發(fā)電機定子繞組單相接地保護方案綜述

1前言

定子繞組單相接地故障是發(fā)電機較常見的故障，其目的往往是更嚴重的繞組內部故障的前兆，因此定子接地保護具有重要意義。目前，實際應用中成熟的定子接地保護包括基波零序電壓保護、三次諧波電壓保護及其組合。外發(fā)電機的中性點大部分通過高阻接地，大部分由外接電源保護。近十年來微機保護的快速發(fā)展，為新保護原理的發(fā)展提供了強大的硬件平臺和廣闊的軟件空間。其中，基于自適應技術、故障分量原理和小波變換的保護較為突出，有力地推動了單相接地保護技術的發(fā)展。

機組接線擴大的發(fā)電機定子接地保護急需一種選擇性保護方案。由于零序方向保護的缺陷以及基于行波原理的保護在理論和技術上還不夠成熟，將小波變換應用于選擇性定子接地保護具有重要意義。

2定子繞組單相接地保護方案

發(fā)電機定子繞組單相接地時，具有以下特點：內部接地時，流經(jīng)接地點的電流為發(fā)電機所在電壓網(wǎng)對地電容電流之和，故障點零序電壓隨故障點位置變化而變化；外部接地故障時，零序電流僅包括發(fā)電機本身對地電容電流。這些故障信息對接地保護非常重要。以下是一些定子接地保護方法。

2.1零序電流定子接地保護

根據(jù)單相接地故障的特點，直接接母線的發(fā)電機內部接地時，外部元件對地電容較大，接地電流增大超過允許值，這是零序電流接地保護的動作閾值。這種保護原理簡單，接線容易。但是發(fā)電機在中性點附近接地時，接地電流很小，保護不會工作，所以零序電流保護有一定的死區(qū)。

2.2基波零序電壓定子接地保護

發(fā)電機定子繞組發(fā)生單相接地時(其中A遠離中性點)，定子回路中各點的零序電壓也與其他兩相故障有關。由此可見，單相接地時零序電壓U0= Eph，Eph為故障相電動勢，可作為保護動作參數(shù)。基波零序電壓可在機器端或中性點獲得。發(fā)電機中性點經(jīng)配電干式變壓器接地時，基波零序電壓可取自配電干式變壓器的二次電壓。

這種保護主要用于發(fā)電機干式變壓器組的接線方式，其突出的優(yōu)點是即使在單相接地電流很小時也能使用。但由于發(fā)電機中性點的位移電壓，保護在中性點附近不可避免地存在死區(qū)，通過過渡電阻接地時靈敏度不高。

2.3三次諧波電壓型定子接地保護

發(fā)電機正常運行時，中性點的三次諧波電壓大于發(fā)電機端的三次諧波電壓，而當中性點附近發(fā)生接地故障時，發(fā)電機端的三次諧波電壓增大，中性點的三次諧波電壓減小。三次諧波電壓型定子接地保護是利用單相接地故障前后發(fā)電機中性點和末端三次諧波電壓變化的特點構成的。

一般來說，由三次諧波電壓組成的保護動作判據(jù)有兩種。一種是由機器一側或中性點的三次諧波電壓構成的保護，其判據(jù)為#p#分頁標題#e#

此外，基波零序電壓保護可以保護85% ~ 95%范圍內的定子繞組，故障點越靠近機端，保護靈敏度越高。三次諧波電壓保護是指故障點越靠近中性點，保護的靈敏度越高。因此，通過兩者的結合，可以實現(xiàn)100%的定子繞組接地保護。這種保護方案在內外得到了廣泛的應用，但其不足之處在于靈敏度不夠，尤其是對于水輪發(fā)電機。

2.4外部電源定子接地保護

在這種類型的保護中，發(fā)電機的定子電路和地之間增加了一個信號電源。正常運行時，該信號電源產生的電流很少或沒有，當發(fā)生接地故障時，會產生相應頻率的接地電流，使保護動作。目前外部電源包括西門子采用的20Hz低頻電源和ABB公司采用的12.5Hz信號電源等。這兩種信號源通過編碼間歇注入定子電路。這種保護對電源的可靠性和性能要求很高，設備的現(xiàn)場調試復雜且昂貴。但是，它的優(yōu)勢非常明顯。可完成100%定子接地保護，靈敏度高，對絕緣老化起監(jiān)督作用，對發(fā)電機停機狀態(tài)、啟停和運行過程起保護作用，應用前景廣闊。

此外，當使用外部20Hz或12.5Hz電源時，中性接地方式和外部電源的內阻會影響保護的靈敏度。為了消除這種影響，新的和改進的外部電源保護采用了電流突變?yōu)榕袚?jù)，并引入了電流平衡原理，都不同程度地提高了保護性能。

2.5定子接地保護新原理和新技術的應用

故障信息和故障特征的識別和處理是繼電保護技術發(fā)展的基礎，因此探索和利用這些故障信息和故障特征具有重要意義。內外學者應用一些新的原理和技術對定子接地保護進行了深入的研究，并取得了良好的效果。代表性的有自適應原理、故障暫態(tài)分量原理和小波變換在定子接地保護中的應用。

自適應原理通過實時跟蹤發(fā)電機兩側電量的變化，可以進一步減小制動量，從而提高保護的靈敏度。微型計算機

自適應式定子接地保護的發(fā)展引人注目，由于發(fā)電機運行工況的改變和系統(tǒng)振蕩引起中性點和機端兩側的三次諧波電壓及其比值的變化比較緩慢，微機強大的記憶功能和計算能力可以自動跟蹤這種變化，采用兩側自適應三次諧波電壓的向量比差作為主判據(jù)：，該保護的靈敏度比常規(guī)保護方案有了很大的提高。#p#分頁標題#e#

故障分量信號有低頻和高頻之分，其中故障工頻分量原理的繼電保護早已在實際中應用；而故障高頻暫態(tài)信息在傳統(tǒng)保護中被視為干擾而被濾掉，其實這些暫態(tài)信號包含大量的故障信息，通過檢測這些高頻信號構成保護是故障暫分量保護的出發(fā)點。基于故障暫態(tài)分量的定子接地保護充分利用中性點和機端故障分量的變化特征，進而作出具體的判據(jù)。由于利用的是暫態(tài)量，使這種保護不受過渡電阻、系統(tǒng)振蕩等的影響，故具有較高的靈敏度。

小波變換作為一種數(shù)字信號處理方法具優(yōu)有的時頻聚焦能力和信號奇異檢測能力，非常適合區(qū)分故障與正常情況下特征信息的變化方式。在定子單相接地時，機端和中性點零序電壓和零序電流都會發(fā)生突變，小波分析對故障時的奇異信號做多分辨分析，將信號分解到不同的尺度上，而每個尺度分量反映原信號的不同頻率成分，可以顯示出故障信號的特征，利用零序電壓和零序電流的小波變換模極大值的位置和符號的異同來判定故障。其優(yōu)點是靈敏度較高，缺點是易受噪聲干擾。

2.6選擇性定子接地保護

對于擴大單元接線的發(fā)電機發(fā)生單相接地故障時，通常的保護方案不具備選擇性，即無法選出故障機，也不能區(qū)分故障位于機內還是機外。當一臺發(fā)電機發(fā)生接地故障時，母線上并聯(lián)的所有發(fā)電機接地保護都會動作，將造成不必要的擴大停機。在這種情況下單相接地保護的選擇性十分必要，目前具有選擇性的定子接地保護有以下幾種方案。

方案一：將發(fā)電機中性點經(jīng)電阻接地，適當增大接地故障電流，然后利用零序方向保護取得動作的選擇性。這種做法可以實現(xiàn)保護的選擇性，但人為增大了接地故障電流，對發(fā)電機定子鐵芯不利，使本來輕微的定子接地故障惡化，保護出口也由發(fā)信號改為故障跳閘，因此，不是理想的保護方案。

方案二：行波零序功率方向保護。當一臺發(fā)電機內部故障時，在故障初始半波期間，故障機與非故障機的行波零序功率符號相反；母線上故障時，各臺發(fā)電機機端行波零序功率方向相同。故可通過檢測機端零序功率的方向實現(xiàn)保護的選擇性，但要完成這個工作以及相關的裝置仍有很多困難。

方案三：基于小波變換的選擇性保護。信號的奇異檢測理論描述了具有突變信號在何時發(fā)生突變以及變化程度，小波變換用模極大值的形式來刻劃這一奇異性。具體到定子繞組單相接地，故障時各發(fā)電機中性點和機端零序電壓和零序電流，用小波變換得到其模極大值。內部故障時，故障機與非故障機零序電流的小波變換模極大值極性相反，零序電壓的模極大值極性相同；外部故障時，零序電流的小波變換模極大值極性相同。利用這個特點，可將小波變換作為選擇性定子接地保護的一個較好的方案。#p#分頁標題#e#

一種方法是，將中性點和機端的零序電壓與零序電流的小波變換模極大值的極性相與，由結果的正負來判別故障位于機內還是機外。另一種方法是，把零序電流的小波變換系數(shù)的差與和作為保護的動作量與制動量，通過判斷，動作次數(shù)為n-1的為故障機（n為發(fā)電機的臺數(shù)）。這種情況下當發(fā)電機只有兩臺時，還需另加其他判據(jù)。

這里介紹的是兩種利用小波變換確定選擇性保護的基本思想，然而小波變換只是一個分析工具，具體的保護方案還有很多。總之，這種基于小波變換的定子接地保護具有選擇性，靈敏度高，是一種的較佳的保護思路。需要注意的是，該保護需要較高的采樣率，且易受噪聲的干擾。不過，筆者認為通過改善相關裝置或采用可靠性更高的保護判據(jù)應該可以消除上述因素的影響。

3結論

發(fā)電機定子繞組接地的保護問題一直倍受人們的關注，隨著相關理論和技術的發(fā)展，新的保護原理和方法不斷涌現(xiàn)。本文對現(xiàn)有的研究成果進行了一個全面的分析和比較，對傳統(tǒng)保護方法和新的保護方案均有涉及，并針對擴大單元接線方式的接地保護選擇性比較困難這一問題，介紹了幾種保護方案，著重討論了小波變換在選擇性保護中的應用，對于這種保護方法，還有待于通過大量的仿真或動模試驗進行考核，驗證其結果的選擇性。

參考文獻

[1]王維儉。電氣主設備繼電保護原理與應用。北京：中電力出版社，1996

[2]賀家李，宋從矩。電力系統(tǒng)繼電保護原理。北京：中電力出版社，2004

[3]畢大強。大型水輪發(fā)電機定子繞組單相接地故障及保護方案的研究.[博士學位論文],清華大學,2003

[4]邰能靈，吳宏嘵。基于小波變換的定子選擇性發(fā)電機100定子單相接地保護方案。中電機工程學報。2004，24(11)：12-16

[5]任震。小波分析及其在電力系統(tǒng)中的應用。北京：中電力出版社，2003

[6]萬慧，吳濟安，陸于平。新型數(shù)字式發(fā)電機定子接地保護的研究。電力自動化設備，2002,22(11)：7-10

[7]畢大強，王祥珩，桂林，王維儉。基于零序電壓故障暫態(tài)分量的發(fā)電機定子單相接地保護方案研究[J]。中電機工程學報，2003，23(11)：39-44.

[8]蘇洪波，尹項根，陳德樹。微機自適應式發(fā)電機定子接地保護的研究。電網(wǎng)技術，1996，20(11)：59-61，67

來源：中電力網(wǎng)