发电机定子单相接地保护

1 前言

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定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，而目往往是更为严重的绕组内部故障发生的先兆，因此定子接地保护意义重大。目前实际应用中比较成熟的定子接地保护有基波零序电压保护、三次谐波电压保护及二者组合构成的保护，国外的发电机中性点大都是经高阻接地，较多的采用的是外加电源式的保护。近十几年微机保护的飞速发展，为新保护原理的开发提供了强大的硬件平台和广阔的软件空间。其中基于自适应技术、故障分量原理和小波变换的保护比较突出，它们有力地推动了单相接地保护技术的发展。

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扩大单元接线的发电机定子接地保护迫切需要具有选择性的保护方案，由于零序方向保护自身的缺陷、基于行波原理的保护在理论和技术上尚不够成熟，因此将小波变换应用到选择性定子接地保护有着重要的意义。中国电力联盟5t o$Q_a_S_i;p5y_X

2 定子绕组单相接地保护方案

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   发电机定子绕组单相接地时有如下特点：内部接地时，流经接地点的电流为发电机所在电压网络对地电容电流的总和，此时故障点零序电压随故障点位置的改变而改变；外部接地故障时，零序电流仅包含发电机本身的对地电容电流。这些故障信息对接地保护非常重要，下面就介绍几种定子接地保护方法。中国电力联盟.S*t4z0H_T_D

2.1 零序电流定子接地保护

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由单相接地故障特点可知，对直接连在母线上的发电机发生内部单相接地时，外接元件对地电容较大，接地电流增大超过允许值，这就是零序电流接地保护的动作条件。这种保护原理简单，接线容易。但是当发电机中性点附近接地时，接地电流很小，保护将不能动作，因此零序电流保护存在一定的死区。

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2.2 基波零序电压定子接地保护  

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发电机定子绕组(设A相距中性点α处)发生单相接地时，定子回路各点的零序电压中国电力联盟_X_R9` Z(Z8^0S

，其他两相故障情况亦有此关系。可见单相接地时零序电压U0＝αEph，Eph为故障相电动势，可将之作为保护动作参量。此基波零序电压可以在机端或中性点处获得，对于发电机中性点经配电变压器接地的情况，基波零序电压可取自配电变压器的二次电压。

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这种保护主要应用于发电机变压器组接线方式，它的一个突出优点是即使在单相接地电流很小的情况下也可以采用，但是由于在发电机中性点处存在位移电压，该保护不可避免的在中性点附近存在死区，且当经过过渡电阻接地时灵敏度不高。中国电力联盟 g1I_[9j8R

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2.3 三次谐波电压型定子接地保护中国电力联盟6F3c_[_d_j `$A4t_w/s9U_z

发电机正常运行时，中性点三次谐波电压比机端三次谐波电压大，而在中性点附近发生接地故障时，机端三次谐波电压增大，中性点三次谐波电压降低。利用单相接地故障前后发电机中性点与机端处三次谐波电压变化特点构成三次谐波电压型定子接地保护。

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由三次谐波电压构成的保护动作判据总的来说有两大类，一种是利用机端或中性点单侧三次谐波电压构成的保护，其判据为＜a(阀值)，这种保护特别简单，在国外仍有应用，但是灵敏度较低，且保护范围较小，受运行工况影响很大。另一种是由机端和中性点双侧三次谐波电压构成的判据， >b 和。式中Kp为调整系数，b和c为常数。前者以U3s为动作量，U3n为制动量，可以保护距中性点约50％的范围，但灵敏度并没有得到很大的提高。而后者引入了幅值和相角调节系数，可以减小动作量降低制动量，从而提高保护的灵敏度和可靠性，而且此方案还可单独完成定子接地的100％保护。但由于利用的是稳态量，当接地过渡电阻较大尤其是故障位置在绕组中部附近时，机端和中性点三次谐波电压的变化量很小，此时保护的灵敏度较低。

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另外，基波零序电压保护可以保护85％～95％范围的定子绕组，且故障点越靠近机端保护灵敏度越高；三次谐波电压保护则是故障点越靠近中性点保护灵敏度越高。据此，而将两者结合，可以实现100％的定子绕组接地保护。这种保护方案已在国内外获得广泛应用，不足之处是其灵敏度不够，这种情况对水轮发电机尤为突出。 中国电力联盟_U&X_z `_@ ?-\\_g_c8F0I b

2.4 外加电源式定子接地保护中国电力联盟!t_i1C4G_j&w/a5K

这种类型的保护是在发电机定子回路与大地之间外加一个信号电源，正常运行时，此信号电源很少或不产生电流，而当发生接地故障后，产生相应频率的接地电流使保护动作。目前外加的电源有西门子采用的20Hz低频电源和ABB公司的外加12.5Hz的信号电源等，这两种信号源都是按编码的方式间歇注入到定子回路中的。这种保护对电源的可靠性和性能有很高的要求，装置的现场调试复杂而且价格昂贵。但是它的优势也非常明显，它能完成100％定子接地保护，灵敏度高，对绝缘老化起到监督作用，另外在发电机停机状态、起停和运行过程中均能起到保护作用，应用前景广泛。

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此外采用外加20Hz或12.5Hz电源时，中性点接地方式和外加电源的内阻会影响保护的灵敏度。为了消除这种影响，新的改进的外加电源保护有采用电流突变量作为判据、引入电流平衡原理等方法，都不同程度地改善了保护的性能。中国电力联盟"x8S xs_y*k5P

2.5 新原理新技术在定子接地保护中的应用

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故障信息和故障特征的识别和处理是继电保护技术发展的基础，所以对这些故障信息和故障特征的发掘和利用则具有十分重要的意义。国内外继电保护的学者应用一些新原理新技术在定子接地保护方面做了深入的研究，并取得了较好的成果。具有代表性的有自适应原理、故障暂态分量原理及小波变换在定子接地保护中应用。    中国电力联盟_~_F!E_T8V&v_`1l9y

自适应原理通过实时跟踪发电机两侧电量的变化来进一步减小制动量，以提高保护的灵敏度。其中微机自适应式定子接地保护的发展引人注目，由于发电机运行工况的改变和系统振荡引起中性点和机端两侧的三次谐波电压及其比值的变化比较缓慢，微机强大的记忆功能和计算能力可以自动跟踪这种变化，采用两侧自适应三次谐波电压的向量比差作为主判据：，该保护的灵敏度比常规保护方案有了很大的提高。

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故障分量信号有低频和高频之分，其中故障工频分量原理的继电保护早已在实际中应用；而故障高频暂态信息在传统保护中被视为干扰而被滤掉，其实这些暂态信号包含大量的故障信息，通过检测这些高频信号构成保护是故障暂分量保护的出发点。基于故障暂态分量的定子接地保护充分利用中性点和机端故障分量的变化特征，进而作出具体的判据。由于利用的是暂态量，使这种保护不受过渡电阻、系统振荡等的影响，故具有较高的灵敏度。                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                           中国电力联盟-e z_?_P_L_V"c#f6P4X

小波变换作为一种数字信号处理方法具优有的时频聚焦能力和信号奇异检测能力，非常适合区分故障与正常情况下特征信息的变化方式。在定子单相接地时，机端和中性点零序电压和零序电流都会发生突变，小波分析对故障时的奇异信号做多分辨分析，将信号分解到不同的尺度上，而每个尺度分量反映原信号的不同频率成分，可以显示出故障信号的特征，利用零序电压和零序电流的小波变换模极大值的位置和符号的异同来判定故障。其优点是灵敏度较高，缺点是易受噪声干扰。中国电力联盟2y%H:E7G;W;G3Z_O_v t {

2.6 选择性定子接地保护中国电力联盟_{_NB8u_^

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对于扩大单元接线的发电机发生单相接地故障时，通常的保护方案不具备选择性，即无法选出故障机，也不能区分故障位于机内还是机外。当一台发电机发生接地故障时，母线上并联的所有发电机接地保护都会动作，将造成不必要的扩大停机。在这种情况下单相接地保护的选择性十分必要，目前具有选择性的定子接地保护有以下几种方案。

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方案一：将发电机中性点经电阻接地，适当增大接地故障电流，然后利用零序方向保护取得动作的选择性。这种做法可以实现保护的选择性，但人为增大了接地故障电流，对发电机定子铁芯不利，使本来轻微的定子接地故障恶化，保护出口也由发信号改为故障跳闸，因此，不是理想的保护方案。中国电力联盟_p.D_c_D d_F_E6y_a_^

方案二：行波零序功率方向保护。当一台发电机内部故障时，在故障初始半波期间，故障机与非故障机的行波零序功率符号相反；母线上故障时，各台发电机机端行波零序功率方向相同。故可通过检测机端零序功率的方向实现保护的选择性，但要完成这个工作以及相关的装置仍有很多困难。中国电力联盟"{_`%B ?+?6y_z

方案三：基于小波变换的选择性保护。信号的奇异检测理论描述了具有突变信号在何时发生突变以及变化程度，小波变换用模极大值的形式来刻划这一奇异性。具体到定子绕组单相接地，故障时各发电机中性点和机端零序电压和零序电流，用小波变换得到其模极大值。内部故障时，故障机与非故障机零序电流的小波变换模极大值极性相反，零序电压的模极大值极性相同；外部故障时，零序电流的小波变换模极大值极性相同。利用这个特点，可将小波变换作为选择性定子接地保护的一个较好的方案。

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一种方法是，将中性点和机端的零序电压与零序电流的小波变换模极大值的极性相与，由结果的正负来判别故障位于机内还是机外。另一种方法是，把零序电流的小波变换系数的差与和作为保护的动作量与制动量，通过判断，动作次数为n-1的为故障机（n为发电机的台数）。这种情况下当发电机只有两台时，还需另加其他判据。中国电力联盟_~d e_R7u$N-j_v_o

   这里介绍的是两种利用小波变换确定选择性保护的基本思想，然而小波变换只是一个分析工具，具体的保护方案还有很多。总之，这种基于小波变换的定子接地保护具有选择性，灵敏度高，是一种的较佳的保护思路。需要注意的是，该保护需要较高的采样率，且易受噪声的干扰。不过，笔者认为通过改善相关装置或采用可靠性更高的保护判据应该可以消除上述因素的影响。

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3 结论中国电力联盟g#B_V_d3i1d8K

发电机定子绕组接地的保护问题一直倍受人们的关注，随着相关理论和技术的发展，新的保护原理和方法不断涌现。本文对现有的研究成果进行了一个全面的分析和比较，对传统保护方法和新的保护方案均有涉及，并针对扩大单元接线方式的接地保护选择性比较困难这一问题，介绍了几种保护方案，着重讨论了小波变换在选择性保护中的应用，对于这种保护方法，还有待于通过大量的仿真或动模试验进行考核，验证其结果的选择性。

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