（电气工程专业论文）陡河发电厂微机保护改造研究.pdf

p 士= i明明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文陡河发电厂微机保护改造研 究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研究工 作和取得的研究成果据本人所知除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论 文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：盔壹亟五 日期： 圣21 全：立：生 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的。复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 导师签名： 日期：塑! 垒：童? r 华北电力大学j 程硕士专业学位论文 摘要 对于运行多年的发电机组，保护装置或继电器等元件日趋老化陈旧，加之原有保护 保护配置方式不尽合理，很难满足现代继电保护高灵敏度的要求。为了提高发变组保护 的可靠性和灵敏度，增加保护装置的正确动作率，对那些投运多年的发变组保护进行微 机保护双重化改造是完全有必要的。 本论文在微机保护理论研究的基础上，结合陡河发电厂# 3 机组微机保护改造的 实际工程，针对运行多年的大型火力发电机组的保护改造进行分析研究。并根据微 机保护的特点和保护原理，对改造的技术方案和改造过程中出现的问题进行分析。 对发电机匝间保护、差动保护等提出了改进方案。 关键词：发变组保护，保护改造，匝问保护，差动保护 a b s t r a c t f o rt h eo p e r a t i o no fg e n e r a t i n gu n i t sf o rm a n yy e a r s , p r o t e c t i o nr e l a y sa n do t h e r c o m p o n e n t s ，d e v i 嘲，o ft h ea g i n go f t h eo l d ，c o m b i n e d 州t t it h eo r i g i n a lc o n f i g u r a t i o ni sn o t e n t i r e l yr e a s o n a b l et op r o t e c tt h ep r o t e c t i o n ，i ti sd i f f i c u l tt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fh i g h s e n s i t i v i t yo fm o d e mp r o t e c t i v er e l a y i n g i no r d e rt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo ft r a n s f o m e r p r o t e c t i o na n ds e n s i t i v i t y , t h ec o r r e c ta c t i o nt oi n c r e a s et h er a t eo fp r o t e c t i o nd e v i c e s ，f o r t h o s ew h op u ti n t oo p e r a t i o nf o rm a n y ) , c a r s - t r a n s f o r m e ru n i tp r o t e c t i o nf o rt h ed u a l t r a n s f o r m a t i o no fm i c r o p r o c c s s o r o b a s e dp r o t e c t i o ni sa b s o l u t e l yn e c e s s a r y i nt h i sp a p e r , t h em i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o no nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s e a r c h ， c o m b i n e dw i t hd o u h ep o w e rp l a n tu n i t 撑3t h ea c t u a lt r a n s f o r m a t i o no f m i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o np r o j e c t s ，a i m e da tl a r g e s c a l et h e r m a lp o w e ru n i t st on mf o r m a n yy e a r st oc o n d u c ta n a l y s i so ft h ep r o t e c t i o no ft r a n s f o r m a t i o n a n di na c c o r d a n c ew i t h t h ec h a r a c t e r i s t i c so fm i c r o p r o c e s s o r - b a s e dp r o t e c t i o na n dt h ep r o t e c t i o no fp r i n c i p l e ，t h e t r a n s f o r m a t i o no ft e c h n i c a lp r o g r a m sa n dt h ep r o b l e m si nt h et r a n s f o r m a t i o np r o c e s sa n a l y s i s , t u r nt ot u r nt h eg e n e r a t o rp r o t e c t i o n ，d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o na n ds oo nt oi m p r o v et h ep r o g r a m y a n gy u n l o n g ( p o w e rp l a n tt h e r m a lp o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f x i a os h i w u k e yw or d s ：g e n e r a t o r - t r a n s f o r m e rp r o t e c t i o n ，r e f o r m a t i o no fp r o t e c t i o n ，s t a t o r w i n d i n g sp r o t e c t i o n ，d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n 。习e 华北电力火学：i 二程硕士专业学位论文 目录 中文摘要 英文摘要 第一章引言1 1 1 课题的意义和研究目的1 1 2 本文的主要研究内容2 第二章陡河发电厂# 3 机组保护改造工程3 2 1 陡河发电厂# 3 机组介绍3 2 2 陡河发电厂# 3 机组现有保护配置3 2 2 1 一次系统概况3 2 2 2 继电保护的配置3 2 2 3 继电保护发展新的要求4 2 2 4 现有的发变组保护配置存在的不足之处4 2 2 5 陡河发电厂# 3 发变组改造设计思路5 2 3 # 3 发变组保护总体配置方案5 2 3 1 大机组继电保护的配置原则5 2 3 2 # 3 发变组系统保护配置情况5 2 3 3 对继电保护装置的其他技术要求9 2 3 4 # 3 发变组保护示意图1 l 第三章发变组微机匝问保护原理探讨及改进方案1 2 3 1 前言1 2 3 2 发电机匝间保护1 2 3 2 1 纵向零序电压保护1 3 3 2 2 故障分量负序方向原理1 4 3 3 纵向零序电压保护的研究1 5 3 3 1 谐波的产生1 6 3 3 2 纵向零序电压保护的配置1 8 3 3 3 提高纵向零序电压保护的方法2 l 3 4 纵向零序电压频谱分析及滤波方法研究2 2 3 4 1 传统的滤波方法2 3 3 4 2 改进的滤波方法2 7 3 5 小结3 3 第四章发电机、变压器、发变组纵差保护应用分析3 4 4 1 传统纵差保护的原理及不足3 4 4 2 微机型发电机、变压器差动保护3 5 4 2 1t a 变比的选择与接线方式3 5 4 2 2 比例制动的斜率3 6 4 2 3 关于t a 饱和的检测以及区内、外故障的判别3 7 4 2 4 关于高定值比例制动差动保护3 9 4 2 5 有关t a 断线闭锁差动保护4 0 4 2 6 变压器差动保护中励磁涌流的判别4 0 4 2 7 微机差动保护的动作特性4 l 4 3 变压器差动保护的不足及改进措施4 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 3 1 零序电流对变压器差动保护的影响4 2 4 3 2 带零序制动的变压器差动保护4 2 4 3 3 零序制动环节对区内故障的影响4 3 4 4 小结4 4 第五章撑3 发变组改造实际工程分析4 5 5 1 两套微机保护的t a 、t v 配置4 6 5 1 1 电量保护a 、b 屏t a 回路的配置4 6 5 1 2 电量保护a 、b 屏t v 回路的配置4 8 5 2 发变组保护出口跳闸方式5 0 5 2 1 主要保护的出口方式5 0 5 2 2 本次改造保护出口方式的含义5 0 5 2 3 发变组保护跳闸出口回路的特殊问题5 2 5 3 发变组保护与母线保护的联系5 4 5 3 1 发变组保护启动母线失灵5 4 5 3 2 母线保护联跳# 3 发变组5 6 5 4 钵3 发变组改造后的效果分析5 7 5 4 1 保护可靠性提高5 7 5 4 2 保护灵活性大5 7 5 4 3 维护调试方便5 7 第六章结论及需要继续进行的工作5 9 6 1 主要的研究成果5 9 6 2 今后需要继续进行的工作5 9 参考文献6 1 致谢6 3 在学期间发表的学术论文和参加科研情况6 4 、，。气：y 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第一章引言 1 1 课题的意义和研究目的 l 本课题来源于大唐国际陡河发电厂撑3 机组发变组微机保护双重化改造工程。 大型机组发变组保护装置是电力系统最重要的电气二次设备之一【啦】。发变组保 护的选型、配置、设备状况、保护原理、整定、校验等相关内容直接关系到发电厂 机组的安全稳定运行，其责任重大、且继电保护专业性强、技术性强，对从业人员 的技术水平要求极为严格【 】。 目前发变组保护装置的运行情况并不十分理想。正确动作率不够理想，主要保 护的误动时有发生。造成这一结果的原因是多方面的，有管理的不足、有技术的缺 陷、有保护原理的不完善、有设计运行等诸方面的因素，而在这其中保护设备老化 落后、保护配置方案的不合理、保护装置元件的失效、复杂的二次回路接线和校验 手段的不足是造成保护正动率不高这一结果的最重要的原因哺, 9 1 。 具体原因主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 机组运行多年，保护装置或继电器等元件日趋老化陈旧，备品备件严重缺 乏。设备老化、失灵问题引起保护动作机组跳闸占有一定比例。 ( 2 ) 原有保护技术上的先天不足，对于大容量发电机组，在机组电抗增加、短 路电流下降等情况下，很难满足高灵敏度的要求。 ( 3 ) 保护配置方式不太合理，也不能满足“二十五项反措要求 。 ( 4 ) 对于发变组来说，早期使用的整流型、电磁型的继电器组件多而复杂，其 原理实现方式也比较复杂，同时也需要大量的辅助继电器的配合以实现其逻辑功能 和闭锁功能。这就使得继电保护工作人员调试困难，大量且复杂的二次回路接线使 得日常维护工作量大，遇到问题检查回路十分繁琐。 ( 5 ) 同时，大量的辅助继电器的使用也增加了继电器元件损坏的几率，而且无 法监视整个保护回路中各个继电器的状态，即使发生继电器的故障，也不能给出声 光信号的报警，继电保护人员无法及时消除缺陷，这直接影响保护动作的可靠性。 由此可见，为了提高发变组保护的可靠性和灵敏度，增加保护装置的正确动作 率，同时减轻继电保护工作人员的劳动强度，提高工作质量，使继电保护设备运行 在一个平稳可靠的水平上，对那些投运多年的发变组保护进行微机保护双重化改造 是完全有必要的【m 1 4 1 。 改造的目的主要有以下几个方面： ( 1 ) 落实防止电力生产重大事故的二十五项重点要求，执行“二十五项反 措规定 。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 ( 2 ) 使保护配置更加合理。针对机组的容量、运行方式、接线方式等特点合理 配置保护的种类 ( 3 ) 采用双重化保护，避免由于其中一套发变组保护装置本身的异常或故障造 成机组的跳闸事故，进一步提高一次设备运行的安全性和可靠性。可以在一套保护 装置故障时由另一套保护装置单独运行而不影响机组的正常运行。 ( 4 ) 采用新型微机发变组保护装置，大大简化了二次回路的接线数量，同时可 以用保护软件实现更为复杂的逻辑关系，极大提高了保护的功能。 ( 5 ) 使得新型微机继电保护装置的日常检查、维护十分方便，由于采取了良好 的人机交互界面，保护投退、定值查看整定、查看动作事件报告等各项操作变得简 单易行。 ( 6 ) 新型微机保护装置普遍采用全封闭的机箱结构，并在硬件设计上采取了冗 余结构，这样的设计，增强了装置的抗震、抗干扰能力，较大的提高了保护装置的 可靠性与稳定性。 ( 7 ) 新型微机保护装置还具有完善的故障录波功能，这样，在事故发生后，继 电保护人员可以第一时间得到保护动作时各个保护量的的详细信息，为正确快速的 分析事故的原因提供最可靠的证据。 1 2 本文的主要研究内容 本论文所选课题是针对运行多年的大型火力发电机组，其发变组保护多为整流 型、电磁型保护，按照 ：大容量机组继电保护设计技术规定和电力运行部门的实 际运行经验，结合陡河发电厂的实际运行情况，研究发变组保护的改造工程。 本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 结合现场发电机组的实际情况，如t a 、t v 的配置和安装位置，确定微机 发变组保护的双重化配置，提高发电机组及保护装置的安全运行水平。 ( 2 ) 根据微机保护的特点和保护原理，对比其与传统电磁型保护的比较，并针 对发电机匝间保护、定子接地保护、失磁保护、差动保护等做出具体分析。 ( 3 ) 对改造的技术方案和改造过程中出现的问题进行分析，并提出解决方案 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章陡河发电厂# 3 机组保护改造工程 2 1 陡河发电厂# 3 机组介绍 陡河发电厂撑3 机组始建于1 9 7 9 年，单机容量2 5 0 m w ，生产商为日本日立公司， 迄今为止已经运行了3 0 年。机组接线方式为发变组单元接线，由发电机端引出6 k v 厂用变压器，三圈变压器，低压侧有两个分支；主变压器型式：y n d 1 1 ，高压侧为 双母线带旁路接线方式。发电机组配套的保护装置为日立公司生产的电磁型继电 器，经过近3 0 年的运行，继电器相继出现了元件老化，动作特性变差，误发信号 等故障情形，而且在机组定期检修中，部分继电器的动作特性已经偏离，并且极难 调整，发变组保护改造已经迫在眉睫。 ，t ： 2 2 陡河发电厂# 3 机组现有保护配置 2 2 1 一次系统概况 发电机容量2 5 0 m w ，功率因数0 8 5 ，三级励磁，发电机出口无断路器，直接 经过主变压器接至2 2 0 k v 母线，主变压器中性点经接地刀闸直接接地或经放电间隙 接地，三圈高压厂变接于发电机出口，低压侧中性点不接地。 2 2 2 继电保护的配置 撑3 机组继电保护是成套日立电磁型继电保护装置，主要保护有：发电机差动、 发变组差动、基波定子接地、三次谐波定子接地、转子接地、失磁保护、阻抗保护、 发电机过流、负序过负荷保护、发电机过电压保护、励磁机过流、厂变差动、厂变 过流、厂变低压分支过流、主变零序及间隙零序保护以及各种非电气量保护。 对于发电机差动保护，取用机端和中性点t a ，发变组差动取用发电机中性点 t a 、主变高压侧断路器套管t a 及高厂变高压侧t a ，保护范围至2 2 0 k v 断路器母 线侧和高厂变高压侧。 这套保护配置使得发变组差动在其保护范围内有足够的灵敏度，高厂变不在发 变组差动保护范围内，而是配置厂变本身的差动保护和过流保护。在机端配置的阻 抗保护，作为发电机主后备及2 2 0 k v 母线相间短路的的远后备保护。但是由于继电 3 华北电力大学工程硕士专业学位论文 器型式的限制，整套保护并未配置如逆功率、程跳逆功率、失步保护、频率保护、 匝间保护等大型机组常配置的保护方案。 2 2 3 继电保护发展新的要求 近年来，随着继电保护技术的不断发展、更新，随着电网的规模不断升级、发 电机单机容量的逐步扩大，对继电保护的要求也日益提高。原国电公司颁发的。防 止电力生产重大事故的二十五项重点要求一和“防止电力生产重大事故的二十五项 重点要求一继电保护实施细则一( 简称反措) ，对发电机变压器组保护提出了新 的要求，具体内容为： ( 1 ) 2 2 0 k v 等级的发变组保护应配置双重继电保护 ( 2 ) 配置的双重保护装置在电气回路上不应有任何联系 ( 3 ) 每套保护装置的交流电压、交流电流应分别取自独立的电压、电流互感 器或同二电压、电流互感器独立的二次绕组，其保护范围应重叠、一致，避免出现 保护死区。 ( 4 ) 每套保护装置均应包含完整的主保护及后备保护，能够反应被保护设备 的各种故障、异常的运行状态。 ( 5 ) 发变组非电量非电量保护只配置一套，非电量保护装置应设置独立的直 流电源回路，出口跳闸回路完全独立，并采用直接跳闸方式，不经过软件逻辑判别。 ( 6 ) 两套完整的电气量和非电量保护的跳闸回路应同时作用与主断路器的两 个跳闸线圈，断路器与保护配合的相关回路( 如各种开关量、位置接点等) ，均应 遵循相互独立的原则。 2 2 4 现有的发变组保护配置存在的不足之处 ( 1 ) 通过与以上 反措内容的比较，现有的发变组保护只是一套保护装置， 只有发电机差动和发变组差动保护的范围有所重叠，不满足保护装置双重化的原 则 ( 2 ) 其他大部分保护配置原则不能满足 反措要求，对于2 5 0 3 0 0 m w 的 机组来说，其中短路保护和接地保护如：匝问保护、定子接地保护、频率保护、过 电压保护、过激磁保护、过励磁保护、负序过负荷保护等等，这些保护功能分别保 护了机组不同的故障、不能相互代替，也不能认为是发变组的后备保护，因此这些 保护也需要双重化配置。 ( 3 ) 前文已经提过，陡河发电厂躬机组已经运行三十年，保护设备仍为电磁 型，保护装置日益老化，元件特性变差，继电器定值离散性较大，已经不能精确调 华北电力大学工程硕士专业学位论文 整，保护校验时，程序繁琐。随着新型微机继电保护装置的日益成熟和推广，新型 微机保护的优越性逐渐体现出来。 2 2 5 陡河发电厂# 3 发变组改造设计思路 目前，国内大型机组的继电保护均根据 ：大容量机组继电保护设计技术规定 来配置，对于大机组，继电保护的配置原则是：加强主保护，简化后备保护。但是 对于改造工程，不同于新机组的建设，一次设备已经确定，安装完毕，不太容易更 改和增加，例如电压和电流互感器。这势必会影响到保护的配置问题。在发变组继 电保护改造工程中，由于一次设备已经定型，通常的做法是利用原来的一次设备把 二次设备匹配上去，并尽量满足 唧郎故障分量负序方向继电器的功率阀值 u 2 o - 5 y + 1 2 5 西己， a 1 2 0 0 2 1 。+ 1 2 5 d i 上述三个判据同时满足，保护动作。工频变化量匝间方向保护直接取机端电压 和电流计算，不需专用t v ，机端t v 断线时闭锁工频变化量匝间方向保护。 采用故障分量原理，可以避免正常运行时，由于系统的不对称产生的负序功率 的影响。保护不仅可以反应相间及匝间短路等各种不对称故障，对机端两相短路也 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 能有一定的灵敏度，可以作为横差保护或纵向零序电压保护的后备和补充。 但是，故障分量原理也有不足之处。如果在发电机并网前，发生内部短路时， 由于发电机断路器尚未合闸，定子电流为零，发电机内部出现短路或断线故障时， 机端测量量中均只有a u 2 ，而无电流量，即a 1 2 = 0 ，所以a p 2 墨0 ，保护不能动作， 这是故障分量功率方向保护的固有弱点，即在发电机启动过程中，并网前，该保护 没有作用。因此，故障分量功率方向保护应和其他保护方案配合使用。如： ( 1 ) 判据1 。发电机与系统并列时， 嵋 s ，2 0 式中，占，2 表示负序方向元件的动作阀值，g 规由发电机正常运行时的必不平 衡值确定。当系统外部不对称短路、不对称负荷、切除外部不对称故障时，必均 反向，且必 g p ：，保护能够灵敏 动作。 ( 2 ) 判据2 ：发电机与系统解列运行时，： 此时发电机尚未并网，需要增加一组判断条件，即： 勺： h = 。 满足以上两个条件，保护立即计算判据l ，若判据l 成立，则保护动作；否则 计算判据2 确定是否外部故障或孤立发电机内部的故障。 3 3 纵向零序电压保护的研究 # 3 机组的发电机中性点只引出3 个端子，高灵敏单元件横槎保护、不完全纵差 保护均无法装设，这时，只能考虑采用故障分量负序方向( 鹋) 与纵向基波零序 电压( 3 砜) 构成的保护。实际运行中，纵向零序电压保护存在误动可能性，因此 匝间保护只投信号而不投跳闸。分析产生误动的原因，我们发现，高次谐波以及间 谐波的存在是导致保护误动的重要原因，对谐波的来源以及它们对纵向零序电压保 护的影响进行了深入的分析，提出改进的滤波方法，即使用基于频谱搬移原理的窄 带低通滤波方法对纵向零序电压进行滤波，该方法采用频谱搬移原理，先将基波分 i s 华北电力大学工程硕士专业学位论文 量移至频率轴零点位置，再利用窄带低通滤波器，将非直流分量滤除，所用低通滤 波器频带极为狭窄，利用该方法进行滤波后的频谱图和基波幅值变化显示该方法能 很好的滤除高低次谐波，同时也能很好的抑制间谐波。从而提高了发电机纵向零序 电压匝间保护的可靠性。 3 3 1 谐波的产生 3 3 1 1 三次谐波的产生 ( 1 ) 非正弦磁场产生的谐波 发电机是电力系统的电源，它由原动机带动，当在转子的励磁绕组中通以直流 电流，并在磁极下产生按正弦分布的磁场时，定子绕组中将感应出正弦电势。设电 机定子总槽数为z ，电机的极对数为p ，则槽间的电角度口= 2 ，r p z 。又设每极每相 的槽数为q ，线圈的节距为y ，极距为f ，并均以槽数表示，则每一相感应的电势有 效值为： 瓦= 4 4 4 a , f f , , f d 式中彩每相绕组的串联匝数； ，电源频率，5 0 h z ； 每一对磁极下的磁通； k 绕组系数，它等于短距系数b 与绕组分布系数的乘积： k = k v k q 砖= s i i l ( 詈争 口口 s i n ! 一 = 磅2 当磁极磁场按正弦分布时，定子绕组的感应电势就将按正弦规律变化，这是最 理想的情况。实际上，在电机中，磁极磁场并非完全按正弦分布，感应电势也就不 完全是正弦波形将磁极磁场按傅里叶级数分解，如磁极制造上没有缺陷，n 极下 的磁场分布和s 极下的磁场分布对称，并且都对磁极中心线对称，则在此种磁场分 布下将只有奇次谐波这些谐波磁场感应的谐波电势可按与基波电势同样方法计 算 华北电力大学工程硕士专业学位论文 其次，由于转子大齿和小齿的气隙磁阻不同，引起电枢反应磁通波形的畸变， 即使电枢反应磁势波形为正弦波，而气隙中磁通波形却不是正弦波，其中也包含一 定比例的三次谐波。 另外，转子的饱和现象对三次谐波分量也有影响。在转子未达到饱和时，三次 谐波磁通和三次谐波电势将随着励磁电流的增加而线性增加，随后增长速度变慢， 甚至有所下降。当励磁电流很大时，转子饱和，三次谐波电压将随着负荷电流的增 大而增大，并且与功率因数有关。当有功负荷增加时，由于功角增大，引起基波磁 通波形的畸变，三次谐波电势显著增大；当无功负荷增加时，如维持发电机端电压 不变，必须相应的增加励磁电流，三次谐波电势随之增大。 在发生外部短路故障时，由于故障电流很大，因而使三次谐波电压也很快的增 大。 e , 4 3 = 瓯s i n 3 0 x ，” 3 = 瓯s i n ( 3 0 x - 3x 等) = 瓦s i n 3 w t j 4 ” 3 = 瓦s i n ( 3 0 x - 3 ) = 瓦s i n 3 0 x ： j 由上述式子可以看出，三相中的三次谐波电势相位相同，具有零序的性质。因 此，对于三次谐波分量而言，在开口三角绕组中三相电势叠加，这是形成零序电压 保护不平衡电压的主要因素。 ( 2 ) 定子和转子绕组中的不对称电流引起的谐波 定子电流不对称时，它的各次谐波电流中都含有负序分量，它们在转子中将感 应谐波电流。转子绕组一般不对称，如励磁绕组，对交流来讲它是单相绕组，它的 交流电流中必然含正序分量和负序分量。这些电流分量在定子绕组中感应电流的频 次为： = 刀2 l 这就是说，定子绕组中奇数次谐波电流的负序分量，在转子上感应偶数次谐波 电流；定子绕组中偶数次谐波电流的负序分量，在转子上感应奇数次谐波电流。反 之，转子绕组中的奇次和偶次谐波电流，在定子上分别感应偶次和奇次谐波电流。 在目前的纵向零序电压匝间保护中，为了降低由于3 次谐波电压引起的保护误 动的可能性，就必须提高保护动作的零序电压的定值，导致了保护的灵敏度的降低。 为了提高保护的灵敏度，必须滤除加于电压继电器的3 次谐波电压，因此要求 滤波器的滤过比要高，而且对频率的变化不敏感。 3 3 1 2 问谐波的产生 1 7 华北电力大学工程硕士专业学位论文 间谐波是指非整数倍基波频率的谐波，这类谐波可以是离散频谱的或连续频谱 的根据傅里叶分解，周期性的非正弦量只能分解出整数次的谐波。实际上许多非 线性负载是波动的，其电流幅值、相位或波形是变化的。在这种情况下，对于工频 量而言，“周期性 的前提已经不完全成立，因而用傅里叶理论分析的结果必然不 能完全符合实际。 i 电网中间谐波的来源主要有变频调整装置、低同步串级调速、电弧炉等波动电 力负载、感应电动机等铁芯设备以及配电网中的铁磁振荡。 当发电机发生区外接地故障时，既有电弧电阻变化产生的负载谐波，又有发电 机励磁电流激励在定子侧产生的电源谐波，因此，纵向零序电压中谐波成分复杂， 不仅含有很大的三次谐波，还含有大量的间谐波，目前已有大量文献对此进行了相 关研究和论述。 3 3 2 纵向零序电压保护的配置 为解决三次谐波干扰的问题，模拟元件型保护普遍在3 砜元件内装有三次谐波 滤过器( 即硬件滤波) ，而微机型保护则采取傅氏数字滤波( 软件滤波) 的办法来滤除 3 u 。中的三次谐波不平衡量。硬件滤波因模拟元件特性的稳定性问题，在长期运行 后容易出现阻带中心偏移。同样，发电机转速的偏移也会导致阻带中心偏移，当然 这方面的影响相对元件特性带来的影响要小得多。有试验表明，高滤过比的滤波器 阻带中心稍有偏移，三次谐波的滤过比将大幅下降，即三次谐波电压大幅增加，容 易导致3 u o 元件误动。软件滤波避免了元件特性偏移带来的影响，但在发电机转速 偏离额定值时，同样无法避免误差，除非使用频率跟踪和同步采样技术，但这势必 会增加硬件投资和计算时间。 对于中性点只有三个引出端子的发电机，定子绕组匝间保护可由纵向零序电压 方案、负序功率方向方案、故障分量负序方向方案和三次谐波制动的纵向零序电压 方案等多种方案构成。 3 3 2 1 负序功率方向闭锁纵向零序电压方案 该方案可谓最经典的发电机匝间保护方案之一。在微机保护出现之前，绝大多 数装设匝间保护的发电机都是采用这种方案。 纵向零序电压取自发电机机端的匝间保护专用t v 的开口三角处。该纵向零序 电压可反映发电机内部的匝间短路，而正常运行或外部相间短路时，以及发电机内 部或外部发生单相接地故障时，理论上都不会出现纵向的零序电压单一的3 0 , 元 件存在以下缺点：( 1 ) 用对称分量法分解计算的3 0 o 是基于稳态故障分析的，或者 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 说是仅在理论上的。实际上，在发电机外部发生故障的暂态过程中，机端会出现纵 向零序电压3 u o ；( 2 ) 3 u o 元件必须具备t v 断线闭锁功能，如果断线闭锁的动作时 间比3 u o 慢，则会造成3 u o 误动；( 3 ) 3 u o 元件对3 次谐波滤过比要求很高，而当基 波稍有摆动时，3 次谐波滤过比的变化会导致t v 开口三角处3 次谐波电压增大以致 保护误动。 i 负序功率方向作为闭锁条件可提高纵向零序电压判据的灵敏度和可靠性。其理 论依据是：当外部故障时，故障点形成的横向负序电源产生的负序功率从外部流入 发电机；当发电机内部相间或接地短路时，故障点形成横向负序电源，负序功率从 故障点分别流向机端和中性点；内部匝间短路时，故障点形成纵向负序电源，负序 功率从发电机流向机端。该方案又分两种用法：允许式和闭锁式( 如图3 - 1 ) 。 允鲢 一。 坠厂 闭锁式 最 图3 - 1 负序功率方向闭锁纵向零序电压示意图 两种方式均为负序功率方向元件只和纵向零序电压元件3 u o 形成“与 逻辑出 口允许式采用的常闭触点，方向指向发电机中性点，外部故障时，只动作打开 常闭触点，闭锁保护出口，匝间短路时只常闭触点闭合，配合3 u o 动作出口跳闸。 闭锁式采用只的常开触点，方向指向外部，外部故障时，罡不动作，匝间短路时只 配合i o 动作出口跳闸。 两种方式各有优缺点。允许式在匝间短路时动作迅速，但在外部故障时严格要 求只应先于3 u o 动作。由于匝间保护为发电机主保护，要求瞬时动作跳闸( 约几十 m s ) ，而对于分立元件式的保护来说，动作时间的离散值较大，容易导致保护误动， 尤其经过长时间运行后，元件特性有所变化，这种情况更为严重。闭锁式只有在匝 间短路时只动作后才能动作，外部故障时不易误动，但保护的整体出1 ：3 时间依赖于 只，不利于瞬动。与3 u o 原理一样，无论是允许式还是闭锁式都同样存在无法保证 在故障的暂态过程中准确区分区内和区外故障。 实际使用中，由负序功率方向闭锁纵向零序电压方案构成的发电机定子匝间保护确 实因为上述原因而误动率较高。针对上述情况，：大型发电机变压器继电保护整定 计算导则中指出该保护“应增设0 1 o 2 5 的延时一。 3 3 2 2三次谐波制动式纵向零序电压方案 1 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 无论哪种发电机、哪种定子结构及定子绕组布置方式，均无法完全消除定子电 势中的三次谐波分量。发电机电势中的三次谐波分量是客观存在的，其值与发电机 定子结构及总电势的值有关。匝间短路故障时，纵向零序电压主要由基波零序电压 和三次谐波电压构成。在早期的保护方案中，三次谐波电压作为干扰量而被滤掉了。 而在改进的方案中，三次谐波电压被当做制动信息，以期提高保护的可靠性。 研究表明，发电机内部匝间短路时发电机三次谐波电势( 在专用t v 开口三角 形绕组两端测量) 减小，而机组外部故障时发电机三次谐波电势增大。外部故障时 发电机三次谐波电势增大可能是由于强行励磁等原因使发电机内磁场畸变增大而 引起的。 以三次谐波制动式纵向零序电压原理构成的匝间保护采用比例制动法，利用三 次谐波电压作为制动量，零序电压作为动作量，零序电压的启动值以躲过开机时实 测零序电压( 实际上该零序电压包含有少量三次谐波分量) 为原则。运行中如三次 谐波增大，零序电压的动作值也相应提高。这种方法可以有效地避免三次谐波干扰 的问题，提高了保护的可靠性，同时因零序电压启动值可整定得较小，也提高了保 护的灵敏性。 3 砜 3 f u 饥ou 国 图3 - 2 次谐波制动特性曲线 但是由表3 一l 可以看出：当机组外部短路及机组运行工况突变时，其3 次谐波 电压变化量值并不很大而且，单用3 次谐波电压增量作为制动量，使匝间保护躲 过输入回路的各种基波干扰并不完全可靠。 表3 - 1 机组甩负荷等时三次谐波电压( 开口三角值) 的变化 u 、| v 发电机组运行情况 初始状态变化至最大值 甩负荷 4 45 5 主变高压侧单相接地 4 65 5 华北电力大学工程硕士专业学位论文 机组正常并网 l1 1 机组满负荷 l4 3 3 3 3 提高纵向零序电压保护的方法 目前，纵向零序电压型匝间保护在国内的大、中型发电机上得到了广泛应用。 运行实践表明，由于种种原因，该型匝间保护的正确动作率较低。但是，作为发电 机匝间保护，用纵向零序电压作为主判据，在原理上是无可非议的。因此，只要在 方案设计、定值整定及其它方面严格把关，就可提高纵向零序电压型匝间保护动作 的可靠性。 分析表明，三次谐波电压是影响纵向零序电压保护可靠性的主要因素。因此， 对匝间保护纵向零序电压元件增加一个小延时是可行的，它可以提高保护躲暂态三 次谐波影响的能力。为了提高匝间保护的动作可靠性，在发电机内部已发生故障的 情况下，延长几个周期跳闸不会造成更严重的损坏，这是因为发电机已发生了匝间 短路，定子线棒已损坏，必须停机检查处理并更换线棒，一个己损坏的线棒再稍坏 一点并没有扩大危害；而对发电机严重故障，通过调整全周期纵向零序电压保护的 定值，可以有效识别。 但是，单一强调三次谐波滤过比的滤波器并不能获得准确的纵向零序电压基波 值。实际上，当发电机发生区外接地故障时，既有电弧电阻变化产生的负载谐波， 又有发电机励磁电流激励在定子侧产生的电源谐波，因此，纵向零序电压中谐波成 分复杂。我们对一次发电机区外接地故障的录波数据进行了分析，发现纵向零序电 压频谱中不仅含有很大的三次谐波，还含有大量的间谐波。 纵向零序电压匝间保护有灵敏段与不灵敏段，灵敏段整定值较低。当发生区外 故障时，如果仅采用传统的滤波方法，如傅氏算法，则只能将整次的谐波滤除，在 间谐波作用下，计算出的纵向零序电压基波值会剧烈波动。如果按躲过最大值整定， 则会失去灵敏段的作用，如果采用延时，剧烈波动的幅值不利于继电器的可靠返回， 使延时环节失效。为获得准确、平稳的纵向零序电压基波值，需要选择合适的滤波 器。基于频谱搬移原理的滤波方法，己得到广泛应用，运用此方法对纵向零序电压 进行滤波，取得了良好的效果。先将基波分量移至频率轴零点位置，再利用主带极 为狭窄的低通滤波器滤除非直流分量。该算法不仅能滤除各高次谐波，而且能很好 地抑制间谐波。将该滤波方法应用于发电机纵向零序电压保护，能够得到平稳准确 的基波幅值，提高了保护的性能。 2 l 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 4 纵向零序电压频谱分析及滤波方法研究 下面对一次发电机区外接地故障的实际录波数据进行分析。该发电机为# 2 发电 机，其参数为：型号：q f s 一1 2 5 2 ；额定有功功率；1 2 5 0 0 0 k w ；额定视在功率： 1 4 7 0 5 9 k v a ；定子额定电流：6 1 5 3 a ；定宁额定电压：1 3 8 k v 。区外单相接地故障时 系统的运行情况如下：当时# 2 机有功出力i o o m w ，无功出力5 1 3 m v a r 。发变组接到 双母线上，在# 2 发电机开关跳闸稍前，发电厂2 2 0 k v 升压站一条2 2 0 k v 出线开关跳 闸。图3 3 为发电机故障录波器纵向零序电压的录波图的一段，录波器每周波的采 样点数为n = 4 8 。图中可以看出，零序电压波形非常复杂，含有大量谐波。 图3 - 3 纵向零序电压录波图 对此波形利用m a t l a b 中的f r e q z 函数对接地故障期间的录波数据进行f f t 变换， 所得的频谱图如图3 - 4 所示。 划k 1 j 。1 _ 撕憎嘲嘲t 瑚 呐 图3 4 纵向零序电压频谱分析 图3 4 频谱显示，纵向零序电压中含有很高的3 次谐波，除此之外还含有较高 的5 、7 、9 次谐波及大量的间谐波，一些间谐波幅值超过了基波分量的1 0 。如果 不滤除这些谐波，将影响纵向零序电压基波分量的计算准确度。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 发电机匝间短路保护方案的原理都是建立在反映正弦基波或某些整数次谐波 基础之上，所以滤波器一直是继电保护装置的关键部件。 在微机保护中，有两种可供选择的方案，一种是传统的模拟滤波器，一种是数 字滤波器。目前研究的数字式保护绝大部分均采用了数字滤波器，数字滤波器可以 理解为是一个计算程序或算法，将代表输入信号的数字时间序列转换为代表输出信 号的数字时间序列，并在转换过程中，使信号按照预定的形式变化。数字滤波器有 多种分类。按照算法实现方式不同可分为专用硬件组成的数字滤波器和软件组成的 数字滤波器；按其运算结构不同可分为递归型和非递归型数字滤波器；按单位脉冲 响应不同可分为无限长单位脉冲响应滤波器( i i r ) 和有限长单位脉冲响应滤波器 ( f i r ) 等多种类型。另外，通常还按频率特性划分为低通滤波器、带通滤波器、高 通滤波器和带阻滤波器四类基本滤波器，其中前两类在数字继电保护中用得较多。 电力系统信号具有自身的特点，有些方法并不是完全适用的。同时，对电力系 统中各种故障信号研究的结果，又导出了许多具有针对性的新的数字滤波器。本章 将讨论在电力系统继电保护中得以应用的数字滤波器及改进的滤波方法。 3 4 1 传统的滤波方法： 3 4 1 1 傅里叶滤波算法 若利用傅里叶滤波算法提取n 次倍频分量，设和分别是傅里叶算法的实部 和虚部，则其计算公式如式( 3 - 1 ) ，( 3 2 ) 所示： = ；咖刀础 ( 3 _ 1 ) = 疆砸灿刀砌 (