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      故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法

      文檔序號:7299876閱讀:211來源:國知局
      專利名稱:故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法
      技術(shù)領(lǐng)域
      本發(fā)明涉及的是一種發(fā)電機定子單相接地保護方法,特別是一種高靈敏度故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,屬于電氣技術(shù)領(lǐng)域。
      背景技術(shù)
      目前大多數(shù)大中型發(fā)電機組均采用中性點不接地或中性點經(jīng)高阻抗接地方式(如中性點經(jīng)配電變壓器副方接電阻接地或中性點經(jīng)消弧線圈接地等),這種情況下的發(fā)電機定子繞組發(fā)生接地故障時,接地故障電流和電壓將主要取決于發(fā)電機定子繞組對地電容的大小和分布,繞組結(jié)構(gòu)和連接方式,以及與接地點有關(guān)的繞組的重新分配。發(fā)電機定子單相接地往往是相間或匝間短路的先兆,因此定子接地保護有十分重要的意義。
      經(jīng)文獻檢索發(fā)現(xiàn),蘇洪波等人在《電網(wǎng)技術(shù)》1996年9期上發(fā)表了“微機自適應(yīng)式發(fā)電機定子接地保護”。該文提出在保護原理的應(yīng)用上,由發(fā)電機三次諧波和基波零序電壓構(gòu)成的100%定子接地保護方案在國內(nèi)外已獲得廣泛應(yīng)用,基波零序電壓保護可以實現(xiàn)定子繞組85%~95%的保護。它與三次諧波電壓型接地保護一起使用,可以共同實現(xiàn)100%定子繞組的接地保護。早期的三次諧波零序電壓的保護方案多采用單側(cè)量構(gòu)成保護判據(jù),由于三次諧波電勢受工況影響較大且發(fā)電機都各自有自身規(guī)律,僅利用單側(cè)電量構(gòu)成的保護判據(jù)靈敏度較低且保護范圍小。人們轉(zhuǎn)而研究利用雙側(cè)電量構(gòu)成保護判據(jù),即以中性點和機端兩側(cè)的三次諧波電壓量的組合作為動作量構(gòu)成保護判據(jù),如自適應(yīng)式定子接地保護方案,以期減小發(fā)電機運行工況變化對保護的影響,從而提高保護靈敏度。但這種判據(jù)在機組容量進一步增大時,隨機組對地分布電容增大而引起保護動作靈敏度不足,對于水輪發(fā)電機組尤為突出。隨著對地電容的增大,靈敏度還將相應(yīng)降低。此外,這些方案的靈敏度受發(fā)電機接地方式的影響也很大,使得現(xiàn)場保護方案的選擇更加復(fù)雜化。

      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,提供一種故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,使其具有高可靠性,能正確識別發(fā)電機定子接地故障,并能對發(fā)電機定子單相接地故障取得高靈敏度,解決背景技術(shù)中存在的問題。
      本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的,本發(fā)明方法如下(1)采用半正交小波作為啟動工具;(2)采集發(fā)電機機端和中性點側(cè)的零序電壓分量作為參考電量,電壓互感器接線形式采用標(biāo)準(zhǔn)接線;(3)以零序電壓(包括基波零序電壓和三次諧波零序電壓)經(jīng)小波分析后的模極大值的判別作為啟動判據(jù);(4)根據(jù)機端和中性點側(cè)的三次諧波電壓增量的相角比差是否滿足要求判別發(fā)電機是否發(fā)生定子內(nèi)部單相接地故障。
      以下對本發(fā)明方法作進一步的限定,具體包含如下內(nèi)容(1)定子接地保護用電量的采集本發(fā)明所需的電量包括機端和中性點側(cè)零序電壓(包括基波零序電壓和三次諧波零序電壓)。兩套零序電壓互感器分別接在發(fā)電機中性點和發(fā)電機機端兩側(cè)以測量保護用零序電壓。由于零序電壓比較小,因此對測試儀器的精度要求比較高,至少采用14位的采集板,采集頻率至少64次/周波。
      (2)啟動元件的選取主判據(jù)采用零序電壓(包括基波零序電壓和三次諧波零序電壓)的小波變換啟動,這樣零序電壓的大小對啟動基本上沒有影響。發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生定子單相接地故障時,機端和中性點兩側(cè)的零序電壓將發(fā)生變化,但主要表現(xiàn)為它們電壓增量的相等,包括幅值與相位的相等。即使是經(jīng)高電阻接地,其幅值和相角也將有輕微變化。由于小波變換每一尺度的局部模極大值濃縮了該尺度的主要信息,故由發(fā)電機兩側(cè)相等的故障分量引起的突變信息將主要通過模極大值來體現(xiàn)。因此機端和中性點兩側(cè)零序電壓經(jīng)小波變換后,在小波變換1、2尺度的波形上,其相同時段的小波變換模極大值的符號(極性)、位置和個數(shù)相同,及故障電壓的小波變換模極大值是等同出現(xiàn)的。這是由于這些極大值對應(yīng)于故障電壓的突變點。本發(fā)明利用機端、中性點測量電壓經(jīng)小波變換后的模極大值特性有效啟動發(fā)電機內(nèi)部是否定子單相接地故障,即同一尺度上同一位置兩側(cè)零序電壓的模極大值同號則啟動接地故障判別。
      判據(jù)采用與機端、中性點兩側(cè)零序電壓(基波零序電壓和三次諧波電壓)經(jīng)小波變換模極大值極性相與的方式。方法如下(1)選取第2尺度的小波變換值作為提取特征,由于小波變換固有的濾波特性,能保證較高的抗干擾性能,并能較好地去除正常數(shù)據(jù)的影響,以確保識別的可靠性。
      (2)以Ws.k(s=1,2…,k=1,2…)表示第s尺度的各局部模極大值,k表示模極大值點。例如W1.1~W1.3分別表示第1尺度上的模極大值點1~3。則各尺度上局部模極大值同號的識別方法可采用以下規(guī)則如果Wn.k-1<Wn.k∩Wn.k+1<Wn.k∩Wn.k>0則Wn.k是正極大值,如果Wn.k-1>W(wǎng)n.k∩Wn.k+1>W(wǎng)n.k∩Wn.k<0則Wn.k是負(fù)極大值,如果Wn.k.ut>0∩Wn.k.un>0∩Wn.k.i則正同號,Wn.k.ut<0∩Wn.k.un<0∩Wn.k.i<0則負(fù)同號其中,Wn.k.ut為機端測量電壓小波變換的局部極大值,Wn.k.un為中性點測量電壓小波變換的局部極大值。當(dāng)連續(xù)超過n(n≥3)次同號時,即啟動接地故障判別。
      (3)發(fā)電機定子單相接地故障的判別理論上,發(fā)電機正常運行情況下,機端和中性點3次諧波電壓夾角與發(fā)電機3次諧波電勢無關(guān),只與發(fā)電機對地固有參數(shù)有關(guān)。此特性是選擇相角量的依據(jù)?,F(xiàn)場實測結(jié)果也表明,當(dāng)改變有功或無功時,中性點和機端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(>100°)。而當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,機端和中性點側(cè)的三次諧波電壓增量的相角相等。因此提出相角比差判據(jù),該判據(jù)只判別電壓故障分量的相角,與它們穩(wěn)態(tài)時的夾角無關(guān),所以適用于各種情況下的發(fā)電機。判據(jù)表達式為|(arg(U3s(t))-arg(U3s(t-tc)))-(arg(U3n(t))-arg(U3n(t-tc)))|≤ε其中t=kn,即采樣時刻,tc為計算間隔,取兩個或三個工頻周期。ε為相角差定值,可取5~10°之間。為防止短時干擾影響,擾動發(fā)生后,運用判據(jù)式重復(fù)判3次或者3次以上,再發(fā)命令。
      一般說來,|u3s|/|u3n|的比值,隨接地點的不同呈不同變化。與正常運行時的|u3s|/|u3n|值相比,當(dāng)故障點位于發(fā)電機繞組中部附近時,|u3s|/|u3n|值的變化量要小于故障點位于中性點和機端附近的變化量,因此雙頻式定子接地保護在繞組中部接地故障時靈敏度較低。本發(fā)明的動作量由故障后的三次諧波零序電壓中減去負(fù)荷分量得到,并以此構(gòu)成故障分量相角比差保護,保護靈敏度只與裝置精度有關(guān)。此外,基于故障分量三次諧波電壓相角比差原理的保護方案與其他判據(jù)不一樣,其靈敏度與發(fā)電機中性點接地方式無關(guān),常規(guī)方案靈敏度受接地方式的影響很大,本發(fā)明由于去除了負(fù)荷分量的影響,適用于任何接地方式的發(fā)電機保護。研究表明,故障發(fā)生后,中性點及機端三次諧波電壓增量的幅值與相位都相等,而由于運行方式的變化及其它因素導(dǎo)致的兩側(cè)三次諧波電壓的變化只是使它們增量的比值呈一定的恒等關(guān)系,并且它們的相角差接近180°(>100°),不可能滿足判據(jù)式。因此,故障分量原理的保護方案能取得很高的可靠性,只要能取出保證計算精度的故障分量,保護的精度也能得到相應(yīng)提高。
      本發(fā)明不受系統(tǒng)運行方式的影響,系統(tǒng)運行方式變化時,機端和中性點側(cè)三次諧波電壓經(jīng)小波變換后主要表現(xiàn)為連續(xù)而平緩的波形。另一方面,絕緣正常時,即使由于系統(tǒng)劇烈振蕩或其它原因(如強勵等)引起機端和中性點側(cè)三次諧波電壓產(chǎn)生突變,在同一尺度上兩電壓的小波變換模極大值將呈異號。兩側(cè)電壓雖然在相同時段的局部模極大值位置和個數(shù)相同,但其符號相反,因此將不會誤啟動。由于此時三次諧波電壓增量的相角比差與正常發(fā)電機三次諧波電壓相角比差相等,因此保護判據(jù)也不會誤動。
      本發(fā)明綜合利用基波零序和三次諧波電壓合成量的突變奇異性,具有很高的啟動靈敏度,利用故障分量三次諧波電壓的相角差比,具有很高的保護靈敏度。在三峽一臺700MW發(fā)電機中性點經(jīng)12kΩ電阻的計算中表明,故障前后的零序電壓幾乎沒有變化。以往的保護方案無法檢測到該接地故障,但本發(fā)明能可靠檢測出這種輕微接地故障。
      本發(fā)明具有實質(zhì)性特點和顯著進步,由于原理上的缺陷及受裝置水平的影響,傳統(tǒng)的發(fā)電機定子接地保護方案靈敏度較低,很難滿足大型發(fā)電機組對接地保護的靈敏度要求。本發(fā)明提出的新型發(fā)電機定子接地保護方案,能可靠識別出100%范圍內(nèi)的發(fā)電機定子接地故障。計算結(jié)果和動模實驗還表明,在各種運行方式下均能取得很高的保護靈敏度和可靠性,是一種較佳的定子接地保護方案。
      具體實施例方式
      結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實施例本發(fā)明方法在一臺15kVA的凸極模擬發(fā)電機作了實驗驗證。該機每相有兩個并聯(lián)分支,每支路串聯(lián)10個線圈,機端附近5個線圈為每線圈4匝,中性點附近5個線圈為2匝。在A1支路上設(shè)有3個故障點a1(a=40%),a3(a=70%),a5(a=90%),在A2支路上有設(shè)有3個故障點a2,a4,a6,電氣位置呈對稱分布。短路前,電機為額定運行,勵磁電流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220kY模擬線路,模擬700MW大型水輪發(fā)電機。整個實驗過程進行了各種條件的大量計算和分析,實驗采用中國電力科學(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)對各方案進行離線計算和驗證。表1是各短路點的實驗結(jié)果,這個結(jié)果表明,本發(fā)明在各種短路情況下的保護靈敏度不低于10kΩ,在發(fā)電機突然加強勵磁、系統(tǒng)突然嚴(yán)重振蕩情況下能夠可靠不誤動,在發(fā)電機外部短路時也能夠可靠不誤動。因此,本發(fā)明在各種運行方式下均能取得很高的保護靈敏度和可靠性,在系統(tǒng)運行方式劇烈變化時能可靠不誤動,適用于各種類型發(fā)電機定子繞組內(nèi)部接地故障的判別。
      表1保護方案的動模實驗結(jié)果 √表示保護動作,×表示保護不動作
      權(quán)利要求
      1.一種故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,其特征在于,方法如下(1)采用半正交小波作為啟動工具;(2)采集發(fā)電機機端和中性點側(cè)的零序電壓分量作為參考電量,電壓互感器接線形式采用標(biāo)準(zhǔn)接線;(3)以零序電壓,包括基波零序電壓和三次諧波零序電壓,經(jīng)小波分析后的模極大值的判別作為啟動判據(jù);(4)根據(jù)機端和中性點側(cè)的三次諧波電壓增量的相角比差是否滿足要求判別發(fā)電機是否發(fā)生定子內(nèi)部單相接地故障。
      2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,其特征是,以下對方法作進一步的限定,具體包含如下內(nèi)容(1)定子接地保護用電量的采集,(2)啟動元件的選取,(3)發(fā)電機定子單相接地故障的判別。
      3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,其特征是,所述的定子接地保護用電量的采集,具體如下電量包括機端和中性點側(cè)零序電壓,中性點側(cè)零序電壓包括基波零序電壓和三次諧波零序電壓,兩套零序電壓互感器分別接在發(fā)電機中性點和發(fā)電機機端兩側(cè)測量保護用零序電壓,測量儀器至少采用14位的采集板,采集頻率至少64次/周波。
      4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,其特征是,所述的啟動元件的選取,具體如下主判據(jù)采用零序電壓的小波變換啟動,零序電壓包括基波零序電壓和三次諧波零序電壓,發(fā)電機內(nèi)部發(fā)生定子單相接地故障時,機端和中性點兩側(cè)的零序電壓將發(fā)生變化,由發(fā)電機兩側(cè)相等的故障分量引起的突變信息將主要通過模極大值來體現(xiàn),通過機端、中性點測量電壓經(jīng)小波變換后的模極大值特性有效啟動發(fā)電機內(nèi)部是否定子單相接地故障,即同一尺度上同一位置兩側(cè)零序電壓的模極大值同號則啟動接地故障判別。
      5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,其特征是,判據(jù)采用與機端、中性點兩側(cè)零序電壓,包括基波零序電壓和三次諧波電壓,兩側(cè)零序電壓經(jīng)小波變換模極大值極性相與的方式,方法如下(1)選取第2尺度的小波變換值作為提取特征;(2)以Ws.k,s=1,2…,k=1,2…,表示第s尺度的各局部模極大值,k表示模極大值點,則各尺度上局部模極大值同號的識別方法采用以下規(guī)則如果Wn.k-1<Wn.k∩Wn.k+1<Wn.k∩Wn.k>0則Wn.k是正極大值,如果Wn.k-1>W(wǎng)n.k∩Wn.k+1>W(wǎng)n.k∩Wn.k<0則Wn.k是負(fù)極大值,如果Wn.k.ut>0∩Wn.k.un>0∩Wn.k.i則正同號,Wn.k.ut<0∩Wn.k.un<0∩Wn.k.i<0則負(fù)同號,其中,Wn.k.ut為機端測量電壓小波變換的局部極大值,Wn.k.un為中性點測量電壓小波變換的局部極大值,當(dāng)連續(xù)超過n次同號時,n≥3,即啟動接地故障判別。
      6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,其特征是,所述的發(fā)電機定子單相接地故障的判別,內(nèi)容如下當(dāng)發(fā)生單相接地故障時,機端和中性點側(cè)的三次諧波電壓增量的相角相等,采用相角比差判據(jù),該判據(jù)只判別電壓故障分量的相角,適用于各種情況下的發(fā)電機,判據(jù)表達式為|(arg(U3s(t))-arg(U3s(t-tc)))-(arg(U3n(t))-arg(U3n(t-tc)))|≤ε其中t=kn,即采樣時刻,tc為計算間隔,取兩個或三個工頻周期,ε為相角差定值,取5~10°之間。
      7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,其特征是,擾動發(fā)生后,運用判據(jù)式重復(fù)判3次或者3次以上,再發(fā)命令。
      全文摘要
      一種故障分量相角比差式發(fā)電機定子單相接地保護方法,屬于電氣技術(shù)領(lǐng)域。方法如下采用半正交小波作為啟動工具;采集發(fā)電機機端和中性點側(cè)的零序電壓分量作為參考電量,電壓互感器接線形式采用標(biāo)準(zhǔn)接線;以零序電壓,包括基波零序電壓和三次諧波零序電壓,經(jīng)小波分析后的模極大值的判別作為啟動判據(jù);根據(jù)機端和中性點側(cè)的三次諧波電壓增量的相角比差是否滿足要求判別發(fā)電機是否發(fā)生定子內(nèi)部單相接地故障。本發(fā)明能可靠識別出100%范圍內(nèi)的發(fā)電機定子接地故障。計算結(jié)果和動模實驗還表明,在各種運行方式下均能取得很高的保護靈敏度和可靠性。
      文檔編號H02H7/06GK1472856SQ0312906
      公開日2004年2月4日 申請日期2003年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月5日
      發(fā)明者邰能靈 申請人:上海交通大學(xué)
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