定子接地故障100%范圍差動保護的方法。研究表明在發電機中性點以及端點的零序基頻電壓和三次諧波電壓同時改變,并且他們表現出一些相同特點。根據這個新的保護方法研究零序基波電壓和三次諧波電壓的故障信息。正因為聯系了零序基波電壓和三次諧波電壓的信息,新的保護方法可以100%的檢測繞組接地故障。模擬及現場測試的結果顯示新的保護方法比傳統的保護方法更加靈敏。

關鍵詞:故障構成;定子接地保護;零序基頻電壓

中圖分類號:TM310.73文獻標識碼:A文章編號:1006-8937(2009)18-0115-02

1概 述

因為定子接地故障是發電機組常見的故障之一,并且能夠引起很大的損失,因此定子接地故障越來越引起大家的重視。隨著電力工業的發展,發電機單機容量越來越大,這對發電機的設計、制造、運行都提出了很大的挑戰。

目前許多定子保護方法被提出及應用,最簡單、廣泛的方法是基于測量零序電壓的方法。概括地說他們包含兩個部分:零序基頻電壓方法和三次諧波方法。當設置良好時,零序基頻電壓保護方法可以保護90%～95%的定子繞組。但是它不能檢測出中性點附近的接地故障,中性點附近的接地保護通常是利用三次諧波電壓。在中性點或者是機端只利用三次諧波的保護靈敏度很低,這是因為三次諧波隨著運行狀態的改變變化非常大。因此很多文章提出了基于中性點電壓和機端電壓變化的保護方法。在實際應用中他們的靈敏度都很低,因為發電機的運行情況經常改變。為了克服這種缺點,也有文章提出了相應解決辦法,但是對大容量的水電機組來說,這些方法的靈敏度仍然很低。

以上的方法只是單一應用了零序基頻電壓的故障信息或者三次諧波電壓的故障信息,靈敏度不高。文章利用零序電壓的差動保護提出了一種具有高靈敏度的保護方法,該方法可以檢測整個定子繞組。

2基于零序電壓保護方法的比較

2.1零序基頻電壓保護方法的靈敏度

接地保護方法的應用,是指無論是中性點接地還是機端短路都不受影響。在中國,接地分為三種情況:經配電變壓器高阻抗接地、中性點經消弧線圈接地和不接地。模擬結果證明接地故障引起的基頻電壓在所有的繞組中都是一定的。因此作為保護動作參量的基波零序電壓可取自發電機中性點,也可取自機端。一般現場整定基波零序電壓型接地保護的動作電壓為5～10 V。圖1顯示了在整定為5 V時的保護范圍臨界電壓曲線。曲線1、2、3是接地情況I、II、III的分析。文中發電機定子每相5分支,每項對地接地電容C=1.8uF。

以中性點經配電變壓器高阻接地為例,從圖1可見,在允許過濾電阻為8KΩ的情況下,基波零序電壓保護只能保護發電機端附近的94%～100%范圍的定子繞組。在距中性點約40%的繞組部分,可以實現3 kΩ過渡電阻接地的故障保護。保護靈敏度隨故障點與中性點的距離近似成線性增長,在機端的靈敏度為最大?；阈螂妷罕Ｗo在中性點附近的靈敏度普遍偏低。因此,必須要引入三次諧波電壓保護,以消滅這部分死區。

2.2三次諧波電壓保護靈敏度分析

通常定子接地保護的三次諧波保護方法通常都是基于比較中性點電壓和機端電壓的差值。在實際中大量使用的方法可以分為以下幾種形式:

方法1:當U3n-KpU3t>?茁1U3n時動作

方法2:當U3t(t)-U3n(t)*U3t(t-tcc)/U3n(t-tcc)>?茁2U3n(t)時動作

方法1基于中性點電壓與機端電壓的比率。不幸的是即使發電機在無故障運行時中性點電壓與機端電壓的比率也不是常數。Kp是個常數或者可在投入運行前調為最佳值。這里必須指出這種保護方法的靈敏度并不非常令人滿意。

上面兩種方法的不同之處是:我們用方法2中的U3t(t-tcc)/ U3n(t-tcc)代替方法1中的Kp。這樣就具有相對中性點電壓和機端電壓比率變化的適應能力。方法2的PCCR中,其中β2=0.06。我們可以看出它的保護區域為整個定子繞組,方法2的靈敏度也比方法1的高。很容易得出以下結論:

①即使中性點與機端電壓的比率隨著勵磁和輸出功率而變化,但是在正常運行情況下變化的比率要遠小于接地故障的情況。②同方法1比較,方法2不需要增加極限情況來避免功率波動。因此可以確保在不同情況下的靈敏度。③方法2中的設置量可以看做是近似獨立量。給與更有效的數據,計算錯誤將會減少。通過給β2選擇較小的值可以改善靈敏度。當β2=0.045時自適應方法可以得到較高的靈敏度。但對于一些大型機組這仍然不夠。例如三峽電站中機組的臨界中性點電壓需求為8 kΩ,顯而易見即使是自適應方法也有辦法滿足。

對以上方法靈敏度限制的主要原因大,在最小運行方式下故障,中性點和機端電壓的變化很小。這些小的變化無法達到啟動量。我們可以發現零序基頻電壓方法和三次諧波方法有靈敏度補償區域。與三次諧波方法相比,零序基頻電壓方法在中間和發電機機端時有較高的靈敏度區域。同時,三次諧波方法在中性點附近有較好的表現,而零序基頻方法在中性點的表現不令人滿意。根據這些,如果在新方法中能結合零序基頻分量方法和三次諧波方法的信息,將會得到滿意的靈敏度并且可以保護整個定子繞組。

3對零序電壓故障構成的分析

零序電壓故障構成包括零序基頻電壓和三次諧波電壓,當定子發生接地故障時在中性點和機端的三次諧波電壓會同時發生變化,即使是經高電阻接地。對于零序電壓發電機繞組電阻的影響可以忽略不計?；诖?當接地故障發生時,在中性點和機端的三次諧波相增量是相等的。作為一個故障運行的發電機,三相對稱遭到破壞,三相基頻電壓將會在定子接地故障時立即出現。基于相同的原因,由接地故障引起的零序基頻電壓在整個繞組中都是相同的。在機端和中性點的零序基頻電壓向量分別由Uot和Uon表示。這里有: Uot=Uon。

這表明在機端和中性點的零序基頻電壓增量是相等的。這一信息包含在保護繼電器的測量信號中,作為結果,它可以用來決定發電機定子是否接地。

根據這些,文中繼電器的主要部分是多通濾波器作為帶通濾波器工作。繼電器快速分解由發電機接地故障引起的零序基頻分量和三次諧波分量。為了從本質上產生兩個零序分量,多通濾波器設計成本辦法輸出兩個信號。

4基于故障零序電壓的差動保護

文中差動保護的原則是當定子接地故障發生時使用零序電壓增量。根據第三章,了解在中性點和機端零序電壓增量是相等的很重要。基于零序電壓的相關差動保護的方法為當:—Uop—>β—Ures—時動作,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是采樣點,Tcc是計算周期。為了增加可靠性(4)需要重復計算m次(m>6)

本保護方法只考慮故障電壓而不考慮非故障電壓。在平常情況下或者是功率波動情況下的零序電壓波形是連續的。在這種情況下無法檢測增量程序啟動不能發出警報。在另一種情況,當電流發生大的突變時中性點和機端電壓的增量表現為不規則。但這并不會影響新的保護方法。當中性點電壓和機端電壓相反時,而且它們的振幅也不相同。同時,理論上并不存在零序基頻電壓,因為發電機是對稱的。因此存在很強的抑制,這可以避免保護在正常情況下誤動。因為只考慮了故障電壓,新的保護方法具備較高的靈敏度。

5分析以及測試結果

為了闡述新保護策略的有效性,進行了基于方法1和2的不同測試來比較。

硬件設備是多通濾波器系統,其中包括一個主控制器以及1個或多個處理器,采樣頻率是4 800 Hz。數字信號處理器卡根據低成本原則設計,但是能夠提供足夠的設計能力。一個監視程序用來檢測主微處理器的運行,當監控程序無法提供正常的信號時繼電器的輸出斷開連接。

設備同時接受正常和非正常情況下的數據,并將這些數據存儲,例如設置數據、電流、電壓、記錄的情況以及擾動,然后在LCD上把這些數據顯示出來。這個系統還可以通過電纜之類的媒介和監控系統連接。保護功能通常自動運行且獨立于通訊和控制系統。在通訊和控制系統中的任何不正常情況都不會影響保護功能的運行。保護的運行和動作只能取決于自身的硬件和軟件。

由于新的保護方法基于差動保護原理,由于變量非常少,設置可以做到非常簡單。通過顯示了保護設備的連接,發電機組配電變壓器高阻接地。在這里應該指出方法1和方法2的比較都經過確認。

6結 語

分析結果顯示保護方法只使用基頻電壓或者是三次諧波電壓在一些繞組區域不是很理想。但他們都具有敏感的可補償區域。根據這些文章總結了一個新的方法,同時使用零序基頻分量信息和三次諧波信息。由于在中性點和機端零序基頻分量和三次諧波分量同時變化,并且在故障情況下表現出一些相同的特點,它可以用來判斷電子繞組是否發生接地故障。

綜上所述,新的發電機定子接地保護方法得到發展以及保護設備的實際執行也被證明是可行的,其中保護設備包括硬件和軟件設備。由于零序基頻電壓和三次諧波電壓信息被同時使用,保護方法可以獲得較高的靈敏度。測試結果表明,提出的方法可以成功的監測出發電機定子接地故障。這種新方法可以獲得比其它方法更高的靈敏度。

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