发电机纵向零序电压匝间保护方法与流程

本发明属于火力发电厂发电机匝间保护技术领域，具体涉及针对未安装机端专用tv的发电机实现匝间保护的方法。

背景技术：

现代大型发电机的定子绕组不可避免在定子同一槽的上、下层线棒会出现同相不同匝数的定子线棒，这就必然导致发电机定子绕组的匝间短路故障，为此大型发电机都安装匝间保护。

针对火电机组定子匝间保护，国内一般采用纵向零序电压匝间保护和负序功率方向匝间保护两种。负序功率方向匝间保护存在灵敏度低、机组并网前不起作用、易受频率变化影响等缺点，因此，一般很少单独使用，更多地是作为纵向零序电压保护的辅助判据，用于防止专用tv一次断线导致匝间保护误动。国外一般采用纵向零序电压匝间保护。可见，目前采用纵向零序电压匝间保护是目前应用最为广泛的定子匝间保护方式。纵向零序电压匝间保护取机端专用tv开口三角

大型机组发电机电气量保护都按照双重化配置原则，现有匝间保护系统由于发电机机端只有一组专用tv，两套保护系统均取自专用tv的开口三角。现有技术中匝间保护的电路结构为：如图1所示，发电机中性点与发电机机端专用tv中性点直接连接，发电机机端tv一次侧接地；发电机机端tv二次侧开连接方式为：x→b、y→c，然后将a和z引出形成开口三角形，也可以在一次侧配置接地变压力器，目的是用来测量发电机机端tv一次侧的零序电压进而得到该位置零序电压采样值3u0。上述电路结构二次侧开口三角测得的零序电压与机端tv和发电机中性点匝间均相关。一旦机端专用tv出现异常，两套匝间保护则均不能正确判断是否发生匝间短路，不能正确反映所采集的数据，可能造成保护装置的误判。

例如当专用tv发生一次断线时，机端tv开口三角产生不平衡电压，匝间保护动作，使主开关跳闸，但此时发电机实际上并没有发生匝间短路，造成发电机停机，匝间保护误动造成的不必要的影响。再例如是发电机本身发生匝间短路，但发电机机端tv二次侧开口三角发生断线，造成保护装置实际采集的3u0为0，造成保护装置没办法正确判断保护故障，造成保护装置拒动。保护装置拒动，会对发电机本体造成伤害，扩大事故范围，可能对电厂稳定性造成影响。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是现有技术中发电机电气量保护tv存在不能正确判断是否发生匝间短路，不能正确反映所采集的数据的缺陷，有匝间保护误动的情况。

为了解决上述技术问题，提供一种可靠的电压匝间保护措施，本发明提出如下方案：

一种发电机纵向零序电压匝间保护方法：

第一，纵向零序电压匝间保护电路结构设置为：

发电机配置两套普通机端tv，分别为tv1、tv2，其中tv1中性点接地、tv2中性点接地，tv1、tv2的接地电路上构成机端零序电压；发电机中性点接地，并且在此接线上设置接地变压器，该部分接地电路上构成发电机中性点零序电压；

通过机端零序电压和发电机中性点零序电压构成自产纵向零序电压uzo：

令：机端零序电压为其值取自机端tv的二次侧开口三角；

发电机中性点零序电压为其值取自接地变压器二次抽出；

自产纵向零序电压匝间保护动作方程为：式中：

为复数调整系数1，它根据现场实际情况进行测量；为复数调整系数2；uzozd为纵向零序电压定值；

第二，计算接地变压器的阻抗，通过接地变压器的短路电阻和短路电抗修正和的值；其中短路电阻和短路电抗的计算过程是：

发电机机端零序电压变比一般为其中为发电机额定相电压；

因中性点零序电压变比与接地变压器的电压变比和抽头位置有关，则设发电机中性点零序电压变比为其中un0.n为中性点零序电压二次额定值；

定义机端零序电压和中性点零序电压的相关系数k：

其中，un0.n为中性点零序电压二次额定值；

介于短路阻抗后的中性点接地变压器的等效电路中rn为接地变压器二次负载电阻值，rk和xk分别为接地变压器的短路电阻和短路电抗二次值，un0为中性点零序电压，当中性点零序电压实测值为时，接地变压器实际二次电压应为:

发电机定子单相接地故障时，机端零序电压和中性点零序电压工频分量近似相等，得即

其中k为机端和中性点零序电压相关系数；

式(3)中的和分别用其正弦和余弦分量表示，则

其中，uf0-c和uf0-s分别为机端零序电压的余弦和正弦分量的大小；un0-c和un0-s分别为中性点零序电压的余弦和正弦分量的大小，正弦和余弦分量计算均采用以下基于余弦模型的全周傅里叶算法：

上式中：a(k)和b(k)分别为余弦分量和正弦分量，n为工频每周波采样点数，x(k)为离散采样值；

将式(4)和式(5)带入式(3)，得

令可得

根据以上方程组可求得：

从而可得短路电阻rk和短路电抗xk计算式：

rk＝(k1·k-1)·rn(11)

xk＝k2·k·rn(12)

第三，自产纵向零序电压匝间保护规则是：

a.tv一次断线闭锁

正常运行时，当tv一次断线时，开口角会因为一次tv三相电压不平衡而产生零序电压，若达到保护定值，会造成匝间保护误动，

动作判据：tv2负序电压3u′2＜3v

tv1负序电压3u2＞8v

tv1自产零序电压3u0＞8v

tv1开口角零序电压3u0＞8v；

b.tv二次断线闭锁

当发生故障时，tv二次断线时保护装置的零序电压采集为零，导致保护不能正确动作，造成事故扩大，进而增加tv二次断线闭锁，

tv异常判别判据如下：

正序电压小于18v，且任一相电流大于0.04in；

负序电压3u2大于8v；

发电机机端tv、主变高压侧tv满足以上任一条件，延时10s发相应tv断线报警信号异常消失，延时10s后信号自动返回；

c.主变高零序电压

防止区外故障时匝间保护误动，主变高压侧零序电压闭锁定值进行整定，

动作判据：ut0＜ut0zod，其中ut0为主变开口角零序电压，ut0zod为主变高压测闭锁零序电压整定值；

d.tv慢融闭锁

若熔断器在正常的工作电流下熔断的，熔丝的熔断时间比较长，在熔丝阻值逐渐变大的过程中，该相电压的幅值下降，从而引起相关保护的误动，tv高压侧保险未在规定时间内完全熔断，导致熔管电阻不断上升，出现tv二次输出电压不断下降的情况，

判别方法：零序电压判断法即监测pt二次侧开口三角电压时，将发电机出口零序电压值与中性点零序电压值进行比较，电压互感器二次侧监测到发电机出口零序电压绝对值与发电机中性点零序电压值绝对值之差大于参数设定值时即认为发生pt慢熔，同时闭锁定子负序电流判据。

本发明的有益有效果：本发明不依赖于专用tv实用定子匝间保护，利用自产纵向零序电压与专用tv开口三角电压进行比较，完善专用tv断线判据。自产纵向零序电压与专用tv开口三角电压进行比较，完善专用tv断线判据。

附图说明

图1为原纵向零序电压匝间保护电路；

图2为本发明的纵向零序电压匝间保护电路；

图3为接地变压器的等效电路；

图4为零序电压判定法逻辑示意图。

具体实施方式

现有技术中,普遍利用专用tv来构成的发电机纵向零序电压匝间保护。它是取：a.发电机机端普通tv的一次侧中性点与发电机中性点连接线路的开口三角零序电压、b.接地变压器二次抽出的中性点零序电压，利用上述开口三角零电压和中性点零序电压构成纵向零序电压，从而实现发电机定子匝间保护。

匝间短路保护系统是利用发电机内部匝间短路或分支间短路时产生的零序电压动作，切除短路故障。为了防止因接地故障时出现零序电压使保护装置误动作，本发明重新设计保护电路的结构。本发明的设计构思是：让电压互感器高压侧中性点不接地，而是与发电机中性点直接连接，发电机中性点经消弧线圈或避雷器接地；采用两组常规(普通)tv，tv1、tv2代替原专用tv，使tv1、tv2的中性点直接接地。

本发明主要对发电机自产纵向零序电压匝间保护进行应用研究，具体包括：1)进行发电机自产纵向零序电压匝间保护电路理论研究；2)发电机中性点接地变压器短路电阻和短路电抗测算研究；3)制定发电机自产纵向零序电压匝间保护方法。

以下对本项研究的技术方案详细描述：

1)本发明提供的自产纵向零序电压匝间保护电路设计为：

改造后的匝间保护电路接线如图2所示，发电机配置两套机端tv，分别为tv1、tv2；其中tv1中性点接地、tv2中性点接地，tv1、tv2的接地电路上构成机端零序电压；发电机中性点接地，并且在接线上设置接地变压器，该部分接地电路上构成发电机中性点零序电压。

tv1、tv2分别构成完全独立的两套发电机匝间保护，实现保护双重化的配置要求。

令：机端零序电压为其值取自机端tv的二次侧开口三角；

发电机中性点零序电压为其值取自接地变压器二次抽出；

自产纵向零序电压匝间保护动作方程为：

式中：

为复数调整系数1，它根据现场实际情况进行测量；为复数调整系数2；uzozd为纵向零序电压定值。

本发明采用上述uzo作为匝间保护判别依据。

2)在实际运行中，我们考虑系统的接地电阻，可能由于运行环境等因素造成电抗的误差，通过该算法有效补偿了运行环境变化造成的保护的不正确动作。

发电机定子单相接地故障时，机端和中性点工频零序电压一次值近似相等，因此，模拟发电机定子单相接地故障，通过发电机保护装置记录故障时的机端零序电压和中性点零序电压波形数据，结合机端和中性点零序电压tv变比以及接地变二次负载电阻值，即可求得发电机中性点接地变压器的短路电阻和短路电抗值。

其实验方法就是停机状态下在发电机机端tv处设置单相接地点，投他励电源，缓慢递升励磁电流，直到发电机中性点零序电压超过发电机基波零序电压定子接地保护动作定值，由发电机保护装置记录故障时的机端零序电压和中性点零序电压波形数据，根据录波数据可计算出机端零序电压与中性点零序电压基波幅值的比例关系，为基波零序电压定子接地保护的整定计算提供依据，同时为中性点接地变短路电阻和短路电抗的计算做准备。

通过tv1、tv2中采样得来的自产纵向零序电压uzo，由于发电机中性点存在接地变压器，不能准确的反应纵向零序电压的实际情况，需要通过算法补偿计算得到准确的纵向零序电压，以用来判断是否存在发电机匝间短路故障。

发电机中性点接地变压器的短路电阻和短路电抗的计算过程如下：

发电机机端零序电压变比一般为(为发电机额定相电压)；

因中性点零序电压变比与接地变压器的电压变比和抽头位置有关，则设发电机中性点零序电压变比为(un0.n为中性点零序电压二次额定值)；

定义机端零序电压和中性点零序电压的相关系数k：

其中，un0.n为中性点零序电压二次额定值。

考虑短路阻抗后的中性点接地变压器的等效电路如图3所示，其中rn为接地变压器二次负载电阻值，rk和xk分别为接地变压器的短路电阻和短路电抗二次值，un0为中性点零序电压。由图3可见，当中性点零序电压实测值为时，接地变压器实际二次电压应为:

发电机定子单相接地故障时，机端零序电压和中性点零序电压工频分量近似相等，可得即

其中k为机端和中性点零序电压相关系数。

式(3)中的和分别用其正弦和余弦分量表示。

其中，uf0-c和uf0-s分别为机端零序电压的余弦和正弦分量的大小；un0-c和un0-s分别为中性点零序电压的余弦和正弦分量的大小，正弦和余弦分量计算均采用以下基于余弦模型的全周傅里叶算法：

上式中：a(k)和b(k)分别为余弦分量和正弦分量，n为工频每周波采样点数，x(k)为离散采样值。

将式(4)和式(5)带入式(3)，得

令和可得

根据以上方程组可求得

从而可得短路电阻rk和短路电抗xk计算式：

rk＝(k1·k-1)·rn(11)

xk＝k2·k·rn(12)

本发明采用数字式算法，通过对接地变压器的采样分析实时计算出发电机中性点接地变压器的短路阻抗，并用于计算出发电机自产纵向零序电压，无需传统的测量方式需要利用外加设备来测量接地变压的阻抗。

3)本发明采用tv断线逻辑，当判定为tv断线时，闭锁匝间保护：

匝间保护措施是判断当tv1、tv2发生故障时，采样到的纵向零序电压不正常，进而使补偿以后的纵向零序电压不正常，可能造成匝间保护的误动作。为了不发生上述情况，本发明提高发电机自产纵向零序电压匝间保护可靠性，具体措施是采用如下几种判断规则来提高保护灵敏度和降低保护误动的风险，具体包括：

e.tv一次断线闭锁

正常运行时，当tv一次断线时，开口角会因为一次tv三相电压不平衡而产生零序电压，若达到保护定值，会造成匝间保护误动，

动作判据：tv2负序电压3u′2＜3v

tv1负序电压3u2＞8v

tv1自产零序电压3u0＞8v

tv1开口角零序电压3u0＞8v。

f.tv二次断线闭锁

当发生故障时，tv二次断线时保护装置的零序电压采集可能为零，导致保护不能正确动作，造成事故扩大，进而增加tv二次断线闭锁，

tv异常判别判据如下：

正序电压小于18v，且任一相电流大于0.04in；

负序电压3u2大于8v；

发电机机端tv、主变高压侧tv满足以上任一条件，延时10s发相应tv断线报警信号异常消失，延时10s后信号自动返回。

g.主变高零序电压

防止区外故障时匝间保护误动，主变高压侧零序电压闭锁定值可进行整定，

动作判据：ut0＜ut0zod，其中ut0为主变开口角零序电压，ut0zod为主变高压测闭锁零序电压整定值。

h.tv慢融闭锁

由于现场的运行环境比较恶劣，使熔丝在重力和热积累的作用下出现老化，可能导致在正常工作电流下发生断裂，由于熔断器在正常的工作电流下熔断的，熔丝的熔断时间比较长，在熔丝阻值逐渐变大的过程中，造成该相电压的幅值下降，从而引起相关保护的误动，tv高压侧保险未在规定时间内完全熔断，导致熔管电阻不断上升，使得tv二次输出电压不断下降。

判别方法：零序电压判断法即监测pt二次侧开口三角电压时，将发电机出口零序电压值与中性点零序电压值进行比较。电压互感器二次侧监测到发电机出口零序电压绝对值与发电机中性点零序电压值绝对值之差大于参数设定值时即认为发生pt慢熔。此时还需闭锁定子负序电流判据。

零序电压判定法逻辑如图4所示,图中，u0为机端零序电压；ul为中性点电压；u0set为设定阀值；i0为机端零序电流；u0set为机端零序电流设定阀值；t为零序序电压判定动作时间。

本发明的有益效果：现有技术中tv1、tv2一次侧中性点直接与大地连接，原来在实际生产中只能用于发电机过电压、逆功率、失磁、失步等其他保护的逻辑运算中，由于没有补偿算法，tv1、tv2的采样不能用于发电机匝间保护的计算中。通过本发明提供的方案，在现有的tv的基础上，即满足匝间保护的要求，又满足双重化的标准，而且成本大大降低。

本发明发电机自产纵向零序电压匝间保护如果得到实际应用，可解决火电机组上长期存在的匝间保护双重化配置通道共用的问题，并且能够完善tv断线判据，显著提高了保护方案的整体性能，将推导行业发展，具有广泛的应用前景，其经济和社会效益非常显著。