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研究

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1、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研究毕大强，王祥珩，桂林，王维俭（清华大学电机系，北京100084）   摘 要：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，提出了两种形式的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做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。文中给出了第二种判据形式的详细仿真和试验结果，分析表明：新的暂态保护判据具有很高的灵敏度和可靠性

2、。   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1 引言       发电机定子单相接地故障具有很大的潜在危害性，可能导致更为严重的绕组短路故障。因此，定子绕组单相接地保护是发电机保护系统中的重要单元。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[1]。基波零序电压保护简单可靠，但在发电机中性点附近存在死区，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。 

3、      为提高三次谐波电压保护的灵敏度，文[2]提出了三次谐波电压自适应保护方案，通过实时调整判据中的复比例系数，使正常时的动作量很小，从而允许降低制动量，在接地故障突然发生时保护具有较高的灵敏度。但该方案在不同负载下的灵敏度不同，按重载工况整定，牺牲了轻载工况下的灵敏度。文[3]提出了基于三次谐波电压故障分量的定子接地保护方案，仿真表明判据能够取得更高的灵敏度。但在实际应用中，该判据的比值部分约束条件太强，其整定值将对保护的灵敏度影响较大。       另外，小波变换在发电机定子单相接地故障检测中也有应用[4,5]，但基于小波变换的保护方案需要较高采样率，并且易受噪声干

4、扰，因而离实际应用还有一定的距离。       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。本文分析了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。2  基于零序电压故障暂态分量的定子单相接地保护原理基础       由于发电机定子绕组的漏抗和电阻远小于其对地容抗，若忽略定子绕组漏抗和电阻的影响，当定子发生单相接地故障后，基波和三次谐波电压故障分

5、量的零序简化电路都可以等效为图1中的电路，其中Zt、Zn分别为机端和中性点等效阻抗，Rg为接地过渡电阻，为故障前故障点的电压。从图中可以看出，故障后机端和中性点零序电压的故障分量近似相同(包括幅值与相位)。       正常运行时，由于定子绕组对地电容不对称使发电机机端和中性点存在基波零序电压，但两者的大小几乎相同，且变化很小。正常运行时三次谐波电压的简化电路如图2所示，其中Ct为每相机端附加电容，Cg为每相绕组对地电容，Rn、Ln为中性点接地电阻和电感，为发电机三次谐波电动势，对于不同的中性点接地方式，机端和中性点三次谐波电压相位差不尽相同。当Ln=0时，若Rn趋向∞，发电

6、机中性点不接地，两侧三次谐波电压相位差为180˚；若Rn很小，发电机中性点接近直接接地，两侧三次谐波电压相位差为90˚；当Rn=1/3ω(Cg+Ct)时，发电机中性点经电阻接地，若无附加电容，两侧三次谐波电压相位差约为146˚，若有附加电容，两侧三次谐波电压相位差比146˚略小。即中性点接地电阻Rn在0~∞之间变化时，对应正常时机端与中性点的三次谐波电压相位差在90˚~180˚之间变化。当发电机中性点经电抗器或消弧线圈接地（欠补偿或谐振方式）时，若Rn=0，两侧三次谐波电压相位差为180˚；若Rn为小值电阻时，两侧三次谐波电压相位差略小于180˚。   由以上分析可知，根据不

7、同的中性点接地方式，正常时机端与中性点三次谐波电压的相位差为90˚~180˚。当发电机运行方式变化或由于其它原因引起机端和中性点的三次谐波电压变化时，这两电压变化量的比值近似不变，且其变化量的相位差近似于正常时的规律。    为进一步说明以上零序电压的变化特点，利用文[6]中基于交流电机多回路分析方法的定子单相接地故障暂态仿真模型，对一台三峡发电机组进行了仿真计算。发电机额定电压为20kV，每相5分支，每分支串联线圈数为36匝，定子绕组每相对地电容1.81μF，考虑机端附加电容为0.2μF，发电机中性点