一種雙頻注入式發電機定子接地保護方法

2023-09-27 08:44:15 1

專利名稱：一種雙頻注入式發電機定子接地保護方法
技術領域：
本發明屬於電力系統主設備繼電保護技術領域，尤其涉及一種雙 頻注入式發電機定子接地保護方法。
背景技術：
據統計，在每年全國100MW以上發電機發生的本體故障中，定 子接地故障佔相當大的比重。發電機定子接地故障往往是更為嚴重的 相間短路或匝間短路故障發生的先兆，定子接地保護的可靠與靈敏動 作可以大幅減少這些嚴重故障的發生機率。如果接地故障電流被限制 在安全接地電流範圍內，發電機定子鐵心可免受損傷，由故障導致的 直接和間接經濟損失也將大大減少。對於100MW及以上的發電機組， 不僅要求裝設100%保護區的定子接地保護，還要求在定子繞組任意 一點經接地故障電阻接地時，保護能靈敏動作，以防止接地故障的進 一步擴大。因此，定子接地保護是發電機繼電保護系統中的重要組成 部分。
過去，發電機主要配置基波零序電壓型和三次諧波電壓型定子接 地保護，但由於前者存在保護死區和後者存在可靠性差的不足。相比 之下，注入式定子接地保護所用信號是外加的，具有可靠性高、靈敏 度高且與故障位置無關等特點，在新建和將建的大型發電機保護中得 到普遍採用，其中注入20Hz電源式定子接地保護因判據簡單和調試方便，應用更廣泛。
目前新建和將建的大型發電機採用配電變壓器二次側接電阻的 中性點接地方式，裝設外加電源型定子單相接地保護逐漸增多。但目 前注入20HZ電源式發電機定子接地保護，受發電機頻率變化的影響， 在發電機的啟停機過程(特別是針對抽水蓄能機組、燃氣輪機機組)
中不能實現全程保護，即在10 40Hz期間要閉鎖保護。另一種注入 12.5Hz信號的定子接地保護也僅能在發電機靜止和額定運行時實現 保護功能。己有外加電源型發電機定子接地保護專利，如發電機定子 接地保護方法(ZL00114451.0)、中性點經消弧線圈接地發電機定值 接地保護方法(ZL03143978.0)，這些方法受發電機運行頻率的影響， 也不能在發電機的啟停機全過程實現定子接地保護。

發明內容
本發明的目的在於為了提高保護靈敏度，消除運行死區，保障發 電機安全穩定運行，消除發電機本體所產生信號的影響，實現外加電 源定子接地保護對發電機的全工況運行保護，提供一種雙頻注入式發
電機定子接地保護方法，其特徵在於依次含有以下步驟
步驟(1)檢測發電機的運行頻率，按以下方式確定20Hz/100Hz 變頻電源的輸出注入信號頻率
當發電機的運行頻率大於10Hz且小於40Hz時，注入信號頻率 取層Hz，
當發電機的運行頻率不大於10Hz或不小於40Hz時，注入信號 頻率取20Hz;步驟(2)根據變頻電源輸出的注入信號頻率，為消除發電機運 行頻率信號的影響，通過切換開關選取相應的濾波器，使注入信號經 所述濾波器由發電機中性點配電變壓器二次側繞組注入發電機中性 點，所述濾波器的特性如下、
注入信號頻率為100Hz時，濾波器為100Hz帶通濾波器， 注入信號頻率為20Hz時，濾波器為20Hz帶通濾波器； 步驟(3)從並接在所述配電變壓器二次側繞組上的分壓器上採 集該配電變壓器二次側的電壓w，同時從串接在所述配電變壓器二次 側繞組上的電流互感器上採集該配電變壓器二次側的電流/，所述配 電變壓器二次側的電壓"和電流/的採樣數據在一個雙頻注入式定子 接地保護裝置中分別依次經過低通濾波器、多路開關以及模數轉換
後，輸入CPU中並保存；
步驟(4)計算周期為100ms，按照分壓器的分壓比計算出電壓w 中配電變壓器二次側注入頻率信號電壓分量^ ，按照電流互感器變比
計算出所述電流/中配電變壓器二次側注入頻率信號電流分量/ ;
步驟(5)按下式計算所述配電變壓器二次側的定子繞組對地導 納7:
步驟(6)按下式計算折算到一次側的定子繞組接地故障電阻Ag:
&=P^ ，其中A:為配電變壓器變比，Re(Y)表示Y
的實部；步驟(7)所述CPU將步驟(6)中得到的接地故障電阻i g值與 存儲的保護設定的接地故障電阻高整定值和低整定值來進行比較 當所述i g高於保護設定的接地電阻高整定值時，顯示無故障； 當所述i g低於保護設定的接地電阻高整定值，高於保護設定的 接地電阻低整定值時，發出告警信號；
當所述i g低於保護設定的接地電阻低整定值時，發出跳閘命令， 執行跳閘動作。
本發明的有益效果是解決了現有外加20Hz電源定子接地保護 方法為了避免誤動在發電機啟停機過程中需要閉鎖不能全程投入運 行的問題；計算接地故障電阻值i g不受發電機本體信號頻率的影響； 消除了保護運行死區，擴大了保護範圍。


圖1是本發明實施例的發電機部分接線示意圖。 圖2是本發明實施例的雙頻注入式定子接地保護裝置工作原理 框圖。
圖3是考慮配電變壓器參數的雙頻注入式定子接地保護的T型等 效電路。
圖4是本發明實施例中雙頻注入式定子接地保護的主要流程圖。 圖5是本發明實施例中發電機啟動運行在30Hz時，發電機定子 經1000Q電阻發生接地故障，雙頻注入式定子接地保護裝置採集的 配電變壓器二次側的電壓"和電流z'以及計算的接地故障電阻i g，其 中(a)為一)曲線，(b)為柳曲線，(c)為i g(O曲線。
具體實施例方式
下面結合附圖來說明一下本發明的原理和具體的實施方式。
本發明採用的裝置如圖1和圖2所示。圖1中G表示發電機，T
表示主變壓器，Tn表示發電機中性點配電變壓器，Rn是發電機中性
點經配電變壓器高阻接地時的二次側接地電阻，VD是二次側分壓器， CT是電流互感器。本實施例中20Hz/100Hz雙頻注入是在發電機中性 點配電變壓器In二次側，20Hz/100Hz變頻電源為雙頻注入電源，注 入電源的輸出注入信號經切換開關切換，由20Hz帶通濾波器或 100Hz帶通濾波器經配電變壓器Tn注入發電機G的中性點。20Hz帶 通濾波器在20Hz下的阻抗不大於6歐姆，在50Hz下的阻抗大於150 歐姆，100Hz帶通濾波器在100Hz下的阻抗不大於6歐姆，在50Hz 下的阻抗大於150歐姆。雙頻注入式定子接地保護裝置通過分壓器 VD和中間電流互感器CT採集配電變壓器Tn 二次側的電壓w和電 流/。
圖2是實施例中雙頻注入式定子接地保護裝置的工作原理框圖， 配電變壓器L二次側的電壓"和電流f分別經V/V交流電壓變換器 和I/V交流電流變換器轉換成小電壓信號，再經低通濾波器濾波。 CPLD (複雜可編程序控制器)控制多路開關切換各路輸入量以及16 位A/D轉換器進行模擬量和數字量的轉換，各數字量輸入CPU中完 成定子接地保護計算，根據計算結果由CPLD控制開關量輸出，由出 口繼電器中的相應繼電器執行發告警信號或跳閘，同時給出故障信 息。其中EEPROM用來存儲程序以及保護設定的接地故障電阻高整定值和低整定值，SRAM和FLASH用來存儲保護計算的中間變量和 故障信息等。
過去分析外加電源型單相接地保護的等效電路時，認為配電變壓 器的漏阻抗很小可以忽略不計，激磁阻抗很大認為開路，不考慮配電 變壓器參數的影響。由所述配電變壓器二次側的電壓"和電流/計算 配電變壓器二次側注入頻率信號電壓分量^和電流分量/ ，從而計算 出一次側接地故障電阻i g。
實際上，配電變壓器的激磁阻抗並非無窮大，漏阻抗也會產生壓 降。當考慮配電變壓器的參數影響時，以變壓器T型等效電路為基礎 計算出一次側接地故障電阻i g。圖3是考慮配電變壓器漏阻抗和激 磁阻抗等參數的T型等效電路，其中，《、i;與A、 A分別是一、二
次側繞組的漏電阻和漏電感，iC、丄二是激磁電阻和激磁電感。其中 i ( = / 2=i k/2， 1;=丄2=4/2， i k、 4是配電變壓器的漏電阻和漏電感。 配電變壓器的參數可由空載和短路實驗測得。"2Q/1(X)是雙頻注入電源， i ，。。是雙頻注入電源的內阻，《是發電機發生接地故障後由本體信 號產生的零序電壓，該電壓的頻率為發電機的運行頻率，《是折算到 配電變壓器二次側的發電機接地故障電阻，Rn是發電機中性點經配電 變壓器高阻接地時的二次側接地電阻，C'是發電機繞組對地電容。
由配電變壓器二次側注入頻率的電壓"/和電流zy可準確計算出一次側 注入頻率的電壓仏和電流4，由仏與4，可準確計算一次側接地故障 電阻7 g。
本發明實施例中的雙頻注入式定子接地保護的主要流程如圖4所示
步驟401:檢測發電機的運行頻率，確定變頻電源的輸出注入信 號頻率當發電機的運行頻率大於10Hz且小於40Hz時，變頻電源
的注入頻率取100Hz，當發電機的運行頻率不大於10Hz或不小於 40Hz時，變頻電源的注入頻率取20Hz。實施例中發電機運行頻率為 30Hz，取變頻電源的注入頻率為100Hz;
步驟402:根據變頻電源的注入頻率，改變切換開關位置，選取 相應的帶通濾波器，當變頻電源的注入頻率為100Hz時，切換開關接 通100Hz帶通濾波器，當變頻電源的注入頻率為20Hz時，切換開關 接通20Hz帶通濾波器。實施例中變頻電源的注入頻率為100Hz，切 換開關接通100Hz帶通濾波器；
步驟403:，為消除發電機運行頻率信號的影響，注入信號經相 應帶通濾波器由配電變壓器二次側繞組注入發電機中性點。
步驟404:用一個並接在所述配電變壓器二次側繞組上的分壓器 採集該配電變壓器二次側的電壓w，再用一個串接在所述配電變壓器 二次側繞組上的電流互感器採集該配電變壓器二次側的電流/，所述 採樣數據在雙頻注入式定子接地保護裝置中依次經過低通濾波器濾
波，多路開關切換及模數轉換後，輸入到CPU中並保存；
步驟405:按照計算周期為100ms，利用所述電壓w按照分壓器 的分壓比計算出配電變壓器二次側注入頻率信號電壓分量G ，利用所 述電流z'按照電流互感器變比計算出配電變壓器二次側注入頻率信號 電流分量/步驟406:計算配電變壓器二次側的定子繞組對地導納Y 當不考慮配電變壓器的參數影響時
y = i ;
或者，當考慮配電變壓器的參數影響時
y = + ，其中，《、人為按變壓器T型等
效電路計算的注入頻率信號電壓和電流分量。
步驟407:計算折算到一次側的定子繞組接地故障電阻Rg:
i g=^^ ，其中&為配電變壓器變比，Re(Y)表示Y
的實部；
考慮配電變壓器的參數影響較不考慮配電變壓器的參數影響時 接地故障電阻的計算值準確度高。由於定子接地保護的重要性，通常 選擇流程406中考慮配電變壓器的參數影響時的配電變壓器二次側 的定子繞組對地導納Y計算折算到一次側的定子繞組接地故障電阻 i g。
步驟408: CPU根據設定並存儲的保護設定的接地故障電阻高 定值和低整定值來與上述計算的接地故障電阻i g比較。
步驟409:當上述計算的接地故障電阻A g低於保護設定的接地 電阻低整定值時發出跳閘命令，出口繼電器執行跳閘動作。
步驟410:當上述計算的接地故障電阻i g高於保護設定的接地
電阻低整定值,低於保護設定的接地電阻高整定值時發出告警命令， 出口繼電器執行發告警信號動作。步驟411:當上述計算的接地故障電阻i g高於保護設定的接地 電阻高整定值時為無故障狀態，出口繼電器執行無故障正常運行指 示。
本實施例中當計算的接地故障電阻i g低於保護的高整定值5kQ， 高於保護的低整定值500Q時發告警信號，當接地故障電阻i g低於保 護的低整定值500Q時發跳閘命令，得到開關量輸出，由相關繼電器 執行跳閘動作。
在本發明的雙頻注入式定子接地保護實施例中，當發電機啟動運 行在30Hz，經1000Q電阻發生接地故障時。按本發明的雙頻注入式 發電機定子接地保護方法，用雙頻注入式定子接地保護裝置採集配電 變壓器二次側電壓"(f)和電流W)以及計算接地故障電阻值i g(f)。如
圖5所示，i g計算結果十分接近於ioooa準確度很高，發電機定子
接地保護正常運行，裝置對發電機實施發報警信號保護。
本發明採用雙頻注入，消除發電機本體信號的影響和保護運行死 區，實現在發電機的啟停機全過程定子接地保護，用於大型發電機組、 抽水蓄能機組或燃氣輪機組的定子接地保護。
權利要求
1. 一種雙頻注入式發電機定子接地保護方法，其特徵在於步驟一. 檢測發電機的運行頻率，按以下方式確定20Hz/100Hz變頻電源的輸出注入信號頻率當發電機的運行頻率大於10Hz且小於40Hz時，注入信號頻率取100Hz，當發電機的運行頻率不大於10Hz或不小於40Hz時，注入信號頻率取20Hz；步驟二. 根據變頻電源輸出的注入信號頻率，為消除發電機運行頻率信號的影響，通過切換開關選取相應的濾波器，使注入信號經所述濾波器由發電機中性點配電變壓器二次側繞組注入發電機中性點，所述濾波器的特性如下、注入信號頻率為100Hz時，濾波器為100Hz帶通濾波器，注入信號頻率為20Hz時，濾波器為20Hz帶通濾波器；步驟三. 從並接在所述配電變壓器二次側繞組上的分壓器上採集該配電變壓器二次側的電壓u，同時從串接在所述配電變壓器二次側繞組上的電流互感器上採集該配電變壓器二次側的電流i，所述配電變壓器二次側的電壓u和電流i的採樣數據在一個雙頻注入式定子接地保護裝置中分別依次經過低通濾波器、多路開關以及模數轉換後，輸入CPU中並保存；步驟四. 計算周期為100ms，按照分壓器的分壓比計算出電壓u中配電變壓器二次側注入頻率信號電壓分量，按照電流互感器變比計算出所述電流i中配電變壓器二次側注入頻率信號電流分量步驟五. 按下式計算所述配電變壓器二次側的定子繞組對地導納Y步驟六. 按下式計算折算到一次側的定子繞組接地故障電阻Rg其中k為配電變壓器變比，Re(Y)表示Y的實部；步驟七. 所述CPU將步驟六中得到的接地故障電阻Rg值與存儲的保護設定的接地故障電阻高整定值和低整定值來進行比較當所述Rg高於保護設定的接地電阻高整定值時，顯示無故障，當所述Rg低於保護設定的接地電阻高整定值，高於保護設定的接地電阻低整定值時，發出告警信號，當所述Rg低於保護設定的接地電阻低整定值時，發出跳閘命令，執行跳閘動作。
全文摘要
一種雙頻注入式發電機定子接地保護方法，屬於電力系統主設備繼電保護技術領域。首先檢測發電機運行頻率，當發電機運行頻率大於10Hz且小於40Hz時，注入電源頻率取100Hz，當發電機的運行頻率不大於10Hz或不小於40Hz時，注入電源頻率取20Hz。根據注入頻率，由切換開關選取相應的100Hz帶通濾波器或20Hz帶通濾波器，使注入信號經濾波器由配電變壓器二次側繞組注入發電機中性點。由二次側電壓和電流的注入頻率信號分量計算發電機接地故障電阻。本發明採用雙頻注入，消除發電機本體信號的影響和保護運行死區，實現在發電機的啟停機全過程定子接地保護，用於大型發電機組、抽水蓄能機組或燃氣輪機組的定子接地保護。
文檔編號H02H7/06GK101414744SQ200810172029
公開日2009年4月22日 申請日期2008年10月28日 優先權日2008年6月24日
發明者畢大強, 王祥珩, 王維儉 申請人:清華大學