三次谐波动态调整判据结合电压比判据的定子接地保护 【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，同时会影响到系统稳定，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。
定子绕组单相接地故障是发电机最常见的故障之一，而且往往是更为严重的绕组内部短路故障发生的先兆，定子绕组单相接地保护的可靠与灵敏动作可以降低内部短路故障的发生几率，减少故障造成的损失。发电机单机容量的增大一般使定子绕组对地电容增加，相应的单相接地电流也增大，如不采取措施，单相接地故障将危及定子铁芯，与单纯的定子绕组损坏相比，检修更为困难。对于大中型机组，必须装设100％保护区的定子接地保护，且要求在定子绕组任一点经一定过渡电阻接地时，保护能灵敏动作。当单相接地电流小于一定的安全接地电流时，定子接地保护可动作于信号，但应及时处理，以免再发生另一点接地故障而烧毁发电机；反之定子接地保护应动作于跳闸，以确保机组及其铁芯安全。
一般采用基波零压和三次谐波电压判据共同构成100％定子接地保护。其中基波零压定子接地保护可反应机端到中性点95％～85％的定子接地故障，三次谐波零压保护主要用来保护中性点到机端25％左右范围地定子接地故障。实际中，基波零压定子接地保护运行情况较好，但三次谐波定子接地保护的现场运行情况较差，主要原因是正常运行时三次谐波含量比较小，给采样回路的设计以及高精度滤波算法的设计带来一系列的问题，再加上现场零序电压互感器(简称TV，以下同)回路异常和保护实现方式不够完善，使三次谐波定子接地保护成为一种非常容易误动的保护，严重影响发电机的安全稳定运行。
针对三次谐波定子接地保护的现状，本发明提出了将三次谐波电压比和动态调整式三次谐波电压差动相结合的综合定子接地保护方法，可大大改善发电机的运行情况。
【发明内容】
为实现大型机组100％定子接地保护，提高三次谐波定子接地保护的可靠性，同时保证该保护的灵敏性。本发明提供了一种将三次谐波电压比和动态调整式三次谐波电压差动相结合，来实现综合定子接地保护的方法。该方法包括步骤：发电机保护装置对电压互感器的电压波形进行采样得到电压瞬时值；通过傅氏算法加数字滤波算法求出三次谐波电压的复数形式；通过记忆的三次谐波电压算出其变化量，并计算出三次谐波电势；在较重负荷工况下自动进入改进的动态调整三次谐波电压差动判据；在并网前和轻负荷工况下自动进入三次谐波电压比判据；另外当机端和中性点侧三次谐波同时变化，机端或中性点侧至少一侧有三次谐波，E3变化小等辅助判据同时满足时保护经一定延时动作。该方法可自动适应不同的运行工况，对接地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。
【附图说明】
图1显示了电压互感器的安装位置和极性的定义；
图2显示了本发明简化的保护逻辑图。
具体实施方案
TV和TA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，TV2为中机点TV(或消弧线圈或配电变压器)，TA1为机端TA，TA2为中性点TA。对于中性点非直接接地的发电机，由于电机结构的原因，在正常运行时其机端和中性点侧都会存在一定的三次谐波，会在TV二次侧感应出一定的三次谐波电压U3t&和U3n&，而发电机可等效为一个三次谐波电势源，其电势为
U3t&，U3n&和E3&的大小皆与发电机的运行工况有关。当发电机中性点附近发生定子一点接地故障后，中性点三次谐波电压U3n&将减小，机端三次谐波电压U3t&将增大，但E3&不会有很大变化。可总结出定子接地故障时的特征：中性点三次谐波电压U3n&与机端三次谐波电压U3t&都发生了变化，中性点三次谐波电压U3n&与机端三次谐波电压U3t&至少有一个不为零。针对以上定子接地故障特征提出如下判据：
(1)动态调整式三次谐波电压差动保护
根据图2显示的保护逻辑图，当发电机运行在20％额定电流以上的工况时投入动态调整式三次谐波电压差动保护，保护的动作判据为：
式中，U3n&为经变比补偿后的中性点侧零序电压的三次谐波电压相量；U3t&为机端侧零序电压的三次谐波电压相量；IGe为发电机额定电流；KP&为复数，
在发电机正常运行时根据软件计算得到，使得修正以后的机端与中性点三次谐波电压相等，方程动作量即左侧量接近于零，从而在发生接地故障时获得最大的相对变化量；K32为三次谐波制动系数定值，取值则只取决于计算误差，可取很小，有利于识别故障；Imax为发电机机端侧最大相电流。
其中：
U3n′=U3n·3nTVnnTVt---(3)]]>
式中：U3n为实际的中性点侧零序电压的三次谐波分量；nTVn为中性点TV变比；
nTVt为机端TV变比。
动态调整式三次谐波电压差动判据中KP&的计算条件为：
a)E3变化大，KP&计算无效；
b)机端和中性点三次谐波都小于某一门槛时，KP&计算无效；
c)机端和中性点一侧有三次谐波电压而另一侧没有三次谐波电压，保持上次KP&；
d)机端或中性点三次谐波电压有变化时，保持上次KP&；
e)动态调整判据起动，保持上次KP&；
f)机端和中性点三次谐波都大于某一门槛，而且变化量都小于某一门槛时，计算本次的KP&。
为提高保护的可靠性，采用如下辅助判据：
a)E3变化大，动态调整判据返回；
b)机端和中性点三次谐波都小于某一门槛时，动态调整判据返回；
c)KP&计算无效，动态调整判据返回；
d)机端或中性点三次谐波电压一个有变化，另一个没有变化时，动态调整判据返回；
e)机端和中性点三次谐波电压同时有变化时，起动动态调整判据判别，若动态调整判据不满足则保持一定时间，在该保持时间内动态调整判据都不满足，动态调整判据返回。
当动态调整式三次谐波电压差动判据和上述辅助判据都满足时，三次谐波定子接地保护动作，可根据用户所整定的定值跳闸或发信。
(2)三次谐波电压比保护
根据图2显示的保护逻辑图，当发电机运行在20％额定负荷以下的工况时投入三次谐波电压比保护，保护的动作判据为：
式中：K31为三次谐波电压比定值，必须经过现场实测。
为提高保护的可靠性，增加如下辅助判据：
a)E3变化大，三次谐波电压比判据返回；
b)机端和中性点三次谐波都小于某一门槛时，三次谐波电压比判据返回；
c)机端或中性点三次谐波电压一个有变化，另一个没有变化时，三次谐波电压比判据返回；
d)机端和中性点三次谐波电压同时有变化时，起动三次谐波电压比判据判别，若三次谐波电压比判据不满足则保持一定时间，在该保持时间内三次谐波电压比判据都不满足，三次谐波电压比判据返回。
当三次谐波电压比判据和上述辅助判据都满足时，三次谐波定子接地保护动作，可根据用户所整定的定值跳闸或发信。
三次谐波电压采用零点滤波加傅氏算法进行计算，使得基波滤过比高达100倍以上，即使在系统频率偏移的情况下，仍然能保证很高的基波滤过比。
根据发电机正常运行情况下，在机端和中性点侧零序电压回路都会存在一定的三次谐波，当装置检测出某一侧TV中三次谐波长时间接近于零时，将发出告警信号，以便运行人员进行及时处理。