故障分量启动稳态量保持的负序方向匝间保护 【技术领域】
本发明涉及电力系统领域，更具体地涉及继电保护的方法。
背景技术
大型同步发电机组是电能生产的基本设备，在电力系统中占有非常重要的地位。近年来发电机单机容量不断加大，它们造价极为昂贵，结构更为复杂，一旦因故障而遭到损坏，检修难度大、时间长，对国民经济造成的直接和间接损失十分巨大。这样就对机组保护装置的选择性、快速性、可靠性、灵敏性提出了更高的要求。
无论是大型汽轮发电机还是大型水轮发电机，其定子绕组同槽上下层线棒属同相的比例都较大。由于定子水内冷线圈的漏水，定子绕组端部积尘、积油多，再加上发电机组长年累月的震动、发热和受强大电磁力的作用，在定子槽内或端部可能引发匝间短路故障，运行统计资料也表明确有匝间短路的实例，也曾发生过因未装设定子绕组匝间保护引起发电机严重烧坏的恶性事故，所以应装设大型发电机定子绕组匝间短路保护。
对于中性点可以引出4～6个端子地发电机，可以装设单元件横差、裂相横差或不完全纵差等主保护来保护定子绕组匝间短路故障。但实际中，国内外有很多发电机中性点只有3个引出端。此时较为常用的匝间保护是采用纵向零序电压原理。在没有专用纵向零序电压互感器不能装设纵向零序电压保护的场合，一般只能装设故障分量负序方向匝间保护或不装设匝间保护。
现场运行情况表明，故障分量负序方向保护在区外故障的暂态过程中，特别是在区外近端故障，线路保护跳闸，重合于永久故障、再三跳的过程中有误动的现象。本发明针对目前故障分量负序方向保护存在的问题，提出一种故障分量启动、稳态量保持的负序方向匝间保护。
【发明内容】
对于中性点只可以引出3个端子且没有专用匝间电压互感器的发电机，为可靠地保护定子绕组匝间故障，本发明提供了一种通过判别发电机中性点电流和机端电压，来鉴别发电机匝间短路故障的方法。该方法包括如下步骤：发电机保护装置对互感器的电流电压波形进行采样得到电流电压瞬时值；通过傅氏算法求出各电气量的复数形式；通过滤序算法滤出电流和电压的负序分量；通过记忆的负序电流和负序电压算出其变化量(即故障分量)；投入故障分量负序方向元件作为匝间保护启动元件；启动20ms后切换为稳态量的负序方向元件，若稳态量条件满足保护经一定延时出口。该方法对匝间故障的识别更加准确，在提高灵敏度的同时可保证保护的安全可靠运行，较好地解决了长期以来故障分量负序方向保护不正确动作的技术难题。
【附图说明】
图1显示了电流互感器和电压互感器的安装位置和极性的定义；
图2为故障分量启动稳态量保持的负序方向匝间保护逻辑框图。
具体实施方案
电流互感器(简称TA，以下同)和电压互感器(简称TV，以下同)的安装位置和极性的定义请参考图1，图中GS为发电机，MT为主变，TV1为机端普通TV，TA1为机端TA，TA2为中性点TA。本发明的故障分量启动稳态量保持的负序方向匝间保护原理的逻辑框图请参考图2。
首先通过傅氏算法求出各电气量的复数形式，然后可通过下式所示的滤序算法滤出中性点电流和机端电压的负序分量I2和U2：
I2·Re＝Ia·Re-0.5(Ib·Re+Ic·Re)+0.866(Ib·Im-Ic·Im)
I2Im＝Ia.Im-0.5(Ib.Im+Ic.Im)-0.866(Ib.Re-Ic.Re) (1)
式中：I2.Re，I2.Im分别为负序电流的实部和虚部，Ia.Re，Ia.Im，Ib.Re，Ib.Im，Ic Re，Ic.Im分别为A，B，C相电流的实部和虚部。负序电压可以通过类似的方法获得。
通过记忆的负序电流和负序电压可算出其变化量，即故障分量ΔI2和ΔU2。
根据图2显示的保护逻辑图，保护采用负序电流的故障分量ΔI2和负序电压的故障分量ΔU2计算出的负序功率的故障分量ΔP2作为启动元件，故障分量启动元件动作判据为：
(ΔI2＞I2QT)∩(ΔU2＞U2QT)∩(ΔP2＞PΔT) (2)
式中：I2QT、U2QT、PΔT分别为负序电流、负序电压、负序功率故障分量的门槛值。
负序功率的故障分量可按如下公式计算：
式中：φ为故障分量负序方向继电器的最大灵敏角，一般为75°～85°。
故障分量负序方向元件启动后20ms退出故障分量负序方向元件，同时投入稳态量的负序方向元件作为延时判别元件，稳态量负序方向元件动作判据为：
(I2＞I2Q)∩(U2＞U2Q)∩(P2＞0) (4)
式中：I2Q、U2Q分别为负序电流、负序电压门槛值，装置内部固定；P2为负序方向元件。
稳态量负序方向继电器的最大灵敏角，一般为75°～85°。负序方向继电器的电压取自机端TV，电流取自中性点TA。
根据图2显示的保护逻辑图，在TA和TV都没有发生异常的情况下，若存在负序电流和负序电压，而稳态量的负序方向满足，保护经200ms延时出口。
当发生发电机内部匝间故障时，中性点电流与机端电流完全相等，故障源在发电机内部，负序功率由发电机流向系统，故障分量与稳态量负序方向元件均可动作。当发生发电机内部相间短路时，由于取的是中性点处的TA，与机端电流近似反相，故障分量与稳态量负序方向元件均不动作，此时应由纵差等保护来保护相间故障，匝间保护不反应相间故障更具选择性。当发生区外故障时，故障源在发电机外部，负序功率都由系统流向发电机，故障分量与稳态量负序方向元件均不动作。当区外不对称故障切除时，ΔI2与ΔU2均与相应的外部对称故障发生时方向相反，所以故障分量负序方向元件也不会动作，而且稳态量无负序电流和负序电压，稳态量负序方向元件也不会动作，可最终使保护可靠不动。当TA发生二次回路断线时，由于无负序电压，故障分量与稳态量负序方向元件均不动作；同理当TV发生二次回路断线时，由于无负序电流，故障分量与稳态量负序方向元件也均不动作。但若TA和TV皆发生二次回路断线，或某一个断线时又发生区外故障，则可能引起本保护的误动，因此当保护判出发生了TA或TV断线时，将闭锁本保护。当发电机并网前起机并加励磁后，若发生内部匝间故障，由于各相电流皆为0，负序方向元件不会动作，因此，该判据不反应空载时的匝间故障。
实际上，在复杂的区外故障暂态过程中，例如当区外近端故障，线路保护跳闸，重合于永久故障，再三跳时，由于一次系统的暂态过程，二次回路的暂态特性各不相同，再加上测量的误差，采用单纯的故障分量负序方向元件曾发生过误动的现象。但稳态量负序方向元件可以躲开系统的暂态过程，提取稳态故障特征，可保证区外故障时，稳态量负序方向元件不误动。
综上所述，本发明将突变量元件的灵敏性与稳态量元件的可靠性相结合，对匝间故障的识别更加准确，在提高灵敏度的同时可保证保护的安全可靠运行。