基于零序电压故障暂态分量的发电机定子单相接地保护方案研究
基于零序电压故障暂态分量的发电机定子单相接地保护方案研究
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根据以上分析的故障前后机端和中性点零序电压的变化特点，提出了基于零序电压故障暂态分量的单相接地保护方案。
式中 Uset为门槛电压；β为可靠性系数。
由于绕组对地电容不对称，导致发电机正常运行时中性点有偏移电压，使得基于稳态量的基波零序电压保护在中性点附近存在死区。若采用基波零序电压的故障分量作为保护判据的动作量，即使有偏移电压存在，在死区内发生单相接地故障时，基波零序电压也会产生故障分量，这样就有利于减小基波零序电压保护在中性点附近的死区范围，并提高保护的灵敏度。
理想的定子单相接地保护应具有以下性质[3]：发生接地故障时，特征信号的幅值或相位只要有轻微的突变，判据就应动作；正常运行时，特征信号的幅值或相位发生较大的缓变，判据也不应动作。而基于三次谐波电压故障暂态分量的保护判据就具有上述特点，首先，三次谐波电压的故障暂态分量反应了接地故障的突变程度，接地故障发生后机端和中性点的三次谐波电压增量近似相同，判据左侧动作量大于右侧制动量，判据灵敏动作；其次，正常时机端和中性点的三次谐波电压相位差大于90˚，当发电机运行方式变化引起机端和中性点的三次谐波电压发生变化时，即使有较大的缓变，判据左侧动作量总是小于右侧制动量，判据不会动作。进一步分析知，基于三次谐波电压故障暂态分量的保护判据故障前后的动作量和制动量变化方向相反，能够自适应发电机运行工况的变化，鲁棒性强，整定十分简单。且其相量合成的结果也可以通过信号在一个周期内的能量来描述，这样就无需将零序电压中的基波和三次谐波分开，由此可得到以下基于谱能量的第二种判据表达形式。
由机端和中性点零序电压计算相应的零序电压故障分量瞬时值(Δut、Δun，计算间隔为一个20ms)。设动作信号uop=|△ut+△un|，制动信号ures=β|△ut-△un|+uε。其中b为可靠性系数，根据机端和中性点三次谐波故障分量的相位角关系可取1；uε为门槛电压，可取正常时中性点基波零序偏移电压的4%~20%，主要是为躲过正常情况下基波增量的非零输出。
其中，L为数据窗长度；Δt为采样间隔，计算可标么化。取动作信号和制动信号的谱能量分别作为保护的动作量和制动量，即可得到由信号谱能量描述的第二种判据形式为
Euop
> Eures (2)
式(2)中包括基波和三次谐波增量的共同变化，所以单独利用它就能够实现100%定子绕组单相接地保护。为进一步防止短时干扰的影响，提高判据的可靠性，在式(1)或式(2)连续满足M(可取1/2~2/3个工频周期采样点数)次后才认为发生单相接地故障。
3.2 仿真结果分析
在以下仿真和试验中，采用式(2)的能量型判据对其结果进行分析。根据以上保护方案，由发电机机端和中性点的零序电压(ut、un)计算相应零序电压的故障分量瞬时值(Δut、Δun)，进一步计算保护动作信号和制动信号的谱能量作为判据的动作量与制动量(Euop、Eures)。
对仿真结果，取保护判据的可靠性系数b= 1， uε
= 0.1V。图5给出了图3中所示的接地故障过程中保护判据的动作情况。从图中可以看出，动作量远大于制动量，判据能够灵敏动作。图6给出了图4中所示的励磁电压变化过程中保护判据的动作情况，从图中可以看出，判据可靠制动。
4 试验结果分析
为验证上述保护方案，在一台15kW试验用凸极同步发电机上做了大量试验。试验中的各项参数如下：发电机额定电压400V，每相两分支，每分支7个线圈串联，每个线圈都有抽头。因为发电机每相绕组对地电容很小，约2.1nF，所以试验中在每相绕组的机端和中性点处各附加0.5μF电容。发电机中性点经958Ω电阻接地，机端经变比为1的变压器接于380V电网运行，输出功率为1kW(因原动机功率较小)。试验中采用日本YOKOGAWA电气公司生产的DL716数字示波器录取试验数据，采样频率为2kHz，各电压量直接测量。根据试验数据对保护方案进行离线计算和验证，限于篇幅，以下仅选取几种具有代表性的试验分析说明。取保护判据的可靠性系数b= 1，考虑试验发电机正常时的噪声较大，取门槛电压uε
= 0.5V。
发电机A相第1分支靠近中性点第1匝线圈在0.075s经8.364kΩ过渡电阻发生接地故障，图7给出了机端和中性点零序电压、相应零序电压的故障分量以及保护判据的动作量与制动量比较，从图中可以看出，保护判据能够灵敏动作。
为检验判据的可靠性与选择性，图8所示为在0.19s时发电机A相第1分支第4匝线圈与A相第2分支第1匝线圈之间发生同相不同分支短路故障，在0.57s时短路故障切除，之后发电机发生振荡。可以看出，整个过程中保护判据可靠不动作。
图9中给出了发电机增加无功输出时，保护判据的动作分析。因为基波零序电压变化很小，尽管发电机机端和中性点的三次谐波电压存在变化，但由于它们的相位与正常运行时近似相同，所以判据可靠不动作。
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