專利名稱：選擇性發電機定子單相接地保護方法
技術領域：
本發明涉及的是一種發電機定子單相接地保護方法，特別是一種選擇性發電機定子單相接地保護方法，屬于繼電保護領域。
背景技術：
發電機定子單相接地往往是相間或匝間短路的先兆，因此定子接地保護有十分重要的意義。經文獻檢索發現，黃少鋒等人在《電網技術》2000年12期，上發表的“基于三次諧波相角突變原理的發電機定子接地保護”，該文提出在保護原理的應用上，由發電機三次諧波和基波零序電壓構成的100％定子接地保護方案在國內外已獲得廣泛應用，基波零序電壓保護可以實現定子繞組85％～95％的保護。它與三次諧波電壓型接地保護一起使用，可以共同實現100％定子繞組的接地保護。早期的三次諧波零序電壓的保護方案多采用單側量構成保護判據，由于三次諧波電勢受工況影響較大且發電機都各自有自身規律，僅利用單側電量構成的保護判據靈敏度較低且保護范圍小。人們轉而研究利用雙側電量構成保護判據，即以中性點和機端兩側的三次諧波電壓量的組合作為動作量構成保護判據，以期減小發電機運行工況變化對保護的影響，從而提高保護靈敏度。但這種判據在機組容量進一步增大時，隨機組對地分布電容增大而引起保護動作靈敏度不足，對于水輪發電機組尤為突出，隨著對地電容的增大，靈敏度還將相應降低；同時，對擴大單元接線的發電機，這些方案都不具備選擇性，不能區分接地故障位于機內或機外。外加電量式定子接地保護具有靈敏度高，能正確反映繞組絕緣下降的優點。但由于價格昂貴，該方案的實際應用不如零序電壓方案普遍，并且同樣存在無選擇性的缺點。因此，研究基于零序電壓具有高靈敏度的選擇性定子單相接地保護方案仍具有重要意義。基于正交小波的三次諧波式發電機定子接地保護方案在靈敏度上取得了重要進步，但該方案仍然不具備選擇性能。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術中的不足，提供一種選擇性發電機定子單相接地保護方法，使其具有選擇性能，能正確識別發電機內外部故障，并能對發電機定子單相接地故障取得高靈敏度。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明方法如下(1)利用三次B樣條小波作為分析工具；(2)采集發電機機端和中性點側的零序電壓、機端零序電流分量作為參考電量，電壓互感器和電流互感器接線形式采用標準接線；(3)對機端零序電流相位作校正；(4)采用零序電壓經小波分析后的模極大值作為啟動元件；(5)根據發電機機端和中性點側的零序電壓、機端零序電流經小波分析后的模極大值特性是否一致判別發電機定子是否發生內部單相接地故障。
以下對本發明方法作進一步的限定(1)定子接地保護用電量的采集本發明所需的電量包括機端和中性點側零序電壓以及機端零序電流，兩套零序電壓互感器分別接在發電機中性點和發電機機端兩側以測量保護用零序電壓，為了實現保護方案的選擇性能，零序電流互感器接在發電機機端側。由于零序電流比較小，因此對測試儀器的精度要求比較高，至少采用16位的采集板。
(2)機端零序電流相位的校正當發電機外部發生定子接地故障時，零序故障電壓將產生零序電流，并經電流互感器流向機端。忽略電阻的影響，發電機零序機端等效電路的阻抗主要由發電機機端元件和自身參數決定，主要呈電抗特性。因此零序電流將滯后零序電壓一定的角度。根據這一特點，可以對零序電流作角度校正，校正角度主要由發電機機端參數決定。通常，采用90°校正就基本能達到滿足本方法實現的要求。
(3)啟動元件的選取零序電流采用零序電壓的小波變換啟動，這樣零序電流的大小對啟動基本上沒有影響。
(4)發電機內部定子單相接地故障的判別發電機內部發生定子單相接地故障時，機端和中性點兩側的三次諧波電壓將發生變化，但主要表現為它們電壓增量的相等，包括幅值與相位的相等。即使是經高電阻接地，其幅值和相角也將有輕微變化。擴大單元接線或單元接線的某臺發電機發生接地故障或外部發生接地短路時，非故障發電機機端和中性點側的零序電壓增量同樣會表現出這一特征。因此，單獨利用零序電壓增量的定子接地保護方案將不具備選擇性。為了取得定子接地保護方案的選擇性，引入零序電流小波變換極性判別的方式。當發電機發生定子接地故障時，故障分量電壓將會產生零序電流，且零序電流流入發電機內部。當發生外部接地短路故障，零序電流方向表現為流出發電機。
由于小波變換每一尺度的局部模極大值濃縮了該尺度的主要信息，故由發電機兩側相等的故障分量引起的突變信息將主要通過模極大值來體現。因此機端和中性點兩側零序電壓及零序電流經三次B樣條小波變換后，在小波變換1、2尺度的波形上，其相同時段的小波變換模極大值的符號(極性)、位置和個數相同，及故障電壓的小波變換模極大值是等同出現的。這是由于這些極大值對應于故障電量的突變點。采用小波函數對零序電流波形進行分析時，其模極大值也表現出這一相同特性。當然由于電流與電壓存在一定的電勢角度差，必然對波形分析引起一定的影響，需要作校正才能取得電壓和電流模極大值的相同特性。另一方面，在發電機外部故障時，機端和中性點側零序電壓各尺度的小波變換模極大值也表現出相同的特征，但經校正后的零序電流模極大值只在位置和個數上相同，極性卻呈現相反的特性。
因此，本發明利用機端、中性點測量電壓及零序測量電流經小波變換后的模極大值特性有效識別出發電機定子內部是否發生單相接地故障，即同一尺度上同一位置兩側零序電壓、零序電流的模極大值同號則判為接地故障，判據采用與機端、中性點兩側零序電壓(基波零序電壓和三次諧波電壓的合成)和零序電流小波變換模極大值極性相與的方式。
發電機內部定子單相接地故障的判別方法如下①選取第2尺度的小波變換值作為提取特征，由于小波變換固有的濾波特性，能保證較高的抗干擾性能，并能較好地去除正常數據的影響，以確保識別的可靠性。
②以Ws.k(s＝1，2...，k＝1，2...)表示第s尺度的各局部模極大值，k表示模極大值點。例如W1.1～W1.3分別表示第1尺度上的模極大值點1～3。則各尺度上局部模極大值同號的識別方法可采用以下規則如果Wn.k-1＜Wn.k∩Wn.k+1＜Wn.k∩Wn.k＞0，則Wn.k是正極大值，如果Wn.k-1＞Wn.k∩Wn.k+1＞Wn.k∩Wn.k＜0，則Wn.k是負極大值，如果Wn.k.ut＞0∩Wn.k.un＞0∩Wn.k.i＞0，則正同號，Wn.k.ut＜0∩Wn.k.un＜0∩Wn.k.i＜0，則負同號其中，Wn.k.ut為機端測量電壓小波變換的局部極大值，Wn.k.un為中性點測量電壓小波變換的局部極大值，Wn.k.i為零序電流小波變換的局部極大值。當連續超過n(n≥3)次同號時，即認為發生接地故障。
本發明不受系統運行方式的影響，系統運行方式變化時，機端和中性點側三次諧波電壓經小波變換后主要表現為連續而平緩的波形。另一方面，絕緣正常時，即使由于系統劇烈振蕩或其它原因(如強勵等)引起機端和中性點側三次諧波電壓產生突變，在同一尺度上兩電壓的小波變換模極大值將呈異號。兩側電壓雖然在相同時段的局部模極大值位置和個數相同，但其符號相反，因此本發明將不會誤動。
本發明綜合利用基波零序和三次諧波電壓合成量的突變寄異性，具有很高的靈敏度，在三峽一臺700MW發電機中性點經12kΩ電阻的計算中表明，故障前后的零序電壓、電流幾乎沒有變化，以往的保護方案無法檢測到該接地故障，本發明能可靠檢測出這種輕微接地故障。
本發明具有實質性特點和顯著進步，傳統的發電機定子接地保護方法由于原理上的缺陷及受裝置水平的影響，靈敏度較低，很難滿足大型發電機組對接地保護的靈敏度要求。本發明提出的方法利用三次B樣條小波直接對機端、中性點兩側的測量電壓以及零序電流進行分析，能可靠識別出100％范圍內的發電機定子接地故障，并具有選擇性，計算結果和動模實驗還表明，本發明在各種運行方式下均能取得很高的保護靈敏度和可靠性，是一種較佳的具有選擇性的定子接地保護方法。
具體實施例方式
結合本發明方法的內容提供以下實施例
本發明方法在一臺15kVA的凸極模擬發電機作了實驗驗證，由于條件限制，不具備擴大單元接線的形式，發電機只能做外部短路故障實驗。該機每相有兩個并聯分支，每支路串聯10個線圈，機端附近5個線圈為每線圈4匝，中性點附近5個線圈為2匝。在A1支路上設有3個故障點a1(α＝40％)，a3(α＝70％)，a5(α＝90％)，在A2支路上有設有3個故障點a2，a4，a6，電氣位置呈對稱分布。短路前，電機為額定運行，勵磁電流1.55A，輸出功率12kW，功率因數0.8，額定相電壓幅值115V，經升壓變后為800V，接于220kV模擬線路，模擬三峽700MW大型水輪發電機。整個實驗過程進行了各種條件的大量計算和分析，實驗采用中國電力科學研究院研制的DF1024便攜式波形記錄儀錄取故障波形和數據，根據故障數據對各方案進行離線計算和驗證。表1是各短路點的實驗結果，這個結果表明，本發明在各種短路情況下的保護靈敏度不低于10kΩ，在發電機突然加強勵磁、系統突然嚴重振蕩情況下能夠可靠不誤動，在發電機外部短路時也能夠可靠不誤動。因此，本發明在各種運行方式下均能取得很高的保護靈敏度和可靠性，在系統運行方式劇烈變化和外部故障情況下能可靠不誤動，具有較強的選擇性，適用于各種類型發電機定子繞組內部接地故障的判別。
表1保護方案的動模實驗結果 √表示保護動作，×表示保護不動作
權利要求
1.一種選擇性發電機定子單相接地保護方法，其特征在于方法如下(1)利用三次B樣條小波作為分析工具；(2)采集發電機機端和中性點側的零序電壓、機端零序電流分量作為參考電量，電壓互感器和電流互感器接線形式采用標準接線；(3)對機端零序電流相位作校正；(4)采用零序電壓經小波分析后的模極大值作為啟動元件；(5)根據發電機機端和中性點側的零序電壓、機端零序電流經小波分析后的模極大值特性是否一致判別發電機定子是否發生內部單相接地故障。
2.根據權利要求1所述的這種選擇性發電機定子單相接地保護方法，其特征是以下對方法所作的進一步限定(1)定子接地保護用電量的采集；(2)機端零序電流相位的校正；(3)啟動元件的選取；(4)發電機內部定子單相接地故障的判別。
3.根據權利要求2所述的這種選擇性發電機定子單相接地保護方法，其特征是所述的(1)定子接地保護用電量的采集具體如下所需的電量包括機端和中性點側零序電壓以及機端零序電流，兩套零序電壓互感器分別接在發電機中性點和發電機機端兩側以測量保護用零序電壓，為了實現保護方案的選擇性能，零序電流互感器接在發電機機端側，由于零序電流比較小，因此對測試儀器的精度要求比較高，至少采用16位的采集板。
4.根據權利要求2所述的這種選擇性發電機定子單相接地保護方法，其特征是所述的(2)機端零序電流相位的校正具體如下當發電機外部發生定子接地故障時，零序故障電壓將產生零序電流，并經電流互感器流向機端，忽略電阻的影響，發電機零序機端等效電路的阻抗主要由發電機機端元件和自身參數決定，主要呈電抗特性，因此零序電流將滯后零序電壓一定的角度，根據這一特點，對零序電流作角度校正，校正角度主要由發電機機端參數決定，通常采用90°校正即可。
5.根據權利要求2所述的這種選擇性發電機定子單相接地保護方法，其特征是所述的(3)啟動元件的選取具體如下零序電流采用零序電壓的小波變換啟動。
6.根據權利要求2所述的這種選擇性發電機定子單相接地保護方法，其特征是所述的(4)發電機內部定子單相接地故障的判別具體如下為了取得定子接地保護方案的選擇性，引入零序電流小波變換極性判別的方式，當發電機發生定子接地故障時，故障分量電壓將會產生零序電流，且零序電流流入發電機內部，當發生外部接地短路故障，零序電流方向表現為流出發電機。
7.根據權利要求2或6所述的這種選擇性發電機定子單相接地保護方法，其特征是，發電機內部發生定子單相接地故障時，機端和中性點兩側的三次諧波電壓發生變化，利用機端、中性點測量電壓及零序測量電流經小波變換后的模極大值特性有效識別出發電機內部定子單相接地故障，即同一尺度上同一位置兩側零序電壓、零序電流的模極大值同號則判為接地故障，判據采用與機端、中性點兩側零序電壓和零序電流小波變換模極大值極性相與的方式。
8.根據權利要求2或6所述的這種選擇性發電機定子單相接地保護方法，其特征是是發電機內部定子單相接地故障的判別方法如下①選取第2尺度的小波變換值作為提取特征；②以Ws.k，表示第s尺度的各局部模極大值，k表示模極大值點，s＝1，2…，k＝1，2…，則各尺度上局部模極大值同號的識別方法采用以下規則如果Wn.k-1＜Wn.k∩Wn.k+1＜Wn.k∩Wn.k＞0，則Wn.k是正極大值，如果Wn.k-1＞Wn.k∩Wn.k+1＞Wn.k∩Wn.k＜0，則Wn.k是負極大值，如果Wn.k.ut＞0∩Wn.k.un＞0∩Wn.k.i＞0，則正同號，Wn.k.ut＜0∩Wn.k.un＜0∩Wn.k.i＜0，則負同號其中，Wn.k.ut為機端測量電壓小波變換的局部極大值，Wn.k.un為中性點測量電壓小波變換的局部極大值，Wn.k.i為零序電流小波變換的局部極大值，當連續超過n次同號時，n≥3，即認為發生接地故障。
全文摘要
一種選擇性發電機定子單相接地保護方法屬于繼電保護領域。方法如下利用三次B樣條小波作為分析工具；采集發電機機端和中性點側的零序電壓、機端零序電流分量作為參考電量，電壓互感器和電流互感器接線形式采用標準接線；對機端零序電流相位作校正；采用零序電壓經小波分析后的模極大值作為啟動元件；根據發電機機端和中性點側的零序電壓、機端零序電流經小波分析后的模極大值特性是否一致判別發電機定子是否發生內部單相接地故障。本發明利用三次B樣條小波直接對機端、中性點兩側的測量電壓以及零序電流進行分析，能可靠識別出100％范圍內的發電機定子接地故障，并具有選擇性，本發明在各種運行方式下均能取得很高的保護靈敏度和可靠性。
文檔編號H02H7/06GK1414676SQ0215106
公開日2003年4月30日 申請日期2002年12月5日 優先權日2002年12月5日
發明者邰能靈 申請人:上海交通大學