发电机定子绕组单相接地保护方案综述
1前言
定子绕组单相接地故障是发电机较常见的故障，其目的往往是更严重的绕组内部故障的前兆，因此定子接地保护具有重要意义。目前，实际应用中成熟的定子接地保护包括基波零序电压保护、三次谐波电压保护及其组合。外发电机的中性点大部分通过高阻接地，大部分由外接电源保护。近十年来微机保护的快速发展，为新保护原理的发展提供了强大的硬件平台和广阔的软件空间。其中，基于自适应技术、故障分量原理和小波变换的保护较为突出，有力地推动了单相接地保护技术的发展。
机组接线扩大的发电机定子接地保护急需一种选择性保护方案。由于零序方向保护的缺陷以及基于行波原理的保护在理论和技术上还不够成熟，将小波变换应用于选择性定子接地保护具有重要意义。
2定子绕组单相接地保护方案
发电机定子绕组单相接地时，具有以下特点：内部接地时，流经接地点的电流为发电机所在电压网对地电容电流之和，故障点零序电压随故障点位置变化而变化；外部接地故障时，零序电流仅包括发电机本身对地电容电流。这些故障信息对接地保护非常重要。以下是一些定子接地保护方法。
2.1零序电流定子接地保护
根据单相接地故障的特点，直接接母线的发电机内部接地时，外部元件对地电容较大，接地电流增大超过允许值，这是零序电流接地保护的动作阈值。这种保护原理简单，接线容易。但是发电机在中性点附近接地时，接地电流很小，保护不会工作，所以零序电流保护有一定的死区。
2.2基波零序电压定子接地保护
发电机定子绕组发生单相接地时(其中A远离中性点)，定子回路中各点的零序电压也与其他两相故障有关。由此可见，单相接地时零序电压U0= Eph，Eph为故障相电动势，可作为保护动作参数。基波零序电压可在机器端或中性点获得。发电机中性点经配电干式变压器接地时，基波零序电压可取自配电干式变压器的二次电压。
这种保护主要用于发电机干式变压器组的接线方式，其突出的优点是即使在单相接地电流很小时也能使用。但由于发电机中性点的位移电压，保护在中性点附近不可避免地存在死区，通过过渡电阻接地时灵敏度不高。
2.3三次谐波电压型定子接地保护
发电机正常运行时，中性点的三次谐波电压大于发电机端的三次谐波电压，而当中性点附近发生接地故障时，发电机端的三次谐波电压增大，中性点的三次谐波电压减小。三次谐波电压型定子接地保护是利用单相接地故障前后发电机中性点和末端三次谐波电压变化的特点构成的。
一般来说，由三次谐波电压组成的保护动作判据有两种。一种是由机器一侧或中性点的三次谐波电压构成的保护，其判据为#p#分页标题#e#
此外，基波零序电压保护可以保护85% ~ 95%范围内的定子绕组，故障点越靠近机端，保护灵敏度越高。三次谐波电压保护是指故障点越靠近中性点，保护的灵敏度越高。因此，通过两者的结合，可以实现100%的定子绕组接地保护。这种保护方案在内外得到了广泛的应用，但其不足之处在于灵敏度不够，尤其是对于水轮发电机。
2.4外部电源定子接地保护
在这种类型的保护中，发电机的定子电路和地之间增加了一个信号电源。正常运行时，该信号电源产生的电流很少或没有，当发生接地故障时，会产生相应频率的接地电流，使保护动作。目前外部电源包括西门子采用的20Hz低频电源和ABB公司采用的12.5Hz信号电源等。这两种信号源通过编码间歇注入定子电路。这种保护对电源的可靠性和性能要求很高，设备的现场调试复杂且昂贵。但是，它的优势非常明显。可完成100%定子接地保护，灵敏度高，对绝缘老化起监督作用，对发电机停机状态、启停和运行过程起保护作用，应用前景广阔。
此外，当使用外部20Hz或12.5Hz电源时，中性接地方式和外部电源的内阻会影响保护的灵敏度。为了消除这种影响，新的和改进的外部电源保护采用了电流突变为判据，并引入了电流平衡原理，都不同程度地提高了保护性能。
2.5定子接地保护新原理和新技术的应用
故障信息和故障特征的识别和处理是继电保护技术发展的基础，因此探索和利用这些故障信息和故障特征具有重要意义。内外学者应用一些新的原理和技术对定子接地保护进行了深入的研究，并取得了良好的效果。代表性的有自适应原理、故障暂态分量原理和小波变换在定子接地保护中的应用。
自适应原理通过实时跟踪发电机两侧电量的变化，可以进一步减小制动量，从而提高保护的灵敏度。微型计算机
故障分量信号有低频和高频之分，其中故障工频分量原理的继电保护早已在实际中应用；而故障高频暂态信息在传统保护中被视为干扰而被滤掉，其实这些暂态信号包含大量的故障信息，通过检测这些高频信号构成保护是故障暂分量保护的出发点。基于故障暂态分量的定子接地保护充分利用中性点和机端故障分量的变化特征，进而作出具体的判据。由于利用的是暂态量，使这种保护不受过渡电阻、系统振荡等的影响，故具有较高的灵敏度。
小波变换作为一种数字信号处理方法具优有的时频聚焦能力和信号奇异检测能力，非常适合区分故障与正常情况下特征信息的变化方式。在定子单相接地时，机端和中性点零序电压和零序电流都会发生突变，小波分析对故障时的奇异信号做多分辨分析，将信号分解到不同的尺度上，而每个尺度分量反映原信号的不同频率成分，可以显示出故障信号的特征，利用零序电压和零序电流的小波变换模极大值的位置和符号的异同来判定故障。其优点是灵敏度较高，缺点是易受噪声干扰。
2.6选择性定子接地保护
对于扩大单元接线的发电机发生单相接地故障时，通常的保护方案不具备选择性，即无法选出故障机，也不能区分故障位于机内还是机外。当一台发电机发生接地故障时，母线上并联的所有发电机接地保护都会动作，将造成不必要的扩大停机。在这种情况下单相接地保护的选择性十分必要，目前具有选择性的定子接地保护有以下几种方案。
方案一：将发电机中性点经电阻接地，适当增大接地故障电流，然后利用零序方向保护取得动作的选择性。这种做法可以实现保护的选择性，但人为增大了接地故障电流，对发电机定子铁芯不利，使本来轻微的定子接地故障恶化，保护出口也由发信号改为故障跳闸，因此，不是理想的保护方案。
方案二：行波零序功率方向保护。当一台发电机内部故障时，在故障初始半波期间，故障机与非故障机的行波零序功率符号相反；母线上故障时，各台发电机机端行波零序功率方向相同。故可通过检测机端零序功率的方向实现保护的选择性，但要完成这个工作以及相关的装置仍有很多困难。
方案三：基于小波变换的选择性保护。信号的奇异检测理论描述了具有突变信号在何时发生突变以及变化程度，小波变换用模极大值的形式来刻划这一奇异性。具体到定子绕组单相接地，故障时各发电机中性点和机端零序电压和零序电流，用小波变换得到其模极大值。内部故障时，故障机与非故障机零序电流的小波变换模极大值极性相反，零序电压的模极大值极性相同；外部故障时，零序电流的小波变换模极大值极性相同。利用这个特点，可将小波变换作为选择性定子接地保护的一个较好的方案。#p#分页标题#e#
一种方法是，将中性点和机端的零序电压与零序电流的小波变换模极大值的极性相与，由结果的正负来判别故障位于机内还是机外。另一种方法是，把零序电流的小波变换系数的差与和作为保护的动作量与制动量，通过判断，动作次数为n-1的为故障机（n为发电机的台数）。这种情况下当发电机只有两台时，还需另加其他判据。
这里介绍的是两种利用小波变换确定选择性保护的基本思想，然而小波变换只是一个分析工具，具体的保护方案还有很多。总之，这种基于小波变换的定子接地保护具有选择性，灵敏度高，是一种的较佳的保护思路。需要注意的是，该保护需要较高的采样率，且易受噪声的干扰。不过，笔者认为通过改善相关装置或采用可靠性更高的保护判据应该可以消除上述因素的影响。
3结论
发电机定子绕组接地的保护问题一直倍受人们的关注，随着相关理论和技术的发展，新的保护原理和方法不断涌现。本文对现有的研究成果进行了一个全面的分析和比较，对传统保护方法和新的保护方案均有涉及，并针对扩大单元接线方式的接地保护选择性比较困难这一问题，介绍了几种保护方案，着重讨论了小波变换在选择性保护中的应用，对于这种保护方法，还有待于通过大量的仿真或动模试验进行考核，验证其结果的选择性。
参考文献
[1]王维俭。电气主设备继电保护原理与应用。北京：中电力出版社，1996
[2]贺家李，宋从矩。电力系统继电保护原理。北京：中电力出版社，2004
[3]毕大强。大型水轮发电机定子绕组单相接地故障及保护方案的研究.[博士学位论文],清华大学,2003
[4]邰能灵，吴宏哓。基于小波变换的定子选择性发电机100定子单相接地保护方案。中电机工程学报。2004，24(11)：12-16
[5]任震。小波分析及其在电力系统中的应用。北京：中电力出版社，2003
[6]万慧，吴济安，陆于平。新型数字式发电机定子接地保护的研究。电力自动化设备，2002,22(11)：7-10
[7]毕大强，王祥珩，桂林，王维俭。基于零序电压故障暂态分量的发电机定子单相接地保护方案研究[J]。中电机工程学报，2003，23(11)：39-44.
[8]苏洪波，尹项根，陈德树。微机自适应式发电机定子接地保护的研究。电网技术，1996，20(11)：59-61，67
来源：中电力网
