1前言

定子繞組單相接地故障是發(fā)電機(jī)較常見(jiàn)的故障，其目的往往是更嚴(yán)重的繞組內(nèi)部故障的前兆，因此定子接地保護(hù)具有重要意義。目前，實(shí)際應(yīng)用中成熟的定子接地保護(hù)包括基波零序電壓保護(hù)、三次諧波電壓保護(hù)及其組合。外發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)大部分通過(guò)高阻接地，大部分由外接電源保護(hù)。近十年來(lái)微機(jī)保護(hù)的快速發(fā)展，為新保護(hù)原理的發(fā)展提供了強(qiáng)大的硬件平臺(tái)和廣闊的軟件空間。其中，基于自適應(yīng)技術(shù)、故障分量原理和小波變換的保護(hù)較為突出，有力地推動(dòng)了單相接地保護(hù)技術(shù)的發(fā)展。

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

2定子繞組單相接地保護(hù)方案

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

2.1零序電流定子接地保護(hù)

根據(jù)單相接地故障的特點(diǎn)，直接接母線的發(fā)電機(jī)內(nèi)部接地時(shí)，外部元件對(duì)地電容較大，接地電流增大超過(guò)允許值，這是零序電流接地保護(hù)的動(dòng)作閾值。這種保護(hù)原理簡(jiǎn)單，接線容易。但是發(fā)電機(jī)在中性點(diǎn)附近接地時(shí)，接地電流很小，保護(hù)不會(huì)工作，所以零序電流保護(hù)有一定的死區(qū)。

2.2基波零序電壓定子接地保護(hù)

發(fā)電機(jī)定子繞組發(fā)生單相接地時(shí)(其中A遠(yuǎn)離中性點(diǎn))，定子回路中各點(diǎn)的零序電壓也與其他兩相故障有關(guān)。由此可見(jiàn)，單相接地時(shí)零序電壓U0= Eph，Eph為故障相電動(dòng)勢(shì)，可作為保護(hù)動(dòng)作參數(shù)。基波零序電壓可在機(jī)器端或中性點(diǎn)獲得。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電干式變壓器接地時(shí)，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(hù)主要用于發(fā)電機(jī)干式變壓器組的接線方式，其突出的優(yōu)點(diǎn)是即使在單相接地電流很小時(shí)也能使用。但由于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的位移電壓，保護(hù)在中性點(diǎn)附近不可避免地存在死區(qū)，通過(guò)過(guò)渡電阻接地時(shí)靈敏度不高。

2.3三次諧波電壓型定子接地保護(hù)

發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，中性點(diǎn)的三次諧波電壓大于發(fā)電機(jī)端的三次諧波電壓，而當(dāng)中性點(diǎn)附近發(fā)生接地故障時(shí)，發(fā)電機(jī)端的三次諧波電壓增大，中性點(diǎn)的三次諧波電壓減小。三次諧波電壓型定子接地保護(hù)是利用單相接地故障前后發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和末端三次諧波電壓變化的特點(diǎn)構(gòu)成的。

一般來(lái)說(shuō)，由三次諧波電壓組成的保護(hù)動(dòng)作判據(jù)有兩種。一種是由機(jī)器一側(cè)或中性點(diǎn)的三次諧波電壓構(gòu)成的保護(hù)，其判據(jù)為#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

此外，基波零序電壓保護(hù)可以保護(hù)85% ~ 95%范圍內(nèi)的定子繞組，故障點(diǎn)越靠近機(jī)端，保護(hù)靈敏度越高。三次諧波電壓保護(hù)是指故障點(diǎn)越靠近中性點(diǎn)，保護(hù)的靈敏度越高。因此，通過(guò)兩者的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)100%的定子繞組接地保護(hù)。這種保護(hù)方案在內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用，但其不足之處在于靈敏度不夠，尤其是對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)。

2.4外部電源定子接地保護(hù)

在這種類型的保護(hù)中，發(fā)電機(jī)的定子電路和地之間增加了一個(gè)信號(hào)電源。正常運(yùn)行時(shí)，該信號(hào)電源產(chǎn)生的電流很少或沒(méi)有，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)頻率的接地電流，使保護(hù)動(dòng)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(hào)電源等。這兩種信號(hào)源通過(guò)編碼間歇注入定子電路。這種保護(hù)對(duì)電源的可靠性和性能要求很高，設(shè)備的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試復(fù)雜且昂貴。但是，它的優(yōu)勢(shì)非常明顯。可完成100%定子接地保護(hù)，靈敏度高，對(duì)絕緣老化起監(jiān)督作用，對(duì)發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)、啟停和運(yùn)行過(guò)程起保護(hù)作用，應(yīng)用前景廣闊。

此外，當(dāng)使用外部20Hz或12.5Hz電源時(shí)，中性接地方式和外部電源的內(nèi)阻會(huì)影響保護(hù)的靈敏度。為了消除這種影響，新的和改進(jìn)的外部電源保護(hù)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(hù)性能。

2.5定子接地保護(hù)新原理和新技術(shù)的應(yīng)用

故障信息和故障特征的識(shí)別和處理是繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，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(nèi)外學(xué)者應(yīng)用一些新的原理和技術(shù)對(duì)定子接地保護(hù)進(jìn)行了深入的研究，并取得了良好的效果。代表性的有自適應(yīng)原理、故障暫態(tài)分量原理和小波變換在定子接地保護(hù)中的應(yīng)用。

自適應(yīng)原理通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤發(fā)電機(jī)兩側(cè)電量的變化，可以進(jìn)一步減小制動(dòng)量，從而提高保護(hù)的靈敏度。微型計(jì)算機(jī)

自適應(yīng)式定子接地保護(hù)的發(fā)展引人注目，由于發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況的改變和系統(tǒng)振蕩引起中性點(diǎn)和機(jī)端兩側(cè)的三次諧波電壓及其比值的變化比較緩慢，微機(jī)強(qiáng)大的記憶功能和計(jì)算能力可以自動(dòng)跟蹤這種變化，采用兩側(cè)自適應(yīng)三次諧波電壓的向量比差作為主判據(jù)：，該保護(hù)的靈敏度比常規(guī)保護(hù)方案有了很大的提高。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

故障分量信號(hào)有低頻和高頻之分，其中故障工頻分量原理的繼電保護(hù)早已在實(shí)際中應(yīng)用；而故障高頻暫態(tài)信息在傳統(tǒng)保護(hù)中被視為干擾而被濾掉，其實(shí)這些暫態(tài)信號(hào)包含大量的故障信息，通過(guò)檢測(cè)這些高頻信號(hào)構(gòu)成保護(hù)是故障暫分量保護(hù)的出發(fā)點(diǎn)。基于故障暫態(tài)分量的定子接地保護(hù)充分利用中性點(diǎn)和機(jī)端故障分量的變化特征，進(jìn)而作出具體的判據(jù)。由于利用的是暫態(tài)量，使這種保護(hù)不受過(guò)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(hào)處理方法具優(yōu)有的時(shí)頻聚焦能力和信號(hào)奇異檢測(cè)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(shí)，機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓和零序電流都會(huì)發(fā)生突變，小波分析對(duì)故障時(shí)的奇異信號(hào)做多分辨分析，將信號(hào)分解到不同的尺度上，而每個(gè)尺度分量反映原信號(hào)的不同頻率成分，可以顯示出故障信號(hào)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(hào)的異同來(lái)判定故障。其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度較高，缺點(diǎn)是易受噪聲干擾。

2.6選擇性定子接地保護(hù)

對(duì)于擴(kuò)大單元接線的發(fā)電機(jī)發(fā)生單相接地故障時(shí)，通常的保護(hù)方案不具備選擇性，即無(wú)法選出故障機(jī)，也不能區(qū)分故障位于機(jī)內(nèi)還是機(jī)外。當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)發(fā)生接地故障時(shí)，母線上并聯(lián)的所有發(fā)電機(jī)接地保護(hù)都會(huì)動(dòng)作，將造成不必要的擴(kuò)大停機(jī)。在這種情況下單相接地保護(hù)的選擇性十分必要，目前具有選擇性的定子接地保護(hù)有以下幾種方案。

方案一：將發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)電阻接地，適當(dāng)增大接地故障電流，然后利用零序方向保護(hù)取得動(dòng)作的選擇性。這種做法可以實(shí)現(xiàn)保護(hù)的選擇性，但人為增大了接地故障電流，對(duì)發(fā)電機(jī)定子鐵芯不利，使本來(lái)輕微的定子接地故障惡化，保護(hù)出口也由發(fā)信號(hào)改為故障跳閘，因此，不是理想的保護(hù)方案。

方案二：行波零序功率方向保護(hù)。當(dāng)一臺(tái)發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)，在故障初始半波期間，故障機(jī)與非故障機(jī)的行波零序功率符號(hào)相反；母線上故障時(shí)，各臺(tái)發(fā)電機(jī)機(jī)端行波零序功率方向相同。故可通過(guò)檢測(cè)機(jī)端零序功率的方向?qū)崿F(xiàn)保護(hù)的選擇性，但要完成這個(gè)工作以及相關(guān)的裝置仍有很多困難。

方案三：基于小波變換的選擇性保護(hù)。信號(hào)的奇異檢測(cè)理論描述了具有突變信號(hào)在何時(shí)發(fā)生突變以及變化程度，小波變換用模極大值的形式來(lái)刻劃這一奇異性。具體到定子繞組單相接地，故障時(shí)各發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)和機(jī)端零序電壓和零序電流，用小波變換得到其模極大值。內(nèi)部故障時(shí)，故障機(jī)與非故障機(jī)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(shí)，零序電流的小波變換模極大值極性相同。利用這個(gè)特點(diǎn)，可將小波變換作為選擇性定子接地保護(hù)的一個(gè)較好的方案。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

一種方法是，將中性點(diǎn)和機(jī)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(jié)果的正負(fù)來(lái)判別故障位于機(jī)內(nèi)還是機(jī)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(hù)的動(dòng)作量與制動(dòng)量，通過(guò)判斷，動(dòng)作次數(shù)為n-1的為故障機(jī)（n為發(fā)電機(jī)的臺(tái)數(shù)）。這種情況下當(dāng)發(fā)電機(jī)只有兩臺(tái)時(shí)，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(hù)的基本思想，然而小波變換只是一個(gè)分析工具，具體的保護(hù)方案還有很多。總之，這種基于小波變換的定子接地保護(hù)具有選擇性，靈敏度高，是一種的較佳的保護(hù)思路。需要注意的是，該保護(hù)需要較高的采樣率，且易受噪聲的干擾。不過(guò)，筆者認(rèn)為通過(guò)改善相關(guān)裝置或采用可靠性更高的保護(hù)判據(jù)應(yīng)該可以消除上述因素的影響。

3結(jié)論

發(fā)電機(jī)定子繞組接地的保護(hù)問(wèn)題一直倍受人們的關(guān)注，隨著相關(guān)理論和技術(shù)的發(fā)展，新的保護(hù)原理和方法不斷涌現(xiàn)。本文對(duì)現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行了一個(gè)全面的分析和比較，對(duì)傳統(tǒng)保護(hù)方法和新的保護(hù)方案均有涉及，并針對(duì)擴(kuò)大單元接線方式的接地保護(hù)選擇性比較困難這一問(wèn)題，介紹了幾種保護(hù)方案，著重討論了小波變換在選擇性保護(hù)中的應(yīng)用，對(duì)于這種保護(hù)方法，還有待于通過(guò)大量的仿真或動(dòng)模試驗(yàn)進(jìn)行考核，驗(yàn)證其結(jié)果的選擇性。

參考文獻(xiàn)

[1]王維儉。電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)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(hù)原理。北京：中電力出版社，2004

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

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

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

[6]萬(wàn)慧，吳濟(jì)安，陸于平。新型數(shù)字式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的研究。電力自動(dòng)化設(shè)備，2002,22(11)：7-10

[7]畢大強(qiáng)，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(jī)定子單相接地保護(hù)方案研究[J]。中電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2003，23(11)：39-44.

[8]蘇洪波，尹項(xiàng)根，陳德樹。微機(jī)自適應(yīng)式發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的研究。電網(wǎng)技術(shù)，1996，20(11)：59-61，67

來(lái)源：中電力網(wǎng)