專利名稱：檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電機(jī)接地保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體是一種檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的方法。
背景技術(shù)：
由于單機(jī)容量大，大型發(fā)電機(jī)組的地位變得非常重要，它的安全運(yùn)行直接影響到電網(wǎng)的穩(wěn)定性，同時(shí)，大型發(fā)電機(jī)組由于造價(jià)昂貴，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦遭受損壞，需要的檢修期長(zhǎng)，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失巨大。發(fā)電機(jī)定子單相接地往往是相間或匝間短路的先兆，因此定子接地保護(hù)有十分重要的意義。
經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，黃少鋒等人在《電網(wǎng)技術(shù)》2000年12期，上發(fā)表的“基于三次諧波相角突變?cè)淼陌l(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)”，該文提出在保護(hù)原理的應(yīng)用上，由發(fā)電機(jī)三次諧波和基波零序電壓構(gòu)成的100％定子接地保護(hù)方案在國(guó)內(nèi)外已獲得廣泛應(yīng)用，基波零序電壓保護(hù)可以實(shí)現(xiàn)定子繞組85％～95％的保護(hù)。它與三次諧波電壓型接地保護(hù)一起使用，可以共同實(shí)現(xiàn)100％定子繞組的接地保護(hù)。早期的三次諧波零序電壓的保護(hù)方案多采用單側(cè)量構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，由于三次諧波電勢(shì)受工況影響較大且發(fā)電機(jī)都各自有自身規(guī)律，僅利用單側(cè)電量構(gòu)成的保護(hù)判據(jù)靈敏度較低且保護(hù)范圍小。人們轉(zhuǎn)而研究利用雙側(cè)電量構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，即以中性點(diǎn)和機(jī)端兩側(cè)的三次諧波電壓量的組合作為動(dòng)作量構(gòu)成保護(hù)判據(jù)，以期減小發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況變化對(duì)保護(hù)的影響，從而提高保護(hù)靈敏度。但這種判據(jù)在機(jī)組容量進(jìn)一步增大時(shí)，隨機(jī)組對(duì)地分布電容增大而引起保護(hù)動(dòng)作靈敏度不足，對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組尤為突出，隨著對(duì)地電容的增大，靈敏度還將相應(yīng)降低；同時(shí)，對(duì)擴(kuò)大單元接線的發(fā)電機(jī)，這些方案都不具備選擇性，不能區(qū)分接地故障位于機(jī)內(nèi)或機(jī)外。外加電量式定子接地保護(hù)具有靈敏度高，能正確反映繞組絕緣下降的優(yōu)點(diǎn)。但由于價(jià)格昂貴，該方案的實(shí)際應(yīng)用不如零序電壓方案普遍，并且同樣存在無(wú)選擇性的缺點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的方法，使相應(yīng)的保護(hù)具有選擇性能，能正確識(shí)別發(fā)電機(jī)內(nèi)外部故障，并能對(duì)發(fā)電機(jī)定子單相接地保護(hù)取得高靈敏度。
本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括如下步驟(1)定子接地保護(hù)用電量的采集采集發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓，機(jī)端零序電壓、機(jī)端零序電流分量作為參考電量；本發(fā)明所需的電量包括機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)零序電壓以及機(jī)端零序電流，兩套零序電壓互感器分別接在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和發(fā)電機(jī)機(jī)端兩側(cè)以測(cè)量保護(hù)電壓。為了實(shí)現(xiàn)保護(hù)方案的選擇性能，零序電流互感器接在發(fā)電機(jī)機(jī)端側(cè)以測(cè)量機(jī)端機(jī)端零序電流。電壓互感器和電流互感器接線形式采用標(biāo)準(zhǔn)接線。
(2)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的判別，包括①根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)的故障分量三次諧波電壓的相角相同并同時(shí)小于某一定值來(lái)判別距中性點(diǎn)約50％范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)定子是否發(fā)生內(nèi)部單相接地故障；②根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓和機(jī)端零序電流分量的相角關(guān)系來(lái)判別距中性點(diǎn)50％-100％范圍以內(nèi)(即距機(jī)端50％范圍內(nèi))的發(fā)電機(jī)定子是否發(fā)生內(nèi)部單相接地故障。
發(fā)電機(jī)三次諧波電壓是按匝沿繞組縱向分布，因此正常運(yùn)行發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)處三次諧波電壓相角為負(fù)，機(jī)端三次諧波電壓的相角為正，并且它們的相角差接近180°。即使改變有功或無(wú)功功率，其相角差變化也極小，可近似視為0。定義短路匝比α為由中性點(diǎn)到短路點(diǎn)的串聯(lián)匝數(shù)與一相串聯(lián)匝數(shù)的比。則對(duì)正常運(yùn)行的發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，雖然各分支繞組的三次諧波電壓值隨三次諧波匝電動(dòng)勢(shì)的分布有可能不盡相同，但其相角卻都表現(xiàn)為相同的變化規(guī)律。即在中性點(diǎn)側(cè)三次諧波電壓相角為最大負(fù)值，隨著α的遞增，其相角逐漸增大，在距繞組中部某處相角值為零，到發(fā)電機(jī)機(jī)端相角達(dá)到最大正值。
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)側(cè)的三次諧波電壓增量是近似相等的，包括幅值與相位的相等。當(dāng)發(fā)電機(jī)外部發(fā)生金屬性的單相接地故障時(shí)，三次諧波電壓增量相角將接近于故障前發(fā)電機(jī)機(jī)端的三次諧波電壓相角值。隨著過(guò)渡電阻值的增大，其相角值雖然有些變化，但將一直保持為正角度。發(fā)電機(jī)內(nèi)部發(fā)生定子單相接地故障時(shí)，故障分量三次諧波電壓的相角一定小于正常運(yùn)行時(shí)的機(jī)端三次諧波電壓的相角。隨著α的遞減，相角逐漸減小，到繞組中部某處，其值為零。故障越接近于中性點(diǎn)，相角值越小，到發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)處時(shí)，故障分量三次諧波電壓相角值將達(dá)到負(fù)的最大值。
上述方法對(duì)定子繞組50％以上范圍內(nèi)的單相接地不能反映方向，因此在50％以上范圍單相接地仍存在無(wú)選擇性問(wèn)題，即不能很好地區(qū)分單相接地是在50％以上的定子繞組內(nèi)部還是在發(fā)電機(jī)定子繞組外部。為了取得機(jī)端附近定子接地保護(hù)方案的選擇性，需要引入基波零序電流和基波零序電壓的相位比較。由于保護(hù)范圍主要是50％以上的定子繞組，因此零序故障電壓和電流均相對(duì)較大。當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生定子接地故障時(shí)，零序電流自線路經(jīng)電流互感器CT流向發(fā)電機(jī)。當(dāng)發(fā)生外部接地短路故障，零序電流自發(fā)電機(jī)經(jīng)電流互感器CT流向線路。由于產(chǎn)生零序電流的零序電壓在發(fā)電機(jī)繞組中基本相同，因此可以采用零序電壓和零序電流相位的關(guān)系來(lái)識(shí)別故障方向。規(guī)定由發(fā)電機(jī)流向外部的電流方向?yàn)檎瑒t當(dāng)故障在發(fā)電機(jī)內(nèi)部時(shí)，零序電流與零序電壓的相位差只受機(jī)端設(shè)備每相對(duì)地電容和發(fā)電機(jī)電容的影響，即零序電壓約超前于零序電流90°。如果考慮系統(tǒng)參數(shù)的影響，則一般為70°～90°之間。當(dāng)單相接地故障在發(fā)電機(jī)外部時(shí)，其相位差將與發(fā)電機(jī)電容和中性點(diǎn)接地電阻有關(guān)，由于容抗值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于中性點(diǎn)接地阻抗值，因此可以忽略。對(duì)中性點(diǎn)以配電變壓器副方接電阻方式接地的發(fā)電機(jī)，中性點(diǎn)接地阻抗的阻抗角約為10°～30°左右。考慮電流是由線路流向發(fā)電機(jī)內(nèi)部，則有電流超前電壓150°～170°左右。
由于三次諧波電壓保護(hù)主要識(shí)別靠近中性點(diǎn)50％范圍以內(nèi)的單相接地故障，因此可以有方向元件如下arg(U.3s(t)-U.3s(t-tc))<ϵ∩arg(U.3n(t)-U.3n(t-tc))<ϵ]]> 分別是發(fā)電機(jī)中型點(diǎn)和機(jī)端的三次諧波電壓，其中t＝kn，即采樣時(shí)刻，tc為計(jì)算間隔，一般取兩個(gè)或三個(gè)工頻周期。ε為相角差定值，可取5～10°。
對(duì)基波零序電壓值，無(wú)論故障位于何處，相位差均與過(guò)渡電阻R無(wú)關(guān)。因此，對(duì)距中性點(diǎn)50％-100％范圍以內(nèi)的接地故障，有方向元件如下 其中 為基波零序電壓和零序電流值，ε為相角差定值，可取5～10°。
本發(fā)明不受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，系統(tǒng)運(yùn)行方式變化時(shí)，機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)三次諧波電壓經(jīng)主要表現(xiàn)為連續(xù)而平緩的波形。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果也表明，當(dāng)改變有功或無(wú)功時(shí)，中性點(diǎn)和機(jī)端3次諧波電壓夾角的緩慢變化基本上趨近于零，因此兩者夾角的變化很小，其相角差接近于反向(約180°)。因?yàn)椴还芟到y(tǒng)運(yùn)行方式怎樣變化，定子繞組的感抗和電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的容抗這一事實(shí)是不會(huì)改變的。這一結(jié)論同樣適用于汽輪發(fā)電機(jī)。因此本發(fā)明將不會(huì)誤判。
本發(fā)明克服了傳統(tǒng)的發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)方法沒(méi)有方向識(shí)別功能，很難滿足大型發(fā)電機(jī)組對(duì)接地保護(hù)的靈敏度要求。本發(fā)明提出的方法利用機(jī)端、中性點(diǎn)兩側(cè)的零序電壓和電流進(jìn)行分析，能對(duì)發(fā)電機(jī)定子接地故障提供可靠的方向識(shí)別功能。計(jì)算結(jié)果和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)還表明，本發(fā)明在各種運(yùn)行方式下均能取得很高的靈敏度和可靠性，在各種短路情況下的保護(hù)靈敏度不低于10kΩ。
具體實(shí)施例方式
下面對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
本實(shí)施例在一臺(tái)15kVA的凸極模擬發(fā)電機(jī)進(jìn)行，該機(jī)每相有兩個(gè)并聯(lián)分支，每支路串聯(lián)10個(gè)線圈，機(jī)端附近5個(gè)線圈為每線圈4匝，中性點(diǎn)附近5個(gè)線圈為2匝。在A1支路上設(shè)有3個(gè)故障點(diǎn)a1(α＝40％)，a3(α＝70％)，a5(α＝90％)，在A2支路上有設(shè)有3個(gè)故障點(diǎn)a2，a4，a6，電氣位置呈對(duì)稱分布。短路前，電機(jī)為額定運(yùn)行，勵(lì)磁電流1.55A，輸出功率12kW，功率因數(shù)0.8，額定相電壓幅值115V，經(jīng)升壓變后為800V，接于220kV模擬線路，模擬三峽700MW大型水輪發(fā)電機(jī)。實(shí)施例采用中國(guó)電力科學(xué)研究院研制的DF1024便攜式波形記錄儀錄取故障波形和數(shù)據(jù)，根據(jù)故障數(shù)據(jù)對(duì)各方案進(jìn)行離線計(jì)算和驗(yàn)證。
表1是各短路點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)結(jié)果表明，本發(fā)明在各種短路情況下的保護(hù)靈敏度不低于10kΩ，在發(fā)電機(jī)突然加強(qiáng)勵(lì)磁、系統(tǒng)突然嚴(yán)重振蕩情況下能夠可靠不誤動(dòng)，在發(fā)電機(jī)外部短路時(shí)也能夠可靠不誤動(dòng)。因此，本發(fā)明在各種運(yùn)行方式下均能取得很高的保護(hù)靈敏度和可靠性，在系統(tǒng)運(yùn)行方式劇烈變化和外部故障情況下能可靠不誤動(dòng)，具有較強(qiáng)的選擇性，適用于各種類型發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部接地故障的判別。
表1 保護(hù)方案的動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果

√表示保護(hù)動(dòng)作，×表示保護(hù)不動(dòng)作
權(quán)利要求
1.一種檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)定子接地保護(hù)用電量的采集采集發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)的三次諧波電壓，機(jī)端零序電壓、機(jī)端零序電流分量作為參考電量；(2)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的判別，包括①根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)的故障分量三次諧波電壓的相角相同并同時(shí)小于某一定值，來(lái)判別距中性點(diǎn)50％范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)定子是否發(fā)生內(nèi)部單相接地故障；②根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓和機(jī)端零序電流分量的相角關(guān)系來(lái)判別距中性點(diǎn)50％-100％范圍以內(nèi)的發(fā)電機(jī)定子是否發(fā)生內(nèi)部單相接地故障。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的方法，其特征是，步驟(1)中，采用兩套零序電壓互感器分別接在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和發(fā)電機(jī)機(jī)端兩側(cè)以測(cè)量保護(hù)電壓，采用零序電流互感器接在發(fā)電機(jī)機(jī)端側(cè)以測(cè)量機(jī)端零序電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的方法，其特征是，電壓互感器和電流互感器接線形式采用標(biāo)準(zhǔn)接線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的方法，其特征是，所述①中，對(duì)距中性點(diǎn)50％范圍以內(nèi)的接地故障，方向元件為arg(U.3s(t)-U.3s(t-tc))<ϵ∩arg(U.3n(t)-U.3n(t-tc))<ϵ]]>其中U3s(t)、U3n(t)分別是發(fā)電機(jī)中型點(diǎn)和機(jī)端的三次諧波電壓，t＝kn，即采樣時(shí)刻；tc為計(jì)算間隔，取兩個(gè)或三個(gè)工頻周期；ε為相角差定值，取5～10°。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的方法，其特征是，所述②中，對(duì)距中性點(diǎn)50％-100％范圍以內(nèi)的接地故障，方向元件為 ，其中 為基波零序電壓和零序電流值，ε為相角差定值，取5～10°。
全文摘要
一種檢測(cè)發(fā)電機(jī)定子單相接地故障方向的方法，屬于繼電保護(hù)領(lǐng)域。方法如下采集發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)的零序電壓、機(jī)端零序電流分量作為參考電量，電壓互感器和電流互感器接線形式采用標(biāo)準(zhǔn)接線；根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)側(cè)的故障分量三次諧波電壓的相角相同并同時(shí)小于某一定值來(lái)判別距中性點(diǎn)50％范圍內(nèi)發(fā)電機(jī)定子是否發(fā)生內(nèi)部單相接地故障；根據(jù)發(fā)電機(jī)機(jī)端零序電壓和機(jī)端零序電流分量的相角關(guān)系來(lái)判別距中性點(diǎn)50％－100％范圍以內(nèi)的發(fā)電機(jī)定子是否發(fā)生內(nèi)部單相接地故障。本發(fā)明在各種運(yùn)行方式下均能取得很高的保護(hù)靈敏度和可靠性。
文檔編號(hào)G01R19/00GK101071152SQ20071004197
公開(kāi)日2007年11月14日 申請(qǐng)日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者邰能靈 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)