n-y大型发电机定子绕组单相接地保护设计.doc

本科毕业论文（设计）论文（设计）题目：N-Y大型发电机定子绕组单相接地保护设计学 院：专 业：班 级：学 号：学生姓名：指导教师：年 月 日III贵州大学本科毕业论文（设计）贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的毕业论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 目 录摘要1Abstract2Keywords 2第一章前言3第二章 定子绕组单相接地保护方案42.1零序电流定子接地保护42.2基波零序电压定子接地保护42.3三次谐波电压型定子接地保护42.4外加电源式定子接地保护52.5新原理新技术在定子接地保护中的应用52.6选择性定子接地保护6第三章 单相接地故障保护方案研究的意义及现状73.1单相接地故障保护方案研究的重要意义73.2国内外关于单相接地故障保护方案研究的发展现状83.2.1同步发电机定子单相接地概述83.2.2利用基波零序电压构成的定子接地保护9第四章 利用三次谐波电压构成的定子接地保护114.1关于实现100%定子接地保护装置的探讨114.2三次谐波电压构成的定子接地保护的原理114.2.1发电机三次谐波电势的分布特点114.2.2利用三次谐波电压构成的定子接地保护的基本原理124.3三次谐波电压构成的定子接地保护其它判据124.3.1目前常用的三次谐波电压定子接地保护的工作原理124.3.2其它的保护判据的分析134.3.3三次谐波定子接地保护误动分析144.4新型发电机定子接地保护方案144.4.1自适应式三次谐波电压定子单相接地保护144.4.2新型信号处理方法-小波变换构成的发电机定子接地保护15第五章 零序电压故障暂态分量的定子单相接地保护方案165.1保护方案165.2仿真结果分析175.3定子单相接地保护的展望17第六章 结语19参考文献20致 谢2123贵州大学本科毕业论文（设计）N-Y大型发电机励磁回路一点，两点接地保护设计摘要定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的绕组内部短路故障发生的先兆，定子绕组单相接地保护的可靠与灵敏动作可以大大降低内部短路故障的发生几率，减少故障造成的损失。本文首先提出了利用基波零序电压构成的定子接地保护的原理，这种保护的方法简单可靠，但是由于整定值较高，因此，当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而在中性点附近会出现死区。为了弥补在中性点附近存在的死区，实现100%定子接地保护，我们提出了基于稳态的三次谐波电压的保护，但是传统的三次谐波电压保护在运行中容易误动，并且随着定子绕组对地电容的增加，灵敏度降低，很难满足目前对保护灵敏度不断提高的要求。目前，基于稳态量的基波零序电压与三次谐波电压保护组合实现100定子绕组接地保护得到广泛的应用。但是，当接地故障的过渡电阻较大时，故障前后的稳态量变化很小，但故障后仍存在故障暂态过程，根据发电机发生定子单相接地故障后机端和中性点零序电压故障暂态分量近似相同的特点，提出了基于零序电压故障暂态分量的发电机定子单相接地保护方案；第一种形式将基波零序电压与三次谐波电压分开处理；第二种形式无需将两者分开，直接把机端和中性点两侧零序电压故障暂态分量的和与差作为保护动作信号与制动信号，通过比较相应信号的谱能量大小检测定子单相接地故障。关键词：发电机，接地故障，零序电压，故障暂态分量，谱能量，定子单相接地保护，ProjectofSimulationandProtectionforStatorGroundFaultSynchronousgeneratorAbstractThegroundfaultsinthegeneratorstatorarebyfarcommonfaultstowhichgeneratorsaresubjected.Internalshort-circuitfaults，whichmayimmediatelydamagegenerator，arealwaysprecededbythegroundfaults.Thepossibilityofinternalfaultanddamagescausedbyitcanbedecreasedlargelyifthestatorgroundfaultprotectionreliablyandsensitivelyoperates.Thepaperfirstlyadvancesusingbasalzero-sequencevoltagetomakeupofstatorgroundfaultprotectiontruth.Thisprotectionwayissimpleandcredible，butbecauseofconformityvaluetoolarge，therefore，whenneutralpointnearbyisground，protectionequipmentcannotacts，therefore，neutralpointnearbybeingmortuarysneak.Inordertooffsetneutralpointnearbybeingmortuarysneak，achieving100%statorgroundfaultprotection，weputforwardsteadyestatethirdharmonicvoltageprotection，butconventionalthirdharmonicvoltageprotectioniseasilyerroraction，alsoalongwithstatorgroundaddtocapacitancetoground，sensitivitydepress，itisdifficultytoappeaserequesttosensitivityadvanceceaselessly.Atpresent，itappsdiffuselybasedonzero-sequencevoltageandthirdharmonicvoltageachieving100%statorgroundfaultprotection.Therefore，whenexorbitanceresistanceofGroundfaultiscomparativelylarge，faultfore-and-aftstabilizationmetechangelittle，butfaultoffspringexisttransitorilymetecourse.Thispaperputsforwardtwokindsoftransientbasedprotectionschemeforthestatorgroundfaultofgeneratorsintermsofthefeaturethatthefaulttransientcomponentofzero-sequencevoltageattheneutralisapproximatelyequaltothatatthetermina1.Inthefirstkindofscheme，thefaulttransientcomponentsoffundamentalfrequencyandthirdharmonicvoltagesarecalculated respectively.Inthesecondkindofscheme thesumand difference offaulttransientcomponentsattheneutralandtheterminalaredirectlychosenastheactionandrestrainsign，andthentheirspectrumenergiesarecomparedtodetectthegroundfault.Keywords :Generator，Groundfault，Zero-sequencevoltage，Faultcomponent，Spectrumenergy，Statorgroundfaultprotection，第一章前言定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，而目往往是更为严重的绕组内部故障发生的先兆，因此定子接地保护意义重大。目前实际应用中比较成熟的定子接地保护有基波零序电压保护、三次谐波电压保护及二者组合构成的保护，国外的发电机中性点大都是经高阻接地，较多的采用的是外加电源式的保护。近十几年微机保护的飞速发展，为新保护原理的开发提供了强大的硬件平台和广阔的软件空间。其中基于自适应技术、故障分量原理和小波变换的保护比较突出，它们有力地推动了单相接地保护技术的发展。扩大单元接线的发电机定子接地保护迫切需要具有选择性的保护方案，由于零序方向保护自身的缺陷、基于行波原理的保护在理论和技术上尚不够成熟，因此将小波变换应用到选择性定子接地保护有着重要的意义。本文首先介绍了同步发电机定子单相接地的一些基本特点，通过MATLABSIMULINK来仿真同步发电机定子单相接地故障，从而可以获得故障情况下定子电压，电流信号。进而，对零序电压，三次谐波电压等故障特征进行暂态分析，总结其规律，从而设计出同步发电机定子单相接地故障保护方案。在接地故障保护方案中，通过对比可以得知，基波零序电压保护简单可靠，但是由于整定值较高，因此，当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而出现死区，并且随着定子绕组三相对地电容不对称度的增加，接地保护死区扩大。传统的三次谐波电压保护在运行中容易误动，并且随着定子绕组对地电容的增加，灵敏度降低，很难满足目前对保护灵敏度不断提高的要求。目前，基于稳态量的基波零序电压与三次谐波电压保护组合实现100定子绕组接地保护得到广泛的应用。但是，当接地故障的过渡电阻较大时，故障前后的稳态量变化很小，但故障后仍存在故障暂态过程，利用故障暂态分量构成保护判据将比稳态分量获得更高的灵敏度。本文就是通过分析发电机正常运行时机端和中性点零序电压及其接地故障后故障暂态分量的变化特点，提出了基于零序电压故障暂态分量的定子单相接地保护方案，该保护方案具有较高的灵敏度，且受发电机运行工况影响较小。第二章 定子绕组单相接地保护方案发电机定子绕组单相接地时有如下特点：内部接地时，流经接地点的电流为发电机所在电压网络对地电容电流的总和，此时故障点零序电压随故障点位置的改变而改变；外部接地故障时，零序电流仅包含发电机本身的对地电容电流。这些故障信息对接地保护非常重要，下面就介绍几种定子接地保护方法。2.1零序电流定子接地保护由单相接地故障特点可知，对直接连在母线上的发电机发生内部单相接地时，外接元件对地电容较大，接地电流增大超过允许值，这就是零序电流接地保护的动作条件1。这种保护原理简单，接线容易。但是当发电机中性点附近接地时，接地电流很小，保护将不能动作，因此零序电流保护存在一定的死区。2.2基波零序电压定子接地保护发电机定子绕组(设A相距中性点处)发生单相接地时，定子回路各点的零序电压，其他两相故障情况亦有此关系。可见单相接地时零序电压U0Eph，Eph为故障相电动势，可将之作为保护动作参量。此基波零序电压可以在机端或中性点处获得，对于发电机中性点经配电变压器接地的情况，基波零序电压可取自配电变压器的二次电压2。这种保护主要应用于发电机变压器组接线方式，它的一个突出优点是即使在单相接地电流很小的情况下也可以采用，但是由于在发电机中性点处存在位移电压，该保护不可避免的在中性点附近存在死区，且当经过过渡电阻接地时灵敏度不高。2.3三次谐波电压型定子接地保护发电机正常运行时，中性点三次谐波电压比机端三次谐波电压大，而在中性点附近发生接地故障时，机端三次谐波电压增大，中性点三次谐波电压降低。利用单相接地故障前后发电机中性点与机端处三次谐波电压变化特点构成三次谐波电压型定子接地保护。由三次谐波电压构成的保护动作判据总的来说有两大类，一种是利用机端或中性点单侧三次谐波电压构成的保护，其判据为a(阀值)，这种保护特别简单，在国外仍有应用，但是灵敏度较低，且保护范围较小，受运行工况影响很大3。另一种是由机端和中性点双侧三次谐波电压构成的判据，式中Kp为调整系数，b和c为常数。前者以U3s为动作量，U3n为制动量，可以保护距中性点约50的范围，但灵敏度并没有得到很大的提高。而后者引入了幅值和相角调节系数，可以减小动作量降低制动量，从而提高保护的灵敏度和可靠性，而且此方案还可单独完成定子接地的100保护。但由于利用的是稳态量，当接地过渡电阻较大尤其是故障位置在绕组中部附近时，机端和中性点三次谐波电压的变化量很小，此时保护的灵敏度较低。另外，基波零序电压保护可以保护8595范围的定子绕组，且故障点越靠近机端保护灵敏度越高；三次谐波电压保护则是故障点越靠近中性点保护灵敏度越高。据此，而将两者结合，可以实现100的定子绕组接地保护4。这种保护方案已在国内外获得广泛应用，不足之处是其灵敏度不够，这种情况对水轮发电机尤为突出。2.4外加电源式定子接地保护这种类型的保护是在发电机定子回路与大地之间外加一个信号电源，正常运行时，此信号电源很少或不产生电流，而当发生接地故障后，产生相应频率的接地电流使保护动作。目前外加的电源有西门子采用的20Hz低频电源和ABB公司的外加12.5Hz的信号电源等，这两种信号源都是按编码的方式间歇注入到定子回路中的。这种保护对电源的可靠性和性能有很高的要求，装置的现场调试复杂而且价格昂贵。但是它的优势也非常明显，它能完成100定子接地保护，灵敏度高，对绝缘老化起到监督作用，另外在发电机停机状态、起停和运行过程中均能起到保护作用，应用前景广泛。此外采用外加20Hz或12.5Hz电源时，中性点接地方式和外加电源的内阻会影响保护的灵敏度。为了消除这种影响，新的改进的外加电源保护有采用电流突变量作为判据、引入电流平衡原理等方法，都不同程度地改善了保护的性能。2.5新原理新技术在定子接地保护中的应用故障信息和故障特征的识别和处理是继电保护技术发展的基础，所以对这些故障信息和故障特征的发掘和利用则具有十分重要的意义。国内外继电保护的学者应用一些新原理新技术在定子接地保护方面做了深入的研究，并取得了较好的成果。具有代表性的有自适应原理、故障暂态分量原理及小波变换在定子接地保护中应用。自适应原理通过实时跟踪发电机两侧电量的变化来进一步减小制动量，以提高保护的灵敏度。其中微机自适应式定子接地保护的发展引人注目，由于发电机运行工况的改变和系统振荡引起中性点和机端两侧的三次谐波电压及其比值的变化比较缓慢，微机强大的记忆功能和计算能力可以自动跟踪这种变化，采用两侧自适应三次谐波电压的向量比差作为主判据，该保护的灵敏度比常规保护方案有了很大的提高5。故障分量信号有低频和高频之分，其中故障工频分量原理的继电保护早已在实际中应用；而故障高频暂态信息在传统保护中被视为干扰而被滤掉，其实这些暂态信号包含大量的故障信息，通过检测这些高频信号构成保护是故障暂分量保护的出发点。基于故障暂态分量的定子接地保护充分利用中性点和机端故障分量的变化特征，进而作出具体的判据。由于利用的是暂态量，使这种保护不受过渡电阻、系统振荡等的影响，故具有较高的灵敏度。小波变换作为一种数字信号处理方法具优有的时频聚焦能力和信号奇异检测能力，非常适合区分故障与正常情况下特征信息的变化方式。在定子单相接地时，机端和中性点零序电压和零序电流都会发生突变，小波分析对故障时的奇异信号做多分辨分析，将信号分解到不同的尺度上，而每个尺度分量反映原信号的不同频率成分，可以显示出故障信号的特征，利用零序电压和零序电流的小波变换模极大值的位置和符号的异同来判定故障6。其优点是灵敏度较高，缺点是易受噪声干扰。2.6选择性定子接地保护对于扩大单元接线的发电机发生单相接地故障时，通常的保护方案不具备选择性，即无法选出故障机，也不能区分故障位于机内还是机外。当一台发电机发生接地故障时，母线上并联的所有发电机接地保护都会动作，将造成不必要的扩大停机。在这种情况下单相接地保护的选择性十分必要，目前具有选择性的定子接地保护有以下几种方案。方案一：将发电机中性点经电阻接地，适当增大接地故障电流，然后利用零序方向保护取得动作的选择性。这种做法可以实现保护的选择性，但人为增大了接地故障电流，对发电机定子铁芯不利，使本来轻微的定子接地故障恶化，保护出口也由发信号改为故障跳闸，因此，不是理想的保护方案。方案二：行波零序功率方向保护。当一台发电机内部故障时，在故障初始半波期间，故障机与非故障机的行波零序功率符号相反；母线上故障时，各台发电机机端行波零序功率方向相同。故可通过检测机端零序功率的方向实现保护的选择性，但要完成这个工作以及相关的装置仍有很多困难。方案三：基于小波变换的选择性保护。信号的奇异检测理论描述了具有突变信号在何时发生突变以及变化程度，小波变换用模极大值的形式来刻划这一奇异性。具体到定子绕组单相接地，故障时各发电机中性点和机端零序电压和零序电流，用小波变换得到其模极大值。内部故障时，故障机与非故障机零序电流的小波变换模极大值极性相反，零序电压的模极大值极性相同；外部故障时，零序电流的小波变换模极大值极性相同。利用这个特点，可将小波变换作为选择性定子接地保护的一个较好的方案。一种方法是，将中性点和机端的零序电压与零序电流的小波变换模极大值的极性相与，由结果的正负来判别故障位于机内还是机外。另一种方法是，把零序电流的小波变换系数的差与和作为保护的动作量与制动量，通过判断，动作次数为n-1的为故障机（n为发电机的台数）。这种情况下当发电机只有两台时，还需另加其他判据。这里介绍的是两种利用小波变换确定选择性保护的基本思想，然而小波变换只是一个分析工具，具体的保护方案还有很多。总之，这种基于小波变换的定子接地保护具有选择性，灵敏度高，是一种的较佳的保护思路。需要注意的是，该保护需要较高的采样率，且易受噪声的干扰。不过，笔者认为通过改善相关装置或采用可靠性更高的保护判据应该可以消除上述因素的影响7。第三章 单相接地故障保护方案研究的意义及现状3.1单相接地故障保护方案研究的重要意义我国电力工业已基本进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。由于发电机单机容量很大，其安全运行与否直接影响电网的稳定性。同时，现代大型发电机结构复杂、造价昂贵，一旦发生故障遭受损坏，停机检修需要较长时间，将造成巨大的直接和间接经济损失。这些都对发电机的安全保障继电保护系统在可靠性、灵敏性、选择性和快速性等方面提出了更高的要求。运行经验和理论分析表明，定子绕组内部故障对发电机的破坏最为严重。相比之下，虽然定子绕组单相接地故障对发电机的损伤程度较小，但由于它是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的内部相间或匝间短路故障发生的先兆，定子绕组单相接地保护的可靠与灵敏动作可以大大降低更为严重的内部短路故障发生几率。如果定子单相接地故障电流不大，对发电机定子铁芯的损伤就可以避免，故障造成的经济损失减少。因此，定子绕组单相接地保护对预防严重的内部短路故障具有重要意义。3.2国内外关于单相接地故障保护方案研究的发展现状目前广泛应用的较为成熟的传统的发电机定子单相接地保护方案有以下两种。第一种是双频式定子单相接地保护，是对基波零序电压型保护方案和三次谐波电压型保护方案的统称。其中基波零序电压型保护方案是在发生单相接地时，通过检测机端或中性点处零序电压来判别接地故障，简便易行。但由于发电机三相绕组对地电容不完全对称，正常时中性点存在位移电压，该方案在中性点附近存在保护死区，并且保护区内经过渡电阻接地时灵敏度不高，高压侧系统或高压厂用变低压系统发生单相接地故障可能引起保护误动。三次谐波电压型定子接地保护是利用单相接地故障前后发电机中性点与机端处三次谐波电压变化特点不同构成的。正常运行时，中性点三次谐波电压比机端三次谐波电压大；而在中性点附近发生接地故障时，机端三次谐波电压增大，中性点三次谐波电压降低。基于稳态量的三次谐波电压型保护主要是为了消除基波零序电压型接地保护在中性点附近的保护死区8。二者相配合就构成了100%双频式定子接地保护。仅利用机端或中性点单侧三次谐波电压构成的保护灵敏度较低，且保护范围较小，受运行工况影响很大。由机端和中性点双侧三次谐波电压构成的判据，由于能够综合考虑三次谐波电压的大小和相位变化，因而具有更高的灵敏度和可靠性，。但由于利用的是稳态量，所以当接地过渡电阻较大、故障位置在发电机绕组中部附近时，机端和中性点三次谐波电压变化量很小，保护的灵敏度较低。第二种外加电源注入式定子接地保护这类保护是根据发电机正常运行时整个三相定子回路对地是绝缘的，而发生单相接地故障时这种对地绝缘就被破坏，这是最直接区分正常运行和故障的特征，在发电机定子回路与大地之间外加了一个信号电源。正常运行时，信号电源不产生电流或产生的电流很小。发生接地故障时，该电源产生相应频率的较大接地电流，使保护动作。因为信号是外加的，不受接地位置的限制，能完成100%定子接地保护的目的。该类保护在发电机静止、启停和运行过程中均有保护作用，灵敏度高并有可以进行绝缘监测的突出优点，有广泛的应用前景。但均需外加信号电源，对电压的可靠性和性能有较高的要求，现场调试也比较复杂。3.2.1同步发电机定子单相接地概述近年来，随着电力系统的迅速发展，发电机单机容量不断增大，电厂也都配备了大量微机发变组保护。根据多年的运行情况来看，发变组保护经常动作，其中发电机定子接地保护是动作次数较多的保护。根据安全的要求发电机的外壳都是接地的，因此发电机定子接地故障是发电机常见故障之一，是由于定子绕组与铁心之间绝缘的破坏而造成的。由于大型发电机在电力系统中占有重要地位，其铁芯工作磁密很高，材料利用率高，造价昂贵，结构复杂，不仅有幅向通风槽，还轴向冷却通道，损坏后其修复工作困难。因此，对于大型发电机的定子接地电流大小及定子接地保护性能提出更严格的要求9。大型发电机（特别是大型水轮发电机）定子绕组对地电容很大，单相接地时电容电流较大，要将接地故障电流限制在允许范围内，减轻发电机接地故障后的损伤，中性点应采用消弧线圈接地方式。因此，当发电机的内部发生接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络（即与发电机有直接电联系的各元件）对地电容电流之总和，而不同之处在于故障点的零序电压随发电机内部接地点的位置而改变。当发电机内部发生单相接地时，实际上是无法直接获得故障点的零序电压的，而只能借助于即端的电压互感器来进行测量。通过分析也可以得知，发电机内部发生接地故障时，机端的零序电压和故障点的零序电压相等。在7O年代以前，定子接地保护的投运方式采用原苏联的标准：即接地电流大于5A时投跳闸，小于5A时投信号。而多年的运行实践和事故教训表明，5A的定子接地电流不能认为是安全电流，接地电容电流对定子铁芯损坏的程度与电流的大小和故障电流持续时间有关。理论分析和实践证明，接地故障点持续通过2A电流是允许的，取安全系数为1315时，电容性接地电流的允许值推荐为115A。在这样小的接地电流下，若定子绕组发生单相接地故障、并且尚未扩展相间或匝间短路时，允许发电机继续运行一段时间，在这段计划运行时间内停机时，发电机铁芯可不用检修，因此在发电机定子接地保护动作后，只发信号而不要求立即停机，以使系统少受大的扰动，进而保证安全供电。3.2.2利用基波零序电压构成的定子接地保护一般大、中型发电机在电力系统中大都采用发电机变压器组的接线方式，在这种情况下，发电机电压网络中，只有发电机本身、连接发电机与变压器的电缆以及变压器的对地电容。当发电机发生单相接地后，接地电容电流一般小于允许值，则可以在发电机电压网络中装设消弧线圈予以补偿。由于上述三项电容电流的数值基本上不受系统运行方式变化的影响，因此，装设消弧线圈后，可以把接地电流补偿到小的数值。上述两种情况下，均可以装设作用于信号的接地保护。发电机内部单相接地信号装置，一般是反应于零序电压而动作。分析表明，发电机定子回路中各点的基波零序电压基本相同。因此作为保护动作参量的基波零序电压既可取自发电机中性点，也可取自机端10。由于正常运行时，发电机相电压中含有三次谐波，因此，在机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出，此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器的高、低压绕组之间有电容存在，因此，发电机端也会产生零序电压，为了保证动作的选择性，保护装置的整定值应躲开正常运行时的不平衡电压（包括三次谐波电压），以及高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压。根据运行的经验，继电器的起动电压一般整定为1530V左右。按照以上条件的整定保护，由于整定值较高，而且发电机三相绕组对地电容不完全对称，正常时中性点存在位移电压，该方案在中性点附近存在保护死区，并且保护区内经过渡电阻接地时灵敏度不高。为了减小死区，可以采用以下办法将起动电压降至5V10V。1)加装三次谐波过滤器；2)对于高压侧中性点直接接地的电网，利用保护装置的延时来躲开高压侧的接地故障；3)对于高压侧中性点非直接接地的电网，利用高压侧的零序电压将发电机的接地保护或者利用它对保护实现制动。采取以上的措施后，零序电压保护范围有所提高，可以达到95%，但是在中性点附近还是存在一定的死区。分析表明，发电机定子回路中各点的基波零序电压基本相同。因此作为保护动作参量的基波零序电压既可取自发电机中性点，也可取自机端。一般现场整定基波零序电压型定子接地保护的动作电压为5V10V。以中性点经配电变压器高阻接地为例，在允许过渡电阻为8k的情况下，基波零序电压保护只能反应发电机机端距中性点约94%100%范围的定子绕组故障。在大于距中性点约40%的绕组部分，可实现3k过渡电阻接地的故障保护保护灵敏度随故障点与中性点的距离近似成线性增长，机端灵敏度为最大11。第四章 利用三次谐波电压构成的定子接地保护4.1关于实现100%定子接地保护装置的探讨通过上面的分析可以知道，无论如何采用措施来提高基波零序电压保护的灵敏度，在发电机中性点附近总是存在一定的死区，对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或漏水（指水内冷的发电机）等原因，都能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现，则一种可能是进一步发展成匝间或相间短路；另一种可能是如果又在其它地点发生接地，则形成两点接地短路。这两种结果都会造成发电机的严重损坏，因此，对于大型发电机组，特别是定子绕组用水内冷的机组，应装设能反应100%定子绕组的接地保护。目前，100%定子接地保护装置一般由两部分组成，第一部分是基波零序电压保护，一般能实现保护定子绕组的85%以上，第二部分保护则用来消除基波零序电压保护不能保护的死区。为提高可靠性，两部分的保护区应相互重叠。构成第二部分保护的方案有：1）发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相电压10%15%。当发电机定子绕组接地时，利用此偏移电压来加大故障点的电流（其值限制在1025A左右），接地保护即反应于这个电流而动作，使发电机跳闸。2）附加直流或低频（20Hz或25Hz）电源，通过发电机端的电压互感器将其电流注入发电机定子绕组，当定子绕组发生接地时，保护装置将反应于此注入电流的增大而动作。3）利用发电机固有的三次谐波电势，以发电机中性点侧和机端侧三次谐波电压比值的变化，或比值和方向的变化，作为保护动作的判据。4.2三次谐波电压构成的定子接地保护的原理4.2.1发电机三次谐波电势的分布特点由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电势除基波分量外，还含有高次谐波分量。其中三次谐波电势虽然在线电势中可以将它消除，但在相电势中依然存在。因此，每台发电机总有约百分之几的三次谐波电势，以E3表示。如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点N和机端S，则在正常运行的情况下，发电机中性点侧的三次谐波电压总是大于发电机机端的三次谐波电压12。当发电机中性点经消弧线圈接地后，中性点侧的三次谐波电压比发电机机端的三次谐波电压更大。4.2.2利用三次谐波电压构成的定子接地保护的基本原理当发电机内部发生单相接地故障时，设接地发生在距中性点处，此时不管发电机的中性点是否接有消弧线圈，恒有：33EUN；33)1(EUS；133NsUU；由上面的公式可以得出：当a3NU。因此，如果利用机端三次谐波电压3SU作为动作量，而用中性点侧三次谐波电压作为制动量来构成接地保护，且当3SU、3NU同时作为保护的动作条件，则在正常运行时保护不可能动作，而当中性点附近发生接地时，则具有很高的灵敏度。利用这种原理构成的接地保护，可以反应定子绕组中性点侧约50%范围以内的接地故障。如上所述，利用三次谐波电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中a15%以上范围的接地故障，且当故障点越接近于发电机出线端时，保护的灵敏度越高。因此利用三次谐波电压的比值和基波零序电压的组合，构成了100%的定子绕组接地保护。4.3三次谐波电压构成的定子接地保护其它判据上面所讨论的基于稳态量的三次谐波电压型保护主要是为了消除基波零序电压型接地保护在中性点附近的保护死区。但是仅利用机端或中性点单侧三次谐波电压构成的保护灵敏度较低，且保护范围较小，受运行工况影响很大。由机端和中性点双侧三次谐波电压构成的判据，能综合考虑三次谐波电压的大小和相位变化，因而具有较高的灵敏度和可靠性。4.3.1目前常用的三次谐波电压定子接地保护的工作原理在发电机定子接地保护中，我们常用NPSUKU33(或者NSUKUK3231)作为动作量，而用NU3作为制动量，此处PK，1K，2K和均为调节系数。在正常运行情况下，调节PK使动作量为零，其动作判据式如下：NNPS UUKU3331.0（21），其中PK&=NSUU3313。&当发电机发生单相接地时，而且故障点在机端时，SU3减小而NU3增大；故障点在中性点附近时，SU3增大而NU3减小，其结果总是使NPSUKU33显著增大，而此时制动量NU3却比较小，继电器正确而且灵敏的动作。此原理的优点在于它全面利用了发电机单相接地故障所呈现的SU3和NU3的幅值及相位的变化特征，大幅度提高了灵敏度。但由于利用的是稳态量，所以当接地过渡电阻较大、故障位置在发电机绕组中部附近时，机端和中性点三次谐波电压变化量很小，保护的灵敏度较低。4.3.2其它的保护判据的分析方案一：13，NU方案二：23SUNU3&其中1的单位为伏特，2是常系数。方案一即中性点三次谐波低电压保护，国外应用较多，该方案受系统运行方式的影响较大，灵敏度也不高。方案二则利用了SU3NU3比值的变化来反应定子接地故障。真机试验表明，发电机正常运行时，SU3和NU3及其比值也随运行工况(如输出有功和无功)而变化，这牵涉到许多难以事先考虑的因素。以励磁气隙磁密1B为平顶波的凸极发电机为例，由于纵轴电枢反应对三次谐波励磁磁通势起助磁作用，随着感性负载的增大，电枢反应对三次谐波的助磁作用增大，并且励磁磁密的三次谐波也在加大，必然导致发电机三次谐波电压增大，所以SU3和NU3会随着运行工况而变化。但其比值SU3NU3却改变很小。尤其是SU3和NU3的相位差随输出功率变化很小，基本上可将绝缘正常发电机的SU3&和NU3相位差变化量近似为零，因此可以认为SU3NU3是一个常数14。根据上述分析，方案二要比方案一具有较好的稳定性。但是通过进一步的分析可知，上面所介绍的这两种方案要明显的低于前面所介绍的常用的三次谐波电压定子接地保护。尤其是方案一，在中性点处只有约100，不能有效的反应中性点附近经过渡电阻的接地故障。在各种接地方式下，方案二虽然增加了对NU3幅值的修正回路，但其灵敏度也不是很高，这主要是在正常运行的时具有较大的制动量。当经高阻接地的时候，只能反应中性点处约1.4的接地短路故障。前面所介绍的常用的三次谐波电压定子接地保护在动作回路中引入幅值和相角调节系数PK，因而可以较大限度地减小动作量，从而降低制动量，灵敏度有很大的提高。但由于PK的选取与发电机的运行方式有关，不宜选的过低，灵敏度仍然受到限制。4.3.3三次谐波定子接地保护误动分析1)从原理上分析为了确保在各种正常工作情况下都能可靠不误动，式(2-1)中调节系数就必须考虑到可能出现的最大不平衡动作量，所以不能取得太小，而SU3和NU3则随着发电机的运行工作情况而不断变化，因此，从原理方面来说，如何在各种工作情况下准确而快速地调节PK，让动作量保持在零附近的状态，是解决问题的关键15。2)从人为因素方面分析在发电机调试和运行过程中，很多三次谐波定子接地保护误动作不是由于原理本身的问题，而是人为因素造成的，包括设计不合理、定值设定不合理、调试和维护不良等。常见的人为因素有：a)保护配有多余的移相回路；b)电压互感器断线误闭锁，使得保护拒动；c)冷却水水质不良；d)电压互感器相熔断器没有压紧；e)同期回路的影响；f)干扰问题；g)二次回路中，SU3或者NU3的极性接反。当发电机出现三次谐波定子接地保护误动作时，可以首先检查一下以上常见的与原理无关的人为因素，这样可以为快速找到事故的根源提供捷径。4.4新型发电机定子接地保护方案近些年来清华大学，华中科技大学致力于发电机定子接地保护研究的学者们提出了一些新型的定子接地保护方案。其中一些是从保护原理上进行了改进，另一些则是采用了先进的信号处理方法。原理上主要提出了自适应方案和小波变换构成的发电机定子接地保护以及基于故障分量的保护方案，特别是基于故障分量的定子接地保护得到了广泛的应用，我们将在下一章介绍。4.4.1自适应式三次谐波电压定子单相接地保护通过自动跟踪中性点与机端两侧的三次谐波电压，采用自适应三次谐波电压相量比差方案，进一步提高了保护的灵敏度，并且能够单独完成定子绕组100%保护。但由于不能区分特征信号的变化类型，只能按最大缓变范围来整定保护，从而限制了灵敏度的进一步提高。人们采取了自适应判据，将发电机各种工况下动作量降至最低，在一定程度上提高了灵敏度。但此判据需要较多的闭锁条件，增加了判据的复杂程度。并且在大型汽轮发电机机端装设浪涌吸收电容的情况下，其灵敏度有较大幅度的下降。4.4.2新型信号处理方法-小波变换构成的发电机定子接地保护小波分析作为一种新颖的信号分析方法，一改傅立叶分析难以同时兼顾时域和频域局部化的不足，能够将含有多种频率成分的被分析信号按一定的时间和频率分辨率进行分解并逐步求精，具有近乎完美的双重化局部化性质并能有效的刻画信号突变。因此，小波分析将成为发电机继电保护的强有力的信号处理工具。基于正交小波的发电机定子单相接地保护新方法，利用经小波变换后机端和中性点侧三次谐波电压的局部模极大值符号特性是否相同来识别定子接地故障。该保护方案具有较高的灵敏度。基于B样条半正交小波的新型发电机定子单相接地保护方案，通过直接对机端和中性点两侧的测量电压进行小波变换，利用其合成量的小波分析结果，可靠识别出发电机定子接地故障。由于综合利用了故障电压的突变奇异性，新方案能保护100%范围的定子绕组，灵敏度有一定的提高。利用小波变换检测发电机定子单相接地故障的能量法，在不同尺度下对两侧零序电压的故障分量进行小波变换，将高频部分之和与差分别作为保护的动作信号和制动信号，计算数据窗内相应信号的谱能量作为保护的动作量和制动量，通过比较动作量和制动量的大小检测发电机单相接地故障，可以提高保护判据的可靠性。但是这种方法易受噪声干扰，因而离实际应用还有一定距离。第五章 零序电压故障暂态分量的定子单相接地保护方案5.1保护方案根据以上分析的故障前后机端和中性点零序电压的变化特点，提出了基于零序电压故障暂态分量的单相接地保护方案。将基波与三次谐波电压分开处理，由发电机机端和中性点零序电压计算相应的基波故障分量(0(U)和三次谐波电压故障分量(tU3、nU3)，用相量有效值描述的第一种判据表达形式为：0UUsetnUtU33nUtU33(4-1)式中：Uset为门槛电压；为可靠性系数。由于绕组对地电容不对称，导致发电机正常运行时中性点有偏移电压，使得基于稳态量的基波零序电压保护在中性点附近存在死区。若采用基波零序电压的故障分量作为保护判据的动作量，即使有偏移电压存在，在死区内发生单相接地故障时，基波零序电压也会产生故障分量，这样就有利于减小基波零序电压保护在中性点附近的死区范围，并提高保护的灵敏度。理想的定子单相接地保护应具有以下性质：发生接地故障时，特征信号的幅值或相位只要有轻微的突变，判据就应动作；正常运行时，特征信号的幅值或相位发生较大的缓变，判据也不应动作。而基于三次谐波电压故障暂态分量的保护判据就具有上述特点，首先，三次谐波电压的故障暂态分量反应了接地故障的突变程度，接地故障发生后机端和中性点的三次谐波电压增量近似相同，判据左侧动作量大于右侧制动量，判据灵敏动作；其次，正常时机端和中性点的三次谐波电压相位差大于9O度，当发电机运行方式变化引起机端和中性点的三次谐波电压发生变化时，即使有较大的缓变，判据左侧动作量总是小于右侧制动量，判据不会动作。进一步分析知，基于三次谐波电压故障暂态分量的保护判据故障前后的动作量和制动量变化方向相反，能够自适应发电机运行工况的变化，鲁棒性强，整定十分简单16。且其相量合成的结果也可以通过信号在一个周期内的能量来描述，这样就无需将零序电压中的基波和三次谐波分开，由此可得到以下基于谱能量的第二种判据表达形式。由机端和中性点零序电压计算相应的零序电压故障分量瞬时值(tu、nu，计算间隔为一个20ms)。设动作信号opu=ntuu，制动信号为resu=bntuu+u。其中为可靠性系数，根据机端和中性点三次谐波故障分量的相位角关系可取1；u为门槛电压，可取正常时中性点基波零序偏移电压的420，主要是为躲过正常情况下基波增量的非零输出。其中，L为数据窗长度；f为采样间隔，计算可标么化。取动作信号和制动信号的谱能量分别作为保护的动作量和制动量，即可得到由信号谱能量描述的第二种判据形式为：opEuresEu(4-2)式(4-2)中包括基波和三次谐波增量的共同变化，所以单独利用它就能够实现100定子绕组单相接地保护。为进一步防止短时干扰的影响，提高判据的可靠性，在式(4-1)或式(4-2)连续满足可取1223个工频周期采样点数)次后才认为发生单相接地故障。5.2仿真结果分析在以下仿真和试验中，采用式(4-2)的能量型判据对其结果进行分析。根据以上保护方案，由发电机机端和中性点的零序电压(tu、nu)计算相应零序电压的故障分量瞬时值(tu、nu)，进一步计算保护动作信号和制动信号的谱能量作为判据的动作量与制动量(opEu、resEu)。对仿真结果，取保护判据的可靠性系数b=1，eu=0.1V。图4-1给出了图3-7中所示的接地故障过程中保护判据的动作情况。从图4-1中可以看出，动作量远大于制动量，判据能够灵敏动作。图4-2给出了图3-8中所示的励磁电压变化过程中保护判据的动作情况，从图4-2中可以看出，判据可靠制动。5.3定子单相接地保护的展望近年来，新技术不断在电力系统中应用也为继电保护的发展奠定了坚实的物质基础光学电流、电压互感器的开发和应用，高性能数字信号处理器(DSP)等新器件都会对发电机保护的性能产生深刻的影响。而且一些学者把自适应理论、模糊集理论、人工神经网络和专家系统等智能理论和技术应用到继电保护中，大大丰富了继电保护理论，并促进了其发展。由于灵敏度直接受发电机三次谐波电势的影响，由三次谐波构成的保护运行不太稳定。传统的基波零序和外加电源型保护方案基本上是基于稳态量的，已比较成熟，而且其灵敏度的提高是有限的。所以当前应着重致力于新型基于暂态量保护的研究。如上所述，我国在发电机定子单相接地暂态保护方面应用自适应和故障分量原理取得了一些进展。但这些保护方案，在处理灵敏度和可靠性之间关系方面还存在不足，还需进一步研究。另外，由于汽轮发电机的三次谐波电压分布规律较强，一些新开发的方案都是针对汽轮发电机的，所以有必要针对水轮发电机的三次谐波电压的特点及其保护方案进行研究。除了探索新的保护原理外，我们还应探索使用像小波变换，形态学等新型数字信号处理手段来完善发电机定