CN112260226B - 一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法，包括通过定子接地保护等值回路，得到接地变压器二次侧负载电阻的计算公式，并推导出注入式定子接地保护注入信号与发电机中性点接地变压器参数之间的函数数值关系；然后计算出当注入信号、电压信号比、电流信号比取极值时的接地变压器变比n_ex；若注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压小于1％的发电机额定电压，则接地变压器的变比n取n_ex；否则，先取最接近1％的发电机额定电压的注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压，再计算出最优的接地变压器变比n和接地变压器二次侧负载电阻值，实现定子接地保护。本发明具有提高灵敏度、提高保护注入功率、实现保护功能的最优化的特点。

Description

一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法

技术领域

本发明涉及一种电机定子接地保护技术，特别是一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法。

背景技术

随着电力系统发电机单机容量的增大,发电机定子绕组对地电容也有所增加，现场对发电机定子单相接地保护提出了更高的要求。其中，定子绕组单相接地故障是发电机组最多见的故障。虽然定子绕组单相接地故障对设备本身的破坏程度较小，但是它是破坏力更强的匝间或相间短路故障的先兆。

20Hz注入式定子接地保护根据定子绕组发生单相接地故障后的20Hz信号电流大于故障前的20Hz信号电流的特点，构成保护的电流判据。采用此判据让保护逻辑清晰，操作简单，具有很高的灵敏度和可靠性；但是保护的灵敏度严重受到电源内阻的影响。

近年来，我国越来越多的大型水轮发电机采用了中性点经配电变压器接地的接地方式，并配备了经接地变压器二次侧负载电阻注入低频信号的20Hz注入式定子接地保护。当注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压信号太小的时候，如果发生定子接地故障时的过渡电阻比较大的话，那么流经过渡电阻的电流会很小，影响保护对20Hz电压U₂₀和20Hz电流I₂₀的测量，影响20Hz注入式定子接地保护的准确性。

当发电机在未发生接地故障时，中性点处有很小的基波位移电压以及三次谐波电压，这些信号与20Hz注入信号混叠在一起。当定子绕组发生金属性接地故障时，接地变压器二次侧将出现50Hz的电压信号分量：

U_n表示发电机的额定电压，n表示接地变压器的变比，通过接地变压器二次侧负载电阻产生50Hz电流信号分量，

R_n表示接地变压器二次侧负载电阻，此时的50Hz电压、电流信号分量很大，将和注入的20Hz信号分量混叠在一起。20Hz注入式定子接地保护测量回路中采用的电流互感器CT变比，是根据机端发生金属性接地故障时产生的50Hz电流分量所设计的。如果50Hz信号分量与20Hz信号分量的比值很大，则传送到保护装置的20Hz电压、电流信号会很小，影响保护的准确测量，造成注入式定子接地保护测量精度的降低，无法实现保护注入功率的最大化以及保护功能的最优化。

因此，现有的针对20hz注入式定子接地保护方法，存在过渡电阻影响保护灵敏度、接地变压器的变比会影响注入到定子绕组侧的20Hz电压，无法实现保护注入功率的最大化以及保护功能的最优化。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法。本发明具有提高灵敏度、提高保护注入功率、实现保护功能的最优化的特点。

本发明的技术方案：一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法，包括以下步骤：

1)通过20Hz注入式定子接地保护等值回路，得到接地变压器二次侧负载电阻的计算公式；

2)通过20Hz注入式定子接地保护等值回路，推导出未发生接地故障时，注入式定子接地保护注入信号与发电机中性点接地变压器参数之间的函数数值关系；

3)计算出当注入信号、电压信号比、电流信号比取极值时的接地变压器变比n_ex和此时的注入信号极大值，电压信号比极小值，电流信号比极小值；

4)若注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压小于1％的发电机额定电压，则接地变压器的变比n取n_ex；否则，先取最接近1％的发电机额定电压的注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压，再计算出接地变压器变比n，进而计算出接地变压器二次侧负载电阻最优值，实现定子接地保护。

前述的一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法中，所述步骤1)中，将接地变压器二次侧负载电阻按将其折算到一次侧的阻抗与发电机定子侧的定子绕组对地容抗相等，得接地变压器二次侧负载电阻的计算公式：R_n=X_c/n²，其中X_C为定子三相定子对地容抗，

为工频频率下的容抗，n为接地变压器的变比。

前述的一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法中，所述步骤2)具体为，当未发生接地故障时，20Hz注入式定子接地保护等值回路中，注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压为：

式中：R_in为注入电源的内阻，R_n为接地变压器二次侧负载电阻，U₂₀为发生单相接地故障时的20Hz信号电压，

为注入源的电压，j表示数学复数运算中的虚数部分；

将公式(1)化简可得，

式中，以

表示公式(1)中

部分；

当

时，注入电压取到极大值U_20.prim.max；

注入源的20Hz电压信号为：

注入源的20Hz电流信号为：

则电压信号比为：

电流信号比为：

前述的一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法中，所述步骤3)中，当

时，分别取得电压信号比的极小值和电流信号比的极小值：

前述的一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法中，所述定子绕组对地容抗包括发电机定子绕组对地电容、主变压器低压侧绕组对地电容、断路器对地电容、励磁变压器一次侧绕组对地电容、发电机出口至其他设备之间的对地电容。

前述的一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法中，当定子绕组发生金属性接地故障后，接地变压器一次侧额定电压为系统额定线电压，接地变压器二次侧电压为100V-500V。

前述的一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法中，所述接地变压器二次侧负载电阻值大于1Ω。

一种用于发电机注入式定子接地保护的可视化程序，包括处理器，所述处理器用于执行指令以实现上述的任一项步骤。

与现有技术相比，本发明通过注入式定子接地保护注入信号与发电机中性点接地变压器参数之间的函数数值关系，计算合适的接地变压器参数，通过计算得到更加精确接地变压器的变比和接地变压器二次侧负载电阻，得到最优值，解决提升20Hz注入式定子接地保护注入信号的注入功率问题，使进入保护装置的20Hz电流信号更大，增强注入式保护的注入功率和注入信号强度，大大增强了保护检测绝缘故障的能力，并且提高20hz注入式定子接地保护的测量精度，使得接地保护的接地电阻的计算更加准确，实现保护设计的最优化，从而达到提升20hz注入式定子接地保护的保护灵敏度的目的，更好地提升20Hz注入式定子接地保护的性能。

此外，本发明不需要另外安装其他辅助设备，降低了建设成本。

因此，本发明具有提高灵敏度、提高保护注入功率、实现保护功能的最优化的特点。

附图说明

图1是20Hz注入式定子接地保护等值回路图；

图2是未发生故障时接地保护等值回路图；

图3是MATLAB/GUIDE模块的可视化程序界面；

图4是MATLAB/GUIDE模块的可视化程序运行结果界面。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。

一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过20Hz注入式定子接地保护等值回路，如图1所示，得到故障接地电阻一次值的计算公式和接地变压器二次侧负载电阻的计算公式；

为了方便计算与分析，忽略变压器的励磁阻抗以及漏阻抗，并假设接地变压器T为理想变压器，保护装置经负载电阻的分压器采集20Hz电压U₂₀，经中间电流互感器CT采集20Hz电流I₂₀，假设接地变压器T为理想变压器，利用导纳法计算出故障接地电阻一次值的计算公式为：

其中K_R为过渡电阻计算系数，U₂₀为20Hz注入式定子接地保护等值回路中的20Hz电压，I₂₀为20Hz注入式定子接地保护等值回路中的20Hz电流I₂₀。

图1中，R_g为故障接地电阻，X_c为接地变压器T的对地电抗，T为接地变压器，R_n为接地变压器二次侧负载电阻，E_s为注入源，R_in为注入电源的内阻。

从图1中分析可得，当注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压信号太小的时候，如果发生定子接地故障时的故障接地电阻R_g比较大的话，那么流经过渡电阻的电流会很小，影响保护对20Hz电压U₂₀和20Hz电流I₂₀的测量，影响20Hz注入式定子接地保护的准确性。

根据配电变压器一次侧额定电压大于或等于发电机的额定相电压，接地变压器二次侧负载电阻折算到一次侧的阻抗不宜超过定子绕组对地容抗的规则，将接地变压器二次侧负载电阻按将其折算到一次侧的阻抗与发电机定子侧的定子绕组对地容抗相等，得接地变压器二次侧负载电阻的计算公式：R_n=X_c/n²，其中X_C为定子三相定子对地容抗，

为工频频率下的容抗，n为接地变压器的变比。

将接地变压器二次侧负载电阻按将其折算到一次侧的阻抗与发电机定子侧的定子绕组对地容抗相等，起到抑制间歇性单相接地故障重燃弧引起的尖峰过电压的作用。

所述定子绕组对地容抗包括发电机定子绕组对地电容、主变压器低压侧绕组对地电容、断路器对地电容、励磁变压器一次侧绕组对地电容、发电机出口至其他设备之间的对地电容。

2)通过20Hz注入式定子接地保护等值回路，推导出未发生接地故障时，注入式定子接地保护注入信号与发电机中性点接地变压器参数之间的函数数值关系；

具体为：当未发生接地故障时，20Hz注入式定子接地保护等值回路如图2所示，注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压为：

式中：R_in为注入电源的内阻，R_n为接地变压器二次侧负载电阻，U₂₀为发生单相接地故障时的20Hz信号电压，

为注入源的电压，j表示数学复数运算中的虚数部分；

将公式(1)化简可得，

从式(2)可得，接地变压器的变比n会影响注入到定子绕组侧的20Hz电压U_20.prim。注入到定子绕组侧的20Hz电压U_20.prim越高，越方便测量20Hz电压U₂₀和20Hz电流I₂₀。

当

时，注入电压取到极大值U_20.prim.max；式中，以

表示公式(1)中

部分。

注入源的20Hz电压信号为：

注入源的20Hz电流信号为：

则电压信号比为：

电流信号比为：

从式(5)、式(6)可得，随着接地变压器变比n的变化，电压信号比K_U、电流信号比K_I的大小也会产生变化。

3)计算出当注入信号、电压信号比、电流信号比取极值时的接地变压器变比n_ex和此时的注入信号极大值，电压信号比极小值，电流信号比极小值；

即当

时，分别取得电压信号比的极小值和电流信号比的极小值：

4)若注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压小于1％的发电机额定电压，即U_20.prim＜1％U_n，则接地变压器的变比n取注入信号、电压信号比、电流信号比取极值时的接地变压器变比n_ex，

否则，先取最接近1％的发电机额定电压的注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压，再根据上述公式(1)计算出接地变压器变比n，进而根据R_n=X_c/n²，计算出接地变压器二次侧负载电阻Rn的最优值，且接地变压器二次侧负载电阻值大于1Ω，实现定子接地保护。

当U_20.prim＜1％U_n，既可以使得接地变压器的变比n最佳，又可以防止其影响一次系统，而且此时K_U、K_I最小，则传送到保护装置的20Hz电压U₂₀和20Hz电流I₂₀信号会最大，便于测量，提高注入式定子接地保护测量精度和准确度，实现保护注入功率的最大化以及保护功能的最优化。

当定子绕组发生金属性接地故障后，中性点电压升高到相电压，为了不让接地变压器饱和，并给电压的波动留出一定的裕度，因此接地变压器一次侧额定电压为系统额定线电压，接地变压器二次侧电压为100V-500V，保证二次设备的安全运行。

具体操作时，根据发电机的现场实际参数，设计出合适的接地变压器变比及其二次侧负载电阻。设计步骤如下所示：

(1)查阅发电机厂商提供的相应机组的外部参数，包括发电机额定电压(线电压)Un(KV)、发电机定子绕组对地电容(一相)Ca(μF)和总电容、主变低压侧绕组对地电容(一相)Cb(μF)、其他对地电容(一相)Cc(μF)，当前中性点接地变压器电压变比n，当前负载电阻R_n(Ω)(目的是为了和采用该设计原则得出的接地变压器变比及其二次侧负载电阻作对比)，以及20Hz注入源的注入电压U₂₀和注入电源的内阻R_in；

(2)根据函数数值关系，计算当注入信号、电压信号比、电流信号比取极值时的接地变压器变比n_ex和此时的注入信号极大值U_20.prim.max，电压信号比极小值K_U.min，电流信号比极小值K_I.min；

(3)分别绘制出以下三条关系曲线，分别为曲线1：注入信号、电压信号比、电流信号比与20Hz信号电压的关系曲线；曲线2：注入信号、电压信号比、电流信号比和接地变压器变比n的关系曲线；曲线3：负载电阻与变压器二次侧额定电压的关系曲线。

(4)观察接地变压器二次侧电压U₂是否小于1％U_N，若满足此条件，则n取极值点

如果不能满足此条件，可以通过观察曲线图，在注入信号U_20.prim的极值点附近选择最接近1％U_N的U_20.prim，再根据公式(1)计算得出最优的接地变压器的变比n和公式R_n=X_c/n²，计算出最优的接地变压器二次侧负载电阻R_n，实现保护设计的最优化。

(5)根据以上参数，得到变压器的容量。

一种用于发电机注入式定子接地保护的可视化程序，包括处理器，所述处理器用于执行指令以实现上述步骤，计算得到最优的接地变压器变比n和接地变压器二次侧负载电阻值。

本实施例中用MATLAB/GUIDE模块设计得到可视化程序，其界面如图3所示。

使用步骤如下：

(1)根据现场参数，将发电机额定电压(线电压)U_n(KV)，发电机额定功率W(MV)，发电机定子绕组对地电容(一相)C_a(μF)，主变低压侧绕组对地电容(一相)C_b(μF)，其他对地电容(一相))C_c(μF)，20Hz注入源的注入电压和电源内阻填入相应空格；

(2)点击计算按钮，可以计算出发电机定子绕组对地的总电容(一相)、变压器容量、注入信号、电压信号比、电流信号比取极值时的变比n以及曲线1：注入信号和20Hz信号电压的关系曲线(图4中最下面的下凹曲线)、电压信号比和20Hz信号电压的关系曲线(图4中最上面的下凹曲线)、电流信号比和20Hz信号电压的关系曲线(图4中的上凸曲线)。曲线2：注入信号和接地变压器变比n的关系曲线(图4中最下面的下凹曲线)、电压信号比和接地变压器变比n的关系曲线(图4中最上面的下凹曲线)、电流信号比和接地变压器变比n的关系曲线(图4中的上凸曲线)；曲线3：负载电阻与变压器二次侧额定电压的关系曲线。

(3)从图中观察接地变压器二次侧电压U₂，看其是否小于1％U_N，若满足此条件，则n取极点

如果不能满足此条件，可以通过观察曲线图，在注入信号U_20.prim的极值附近选择最接近1％U_N的U_20.prim，将U_20.prim值填入相应空格，再次点击计算，最终会得出最优的接地变压器的变比n和接地变压器二次侧负载电阻R_n。其运行结果界面如图4所示。

以某电厂330MW发电机组为例，将采用原始参数以及采用设计参数，即最优的接地变压器的变比n和接地变压器二次侧负载电阻R_n的计算结果进行对比：

现场参数发电机额定电压U_n：20kV，发电机额定功率：330MW，定子绕组对地电容(单相)：0.245μF，主变低压侧绕组对地电容(单相)：0.037μF，其他对地电容(单相)：约0.022μF，接地变压器容量：42kVA，接地变压器电压变比：20kV/230V，负载电阻：0.461Ω(抽头电阻为0.347Ω)，20Hz注入源的注入电压为22.5V，电源内阻为8Ω。

采用以上方法可以计算出总的接地电容(单相)为：0.304μF，当变比n为20时，各曲线取极值，以此变比计算时，接地变压器二次侧额定电压取U₂＝1000V，不满足U_20.prim＜1％U_n的条件，因此选择接地变压器二次侧额定电压为

通过计算得出变比

接地变压器二次侧负载电阻一次值为：R_n.prim＝X_c＝3.49kΩ，则R_n＝R_n.prim/n²＝2.356Ω。

分别将设计参数和原始参数带入到公式(2)、公式(5)、公式(6)，再根据发生金属性接地故障时，流过接地变压器二次侧负载电阻的工频电流

经过计算，得到的结果如表1所示。

表1 330MW发电机组原始参数及设计参数对比数据

(1)从计算结果可得，采用当前接地设备和原始参数时，注入到定子绕组侧的20Hz电压U_20.prim为99.8V，而采用本发明方法计算的设计参数，U_20.prim为188.2V，注入信号强度明显增大，大大增强了保护检测绝缘故障的能力；

(2)假设发生机端金属性故障时，抽头电压为100V，根据工频/20Hz电压信号比K_U，可以计算出正常工况下引至保护装置的低频电压信号的大小，采用原始参数时，U₀＝100/115.6＝0.865V；采用本发明方法计算的设计参数时，U_N＝100/61.3＝1.631V。显然采用设计程序的参数时，保护能够采样得到的低频电压信号更强；

(3)按发电机机端金属性接地故障计算得到的故障电流I₅₀选择中间CT的变比，采用原始参数时：其CT变比设计为300A/5A，根据工频/20Hz电流信号比K_I，正常工况下进入保护装置的20Hz电流信号大小为：I_20.in＝288.04/(300/5)/289.1＝0.0166A；采用本发明方法计算的设计参数时：其CT变比设计为150A/5A，根据工频/20Hz电流信号比K_I，正常工况下进入保护装置的20Hz电流信号大小为：I_20.in＝127.33/(150/5)/153.4＝0.0277A。显然，采用本发明的设计参数时，进入保护装置的20Hz电流信号更大，保护装置能够更准确的测量该数据，提升保护装置的准确度。

Claims (5)

1.一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)通过20Hz注入式定子接地保护等值回路，将接地变压器二次侧负载电阻按将其折算到一次侧的阻抗与发电机定子侧的定子绕组对地容抗相等，得接地变压器二次侧负载电阻的计算公式：R_n＝X_c/n²，其中X_c为定子三相定子对地容抗，

n为接地变压器的变比；

2)通过20Hz注入式定子接地保护等值回路，推导出未发生接地故障时，注入式定子接地保护注入信号与发电机中性点接地变压器参数之间的函数数值关系：注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压为：

式中：R_in为注入电源的内阻，R_n为接地变压器二次侧负载电阻，U₂₀为发生单相接地故障时的20Hz信号电压，

为注入源的电压，j为数学复数运算中的虚数部分；

将公式(1)化简得，

式中，以

表示公式(1)中

部分；

当

时，注入电压取到极大值U_20.prim.max；

注入源的20Hz电压信号为：

注入源的20Hz电流信号为：

则电压信号比为：

电流信号比为：

3)计算出当注入信号、电压信号比、电流信号比取极值时的接地变压器变比n_ex和此时的注入信号极大值，电压信号比极小值，电流信号比极小值：

当

时，分别取得电压信号比的极小值和电流信号比的极小值：

4)若注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压小于1％的发电机额定电压，则接地变压器的变比n取n_ex；否则，先取最接近1％的发电机额定电压的注入到发电机定子绕组侧的20Hz电压，再计算出接地变压器变比n，进而计算出接地变压器二次侧负载电阻最优值，实现定子接地保护。

2.根据权利要求1所述的一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法，其特征在于：所述定子绕组对地容抗包括发电机定子绕组对地电容、主变压器低压侧绕组对地电容、断路器对地电容、励磁变压器一次侧绕组对地电容、发电机出口至其他设备之间的对地电容。

3.根据权利要求1所述的一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法，其特征在于：当定子绕组发生金属性接地故障后，接地变压器一次侧额定电压为系统额定线电压，接地变压器二次侧电压为100V-500V。

4.根据权利要求1所述的一种适用于发电机注入式定子接地保护的方法，其特征在于：所述接地变压器二次侧负载电阻值大于1Ω。

5.一种用于发电机注入式定子接地保护的可视化系统，包括处理器，其特征在于：所述处理器用于执行指令以实现权利要求1-4中任一项所述的方法 。

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