汽轮发电机定子绕组内部故障的负序阻抗方向保护方法

摘要

汽轮发电机定子绕组内部故障的保护方法，属于电力系统主设备继电保护技术领域，其特征在于，只需从发电机机端采集三相电压和三相电流，滤取相电压和相电流故障分量的基波负序分量，并计算出机端故障分量的等值负序阻抗，按照负序阻抗的符号及大小来判断不对称故障是电机绕组内部故障还是机端外部故障。对两台典型汽轮发电机所有可能发生的内部短路故障及单分支开焊断线故障的计算及灵敏度分析表明，故障分量负序阻抗方向保护的方法对汽轮发电机定子绕组内部不对称故障(尤其对内部匝间短路故障)的灵敏性和保护范围都优于现有的其它保护，能为中性点侧只引出3个端子的汽轮发电机内部不对称故障提供高质量的保护。

权利要求

1.汽轮发电机定子绕组内部故障的负序阻抗方向保护方法，其特征在于，所述方法是在计算机中依次按以下步骤进行的：步骤1.在发电机机端对三相电压和三相电流进行采样，并由相邻采样点之间的差，得到三相电压和三相电流的故障分量瞬时值，表示为：Δua(k)＝ua(k+1)-ua(k)，Δub(k)＝ ub(k+1)-ub(k)，Δuc(k) ＝ uc(k+1)-uc(k)，Δia(k) ＝ ia(k+1)-ia(k)，Δib(k) ＝ib(k+1)-ib(k)，Δic(k)＝ic(k+1)-ic(k)，其中ua(k)、ub(k)、uc(k)是a相、b相、c相电压的第k次采样瞬时值，ia(k)、ib(k)、ic(k)是a相、b相、c相电流的第k次采样瞬时值；

步骤2.根据上述三相电压和三相电流故障分量的采样瞬时值，利用傅立叶滤波算法计算出三相电压和三相电流的故障分量的基波相量并滤取故障电压的基波负序相量 和故障电流的基波负

序相量 其中ΔUa和 为a相电压故障分量的基波有效值和相角，ΔUb和

为b相电压故障分量的基波有效值和相角，ΔUc和 为c相电压故障分量的基波有效值和相角，ΔIa和 为a相电流故障分量的基波有效值和相角，ΔIb和 为b相电流故障分量的基波有效值和相角，ΔIc和 为c相电流故障分量的基波有效值和相角；

步骤3.根据故障电流基波负序相量有效值ΔI2的大小判断是否启动故障分量负序阻抗方向保护：如果ΔI2大于正常运行基波电流的10％，转至步骤4，启动故障分量负序阻抗方向保护；否则，转至步骤1继续采样；

步骤4.由故障电压的基波负序相量 和故障电流的基波负序相量 计算故障分量的负序阻抗步骤5.基于故障分量负序阻抗 的符号及大小描述的判据表达形式为：

如果满足上述判据，则判断为发电机定子绕组内部不对称故障。

2.根据权利要求1所述的汽轮发电机定子绕组内部故障的负序阻抗方向保护方法，其特征在于：所述采样点在一个工频周期内不少于12点。

说明书

汽轮发电机定子绕组内部故障的负序阻抗方向保护方法

技术领域

[0001] 本发明属于电力系统主设备继电保护技术领域，尤其涉及一种基于故障分量负序阻抗的符号及大小的发电机定子绕组内部不对称故障保护方法。

背景技术

[0002] 发电机定子内部不对称故障主要包括绕组内部短路故障和单分支断线故障，都是常见的破坏性很强的故障。大型汽轮发电机内部短路故障时会产生很大的短路电流，而单分支断线故障不仅造成故障相的正常分支电流明显增大、而且会在非故障相的两分支之间产生很大的环流，这样的大电流都可能烧毁绕组和铁芯，还会产生破坏性严重的电磁力。不对称故障产生的负序磁场可能大大超过设计允许值，造成转子的严重损伤。因此，我国继电保护技术规程明确规定大型汽轮发电机需装设定子绕组相间和匝间短路保护。

[0003] 但是现有的汽轮发电机绝大多数中性点侧只引出3个端子(参见图1)，无法配置零序电流型横差保护、不完全纵差保护和裂相横差保护等水轮发电机常用的匝间短路主保护，而具备安装条件的完全纵差保护仅能反应定子绕组的相间短路，对定子绕组内部匝间短路和单分支断线故障并不能动作。

[0004] 目前正在使用的汽轮发电机匝间短路保护主要有纵向基波零序过电压保护和故障分量负序方向保护，但都存在较大的动作死区，而且后者一般无法反应单分支断线故障。为了提高大型汽轮发电机运行的安全可靠性，有必要研究内部不对称故障的新型保护原理并提出新的保护判据。

发明内容

[0005] 本发明的目的是为中性点侧只引出3个端子的汽轮发电机提供一种定子绕组内部不对称故障的保护方法。

[0006] 为了提高大型汽轮发电机运行的安全可靠性，本发明提出了一种定子绕组内部不对称故障的新型保护方法。对于中性点侧只引出3个端子的汽轮发电机，只需从发电机机端采集三相电压和三相电流，滤取相电压和相电流故障分量的基波负序分量，构成负序阻抗方向保护的特征量(参见图2)。本发明的特征在于，所述方法是在计算机中依次按以下步骤进行的：

[0007] (1)在发电机机端对三相电压和三相电流(按照发电机惯例，参见图3)进行采样，由相邻采样点之间的差，得到三相电压和三相电流的故障分量瞬时值(比如，Δua(k)＝ua(k+1)-ua(k)，其中ua(k)是a相电压的第k次采样瞬时值)，并由瞬时值利用傅立叶滤波算法计算出三相电压和三相电流的故障分量的基波相量其中ΔUa和 为a相电压故障分量的基波有效值和相角，ΔUb和 为b相电压故障分量的基波有效值和相角，ΔUc和 为c相电压故障分量的基波有效值和相角，ΔIa和 为a相电流故障分量的基波有效值和相角，ΔIb和 为b相电流故障分量的基波有效值和相角，ΔIc和 为c相电流故障分量的基波有效值和相角。

[0008] (2)根据上述三相电压和三相电流故障分量的基波分量有效值和相角(即ΔUa、ΔUb、 ΔUc、 和ΔIa、 ΔIb、 ΔIc、 )，分解出故障电压的基波负序相量 和故障电流的基波负序相量

[0009] (3)根据故障电流基波负序相量有效值ΔI2的大小判断是否启动故障分量负序阻抗方向保护：如果ΔI2大于正常运行基波电流的10％，转至(4)，启动故障分量负序阻抗方向保护；否则，转至(1)继续采样。

[0010] (4)由故障电压的基波负序相量 和故障电流的基波负序相量 计算故障分量的负序阻抗

[0011] (5)基于故障分量负序阻抗 的符号及大小描述的判据表达形式为：

[0012] 如果满足上述判据，则判断为发电机定子绕组内部不对称故障。

[0013] 对两台典型汽轮发电机所有可能发生的内部短路故障及单分支开焊断线故障的计算及灵敏度分析表明，本发明提出的故障分量负序阻抗方向保护对汽轮发电机定子内部不对称故障(尤其对内部匝间短路故障)的灵敏性和保护范围都优于现有的其它保护(包括纵向基波零序过电压保护和故障分量负序方向保护)，能为中性点侧只引出3个端子的汽轮发电机内部不对称故障提供高质量的保护。故障分量负序阻抗方向保护的动作死区主要是两短路点距中性点距离相同(或相近)的同相不同分支匝间短路故障，不能动作的原因是故障电流的基波负序相量 较小、达不到启动负序阻抗方向保护的阈值。实际上，对于中性点侧只引出3个端子的汽轮发电机，现有的各种保护对这种同相不同分支匝间短路故障的灵敏度都很低。

附图说明

[0014] 图1为本发明中汽轮发电机的传统出线方式和保护配置图。

[0015] 图2为本发明中汽轮发电机故障分量负序阻抗方向保护的示意图。

[0016] 图3为本发明中汽轮发电机机端电压和电流的参考方向示意图(发电机惯例)。

[0017] 图4为电网对称而发电机内部不对称时的基波负序等值电路及负序基波相量图。

[0018] 图5为电网对称而发电机内部不对称时的负序基波相量图。

[0019] 图6为发电机外部不对称时的基波负序等值电路。

[0020] 图7为发电机外部不对称时的负序基波相量图。

[0021] 图8为1号汽轮发电机(300MW，定子54槽)实际可能发生的一种两短路点距中性点同样匝数的同相不同分支匝间短路故障。

[0022] 图9为汽轮发电机各种保护对同相匝间短路故障可靠动作范围的示意图。

[0023] 图10为汽轮发电机各种保护对相间短路故障可靠动作范围的示意图。

[0024] 图11为本发明的程序框图。

具体实施方式

[0025] 首先结合附图来说明一下本发明的原理。

[0026] 发电机三相对称运行时，电压、电流只有对称的正序基波分量，而发生不对称故障(或者不对称运行)会出现负序量和零序量。如果发电机发生内部不对称故障而电网仍然对称，那么负序量来源于发电机，负序功率由发电机流向电网，负序等值电路如图4所示(图4中rt和jXt代表三相对称的电网输电线与变压器折算到发电机侧的每相总电阻和漏抗(实际值))，基波负序相量图如图5所示(图5中电压 与电流 的参考方向规定为发电机惯例)，负序电流 滞后于负序电压 机端负序等值阻抗Z2的阻抗角 在0°至90°之间，而且由于实际系统中Xt＞rt， 应接近于90°；当发电机定子绕组本身对称而外部发生不对称故障或者发电机带不对称负荷运行时，负序量来源于电网(负荷)，负序功率由电网流向发电机，负序等值电路如图6所示(图6中R2和jX2代表发电机的负序等值电阻和电抗(实际值))，基波负序相量图如图7所示(图7中电压 与电流 的参考方向仍规定为发电机惯例)，负序电流 领先于负序电压 机端负序等值阻抗Z2的阻抗角 在-180°至-90°之间，而且由于实际系统中X2＞＞R2， 应接近于-90°。

[0027] 根据上述原理，可以按照机端等值负序阻抗的符号及大小来判断不对称故障是电机绕组内部故障还是机端外部故障。为避免电网电压原来存在不对称情况下造成的误判，需要采取故障分量的处理方法，即由基波负序电压和负序电流的故障分量构成负序阻抗判据的特征量。

[0028] 为了验证上述故障分量负序阻抗方向保护的性能，下面以两台汽轮发电机(主要参数见表1)为例，运用“多回路分析法”，在全面的内部故障仿真计算的基础上对其动作性能进行了分析计算，并与汽轮发电机现有的匝间短路保护(包括纵向基波零序过电压保护和故障分量负序方向保护)进行了性能对比。

[0029] 表1 两台汽轮发电机的主要参数

[0030]

[0031] 根据电机制造厂提供的定子绕组连接图，可以分析出这两台汽轮发电机实际可能发生的所有内部短路故障(包括同槽故障和端部故障)的类型和数目，如表2所示。

[0032] 表2 两台汽轮发电机实际可能发生的同槽和端部故障

[0033]

[0034] 针对联网额定负载运行状态，表3～表5分别统计了本发明提出的故障分量负序阻抗方向保护和汽轮发电机现有的纵向基波零序过电压保护、故障分量负序方向保护不能动作的故障数目及其性质。可以看到，对这两台汽轮发电机，本发明提出的故障分量负序阻抗方向保护分别只对6种同相不同分支匝间短路无法动作，动作死区远远小于另两种现有保护。

[0035] 表3 两台汽轮发电机联网额定负载运行状态下，故障分量负序阻抗方向保护不能动作的故障数及其性质

[0036]

[0037] 表4 两台汽轮发电机联网额定负载运行状态下，纵向基波零序过电压保护不能动作的故障数及其性质(二次电压的动作值整定为3V，认为保护对灵敏度＜1.5的故障都不能可靠动作)

[0038]

[0039] 表5两台汽轮发电机联网额定负载运行状态下，故障分量负序方向保护不能动作的故障数及其性质(动作值整定为发电机额定容量的1％，认为保护对灵敏度＜1.5的故障都不能可靠动作)

[0040]

[0041] 进一步的分析表明，本发明提出的故障分量负序阻抗方向保护不能动作的同相不同分支匝间短路故障，两短路点与中性点都相距同样的匝数。比如图8所示的1号汽轮发电机(定子54槽，每分支由9个线圈串联而成)a相第1支路第8号线圈(从机端算起)的下层边和a相第2支路第8号线圈的上层边在端部交叉处发生的匝间短路，短路匝数为2匝，两分支的短路点距中性点都只有1个线圈。在联网额定负载运行方式下，计算出各相机端电压、电流及各支路稳态基波电流的有效值和相位如下所示：

[0042]

[0043] 从这个算例可以看出，这类两短路点距中性点相同或相近匝数的同相不同分支匝间短路故障，由于两短路点的正常电位就比较接近，虽然短路回路电流非常大，但这个数值很大的短路电流主要造成故障相两故障分支之间的环流，但对机端三相电压和三相电流的影响比较小。所以电流、电压中主要还是基波正序分量，负序和零序分量都很小(U0＝139.8V，U2＝187.9V，I2＝758.5A)，纵向基波零序过电压保护和故障分量负序方向保护的灵敏度都比较低，而本发明提出的故障分量负序阻抗方向保护虽然负序阻抗角的范围满足动作判据，但由于负序电流达不到启动值(I2＝758.5A，不到正常电流(10189A)的10％)也无法动作。

[0044] 通过上面的定性分析，认识到图8所示故障不仅是本发明提出的故障分量负序阻抗方向保护的动作死区，也是汽轮发电机现有各种保护(还包括完全纵差保护)的动作死区。通过更加仔细的统计，可以用图9和图10来简单说明汽轮发电机各种保护能够可靠动作的内部匝间短路故障和相间短路故障的数量大小对比和包含关系，从中也可看出故障分量负序阻抗方向保护的优越性能。