中文翻译-一种应用于发电机变压器组的新型数字接地保护系统

中北大学 2012 届毕业设计说明书第 1 页 共 8 页一种应用于发电机变压器组的新型数字接地保护系统Mieczyslaw Zielichowski, Tomasz Szlezak摘要：单相接地故障是大型发电机常见的故障。在一定条件下，由于单相接地保护误动，进一步造成相间短路或匝间短路，使发电机遭受严重破坏。许多知名期刊和杂志出版过关于单相接地保护的重要性和存在的问题，报道证实一些关于大型发电机组接地保护还没有解决或者没有得到完全解决。这篇文章提出了一种新的大型机组定子绕组的数字接地保护的概念。本文简单地讨论了定子绕组接地故障产生的间隙性电弧和接地故障时的电压比值。还讲述了一种利用三次谐波电压的继电保护算法，并对此算法的实现和检测的方法进行了描述。关键词：定子绕组；接地故障；接地故障电弧；微机保护系统1. 概述在汽轮式发电机的接地故障研究表明，几乎每一次定子绕组相间短路或匝间短路都是由单相接地故障引起的。因此，快速、可靠地检测定子绕组单相接地故障对于发电机变压器组安全运行和接地故障造成的损失最小化有着重要的意义。100%定子接地保护是利用定子绕组中的三次谐波电压构成的，三次谐波电压值改变将引起接地故障 1-6。Pazmandi 提出的保护是应用最广泛的 1，过去的三十多年，一直被应用在各种各样的配置中 2-5。但是，不仅接地故障时定子绕组有三次谐波电压，输出功率的变化时定子绕组也会产生三次谐波电压，改变输出功率的值，会引起发电机断路器合闸。几种基本分析证明，在发电机变压器组运行条件下，这些保护系统可能存在一些问题 3,7,8。科学杂志上已经提出了在现代信号处理技术和复杂的决策算法基础上发展起来的新的接地保护方案 9-12。然而，往往对发电机定子绕组接地故障时电弧现象缺乏认识，并且对接地故障电压波形了解很少，对于接地故障电压波形和改变速度，接地故障电压测量和处理的方法上有些不足。发电机定子绕组接地故障会产生间歇性电弧，在单相接地过程中，伴随着电弧燃烧和熄灭，弧隙特性变化非常快。在现场实验结果表明，发电机定子间歇电弧接地故障持续时间为一分钟，在这之后，定子绕组回路电压和电流是稳定的正弦波 13-15。中北大学 2012 届毕业设计说明书第 2 页 共 8 页在这种情况下，提出了一种新型数字保护系统，此系统考虑到了实际单相接地故障过程。新的保护原理是建立在定期测量上的，利用当前三次谐波值与已存储的三次谐波值进行比较。发跳闸信号后，在发电机端和中性点可以测出三次谐波电压。此系统的基本原理是借助合理的比较区间，必须适当调整接地故障最大持续时间。本文简单论述了现场试验中发电机定子绕组接地故障现象，还描述了数字保护系统中应用的新的继电保护算法和此系统的实现和测试。2. 发电机定子绕组接地故障定子绕组接地故障是大型发电机最常见的一种故障，几乎每一次发电机定子绕组匝间短路或相间短路都是由单相接地故障引起的。靠近发电机端产生的间歇性接地故障引起的过电压对定子绕组绝缘造成的破坏最大，发电机定子绕组可能由于受到过电压冲击产生接地故障 13。众所周知，接地故障的智能模型已经普遍应用在电力网中，但不能用于汽轮发电机接地故障的分析，因为电弧燃烧不同。汽轮发电机故障中，电弧燃烧发生在定子铁芯和铜绕组之间。发电机定子绕组接地故障时的电弧不是自由电弧，不同于其他自由电弧，不能拉长，电弧燃烧引起绝缘材料产生气体、水分蒸发和剩余有机物燃烧，与此同时，故障迅速改变，击穿后很短的时间内，接地故障转化为电弧接地。在材料有机物部分碳化期间，形成电桥和电弧变化，电弧电阻是恒定阻值。单相接地故障时电弧燃烧强度取决于绝缘恶化程度、发电机变压器组参数和中性点接地方式。实际应用中表明，发电机定子间歇电弧接地故障持续时间为一分钟，在这之后，定子绕组回路电压和电流是稳定的正弦波 13-15。接地电弧有间歇性，会不断产生放弧、熄弧和重燃，交替时间短。弧隙电压逐渐减小到零，如图 2.1 所示。接地电弧会在暂态过程中熄灭或者衰减后燃烧。如果电弧在暂态过程熄灭，暂态电流会逐渐衰减，因为电弧电阻很大，接地故障电流在弧隙接近于零。中北大学 2012 届毕业设计说明书第 3 页 共 8 页图 2.1 故障电压随时间变化曲线其中，Uk(ti):电弧燃烧时电压值；ti:电弧燃烧时间; tq: 电弧熄灭时间电弧熄灭，电弧电阻减小，因此电压增大，故障电流增大。电流增大，会引起电弧燃烧频率增大，弧隙电压减小，弧隙电弧电阻进一步增大。弧隙电阻瞬时值主要与单相接地故障电流有关，电弧电压和电流的大小又取决于电弧电阻瞬时值。电弧电阻随时间的变化曲线与电弧燃烧次数有关，第一次电弧燃烧时，电弧电阻是随时间逐渐减小的，在以后的电弧燃烧中，电弧电阻维持不变，如图 2.2 所示。电弧电阻 rk(ti)值在 400-600 之间，电弧燃烧到电弧熄灭时间大约为 0.4-0.45ms13-15。图 2.2 电弧电阻波形其中：图（a）第一次故障的电弧电阻，图（b）第一次以后故障的电弧电阻。rk(ti):弧隙电阻初始值发电机定子绕组发生间歇性电弧接地故障时单相接地故障电压波形如图 2.3 所示。电压波形仿真考虑到了基波电动势、三次谐波和电弧电阻的影响。通过与实际中测得的波形对照，仿真结果是正确的。图 2.3 是在靠近变压器端 S 发生故障时中性点和其中北大学 2012 届毕业设计说明书第 4 页 共 8 页他点的电压波形。中性点不接地的发电机变压器组断开断路器，间歇性电弧故障持续时间大约是 120ms。 图 2.3 发电机端 S 点发生故障的故障电压波形uR(t), uS(t), uT(t): 发电机端相电压，uN(t): 中性点电压3. 新型接地保护方案对于定子绕组接地故障电压变化特征，提出了一种基于三次谐波电压比值的新型保护方案。该方案中，需要定期测量和记录发电机端和发电机中性点的三次谐波电压值（如图3.1所示），利用当前测量的电压值和1s前记录的电压值进行比较，如果差值大于一定值，发跳闸信号。三次谐波电压值的测量、比较如图3.2所示。图3.1 发电机变压器组接地保护系统的两种接线方式数字保护系统 数字保护系统中北大学 2012 届毕业设计说明书第 5 页 共 8 页其中，图（a）为发电机中性点三次谐波电压测量接线图；图（b）为发电机端三次谐波电压测量接线图；G：发电机；MT：主变压器；GB发电机端断路器；TN,TT：电压互感器；Ut：跳闸电压图3.2 新型接地保护装置中性点电压测量和比较原理其中，tm:测量时间；to:最大动作时限；t:比较周期把电压分为m份，电压差为U 3=|U3（k）-U3(k-m)| (3.1)当U 3 U0时，发跳闸信号，U 0为动作电压。因为定子绕组正常运行状态下及故障状态下任一点三次谐波电压不同，所以应适当调整动作电压，确保定子绕组任一点故障保护系统可靠动作。最大动作时限为to = t/m-tm (3.2)其中tm为测量时间，tm = N/fs (3.3)其中N为取样数，fs为取样频率。为了提高接地保护动作的可靠性，避免误动，几次三次谐波电压比较之后就发跳中性点电压测量序列电压比较时间中北大学 2012 届毕业设计说明书第 6 页 共 8 页闸信号。最大动作时限是这段时间的倍数。假设取样数N为100，取样频率fs为1000HZ，取样数m，比较次数为5次，则最大动作时限为100ms。针对这一情况，发电机励磁系统允许几秒后灭磁，该保护提出最大动作时限是几次三次谐波电压比较时间倍数是正确的。此外，应注意时间限制，由于计算和程序算法的快速实现，保护系统操作时间可能大大缩短。发电机定子绕组三次谐波电压分布不仅与定子绕组接地故障有关，而且与断路器断开时输出功率和横向参数值的变化有关。电源振荡，三次谐波电压改变持续时间比新方案中比较周期长，因此对于发电机负荷变化不敏感。单相接地故障包括由发电机断路器引起的三次谐波电压，因此，有必要在程序算法中考虑发电机断路器的状态变化信息。对于目前基于三次谐波电压的保护方案，新的保护方案对于发电机负载变化和横向参数变化更敏感。相对于其他数字保护系统，该方案最大的优点是考虑发电机定子绕组接地故障过程及发电机变压器组的真正运行状态。因此，新保护方案是非常有效、可靠地。4. 保护系统的执行和测试新型保护算法是在单片机系统中完成的（图4.1），输入信号经过调节和滤波电路的后，再输入A/D转换器。通过信号采集系统，三次谐波电压值存储在静态RAM中，每一次采集的三次谐波电压值都与前一秒存储的电压值进行比较。Goertzel算法就是利用三次谐波电压的差值，当三次谐波电压差值大于动作值U 0时，发跳闸信号。调节和滤波电路发电机端断路器跳闸信号RISC 单片机A/D转换器用户界面I/O 端口中北大学 2012 届毕业设计说明书第 7 页 共 8 页图4.1 单片机构成的定子绕组接地保护系统结构框图单片机除了控制信号采集系统及三次谐波电压比较，还需要检测当发生接地故障时发电机端断路器的状态，这样，由断路器切换产生的三次谐波不会误认为是接地故障。数字控制系统由八位RISC单片机、十位模数转换器、1KB的内部静态存储器、输入电路、LCD显示和简单的数字键盘构成。用户可以通过人机界面设定信号处理电路参数和保护系统的运行状态。新型保护系统软硬件框图如图4.2所示。通过模拟仿真，获得了一系列的接地故障电压值。模拟仿真的电压值与实际测得的接地故障电压值基本一致。数据采集工具箱中采用Matlab软件实现，该工具可以访问来自于Matlab工作空间的模数转换器，因此，可以产生合适的电压波形，并且在数模转换器可以实现写入序列信号数据。通过软件将模拟电压值存储在电脑内存中。根据记录的电压序列号，发电机接地故障电压信号就可以适用于各种故障状态。D/A转换器输出的电压信号输入保护系统。新型保护系统的有效性已经得到了初步证实，但有些实验还没有完成。图4.2 接地保护系统的软硬件框图5. 总结基于三次谐波电压的接地保护系统已经运用在汽轮发电机的保护中，但是仍然存在很多问题。要想完善新型接地保护系统，必须考虑实际发电机定子绕组接地故障过程。发电机定子绕组接地故障存在间歇性电弧故障，但是接地故障过程中弧隙中的电弧改变迅速，因此对于这个过程没有一个明确的数学描述。仿真电压采集仿真模型Matlab 数据采集工具箱信号合成D/A 转换器接地保护系统接地故