發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)運(yùn)行問(wèn)題的探討

1制動(dòng)電流選擇原則在世界上，傳統(tǒng)的傾斜補(bǔ)償法廣泛應(yīng)用于發(fā)電等主要電氣設(shè)備中。在實(shí)際運(yùn)行中,發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)存在誤動(dòng)的情況,誤動(dòng)的主要原因之一是電流互感器(CT)在外部短路暫態(tài)過(guò)程中的飽和效應(yīng)造成不平衡電流增大,制動(dòng)電流變小。選擇較大的制動(dòng)電流可以保證外部故障時(shí)制動(dòng)電流維持在較高的水平,但是這不可避免地會(huì)影響內(nèi)部故障時(shí)的靈敏度。文獻(xiàn)從提高差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性出發(fā),提出首先對(duì)內(nèi)部故障和外部故障的可能性做出判斷,然后根據(jù)判斷結(jié)果選擇不同的動(dòng)作判據(jù),有效提高了保護(hù)的性能。本文根據(jù)內(nèi)部故障和外部故障時(shí)故障電流特性的不同,使用1/4數(shù)據(jù)窗小矢量方法,在故障剛開(kāi)始1/4周期內(nèi)對(duì)故障性質(zhì)做出初步判斷。然后根據(jù)不同的故障狀態(tài)選擇合適的制動(dòng)電流,在可能發(fā)生外部故障時(shí),有效提高制動(dòng)電流,使差動(dòng)保護(hù)有更好的抗電流互感器飽和能力,做到外部故障不誤動(dòng);在可能發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),選擇更合理的小制動(dòng)電流,提高發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)的靈敏度。2u3000數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)差動(dòng)保護(hù)的典型動(dòng)作判據(jù)為差動(dòng)電流制動(dòng)電流動(dòng)作判據(jù)式中1I,2I——兩側(cè)電流相量(1I是發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)電流,以流入端子為正方向,2I是機(jī)端電流,以流出端子為正方向)Kres——比率制動(dòng)式縱差保護(hù)的制動(dòng)系數(shù)比率制動(dòng)式發(fā)電機(jī)縱差保護(hù)在運(yùn)行中主要有以下兩個(gè)問(wèn)題:(1)電流互感器(CT)飽和問(wèn)題。發(fā)電機(jī)的縱差保護(hù)所用互感器一般為保護(hù)(p)級(jí),互感器的正確選型設(shè)計(jì)能夠保證在穩(wěn)態(tài)額定準(zhǔn)確限值的一次電流下保持復(fù)合誤差不超過(guò)10%(10p級(jí))或5%(5p級(jí))。在外部短路的過(guò)程中,差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)電流I1、I2將會(huì)迅速增大,伴隨工頻交流的非周期分量電流將使差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)互感器飽和,造成縱差保護(hù)不平衡電流Id增大,與此同時(shí)制動(dòng)電流Ires卻因互感器飽和而減小,構(gòu)成了差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作的基本條件。(2)內(nèi)部故障時(shí)流出電流問(wèn)題。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附近發(fā)生小匝數(shù)相間短路或匝間短路時(shí),三相繞組其余的大部分是正常的,其中I2可能具有明顯的負(fù)荷電流性質(zhì),即I2相對(duì)于I1可能是流出電流;另外短路環(huán)的磁動(dòng)勢(shì)將在相鄰繞組中依靠互感產(chǎn)生感應(yīng)電流,這些感應(yīng)電流與一次電流之間的相位關(guān)系,可能呈現(xiàn)外部短路的電流相位特征,這就使比率制動(dòng)縱差保護(hù)的差動(dòng)電流Id減小,降低內(nèi)部短路時(shí)保護(hù)動(dòng)作的靈敏度,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生差動(dòng)保護(hù)拒動(dòng)的情況。因此,如果能夠根據(jù)電流互感器的傳變特性,在電流互感器飽和前就能對(duì)故障位置做出初步判斷,在可能發(fā)生外部故障時(shí),有效提高制動(dòng)電流,使差動(dòng)保護(hù)有更好的抗電流互感器飽和能力,做到外部故障不誤動(dòng);在可能發(fā)生內(nèi)部故障時(shí),選擇更合理的小制動(dòng)電流,提高發(fā)電機(jī)內(nèi)部故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)的靈敏度,對(duì)提高縱差保護(hù)的運(yùn)行性能有重大意義。3時(shí)差法分區(qū)比較近幾年,美國(guó)通用電氣公司提出了一種新的數(shù)字濾波算法——小矢量算法,它以采樣值作為傅里葉算法的部分和,不需要半波整數(shù)倍的數(shù)據(jù)窗。可以用任何長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)窗的采樣點(diǎn)來(lái)計(jì)算原始信號(hào)的幅值和相角。在小矢量算法中,設(shè)每個(gè)采樣周期的采樣點(diǎn)數(shù)為N,每個(gè)小矢量的采樣點(diǎn)數(shù)為q,即每個(gè)采樣周期有N/q個(gè)小矢量。第p個(gè)量的實(shí)部和虛部分別為式中Xk——輸入信號(hào)的第k個(gè)采樣小矢量計(jì)算是一個(gè)加權(quán)求和的過(guò)程,上述求得的小矢量乘上一個(gè)系數(shù)矩陣以后就可以轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的相量。在外部故障時(shí),短路電流中存在很大的非周期分量和諧波分量,引起CT飽和,從而使傳變到二次側(cè)的電流波形發(fā)生畸變。由于兩側(cè)CT暫態(tài)響應(yīng)的差異,將有較大的差流存在。研究結(jié)果表明,CT飽和可能出現(xiàn)在短路后6~150ms,即短路發(fā)生后,暫態(tài)短路電流并不能立即使CT產(chǎn)生飽和,這段時(shí)間的長(zhǎng)短與非周期分量的大小有關(guān)。利用這個(gè)特點(diǎn),1/4數(shù)據(jù)窗小矢量算法通過(guò)1/4周期的采樣點(diǎn)來(lái)判定故障性質(zhì),可有效抑制區(qū)外故障CT暫態(tài)響應(yīng)不一致對(duì)差動(dòng)保護(hù)的影響。此外,無(wú)論是內(nèi)部故障還是外部故障,都可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)兩側(cè)電流迅速增加,從而引起差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)電流互感器飽和。為了防止外部故障時(shí)CT飽和引起的差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作,必須選擇較大的制動(dòng)電流;同時(shí)為了不影響內(nèi)部故障的動(dòng)作靈敏度,在內(nèi)部故障時(shí)必須選擇較小的制動(dòng)電流。因此有必要在故障發(fā)生后,對(duì)故障性質(zhì)做出初步的判斷,據(jù)此選擇合理的制動(dòng)電流,提高差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作性能。小矢量算法提供了一個(gè)較好的工具。如當(dāng)外部故障時(shí),在故障開(kāi)始1/4周期內(nèi),暫態(tài)短路電流尚未使電流互感器飽和,兩側(cè)電流小矢量大小比較接近;內(nèi)部故障時(shí),兩側(cè)電流小矢量大小差別較大。因此對(duì)故障剛開(kāi)始1/4周期內(nèi)的兩側(cè)電流小矢量進(jìn)行比較,就可以對(duì)是否發(fā)生內(nèi)部故障或外部故障做出初步判斷。為了防止外部故障時(shí)由CT飽和引起的誤動(dòng),也可以采用時(shí)差法。時(shí)差法通過(guò)比較檢測(cè)故障發(fā)生時(shí)刻和差流出現(xiàn)時(shí)刻是否同步來(lái)判別區(qū)內(nèi)區(qū)外故障,應(yīng)用時(shí)差法的技術(shù)關(guān)鍵是準(zhǔn)確定位故障發(fā)生的時(shí)刻和差流出現(xiàn)的時(shí)刻,但當(dāng)區(qū)外發(fā)生嚴(yán)重故障且電流互感器很快飽和時(shí)故障發(fā)生和差流出現(xiàn)的時(shí)差將很微小,此時(shí)若定位出現(xiàn)微小偏差,就不能保證時(shí)差法做出準(zhǔn)確識(shí)別。此外,如果差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)CT不匹配,差流的出現(xiàn)時(shí)刻將很難判定。1/4數(shù)據(jù)窗的小矢量算法僅需要對(duì)故障發(fā)生時(shí)刻進(jìn)行檢測(cè),不需要對(duì)差流出現(xiàn)時(shí)刻準(zhǔn)確定位,從而實(shí)現(xiàn)在電流互感器飽和的情況下對(duì)故障性質(zhì)做出比較準(zhǔn)確地初步判斷。文獻(xiàn)討論了一種基于小矢量算法的發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)新方案。但是,嚴(yán)格地說(shuō),用一個(gè)工頻周期以內(nèi)的信息去估算它整個(gè)周期的情況是不合適的,因?yàn)橐院蟛糠种芷诘男畔⑹嵌喾N可能的,甚至有很大的差別。因此為避免不必要的誤動(dòng),需要將動(dòng)作定值整定的較大。本文主要通過(guò)小矢量在故障發(fā)生的1/4周期內(nèi)辨別故障性質(zhì),而不是用它作為動(dòng)作判據(jù),所以無(wú)需考慮上面所述的誤動(dòng)情況。4制動(dòng)電流的選擇目前采用基波相量的比率制動(dòng)式縱差保護(hù)的制動(dòng)電流一般選取Ires=0.5丨I1+I2丨或者是,從理論上講,這兩種制動(dòng)電流的差動(dòng)判據(jù)完全等價(jià),動(dòng)作特性當(dāng)然也是一致的,有差別也只在于實(shí)現(xiàn)形式上的差別。那么是否可以考慮只選用一側(cè)的電流相量作為制動(dòng)電流Ires呢?例如選取Ires=max(丨I1丨,丨I2丨)或者Ires=min(丨I1丨,丨I2丨。選取不同的制動(dòng)電流將會(huì)得到不同的差動(dòng)保護(hù)動(dòng)作特性,下面主要討論三種制動(dòng)電流在外部故障電流互感器飽和時(shí)的誤動(dòng)概率以及內(nèi)部輕微故障有較大流出電流時(shí)的動(dòng)作靈敏度。為了方便討論,動(dòng)作電流取Id=丨I1-I2丨,制動(dòng)電流分別選取Ires1=0.5丨I1+I2丨,Ires2=max(丨I1丨,丨I2丨),Ires3=min(丨I1丨,丨I2丨),動(dòng)作判據(jù)選取Id>KresIres。4.1制動(dòng)電流的選擇假定在外部故障期間CT出現(xiàn)飽和,穿越電流為Ip=pIn∠0°,最不利的情況是一側(cè)CT完全傳變,另一側(cè)CT發(fā)生飽和。不妨設(shè)流入側(cè)電流完全傳變,有I1=Ip=pIn∠0°,流出側(cè)CT飽和,傳變率為s,角差為α,有I2=sIp∠α。文獻(xiàn)已經(jīng)論證當(dāng)CT負(fù)荷為純電阻性時(shí),引起的虛假差流最大,此時(shí)的CT角差和傳變率滿足s=cosα,此時(shí)有動(dòng)作電流。制動(dòng)電流則分別為:(1)制動(dòng)電流,差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)可以表示為即即此時(shí)差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)可以表示為即當(dāng)0<Kres<1時(shí),有由此可見(jiàn),在有相同大小的穿越電流Ip時(shí),為了保證不誤動(dòng),選擇制動(dòng)電流Ires2的差動(dòng)保護(hù)與Ires1、Ires3相比允許有更小的傳變率(即允許有更大的傳變誤差)。采用Ires2=max(丨I1丨,丨I2丨)作為制動(dòng)電流的差動(dòng)保護(hù)有更好的抗電流互感器飽和能力。4.2差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作此時(shí)流入流出電流不再相等,假設(shè)發(fā)生輕微故障,則有I1=Ip(Ip=pIn∠θ),用s表示流出電流I2相對(duì)于流入電流1I的比率,用α表示流出電流I2相對(duì)于流入電流1I的角度偏移,則I2=sIp∠α。容易知道,當(dāng)α=0時(shí),流出電流與流入電流同相,在流出電流幅值不變的前提下,這種情況造成的差流最小,靈敏度最低。因此考察區(qū)內(nèi)故障時(shí),就以此情況進(jìn)行討論比較具有典型性。此時(shí),有動(dòng)作電流Id=丨I1-I2丨=丨Ip+sIp丨=p(1+s)In。制動(dòng)電流則分別為:(1)制動(dòng)電流Ires1=0.5I1+I2=0.5Ip+sIp=0.5p(1+s)In,差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)可以表示為即差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)可以表示為即差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)可以表示為即當(dāng)0<Kres<1,有由此可見(jiàn),在I1=Ip保持不變的情況下,選擇Ires3=min(丨I1丨,丨I2丨)作為制動(dòng)電流的差動(dòng)保護(hù)與Ires1、Ires2相比,在s較大時(shí)即能動(dòng)作(即流出電流丨I2丨相對(duì)于流入電流1I差別較小時(shí))。采用Ires3=min(丨I1丨,丨I2丨)作為制動(dòng)電流的差動(dòng)保護(hù)在內(nèi)部輕微故障時(shí)具有更好的靈敏度。5故障分析方法根據(jù)上述分析,本文提出一種新的差動(dòng)保護(hù)方案,主要由以下三部分組成:(1)啟動(dòng)元件。采用電流突變量啟動(dòng),為提高輕微故障等情況下啟動(dòng)的可靠性,增加差動(dòng)電流瞬時(shí)值啟動(dòng)判據(jù),作為電流突變量啟動(dòng)的補(bǔ)充。(2)故障性質(zhì)判斷。選取故障開(kāi)始1/4周期內(nèi)采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息,采用1/4數(shù)據(jù)窗小矢量算法,算出兩側(cè)電流在故障開(kāi)始后1/4周期內(nèi)的小矢量I′1、I′2。如果丨I′1-I′2丨>k丨I′1丨,則認(rèn)為可能是內(nèi)部故障;否則,則認(rèn)為可能是外部故障。由于無(wú)論短路條件如何,在短路發(fā)生的最初1/4周期內(nèi)CT一般不會(huì)飽和,因此外部故障時(shí)I′1、I′2相對(duì)比較接近,所以k值可以選得較小。(3)差動(dòng)保護(hù)判據(jù)。利用小矢量算法計(jì)算出故障后一個(gè)周波內(nèi)的基波相量I1和I2,選取動(dòng)作電流Id=丨I1-I2丨。對(duì)可能的內(nèi)部故障,差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流選取為Ires=min(丨I1丨,丨I2丨);否則,差動(dòng)保護(hù)的制動(dòng)電流選取為Ires=max(丨I1丨,丨I2丨)。6計(jì)算與分析6.1非線性制動(dòng)特性仿真計(jì)算以三峽發(fā)電機(jī)的內(nèi)部故障仿真計(jì)算程序數(shù)據(jù)為例,驗(yàn)證上述方法的可行性。該發(fā)電機(jī)的主要參數(shù)為:額定功率700MW,額定電壓20kV,額定電流In=22.3kA,功率因數(shù)0.9,定子槽數(shù)540,極對(duì)數(shù)40,定子繞組每相支路數(shù)5,定子每支路串聯(lián)線圈數(shù)36?？疾熘行渣c(diǎn)側(cè)CT裝設(shè)在a相1分支和2分支的不完全差動(dòng)的動(dòng)作性能。實(shí)際上,良好的非線性制動(dòng)特性更能符合差動(dòng)保護(hù)的實(shí)際要求,本文采用由三段分段直線近似構(gòu)成的非線性制動(dòng)特性,動(dòng)作特性按圖1所示整定。當(dāng)該發(fā)電機(jī)a相1分支發(fā)生3匝匝間短路故障時(shí)(小匝數(shù)短路),通過(guò)仿真計(jì)算程序計(jì)算得到差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)電流故障開(kāi)始1/4周期內(nèi)的電流按照新的差動(dòng)保護(hù)計(jì)算流程,首先計(jì)算電流差丨I1′-I2′丨=1455.26A>丨kI1′丨(k取0.1),可以初步判定為內(nèi)部故障,選取制動(dòng)電流動(dòng)作電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度可靈敏動(dòng)作。而對(duì)傳統(tǒng)的差動(dòng)保護(hù)選取動(dòng)作電流制動(dòng)電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度僅為可能動(dòng)作。由此可見(jiàn)新的差動(dòng)保護(hù)方案確實(shí)可以提高內(nèi)部輕微故障時(shí)的動(dòng)作靈敏度。6.2點(diǎn)側(cè)ct差動(dòng)保護(hù)為了驗(yàn)證上述方案的抗電流互感器飽和能力,采用ATP程序?qū)Πl(fā)電機(jī)發(fā)生外部故障時(shí)電流互感器的飽和情況進(jìn)行了仿真(采樣率為每周波20點(diǎn))?？紤]比較嚴(yán)重的情況,在仿真過(guò)程中假設(shè)差動(dòng)保護(hù)中性點(diǎn)側(cè)CT能夠可靠傳變,機(jī)端側(cè)CT發(fā)生比較嚴(yán)重的飽和現(xiàn)象,圖2中為計(jì)算所得電流互感器二次電流波形(i1為中性點(diǎn)電流,i2為機(jī)端電流)。計(jì)算此時(shí)差動(dòng)保護(hù)兩側(cè)電流故障開(kāi)始后1/4周期內(nèi)小矢量額定電流In=509.26A,差動(dòng)保護(hù)的動(dòng)作特性如圖1所示。按照新的差動(dòng)保護(hù)計(jì)算流程,首先計(jì)算小矢量電流差丨I1′-I2′丨=0.061In<k丨I1′丨(k取0.1),可以初步判定為外部故障,選取制動(dòng)電流動(dòng)作電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度不會(huì)動(dòng)作。傳統(tǒng)差動(dòng)保護(hù)選取動(dòng)作電流制動(dòng)電流差動(dòng)保護(hù)靈敏度可能會(huì)誤動(dòng)。由此可見(jiàn)新的差動(dòng)保護(hù)方案確實(shí)可以提高保護(hù)的抗電流互感器飽和能力。6.3差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)電流考慮區(qū)外故障且電流互感器不是立刻飽和,而是在一個(gè)周波或者幾個(gè)周波之后才發(fā)生飽和的情況,一種方法是在使用小矢量初步判斷是外部故障后將差動(dòng)保護(hù)閉鎖或者在幾個(gè)周波之內(nèi)都選擇max(丨I1丨,丨I2丨)作為差動(dòng)保護(hù)制動(dòng)電流。該方法有一弊端,就是此時(shí)發(fā)生轉(zhuǎn)換性故障時(shí)(區(qū)外故障一個(gè)或幾個(gè)周波后發(fā)生區(qū)內(nèi)故障),可能無(wú)法準(zhǔn)確動(dòng)作。另一種方法是根據(jù)電流互感器飽和規(guī)律,除了在故障發(fā)生后短路電流不會(huì)使CT立刻飽和外,CT飽和后,在一次電流過(guò)零點(diǎn)附近,CT也存在一小段線性傳變區(qū),在該區(qū)間內(nèi)一次電流仍然能夠正確傳變到二次側(cè),對(duì)此區(qū)間使用小矢量算法應(yīng)該可以對(duì)故障性質(zhì)進(jìn)行判斷,對(duì)這類特殊情況,有待更詳細(xì)地分析研究,限于篇幅,本文對(duì)此不作過(guò)多討論。7制動(dòng)電流的確定本文探討了一種發(fā)電機(jī)差動(dòng)保護(hù)的新方案,該方案利用無(wú)論短路條件如何,在短路發(fā)生的最初1/4周期內(nèi)CT不會(huì)飽和這一特點(diǎn),使用1/4數(shù)據(jù)