1前言

定子繞組單相接地故障是發(fā)電機(jī)較常見的故障，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)大部分通過高阻接地，大部分由外接電源保護(hù)。近十年來微機(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)本身對地電容電流。這些故障信息對接地保護(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(hù)的動(dòng)作閾值。這種保護(hù)原理簡單，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，單相接地時(shí)零序電壓U0= Eph，Eph為故障相電動(dòng)勢，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)，通過過渡電阻接地時(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。

一般來說，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)信號電源。正常運(yùn)行時(shí)，該信號電源產(chǎn)生的電流很少或沒有，當(dāng)發(fā)生接地故障時(shí)，會產(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(hù)對電源的可靠性和性能要求很高，設(shè)備的現(xiàn)場調(diào)試復(fù)雜且昂貴。但是，它的優(yōu)勢非常明顯?？赏瓿?00%定子接地保護(hù)，靈敏度高，對絕緣老化起監(jiān)督作用，對發(fā)電機(jī)停機(jī)狀態(tài)、啟停和運(yùn)行過程起保護(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#分頁標(biāo)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(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)信號包含大量的故障信息，通過檢測這些高頻信號構(gòu)成保護(hù)是故障暫分量保護(hù)的出發(fā)點(diǎn)?；诠收蠒簯B(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(shí)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(shí)，機(jī)端和中性點(diǎn)零序電壓和零序電流都會發(fā)生突變，小波分析對故障時(shí)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(gè)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(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，對發(fā)電機(jī)定子鐵芯不利，使本來輕微的定子接地故障惡化，保護(hù)出口也由發(fā)信號改為故障跳閘，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相反；母線上故障時(shí)，各臺發(fā)電機(jī)機(jī)端行波零序功率方向相同。故可通過檢測機(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)。信號的奇異檢測理論描述了具有突變信號在何時(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)的臺數(shù)）。這種情況下當(dāng)發(fā)電機(jī)只有兩臺時(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?？傊@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，筆者認(rèn)為通過改善相關(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)。本文對現(xiàn)有的研究成果進(jìn)行了一個(gè)全面的分析和比較，對傳統(tǒng)保護(hù)方法和新的保護(hù)方案均有涉及，并針對擴(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，對于這種保護(hù)方法，還有待于通過大量的仿真或動(dòng)模試驗(yàn)進(jìn)行考核，驗(yàn)證其結(jié)果的選擇性。

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來源：中電力網(wǎng)