发电机定子匝间短路保护方案的研究_伍叶凯

发电机定子匝间短路保护方案的研究

伍叶凯

上海交通大学电力学院,200030　上海

邹东霞

上海发电设备成套设计研究所,200240　上海

STUDY ON PROTECTION SC HEME OF GENERATOR STATOR

TURN -TO -TURN FAULT

Wu Yekai

Shanghai Jiao to ng U niv ersity Shanghai,200030China

Zo u Do ngxia

Shanghai Po w er Equipment Research Institute

Shanghai,200240China

ABSTRACT This pa pe r a na ly ses the phase relatio n be-tw een fault co mponent o f genera to r termina l vo ltage and that of cur rent when the re a re v arious faults inside o r out-side g enera tor .A pr otection schem e is presented with its positiv e and inv er se directional element r espectiv ely using nega tiv e a nd positiv e sequence fa ult co mponent .The tw o dir ectional elements are coo pera ted both in v elocity and in sensitivity ,so that the pr otection is sensitiv e to internal fault and stay s secure to ex ter nal fault .

KEY WORDS Stato r tur n-to-turn sho rt circuit pro tectio n Po sitiv e dir ectional element Inv erse dir ec tional eleme nt 摘要　文章分析了发电机内、外部发生各种类型的故障时,机端突变量负序电压和负序电流以及突变量正序电压和正序电流之间的相位关系,提出了一种利用突变量负序方向元件构成正方向元件、突变量正序方向元件构成反方向元件的保护方案。正反方向元件在动作速度和灵敏度上相互配合,使保护在发电机内部故障时具有高灵敏度,外部故障时具有很高的安全性。

关键词　定子匝间短路保护　方向元件

1　引言

发电机的定子匝间短路对机组的安全运行危害

很大,目前普遍采用横差保护作为匝间短路主保护,

但横差保护的使用受到定子绕组接线形式的限制。本文提出一种新的定子匝间短路保护方案,其应用不受发电机结构的影响。

2　突变量负序电压和电流之间的相位关系

由于各种不对称因素的影响,发电机在正常运行时,机端电压和定子电流中都存在着或多或少的负序分量,但其突变量接近于零。当电流取自机端C T 、发电机内外部发生不同类型的故障时,负序突

变量ΔU 2和ΔI 2之间存在着如下所述的相位关系。2.1　发电机内部发生不对称故障

定子绕组发生故障时,可将故障后状态分解成

故障前正常运行状态和故障附加状态的叠加。故障附加状态如图1(a)和(b)所示,在故障点出现附加电

势ΔE

2,其值由故障前电压和故障边界条件决定。由图1(a )和(b)可知:ΔU 2=ΔI 2Z S 2,ΔU 2和ΔI 2

的相位关系如图1(c ),图1中H S 2是系统负序阻抗Z S 2的阻抗角。

(c )相量图

S2

ΔI 2

·

·

ΔU 2Z S 2ΔI 2

Z F2

Z F2

·

′

″

·

ΔE 2

ΔU 2

·

(b)横向故障

(a)纵向故障·

ΔU 2

ΔE 2

·

′

″

·

Z F 2

Z F 2ΔI 2

Z S 2→

图1　内部不对称故障时故障分量负序网和相量图

Fig .1　Negative -sequence network of fault component and vector diagram with internal non

-symmetrical f ault 2.2　发电机外部发生不对称故障

这时故障点出现附加电势ΔE 2,如图2(a )和(b )所示。

由图2(a )和(b)可知:ΔU

2=-ΔI 2Z F 2,ΔU 2和ΔI 2的相位关系见图2(c ),图2中H F 2为发电机负序阻抗Z F 2的阻抗角。

第22卷第9期1998年9月 电　网　技　术Po we r System T ech no lo gy

V ol.22N o.9

Sept.　1998

DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.1998.09.010

·

ΔI 2

·

(c)相量图

F2

-ΔI 2·

·

ΔU 2

Z S 2ΔI 2Z F2Z S 2

·

′

″

·

ΔE 2

ΔU 2

·

(b)横向故障

(a)纵向故障

·

ΔU 2

ΔE 2

·

′

″

·

Z F2

Z S 2

ΔI 2

Z S2

→

图2　外部不对称故障时故障分量负序网和相量图

Fig .2　Negat ive -sequence network of f ault component and vector diagram with external non -symmetrical fault

综上所述,当发电机内部发生各种不对称故障时,a rg ΔU 2ΔI 2

=H S 2<90

;而在外部发生各种不对称

故障时,arg ΔU 2ΔI 2

=180

+H F 2。

3　突变量正序电压和电流之间的相位关系

类似于前文的分析,可得如下结论:当发电机内

部发生各种故障时,arg ΔU

1ΔI

1=H S 1,H S 1为系统的正

序阻抗角;当外部发生各种故障时,arg ΔU 1ΔI

1=180

+H F 1,其中H F 1为发电机的正序阻抗角。

4　保护方案

由于被保护对象为发电机,故假定发电机的内部故障为正方向故障,外部故障为反方向故障,电流取自机端C T ,规定电流正方向是从发电机流出。4.1　正反方向元件的设置

利用突变量负序电压和电流来设置一个正方向元件F +,其动作判据为:

-90

≤arg ΔU 2

ΔI 2Z d 2

≤90

(1) |ΔU 2|>K Z

(2)

式中　Z d 2为负序模拟阻抗,取Z d 2的阻抗角与系统的负序阻抗角相等,K Z 为突变量负序电压的门槛值,按躲过发电机正常运行时突变量负序电压的最大不平衡输出来整定。式(1)为主判据,式(2)为辅助判据(用于防止CT 断线时保护误动),两式同时满足时正方向元件F +动作。

当发电机内部发生各种不对称故障时,a rg ΔU 2ΔI 2Z d 2=arg ΔI 2Z S 2ΔI 2Z d 2=arg Z S 2Z

d 2≈0

,主判据成立,

F +动作;在发电机外部发生各种不对称故障时,

a rg ΔU 2ΔI 2Z d 2=a rg -ΔI 2Z F 2ΔI 2Z d 2=a rg -Z F 2Z d 2≈180

,主判

据不成立,F +可靠不动。因此,正方向元件具有明确

的方向性。

再利用突变量正序电压和电流来设置一个反方向元件F -,其动作判据为

-90 ≤arg ΔU 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1

≤90

(3)

式中　Z d 1为正序模拟阻抗,按系统正序阻抗的20%～30%整定。电压回路引入电流补偿,目的是提高发电机外部(尤其是远离发电机)故障时的灵敏度。当发电机外部发生各种类型故障时,

arg ΔU 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1=arg -ΔI 1Z F 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1

=arg Z F 1+Z d 1Z d 1

≈0

,F -动作;

当发电机内部发生各种类型故障时,

arg ΔU 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1=arg ΔI 1Z S 1-ΔI 1Z d 1-ΔI 1Z d 1

=arg Z S 1-Z d 1-Z d 1

≈180

,F -可靠不

动。可见反方向元件在发电机内外部发生各种类型故障时,也具有明确的方向性,且不受过渡电阻与串补电容的影响。4.2　起动元件的设置

发电机正常运行时,理论上ΔU

2和ΔI 2等于零,但实际上由于测量、转换、滤波和滤序等环节的误差,在系统振荡及频率偏移时,有可能出现虚假突变

量ΔU

2和ΔI 2(另外PT 断线时也会出现ΔU 2),它们之间的相位是随机的,可能引起保护误动,因此设置一个起动元件,其动作判据为 ΔI 1> 1.125ΔI 1T +I 1QD

(4)

式中　I 1QD 为起动元件的固定门槛,按躲过正常运行时突变量正序电流的最大不平衡输出来整定。

ΔI 1T 为浮动门槛,取自一周波前正序电流突变量的最大不平衡输出。起动元件动作后才投入正反方向元件。

4.3　正反方向元件的配合

正反方向元件按图3所示相配合,图中的0/t 为

41

第22卷第9期

电　网　技　术