專利名稱：一種大型發電機單元件零序橫差電流綜合繼電保護方法
技術領域：
本發明涉及電力系統繼電保護技術領域，具體是一種采用定子多分支繞組并聯結構的大型、特大型水輪發電機的單元件零序橫差電流綜合繼電保護方法。
背景技術：
隨著我國電力系統的快速發展,大型、特大型水輪發電機組將逐漸成為我國水力發電的主要力量，其安全運行與否將直接影響電網的穩定性。由于大型、特大型水輪發電機組內部結構的復雜性，機組要求配置性能可靠、靈敏度高的主保護。在各種發電機主保護中，反應發電機兩個中性點連線上橫差電流的單元件零序橫差電流保護(以下簡稱為單元件橫差保護)，不僅是最靈敏的匝間保護，可以與其他主保護配合獲得最大的保護范圍，而且還是目前使用的唯一能靈敏反應定子繞組分支斷線故障的保護，因此已得到了普遍重視和廣泛應用。發電機單元件橫差保護的原理為當發電機處于正常運行時，由于發電機主氣隙磁通基本上為均勻分布，此時流過發電機兩個中性點連線上的橫差電流為不平衡電流，其數值較小。當發電機內部發生匝間短路、相間短路以及分支斷線等故障時，由于發電機主氣隙磁通分布不再均勻，橫差電流的數值會增大。因此可通過判別橫差電流的數值，來判斷發電機內部是否發生不對稱故障。 現有發電機單元件橫差保護存在的不足主要有以下方面(I)保護算法存在問題目前發電機單元件橫差保護采用數據窗為工頻周期的全周傅氏算法(以下簡稱為常規算法)計算基波電流。對于具有定子多分支繞組結構的大型水輪發電機，由于制造和安裝工藝的問題，發電機主氣隙不可能完全均勻，從而導致在主氣隙中產生一個附加的低頻磁通分量。在該低頻磁通分量的作用下，會在橫差電流中產生頻率為frfV和4+4的諧波分量(f\為工頻，4為低頻分量頻率)，由于該諧波為分數次諧波，采用常規算法無法將其有效濾除。由此計算的橫差電流基波分量數值與實際數值有較大偏差且存在著較大波動，并會造成整定值過大而降低保護靈敏度。(2)保護判據存在的問題保護主判據目前主要有兩種，簡單的橫差過流判據(以下簡稱為主判據1)，見式
(I)，以及帶制動特性的橫差過流判據(以下簡稱為主判據2)，見式(2)和式(3)。主判據I的表達式為Igtll > Igasetl (I)式⑴中=Igtll為橫差基波電流，Igasrtl為保護定值。主判據I僅通過判別橫差基波電流的數值來鑒別發電機是否發生內部故障。雖然發電機發生內部故障時橫差基波電流會增大，但是當發電機發生外部短路故障或者出現振蕩時，橫差基波電流也可能增大。如果為躲過外部故障或異常工況而將整定值數值設置過大，則會降低保護的靈敏度；反之，保護可能會在部分非內部故障情況下出現誤動。因此在采用該判據時，對定值整定的要求較高。
主判據2的表達式為
_2]當 Igt.眶 < Ig.res 時=Ig01 > W2 ⑵Ξ=| Igt. max ^ Ig. res 時:IgOl〉IgO. set2+k0 (Igt. max_Igt. res) (3)式⑵和⑶中，Igt max為機端最大相電流；Ig.,es為拐點電流，k0為制動系數，Ig01為橫差基波電流，Igasrt2為保護定值。主判據2動作特性見圖1，保護判據由平臺段和斜線段判據組成，前者與主判據I相同，后者在發生外部短路導致故障相電流增大時，自動增大定值以防止保護誤動。橫差電流的大小與發電機主氣隙磁通的大小和分布有著直接的關系，而主氣隙磁通的大小與發電機定子繞組電流、勵磁繞組電流的數值，以及兩者所產生磁動勢的夾角有關；主氣隙磁通的分布與電機的內部結構和內部結構的變化程度有關。故而橫差電流的數值、變化趨勢和變 化程度是多種因素綜合作用的結果，難以在橫差電流與定子相電流之間建立起直接聯系。因此，主判據2采用發電機機端相電流作為制動電流的理論依據是不充分的。另外，主判據2則需要設置3個定值動作電流、拐點電流和制動系數。尤其是制動系數，目前沒有理論和試驗規律可作為整定依據。(3)保護整定方法存在的問題目前通常基于發電機端相電流來計算單元件橫差保護的電流定值。該整定方法中隱含了一種觀點，認為橫差不平衡電流與機端相電流呈正比關系。但是，橫差電流的數值、變化趨勢和變化程度是多種因素綜合作用的結果，難以在橫差電流與定子繞組相電流之間建立起直接的聯系。另外，采用該方法計算的定值數值會偏大，從而降低保護對于內部故障的靈敏度。

發明內容
本發明提供一種大型發電機單元件零序橫差電流綜合繼電保護方法，以解決現有大型、特大型水輪發電機單元件橫差保護存在的可靠性較差、靈敏性不高的問題。一種大型發電機單元件零序橫差電流綜合繼電保護方法，包括設置兩段保護，分別為快速段保護和綜合段保護；所述快速段保護包括橫差快速段保護主判據、轉子一點接地閉鎖判據、橫差快速段保護軟壓板、匝間保護硬壓板，當橫差快速段保護主判據成立，轉子一點接地閉鎖判據也成立，且橫差快速段保護軟壓板和匝間保護硬壓板均投入時，快速段保護將延時A動作；當橫差快速段保護主判據成立，而轉子一點接地閉鎖判據不成立，且橫差快速段保護軟壓板和匝間保護硬壓板均投入時，橫差快速段保護瞬時動作；所述綜合段保護包括橫差綜合段保護主判據、轉子一點接地閉鎖判據、三次諧波比判據、負序功率方向判據、橫差綜合段保護軟壓板、匝間保護硬壓板，其中，負序功率方向判據和三次諧波比判據構成“或”邏輯，當這兩個判據中任意一個成立時，閉鎖綜合段保護；當負序功率方向判據和三次諧波比判據都不成立時，開放橫差綜合段保護主判據當橫差綜合段保護主判據成立，轉子一點接地閉鎖判據不成立，且橫差綜合段保護軟壓板和匝間保護硬壓板均投入時，橫差綜合段保護將延時t2動作；當橫差綜合段保護主判據成立，轉子一點接地閉鎖判據成立，且橫差綜合段保護軟壓板和匝間保護硬壓板均投入時，綜合段保護將延時A+t2動作；
其中所述橫差快速段保護主判據和所述橫差綜合段保護主判據均采用過流判據，具體為=Igtll > Ig0. setl^ IgOl為橫差基波電流，Ig0.Setl為保護電流定值，其中快速段保護的橫差基波電流采用數據窗為工頻周期的全周傅氏算法，綜合段保護的橫差基波電流采用數據窗為發電機轉子機械旋轉周期的全周傅氏算法，所述保護電流定值根據發電機正常運行時橫差基波電流的最大實測數值來整定。本發明保護配置為快速段和綜合段保護兩段保護，快速段保護采用數據窗為工頻周期的全周傅氏算法，可快速動作；綜合段保護采用數據窗為轉子機械旋轉周期的全周傅氏算法，使保護具備較好的靈敏度。兩段保護的保護主判據采用過流判據，并結合三次諧波比判據、負序功率方向判據、轉子一點接地閉鎖判據等輔助判據，使保護具備良好的可靠性。保護主判據中的保護電流定值根據發電機正常運行時橫差基波電流的最大實測數值來整定。本發明可使單元件橫差保護在具備良好的可靠性的同時，也具備較好的快速性和靈敏性。


圖I為現有技術帶制動特性的橫差過流判據動作特性圖，圖中橫坐標Ims為制動電流，縱坐標軸Igtll為橫差基波電流，Ig.res為拐點電流，k0為制動系數，Igasrt2為保護定值；圖2為三峽右岸電站18號發電機輸出不同功率時的橫差電流波形圖，圖2 (a)、圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)分別為輸出15^^30^^70%和100%額定負荷時的橫差電流波形圖；圖3為三峽右岸電站21號發電機輸出不同功率時的橫差電流波形圖，圖3(a)、3(b)、圖3(c)分別為輸出25150%和100%額定負荷時的橫差電流波形圖；圖4為三峽右岸電站26號發電機輸出不同功率時的橫差電流波形圖，圖4(a)為空載，圖4(b)為輸出100%額定負荷時的橫差電流波形圖；圖5為模型發電機輸出不同功率時的橫差電流波形圖，圖5 (a)為空載，圖5(b)、圖5(c)、圖5(d)分別為輸出40170%和100%額定負荷時的橫差電流波形圖；圖6為模型發電機外部短路試驗圖，圖6(a)為試驗接線示意圖，試驗系統為單機-無窮大系統，模型發電機為定子具有5分支繞組并聯結構的凸極發電機，發電機中性點經接地變接地，模型變壓器采用Yn/Λ-I接線方式，TAO和TAl分別為單元件橫差電流互感器和機端電流互感器。試驗項目包括主變高壓側單相接地金屬性短路(K1);主變高壓側兩相金屬性短路(K2);主變高壓側三相金屬性短路(K3);發電機端兩相金屬性短路(K4);發電機端三相金屬性短路(K5);圖6 (b)、圖6 (C)、圖6 (d)、圖6 (e)為模型發電機空載工況下,各項試驗的橫差不平衡基波電流數值統計圖；圖6(&)為主變高壓側單相接地短路試驗(Kl)，圖6(b)為主變高側不對稱相間短路試驗(K2)，圖6(c)為機端不對稱相間短路試驗(K4)，圖6(d)為主變高側及機端對稱相間短路試驗(K3、K5)；圖7為發電機外部短路勵磁繞組、定子繞組磁密波形示意圖，圖中BS1、Bfl, Bal分別為發電機主氣隙磁密、勵磁繞組磁密和定子繞組磁密的基波分量，BS3、Bf3和Ba3分別為三種磁密的三次諧波分量；圖8為本發明中的單元件橫差保護邏輯框圖，圖8 (a)為單元件橫差快速段保護邏輯框圖，圖8(b)為單元件橫差綜合段保護邏輯框圖9為模型發電機橫差電流圖，圖9(a)為模型發電機橫差電流瞬時值波形圖，圖9(b)為采用常規算法計算的橫差基波電流波形圖，圖9(c)為采用新算法計算的橫差基波電流波形圖。
具體實施例方式下面將結合本發明中的附圖，對本發明中的技術方案進行清楚、完整地描述。(I)保護配置請參考圖8，本發明大型發電機單元件零序橫差電流綜合繼電保護方法設置兩段保護，分別為快速段保護和綜合段保護，可以滿足單元件橫差保護的可靠性、靈敏性、快速性要求。(2)保護主判據及整定為了對單元件橫差保護判據的正確選擇奠定理論基礎，以下就發電機各種運行工況下，橫差基波電流、三次諧波電流以及相關電氣量的變化規律進行簡要解析。當發電機正常運行時，如果發電機的內部結構完全對稱，則發電機定子每相各分支繞組的電氣參數應該是相同的，各分支繞組應僅流過由中性點側指向機端方向的外送電流。但是由于電機制造和安裝工藝的限制，其結構或多或少的存在著不對稱，從而引起定子各分支繞組電氣參數出現輕微的不平衡，這使得分支繞組中除了流過由中性點側指向機端方向的外送電流外，在分支繞組之間還存在有環流，其中部分環流構成了橫差電流。發電機主氣隙的磁通分布和強度是影響橫差電流的最主要因素。發電機正常運行時發電機相關電動勢的關系如式(4)所示。U = E0-JIdXad-JIqXaq-JIXa-IRa (4)
= Es-JIXu-IRa式⑷中，Es為主氣隙磁通在定子繞組感應的等效電動勢，Etl為空載電動勢，、和Iq分別為直軸、交軸電流，Ra和X。分別為定子繞組的電阻和漏抗，Xad和Xaq分別為直軸和交軸的電樞反應電抗。由式(4)可知，Es會隨定子繞組相電流的增長而增長。但是由于定子繞組漏電抗數值X。較小，Es增長的數值不大。圖2-圖5給出了不同型號發電機在輸出負荷變化時的橫差電流波形(各機組的相關參數見附表)，當發電機輸出負荷增大時橫差電流數值有所增長，但是橫差電流并不與電機負荷呈線性正比關系。當發電機發生外部短路故障時，有可能出現以下情況1)勵磁系統根據機端電壓的變化情況來調節勵磁電流大小，使勵磁電流產生的主極磁通出現變化；2)故障相電流的增長以及故障點與電機之間阻抗的變化，對定子繞組電流電樞反應的強度和效果有所不同；3)故障電流所產生的不平衡電磁力矩對電機內部結構的影響。在以上所有或部分因素作用下，主氣隙磁通的分布和強度的變化導致橫差電流發生相應變化。因此，當外部短路導致發電機故障相電流大幅度增加時，橫差基波電流并不會出現呈比率的增加，請參考圖6。圖6中，橫坐標為發電機故障相電流的標么值、縱坐標為橫差不平衡基波電流的標么值，每一個圓圈為一項試驗的結果；直線I為電機空載時的最大橫差基波電流；直線II為電機滿載時的最大橫差基波電流。圖7中，當發電機處于空載時，發電機主氣隙磁密為勵磁繞組電流產生的磁密Bf，形狀近似為平頂波。當發生外部短路時，定子繞組電流產生具有去磁作用的電樞反應磁密B3O由于發電機凸極磁極的存在，Ba中含有三次諧波分量Ba3 ;并且，由于磁密數值與主氣隙長度呈反比，Ba3形狀呈凸起狀。將Ba和Bf進行諧波分解，提取出基波分量出 和民3)和三次諧波分量(BajPBa3)。由于電樞反應呈去磁作用，Bal相位與Bfl相反，而Ba3相位與Bf3基本相同；即在電樞反應的作用下，主氣隙中磁密的基波分量被削弱，而三次諧波分量卻有所增強，電樞反應對三次諧波分量起到了助增作用，因此橫差三次諧波電流在發電機發生外部短路時會出現增長。當發電機定子內部發生同相短路故障時，如果短路匝數不大，雖然相電流和勵磁電流的數值未發生較大改變，主氣隙磁場強度變化不大；然而，主氣隙磁場的分布發生了變化，使得橫差電流增長。橫差電流數值主要受故障點之間的匝數差和故障點位置因素影響。故障后橫差基波和三次諧波電流的幅值均有增長，但是基波電流增長的幅度更大，導致橫差電流三次諧波比下降。當發電機發生異相短路故障時，橫差電流基波和三次諧波分量的變化規律與同相短路故障時類似。表I為模型發電機內部短路故障的試驗結果。表I各種內部短路故障的橫差電流基波、三次諧波以及三次諧波比統計
權利要求
1.一種大型發電機單元件零序橫差電流綜合繼電保護方法，其特征在于包括 設置兩段保護，分別為快速段保護和綜合段保護； 所述快速段保護包括橫差快速段保護主判據、轉子一點接地閉鎖判據、橫差快速段保護軟壓板、匝間保護硬壓板，當橫差快速段保護主判據成立，轉子一點接地閉鎖判據也成立，且橫差快速段保護軟壓板和匝間保護硬壓板均投入時，快速段保護將延時動作；當橫差快速段保護主判據成立，而轉子一點接地閉鎖判據不成立，且橫差快速段保護軟壓板和匝間保護硬壓板均投入時，橫差快速段保護瞬時動作； 所述綜合段保護包括橫差綜合段保護主判據、轉子一點接地閉鎖判據、三次諧波比判據、負序功率方向判據、橫差綜合段保護軟壓板、匝間保護硬壓板，其中，負序功率方向判據和三次諧波比判據構成“或”邏輯，當這兩個判據中任意一個成立時，閉鎖綜合段保護；當負序功率方向判據和三次諧波比判據都不成立時，開放橫差綜合段保護主判據當橫差綜合段保護主判據成立，轉子一點接地閉鎖判據不成立，且橫差綜合段保護軟壓板和匝間保護硬壓板均投入時，橫差綜合段保護將延時t2動作；當橫差綜合段保護主判據成立，轉子一點接地閉鎖判據成立，且橫差綜合段保護軟壓板和匝間保護硬壓板均投入時，綜合段保護將延時t!+t2動作； 其中所述橫差快速段保護主判據和所述橫差綜合段保護主判據均采用過流判據，具體為IgCU > IgO. setl^ IgOl為橫差基波電流，Ig0.Setl為保護電流定值，其中快速段保護的橫差基波電流采用數據窗為工頻周期的全周傅氏算法，綜合段保護的橫差基波電流采用數據窗為發電機轉子機械旋轉周期的全周傅氏算法，所述保護電流定值根據發電機正常運行時橫差基波電流的最大實測數值來整定。
2.如權利要求I所述的保護方法，其特征在于所述綜合段保護還包括機端TA斷線判據、機端TV斷線判據，機端TA斷線判據、機端TV斷線判據閉鎖負序功率方向判據，即當機端電流互感器或電壓互感器TV發生斷線時，負序功率方向判據自動退出運行。
3.如權利要求I所述的保護方法，其特征在于三次諧波比判據和轉子一點接地閉鎖判據設置相應控制字。
4.如權利要求I所述的保護方法，其特征在于tpt2設置為保護內部定值，h要躲開瞬時性轉子兩點接地故障，t2取為轉子機械旋轉周期和振蕩周期的最大值。
5.如權利要求4所述的保護方法，其特征在于^設置為O.5s-ls。
6.如權利要求I所述的保護方法，其特征在于所述三次諧波比判據為Jf^Kset，Igtl3為橫差三次諧波電流，Kset為3次諧波比定值。
7.如權利要求I所述的保護方法，其特征在于述負序功率方向判據采用機端負序電流和負序電壓計算負序功率，判據如下
8.如權利要求I所述的保護方法，其特征在于所述橫差快速段保護主判據中的保護電流定值取在發電機處于滿負荷運行工況下，采用數據窗為工頻周期的全周傅氏算法計算的最大橫差基波電流的2倍；所述橫差綜合段保護主判據中的保護電流定值為在相同工況下，采用數據窗為電機轉子機械旋轉周期的全周傅氏算法計算的最大橫差基波電流的I. 5倍。
全文摘要
一種大型發電機單元件零序橫差電流綜合繼電保護方法，屬于電力系統繼電保護技術領域，包括保護的配置、算法、判據、整定原則以及保護實現邏輯，保護配置為快速段和綜合段保護兩段保護，快速段保護采用數據窗為工頻周期的全周傅氏算法，可快速動作；綜合段保護采用數據窗為轉子機械旋轉周期的全周傅氏算法，使保護具備較好的靈敏度。兩段保護的保護主判據采用過流判據，并結合三次諧波比判據、負序功率方向判據、轉子一點接地閉鎖判據等輔助判據，使保護具備良好的可靠性。保護主判據中的保護電流定值根據發電機正常運行時橫差基波電流的最大實測數值來整定。本發明可使單元件橫差保護在具備良好的可靠性的同時，也具備較好的快速性和靈敏性。
文檔編號H02H7/06GK102882185SQ201110198159
公開日2013年1月16日 申請日期2011年7月14日 優先權日2011年7月14日
發明者張侃君, 周友斌, 夏勇軍, 胡剛, 史端端 申請人:湖北省電力公司電力科學研究院, 國家電網公司