一种高灵敏三次谐波电压差动定子接地保护方法与流程

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及一种能检测定子绝缘缓降的高灵敏三次谐波电压差动定子接地保护方法。

背景技术

定子单相接地是发电机较为常见的故障，如果定子单相接地发生后未及时处理，易引发相间短路或匝间短路，甚至烧毁铁芯。发生定子单相接地的原因较多，包括水冷发电机的冷却水发生泄漏，水会通过由湿热引起的水解加速定子线棒的绝缘劣化；水冷发电机采用的冷却水导电度增加，导致水系统对地电阻下降；定子绕组线棒内冷却水堵塞，导致该线棒局部发热，外层绝缘能力劣化；发电机线棒端部固定松动，导致外层绝缘磨损。可见，定子单相接地故障发生较为隐蔽，定子绝缘劣化持续时间可能较长，定子接地保护需要针对多方面原因进行考虑。

双频定子接地保护由基波零序电压保护与三次谐波电压保护组成。基波零序电压保护简单可靠，但在中性点附近存在死区。三次谐波电压保护的类型较多，均能反应中性点附近的接地故障，但在定子绕组的中部灵敏度较低甚至存在死区。实际使用时将基波零序电压原理与三次谐波电压原理相结合实现100％定子接地保护。由于双频定子接地保护原理简单，成本低，保护性能可靠，双重化的发电机保护至少有一套会选用双频定子接地保护。三次谐波电压定子接地保护主要有三次谐波电压幅值比原理以及自调整系数式三次谐波电压差动原理。幅值比原理能反应中性点附近的接地故障，但仅在中性点附近灵敏度较高，在定子绕组中部至机端范围存在死区，与基波零序电压原理相结合时理论上无死区，但是绕组中部的灵敏度仍不理想。自调整系数式三次谐波电压差动定子接地保护的灵敏度较高，但当定子绕组对地绝缘缓慢下降时，差动系数逐渐跟随绝缘状态而变化，使差动电压不断清零，直至绝缘完全损坏，保护仍可能无法动作。此外，由于三次谐波电压保护受零序电压回路断线影响，现场误动较多，在可靠性上仍有待提高。

在微机保护性能不断提高的背景下，三次谐波电压原理的定子接地保护仍有改进的空间，提出高灵敏度且更为可靠的定子接地保护方案很有必要。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种高灵敏三次谐波电压差动定子接地保护方法，能够应对定子绕组对地绝缘缓慢降低的问题，并在发电机零序电压回路断线时不误动，提高其可靠性。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种高灵敏三次谐波电压差动定子接地保护方法，包括如下步骤：

获取发电机机端三相电压的瞬时值、机端零序电压的瞬时值和中性点电压的瞬时值；

计算得到中性点三次谐波电压相量、机端三次谐波电压相量、机端三相电压相量，前δt时刻的中性点三次谐波电压相量和前δt时刻的机端三次谐波电压相量；

计算中性点三次谐波电压变化量和机端零序三次谐波电压变化量；

根据中性点三次谐波电压变化量和机端零序三次谐波电压变化量判别发电机零序电压是否断线，若发生断线则保护闭锁；

计算自适应系数差动电压、自适应系数制动电压、固定系数差动电压和固定系数制动电压；

当发电机零序电压未断线时，根据自适应系数差动电压、自适应系数制动电压、固定系数差动电压和固定系数制动电压判别是否满足动作条件，若是则经延时后保护动作。

作为优选方案，

采用全波傅氏算法对发电机机端三相电压、机端零序电压和中性点电压的瞬时值进行计算，得到中性点三次谐波电压相量、机端三次谐波电压相量、机端三相电压相量、中性点三次谐波电压相量和机端三次谐波电压相量。

作为优选方案，

采用如下方法判别发电机零序电压是否断线：

进行中性点零序电压断线判别和机端零序电压断线判别，若中性点零序电压和机端零序电压任一发生断线则判别发电机零序电压断线。

作为优选方案，

a、采用如下方法进行发电机中性点电压回路断线判别：

计算发电机中性点无压判据；

计算发电机中性点金属性接地判据；

若发电机中性点无压判据和发电机中性点金属性接地判据均满足，则判为发电机中性点金属性接地，保护不闭锁；若发电机中性点无压判据满足而发电机中性点金属性接地判据不满足，则判为发电机中性点电压回路断线；

b、采用如下方法进行发电机机端零序电压断线判别：

计算发电机机端零序pt无压判据；

计算发电机机端金属性接地判据；

若发电机机端零序pt无压判据和发电机机端金属性接地判据均满足，则判为发电机机端金属性接地，保护不闭锁；若发电机机端零序pt无压判据满足而发电机机端金属性接地判据不满足，则判为机端零序pt断线。

作为优选方案，

发电机中性点无压判据为：

式中u1(t)表示发电机机端正序电压，表示中性点三次谐波电压相量；

发电机中性点金属性接地判据为：

式中其表示中性点三次谐波电压在记忆时间δt内的变化量，表示机端三次谐波电压相量，表示前δt时刻的中性点三次谐波电压相量，其表示机端三次谐波电压在记忆时间δt内的变化量，表示前δt时刻的机端零序三次谐波电压相量；

发电机机端零序pt无压判据为：

发电机机端金属性接地判据为：

作为优选方案，

发电机零序电压断线判别中的判据须至少连续满足20ms，判据结果才有效。

作为优选方案，

采用如下方法判别是否满足动作条件：

若固定系数差动电压大于固定系数制动电压，或

自适应系数差动电压大于自适应系数制动电压，则经延时后保护动作。

作为优选方案，

自适应系数差动电压

自适应系数制动电压

固定系数差动电压

固定系数制动电压

式中其表示自适应系数，其表示固定系数，表示中性点三次谐波电压相量，表示机端零序三次谐波电压相量，表示前δt时刻的中性点三次谐波电压相量，表示前δt时刻的机端零序三次谐波电压相量，ω3为三次谐波角频率，cf为发动机三相对地总电容，ct为机端外部设备对地总电容，rn+jω3ln为中性点三次谐波等效接地阻抗，kset1表示制动系数，kset2表示制动系数。

作为优选方案，

满足保护动作的条件至少连续维持40ms，保护才能动作。

作为优选方案，

δt不小于80ms。

本发明具有的有益效果：常规自调整系数三次谐波电压差动定子接地保护未考虑定子绕组对地绝缘缓慢降低造成的接地故障，且无法快速判别发电机零序电压回路断线，在定子绝缘缓慢变化后造成的接地故障可能拒动，在发电机零序电压回路断线时可能误动。本发明提供的一种高灵敏三次谐波电压差动定子接地保护方法，利用机端、中性点的三次谐波电压变化量特征来快速判别发电机机端零序pt或发电机中性点零序电压回路断线，并在断线时闭锁保护，提高了可靠性；利用发电机中性点的三次谐波电压变化量与经实时调整系数校正过的机端三次谐波电压变化量来合成自适应系数差动电压与制动电压，并进行差动判别，具备较高的灵敏度；利用发电机中性点的三次谐波电压变化量与固定系数校正过的机端三次谐波电压变化量来合成固定系数差动电压与制动电压，并进行差动判别，能够可靠反应定子绕组对地绝缘缓慢降低造成的定子接地故障，提高了保护的适用范围。

附图说明

图1为tv安装位置图，图中g表示发电机，t表示主变，tv1是机端电压互感器，tv2表示发电机中性点电压互感器(或接地变压器或消弧线圈)；

图2为发电机正常运行时三次谐波等效电路(发电机定子绕组漏抗与电阻远小于定子绕组对地容抗，忽略定子绕组漏抗与电阻)，cf是定子绕组三相对地总电容，ct为机端外部设备对地总电容，z3n为中性点接地变或消弧线圈在三次谐波下的等效阻抗，为发电机三次谐波电压相量，为机端三次谐波电压相量，为中性点三次谐波电压相量；

图3为发电机定子接地三次谐波等效电路(忽略高、低压侧耦合电容)，rg为故障接地电阻，接地电阻将发电机三次谐波电压分为了两部分与

图4为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

根据一台300mw发电机变压器组的参数，提供本发明的具体实施例。所需具体参数：cf＝0.528μf，ct＝0.348μf(含机端三相冲击波吸收电容0.3μf)，接地变接地时中性点等效接地电阻rg＝3636ω，变化量计算记忆时间δt至少需要4个基波周期，本实施例中δt＝80ms。

步骤1：对发电机中性点零序电压的瞬时值un(k)、机端零序电压的瞬时值us(k)、机端三相电压的瞬时值ua(k)、ub(k)、uc(k)进行采样获取上述瞬时值。

步骤2：利用全波傅氏算法(式中n＝24，x(k)为瞬时值输入，n为谐波次数)分别对un(k)、us(k)、ua(k)、ub(k)和uc(k)进行计算得到中性点三次谐波电压相量机端三次谐波电压相量机端三相电压相量前80ms的中性点三次谐波电压相量前80ms的机端三次谐波电压相量

步骤3：计算中性点三次谐波电压变化量机端三次谐波电压变化量计算机端基波正序电压幅值

步骤4：利用δu3n(t)和δu3s(t)来快速判别机端零序pt断线或中性点零序电压回路断线。其具体方法如下：

a、采用如下方法进行发电机中性点电压回路断线判别：

计算发电机中性点无压判据：

式中u1(t)表示发电机机端正序电压。

计算发电机中性点金属性接地判据：

如果发电机中性点无压判据和发电机中性点金属性接地判据均满足，则判为发电机中性点金属性接地，保护不闭锁。如果发电机中性点无压判据满足而发电机中性点金属性接地判据不满足，则判为发电机中性点电压回路断线。

b、采用如下方法进行发电机机端零序电压断线判别：

计算发电机机端零序pt无压判据：

计算发电机机端金属性接地判据：

如果发电机机端零序pt无压判据和发电机机端金属性接地判据均满足，则判为发电机机端金属性接地，保护不闭锁。如果发电机机端零序pt无压判据满足，而发电机机端金属性接地判据不满足，则判为机端零序pt断线。

如果发电机中性点电压回路和发电机机端零序pt任一发生断线，则保护闭锁。该步骤中，发电机零序电压断线判别中的判据须至少连续满足20ms，判据结果才有效。

步骤5：计算自适应系数然后计算自适应系数差动电压制动电压kset1表示制动系数，其值为0.6。

使用动作条件判据u3d>u3r进行判别，如果满足自适应差动动作条件且无其他闭锁，则经延时后保护动作。

计算固定系数经过计算得到然后计算固定系数差动电压固定系数制动电压kset2表示制动系数，其值为0.7。

使用动作条件判据u3d'>u3r'进行判别，如果满足自适应差动动作条件且无其他闭锁，则经延时后保护动作。上述判据u3d>u3r和u3d'>u3r'满足其一且无其他闭锁则经延时后保护动作。

固定系数也可以在机组投运并带上一定负荷后实测和得到，ω3为三次谐波角频率，其值为942.5rad/s。

该步骤中，满足保护动作的条件至少连续维持40ms，保护才能动作

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。