一种大型发电机单元件零序横差电流综合继电保护方法.pdf

一种大型发电机单元件零序横差电流综合继电保护方法，属于电力系统继电保护技术领域，包括保护的配置、算法、判据、整定原则以及保护实现逻辑，保护配置为快速段和综合段保护两段保护，快速段保护采用数据窗为工频周期的全周傅氏算法，可快速动作；综合段保护采用数据窗为转子机械旋转周期的全周傅氏算法，使保护具备较好的灵敏度。两段保护的保护主判据采用过流判据，并结合三次谐波比判据、负序功率方向判据、转子一点接地闭锁判据等辅助判据，使保护具备良好的可靠性。保护主判据中的保护电流定值根据发电机正常运行时横差基波电流的最大实测数值来整定。本发明可使单元件横差保护在具备良好的可靠性的同时，也具备较好的快速性和灵敏性。

权利要求书一种大型发电机单元件零序横差电流综合继电保护方法，其特征在于：包括设置两段保护，分别为快速段保护和综合段保护；所述快速段保护包括横差快速段保护主判据、转子一点接地闭锁判据、横差快速段保护软压板、匝间保护硬压板，当横差快速段保护主判据成立，转子一点接地闭锁判据也成立，且横差快速段保护软压板和匝间保护硬压板均投入时，快速段保护将延时t1动作；当横差快速段保护主判据成立，而转子一点接地闭锁判据不成立，且横差快速段保护软压板和匝间保护硬压板均投入时，横差快速段保护瞬时动作；所述综合段保护包括横差综合段保护主判据、转子一点接地闭锁判据、三次谐波比判据、负序功率方向判据、横差综合段保护软压板、匝间保护硬压板，其中，负序功率方向判据和三次谐波比判据构成“或”逻辑，当这两个判据中任意一个成立时，闭锁综合段保护；当负序功率方向判据和三次谐波比判据都不成立时，开放横差综合段保护主判据：当横差综合段保护主判据成立，转子一点接地闭锁判据不成立，且横差综合段保护软压板和匝间保护硬压板均投入时，横差综合段保护将延时t2动作；当横差综合段保护主判据成立，转子一点接地闭锁判据成立，且横差综合段保护软压板和匝间保护硬压板均投入时，综合段保护将延时t1+t2动作；其中所述横差快速段保护主判据和所述横差综合段保护主判据均采用过流判据，具体为：Ig01＞Ig0.set1，Ig01为横差基波电流，Ig0.set1为保护电流定值，其中快速段保护的横差基波电流采用数据窗为工频周期的全周傅氏算法，综合段保护的横差基波电流采用数据窗为发电机转子机械旋转周期的全周傅氏算法，所述保护电流定值根据发电机正常运行时横差基波电流的最大实测数值来整定。如权利要求1所述的保护方法，其特征在于：所述综合段保护还包括机端TA断线判据、机端TV断线判据，机端TA断线判据、机端TV断线判据闭锁负序功率方向判据，即当机端电流互感器或电压互感器TV发生断线时，负序功率方向判据自动退出运行。如权利要求1所述的保护方法，其特征在于：三次谐波比判据和转子一点接地闭锁判据设置相应控制字。如权利要求1所述的保护方法，其特征在于：t1、t2设置为保护内部定值，t1要躲开瞬时性转子两点接地故障，t2取为转子机械旋转周期和振荡周期的最大值。如权利要求4所述的保护方法，其特征在于：t1设置为0.5s‑1s。如权利要求1所述的保护方法，其特征在于：所述三次谐波比判据为：Ig03为横差三次谐波电流，Kset为3次谐波比定值。如权利要求1所述的保护方法，其特征在于：述负序功率方向判据采用机端负序电流和负序电压计算负序功率，判据如下：|U·2|>ϵU2.]]>|I·2|>ϵI2]]>如权利要求1所述的保护方法，其特征在于：所述横差快速段保护主判据中的保护电流定值取在发电机处于满负荷运行工况下，采用数据窗为工频周期的全周傅氏算法计算的最大横差基波电流的2倍；所述横差综合段保护主判据中的保护电流定值为在相同工况下，采用数据窗为电机转子机械旋转周期的全周傅氏算法计算的最大横差基波电流的1.5倍。

说明书一种大型发电机单元件零序横差电流综合继电保护方法
技术领域
本发明涉及电力系统继电保护技术领域，具体是一种采用定子多分支绕组并联结构的大型、特大型水轮发电机的单元件零序横差电流综合继电保护方法。
背景技术
随着我国电力系统的快速发展，大型、特大型水轮发电机组将逐渐成为我国水力发电的主要力量，其安全运行与否将直接影响电网的稳定性。由于大型、特大型水轮发电机组内部结构的复杂性，机组要求配置性能可靠、灵敏度高的主保护。在各种发电机主保护中，反应发电机两个中性点连线上横差电流的单元件零序横差电流保护(以下简称为单元件横差保护)，不仅是最灵敏的匝间保护，可以与其他主保护配合获得最大的保护范围，而且还是目前使用的唯一能灵敏反应定子绕组分支断线故障的保护，因此已得到了普遍重视和广泛应用。
发电机单元件横差保护的原理为：当发电机处于正常运行时，由于发电机主气隙磁通基本上为均匀分布，此时流过发电机两个中性点连线上的横差电流为不平衡电流，其数值较小。当发电机内部发生匝间短路、相间短路以及分支断线等故障时，由于发电机主气隙磁通分布不再均匀，横差电流的数值会增大。因此可通过判别横差电流的数值，来判断发电机内部是否发生不对称故障。
现有发电机单元件横差保护存在的不足主要有以下方面：
(1)保护算法存在问题
目前发电机单元件横差保护采用数据窗为工频周期的全周傅氏算法(以下简称为常规算法)计算基波电流。对于具有定子多分支绕组结构的大型水轮发电机，由于制造和安装工艺的问题，发电机主气隙不可能完全均匀，从而导致在主气隙中产生一个附加的低频磁通分量。在该低频磁通分量的作用下，会在横差电流中产生频率为f1‑fL和f1+fL的谐波分量(f1为工频，fL为低频分量频率)，由于该谐波为分数次谐波，采用常规算法无法将其有效滤除。由此计算的横差电流基波分量数值与实际数值有较大偏差且存在着较大波动，并会造成整定值过大而降低保护灵敏度。
(2)保护判据存在的问题
保护主判据目前主要有两种，简单的横差过流判据(以下简称为主判据1)，见式(1)，以及带制动特性的横差过流判据(以下简称为主判据2)，见式(2)和式(3)。主判据1的表达式为：
Ig01＞Ig0.set1    (1)
式(1)中：Ig01为横差基波电流，Ig0.set1为保护定值。主判据1仅通过判别横差基波电流的数值来鉴别发电机是否发生内部故障。虽然发电机发生内部故障时横差基波电流会增大，但是当发电机发生外部短路故障或者出现振荡时，横差基波电流也可能增大。如果为躲过外部故障或异常工况而将整定值数值设置过大，则会降低保护的灵敏度；反之，保护可能会在部分非内部故障情况下出现误动。因此在采用该判据时，对定值整定的要求较高。
主判据2的表达式为：
当Igt.max＜Ig.res时：Ig01＞Ig0.set2(2)
当Igt.max≥Ig.res时：Ig01＞Ig0.set2+k0(Igt.max‑Igt.res)(3)
式(2)和(3)中，Igt.max为机端最大相电流；Ig.res为拐点电流，k0为制动系数，Ig01为横差基波电流，Ig0.set2为保护定值。
主判据2动作特性见图1，保护判据由平台段和斜线段判据组成，前者与主判据1相同，后者在发生外部短路导致故障相电流增大时，自动增大定值以防止保护误动。横差电流的大小与发电机主气隙磁通的大小和分布有着直接的关系，而主气隙磁通的大小与发电机定子绕组电流、励磁绕组电流的数值，以及两者所产生磁动势的夹角有关；主气隙磁通的分布与电机的内部结构和内部结构的变化程度有关。故而横差电流的数值、变化趋势和变化程度是多种因素综合作用的结果，难以在横差电流与定子相电流之间建立起直接联系。因此，主判据2采用发电机机端相电流作为制动电流的理论依据是不充分的。
另外，主判据2则需要设置3个定值：动作电流、拐点电流和制动系数。尤其是制动系数，目前没有理论和试验规律可作为整定依据。
(3)保护整定方法存在的问题
目前通常基于发电机端相电流来计算单元件横差保护的电流定值。该整定方法中隐含了一种观点，认为横差不平衡电流与机端相电流呈正比关系。但是，横差电流的数值、变化趋势和变化程度是多种因素综合作用的结果，难以在横差电流与定子绕组相电流之间建立起直接的联系。另外，采用该方法计算的定值数值会偏大，从而降低保护对于内部故障的灵敏度。
发明内容
本发明提供一种大型发电机单元件零序横差电流综合继电保护方法，以解决现有大型、特大型水轮发电机单元件横差保护存在的可靠性较差、灵敏性不高的问题。
一种大型发电机单元件零序横差电流综合继电保护方法，包括：
设置两段保护，分别为快速段保护和综合段保护；
所述快速段保护包括横差快速段保护主判据、转子一点接地闭锁判据、横差快速段保护软压板、匝间保护硬压板，当横差快速段保护主判据成立，转子一点接地闭锁判据也成立，且横差快速段保护软压板和匝间保护硬压板均投入时，快速段保护将延时t1动作；当横差快速段保护主判据成立，而转子一点接地闭锁判据不成立，且横差快速段保护软压板和匝间保护硬压板均投入时，横差快速段保护瞬时动作；
所述综合段保护包括横差综合段保护主判据、转子一点接地闭锁判据、三次谐波比判据、负序功率方向判据、横差综合段保护软压板、匝间保护硬压板，其中，负序功率方向判据和三次谐波比判据构成“或”逻辑，当这两个判据中任意一个成立时，闭锁综合段保护；当负序功率方向判据和三次谐波比判据都不成立时，开放横差综合段保护主判据：当横差综合段保护主判据成立，转子一点接地闭锁判据不成立，且横差综合段保护软压板和匝间保护硬压板均投入时，横差综合段保护将延时t2动作；当横差综合段保护主判据成立，转子一点接地闭锁判据成立，且横差综合段保护软压板和匝间保护硬压板均投入时，综合段保护将延时t1+t2动作；
其中所述横差快速段保护主判据和所述横差综合段保护主判据均采用过流判据，具体为：Ig01＞Ig0.set1，Ig01为横差基波电流，Ig0.set1为保护电流定值，其中快速段保护的横差基波电流采用数据窗为工频周期的全周傅氏算法，综合段保护的横差基波电流采用数据窗为发电机转子机械旋转周期的全周傅氏算法，所述保护电流定值根据发电机正常运行时横差基波电流的最大实测数值来整定。
本发明保护配置为快速段和综合段保护两段保护，快速段保护采用数据窗为工频周期的全周傅氏算法，可快速动作；综合段保护采用数据窗为转子机械旋转周期的全周傅氏算法，使保护具备较好的灵敏度。两段保护的保护主判据采用过流判据，并结合三次谐波比判据、负序功率方向判据、转子一点接地闭锁判据等辅助判据，使保护具备良好的可靠性。保护主判据中的保护电流定值根据发电机正常运行时横差基波电流的最大实测数值来整定。本发明可使单元件横差保护在具备良好的可靠性的同时，也具备较好的快速性和灵敏性。
附图说明
图1为现有技术带制动特性的横差过流判据动作特性图，图中横坐标Ires为制动电流，纵坐标轴Ig01为横差基波电流，Ig.res为拐点电流，k0为制动系数，Ig0.set2为保护定值；
图2为三峡右岸电站18号发电机输出不同功率时的横差电流波形图，图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)分别为输出15％、30％、70％和100％额定负荷时的横差电流波形图；
图3为三峡右岸电站21号发电机输出不同功率时的横差电流波形图，图3(a)、3(b)、图3(c)分别为输出25％、50％和100％额定负荷时的横差电流波形图；
图4为三峡右岸电站26号发电机输出不同功率时的横差电流波形图，图4(a)为空载，图4(b)为输出100％额定负荷时的横差电流波形图；
图5为模型发电机输出不同功率时的横差电流波形图，图5(a)为空载，图5(b)、图5(c)、图5(d)分别为输出40％、70％和100％额定负荷时的横差电流波形图；
图6为模型发电机外部短路试验图，图6(a)为试验接线示意图，试验系统为单机‑无穷大系统，模型发电机为定子具有5分支绕组并联结构的凸极发电机，发电机中性点经接地变接地，模型变压器采用Yn/Δ‑1接线方式，TA0和TA1分别为单元件横差电流互感器和机端电流互感器。试验项目包括：主变高压侧单相接地金属性短路(K1)；主变高压侧两相金属性短路(K2)；主变高压侧三相金属性短路(K3)；发电机端两相金属性短路(K4)；发电机端三相金属性短路(K5)；图6(b)、图6(c)、图6(d)、图6(e)为模型发电机空载工况下，各项试验的横差不平衡基波电流数值统计图；图6(a)为主变高压侧单相接地短路试验(K1)，图6(b)为主变高侧不对称相间短路试验(K2)，图6(c)为机端不对称相间短路试验(K4)，图6(d)为主变高侧及机端对称相间短路试验(K3、K5)；
图7为发电机外部短路励磁绕组、定子绕组磁密波形示意图，图中Bδ1、Bf1、Ba1分别为发电机主气隙磁密、励磁绕组磁密和定子绕组磁密的基波分量，Bδ3、Bf3和Ba3分别为三种磁密的三次谐波分量；
图8为本发明中的单元件横差保护逻辑框图，图8(a)为单元件横差快速段保护逻辑框图，图8(b)为单元件横差综合段保护逻辑框图；
图9为模型发电机横差电流图，图9(a)为模型发电机横差电流瞬时值波形图，图9(b)为采用常规算法计算的横差基波电流波形图，图9(c)为采用新算法计算的横差基波电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。
(1)保护配置
请参考图8，本发明大型发电机单元件零序横差电流综合继电保护方法设置两段保护，分别为快速段保护和综合段保护，可以满足单元件横差保护的可靠性、灵敏性、快速性要求。
(2)保护主判据及整定
为了对单元件横差保护判据的正确选择奠定理论基础，以下就发电机各种运行工况下，横差基波电流、三次谐波电流以及相关电气量的变化规律进行简要解析。
当发电机正常运行时，如果发电机的内部结构完全对称，则发电机定子每相各分支绕组的电气参数应该是相同的，各分支绕组应仅流过由中性点侧指向机端方向的外送电流。但是由于电机制造和安装工艺的限制，其结构或多或少的存在着不对称，从而引起定子各分支绕组电气参数出现轻微的不平衡，这使得分支绕组中除了流过由中性点侧指向机端方向的外送电流外，在分支绕组之间还存在有环流，其中部分环流构成了横差电流。发电机主气隙的磁通分布和强度是影响横差电流的最主要因素。
发电机正常运行时发电机相关电动势的关系如式(4)所示。
(4)

式(4)中，Eδ为主气隙磁通在定子绕组感应的等效电动势，E0为空载电动势，Id和Iq分别为直轴、交轴电流，Ra和Xσ分别为定子绕组的电阻和漏抗，Xad和Xaq分别为直轴和交轴的电枢反应电抗。由式(4)可知，Eδ会随定子绕组相电流的增长而增长。但是由于定子绕组漏电抗数值Xσ较小，Eδ增长的数值不大。图2‑图5给出了不同型号发电机在输出负荷变化时的横差电流波形(各机组的相关参数见附表)，当发电机输出负荷增大时横差电流数值有所增长，但是横差电流并不与电机负荷呈线性正比关系。
当发电机发生外部短路故障时，有可能出现以下情况：1)励磁系统根据机端电压的变化情况来调节励磁电流大小，使励磁电流产生的主极磁通出现变化；2)故障相电流的增长以及故障点与电机之间阻抗的变化，对定子绕组电流电枢反应的强度和效果有所不同；3)故障电流所产生的不平衡电磁力矩对电机内部结构的影响。在以上所有或部分因素作用下，主气隙磁通的分布和强度的变化导致横差电流发生相应变化。因此，当外部短路导致发电机故障相电流大幅度增加时，横差基波电流并不会出现呈比率的增加，请参考图6。图6中，横坐标为发电机故障相电流的标么值、纵坐标为横差不平衡基波电流的标么值，每一个圆圈为一项试验的结果；直线I为电机空载时的最大横差基波电流；直线II为电机满载时的最大横差基波电流。
图7中，当发电机处于空载时，发电机主气隙磁密为励磁绕组电流产生的磁密Bf，形状近似为平顶波。当发生外部短路时，定子绕组电流产生具有去磁作用的电枢反应磁密Ba。由于发电机凸极磁极的存在，Ba中含有三次谐波分量Ba3；并且，由于磁密数值与主气隙长度呈反比，Ba3形状呈凸起状。将Ba和Bf进行谐波分解，提取出基波分量(Bf1和Bf3)和三次谐波分量(Ba1和Ba3)。由于电枢反应呈去磁作用，Ba1相位与Bf1相反，而Ba3相位与Bf3基本相同；即在电枢反应的作用下，主气隙中磁密的基波分量被削弱，而三次谐波分量却有所增强，电枢反应对三次谐波分量起到了助增作用，因此横差三次谐波电流在发电机发生外部短路时会出现增长。
当发电机定子内部发生同相短路故障时，如果短路匝数不大，虽然相电流和励磁电流的数值未发生较大改变，主气隙磁场强度变化不大；然而，主气隙磁场的分布发生了变化，使得横差电流增长。横差电流数值主要受故障点之间的匝数差和故障点位置因素影响。故障后横差基波和三次谐波电流的幅值均有增长，但是基波电流增长的幅度更大，导致横差电流三次谐波比下降。当发电机发生异相短路故障时，横差电流基波和三次谐波分量的变化规律与同相短路故障时类似。表1为模型发电机内部短路故障的试验结果。
表1各种内部短路故障的横差电流基波、三次谐波以及三次谐波比统计

表1中，A1_8‑A1_9表示定子绕组A1分支第8匝与第9匝发生金属性短路，表中其余表示的含义均与此类似。所有试验发电机均处于空载工况，故障前基波电流为0.0307p.u.，三次谐波电流为0.0035p.u.，三次谐波比为0.11。
当发电机某一分支绕组发生断线时，发电机的励磁电流、相电流、相电压和输出功率均不会有明显变化，但是断线分支的电流将在该相健全分支绕组之间重新分配，导致横差电流发生变化。并且，电机负荷越大，横差电流的变化也越大。由于横差基波电流增大的幅度更为明显，电流三次谐波比会有所下降。表2为模型发电机分支断线故障的试验结果。
表2分支断线故障的横差电流基波以及三次谐波比统计

基于上述分析可得：横差电流是由于电机内部结构不对称产生的。电流的大小与发电机主气隙中的磁通大小和分布有着直接的关系。横差电流的数值、变化趋势和变化程度为多种因素综合作用的结果，难以在横差电流与某一个单一因素之间建立直接的联系。当发电机运行工况发生变化时，横差电流的数值和成分会发生变化。当电机正常运行时，横差电流以基波分量为主。当电机发生外部短路故障时，由于电枢反应磁场对主气隙磁场的三次谐波分量起到助增作用，横差三次谐波电流的谐波比会增加。当发电机发生内部短路故障时，横差基波、三次谐波电流数值均会增大，但是横差电流的三次谐波比有所下降。上述结论为选择主判据和三次谐波比判据实施奠定了理论和实践基础。
所述横差快速段保护主判据和所述横差综合段保护主判据均采用过流判据，具体为：
Ig01＞Ig0.set1(8)
Ig01为横差基波电流，Ig0.set1为保护电流定值，所述横差快速段保护的横差基波电流采用数据窗为工频周期的全周傅氏算法(简称常规算法)计算；所述横差综合段保护的横差基波电流采用数据窗为转子机械旋转周期的全周傅氏算法(简称新算法)计算。
对比图9(b)和图9(c)的计算结果，与常规算法相比，采用新算法计算的横差基波分量电流基本保持恒定，其数值有明显减少，从而有效改善保护的灵敏度。
所述保护电流定值根据发电机正常运行时横差基波电流的最大实测数值来整定。具体的，所述横差快速段保护主判据中的保护电流定值要躲过发生外部短路故障和振荡时发电机的最大横差不平衡电流，可取在发电机处于满负荷运行工况下，采用常规算法计算的最大横差基波电流的2倍；所述横差综合段保护主判据中的保护电流定值为在相同工况下，采用新算法计算的最大横差基波电流的1.5倍。快速段保护和综合段保护设置不同的整定值，其中快速段主判据的保护电流定值较大，无延时或经短延时动作，具备较好的快速性；综合段主判据的保护电流定值较小，经较长延时动作，可以使保护不仅具备了良好可靠性，而且还具有了较好的灵敏性。
当发电机正常运行时所测量得到的最大横差不平衡电流在一定程度上反映了电机(正常运行工况下)内部结构的最大不对称状态。因此以发电机正常运行时的最大横差不平衡电流基波分量测量值来计算保护整定值更为合理。快速段保护和综合段保护设置不同的整定值，其中快速段主判据电流定值较大，无延时或经短延时动作，综合段主判据电流定值较小，经(相对)较长延时动作。
以三峡右岸电站18号、21号、26号机组为例，对采用现有整定方法计算的定值(其数值等于将计算的横差电流乘以可靠系数1.5)与采用本发明方法计算的定值进行比较，比较结果见表3。
表3三峡右岸电站18号、21号、26号发电机单元件横差保护定值比较

通过数字仿真对三台发电机的各种内部短路故障进行统计，并计算这3组定值时单元件横差保护能够起到有效保护作用的内部短路故障数占故障总数的比值，见表4。
表4采用不同定值时的保护性能统计表

表4中，采用本发明整定方法所计算的定值后，保护对于发电机内部短路故障的性能有明显提高。
(3)保护辅助判据
鉴于当发电机发生外部短路故障或者出现振荡时，横差基波电流也有可能增大，为确保保护的可靠性，保护方法设置了三次谐波、负序功率方向以及转子一点接地等辅助判据，主判据必须与辅助判据配合使用。
三次谐波比判据：
利用发电机发生外部故障时横差电流三次谐波比上升，发生内部故障时下降的规律构成三次谐波比判据。判据如下：