基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提出一种基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法及系统，该方法包括以下步骤：对发电机的各相分支电流进行同步采样；根据采样结果，依次计算各相分支电流的故障分量；根据各相分支电流的故障分量，通过傅立叶滤波算法依次计算各相分支电流故障分量的工频相量；依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的相角；根据各相分支电流故障分量的工频相量的相角对大型水轮发电机进行故障判断。本发明能及早地发现经过渡电阻发生的同相不同分支匝间短路，减轻故障损失，保证故障发电机及时恢复供电。
【专利说明】
基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法及系统
技术领域
[0001] 本发明设及发电机技术领域，特别设及一种基于发电机分支电流的相位比较式差 动保护方法及系统。
【背景技术】
[0002] 同步电机定子绕组内部故障是电机常见的破坏性很强的故障。内部故障时很大的 短路电流会产生破坏性严重的电磁力，也可能产生过热，烧毁绕组和铁忍。故障产生的负序 磁场可能大大超过设计允许值，造成转子的严重损伤。因此，研究同步电机定子绕组内部故 障，发现内部故障时各电气量的分布和变化规律，设计灵敏的内部故障主保护方案W减轻 故障损害具有重要的意义。
[0003] 近年来，通过对发电机定子绕组内部故障事故的统计和分析，发现定子绕组端部 是事故的多发地带，绝缘被破坏的原因主要有绕组端部松动导致磨损和端部线圈存在异物 (特别是运行一段时间后的机组）。由于受传统主保护(立足于电流幅值比较)动作灵敏度的 影响，使得异物磨损绝缘导致的内部短路有时难W在现场找到直接证据或对异物类型难W 分辨。可见，为了克服传统主保护方案的缺陷，必须研究新的保护原理的差动保护方案。
【发明内容】
[0004] 本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
[0005] 为此，本发明的一个目的在于提出一种基于发电机分支电流的相位比较式差动保 护方法，该方法能及早地发现经过渡电阻发生的同相不同分支应间短路，减轻故障损失，保 证故障发电机及时恢复供电。
[0006] 本发明的另一个目的在于提出一种基于发电机分支电流的相位比较式差动保护 系统。
[0007] 为了实现上述目的，本发明第一方面的实施例提出了一种基于发电机分支电流的 相位比较式差动保护方法，包括W下步骤:对发电机的各相分支电流进行同步采样;根据采 样结果，依次计算各相分支电流的故障分量;根据各相分支电流的故障分量，通过傅立叶滤 波算法依次计算各相分支电流故障分量的工频相量;依次计算各相分支电流故障分量的工 频相量的相角；W及根据所述各相分支电流故障分量的工频相量的相角对所述发电机进行 故障判断。
[000引根据本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法，利用发电 机中性点侧分支电流互感器采集的电流信息，通过比较发电机每相分支电流故障分量的相 位，来提高经过渡电阻发生的同相不同分支应间短路的灵敏度。该方法能及早地发现经过 渡电阻发生的同相不同分支应间短路，从而减轻故障损失，保证故障发电机及时恢复供电。
[0009] 另外，根据本发明上述实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法 还可W具有如下附加的技术特征：
[0010] 在一些示例中，所述各相分支电流的故障分量的计算公式为：
[0011] A i(n) = i(n)-i(n-KN)，
[0012] 其中，采样点n=l，2,…，Ai(n)为分支电流的故障分量序列，i(n)为采样得到的 分支电流序列，K为用于故障分量计算的相邻周波数，N为一个工频周期的采样点数。
[0013] 在一些示例中，所述通过傅立叶滤波算法依次计算各相分支电流故障分量的工频 相量，进一步包括：
[0014] 依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的实部和虚部，W得到所述各相分支 电流故障分量的工频相量，具体为：
[0015]
[0016] 其中，Ai为分支电流故障分量的工频相量，A Ir为分支电流故障分量的工频相量 的实部，A Ii为分支电流故障分量的工频相量的虚部。
[0017] 在一些示例中，所述各相分支电流故障分量的工频相量的相角的计算公式为：
[001 引
[0019] 在一些示例中，根据所述各相分支电流故障分量的工频相量的相角对所述发电机 进行故障判断，进一步包括:计算同相分支电流故障分量的工频相量的相角差A參;判断所 述同相分支电流故障分量的工频相量的相角差卸的绝对值是否满足170。斗卸I引90。;如 果满足，则判定所述发电机发生同相不同分支应间短路故障，否则判定所述发电机没有发 生同相不同分支应间短路故障。
[0020] 为了实现上述目的，本发明第二方面的实施例公开了一种基于发电机分支电流的 相位比较式差动保护系统，包括:采样模块，用于对发电机的各相分支电流进行同步采样； 故障分量计算模块，用于根据采样结果，依次计算各相分支电流的故障分量;工频相量计算 模块，用于根据各相分支电流的故障分量，通过傅立叶滤波算法依次计算各相分支电流故 障分量的工频相量;相角计算模块，用于依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的相 角；W及故障判断模块，用于根据所述各相分支电流故障分量的工频相量的相角对所述发 电机进行故障判断。
[0021] 根据本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统，利用发电 机中性点侧分支电流互感器采集的电流信息，通过比较发电机每相分支电流故障分量的相 位，来提高经过渡电阻发生的同相不同分支应间短路的灵敏度。该系统能及早地发现经过 渡电阻发生的同相不同分支应间短路，从而减轻故障损失，保证故障发电机及时恢复供电。
[0022] 另外，根据本发明上述实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统 还可W具有如下附加的技术特征：
[0023] 在一些示例中，在所述故障分量计算模块中，所述各相分支电流的故障分量的计 算公式为：
[0024] A i(n) = i(n)-i(n-KN)，
[0025] 其中，采样点n=l，2,…，Ai(n)为分支电流的故障分量序列，i(n)为采样得到的 分支电流序列，K为用于故障分量计算的相邻周波数，N为一个工频周期的采样点数。
[0026] 在一些示例中，所述工频相量计算模块用于依次计算各相分支电流故障分量的工 频相量的实部和虚部，W得到所述各相分支电流故障分量的工频相量，具体为：
[0027]
[0028] 其中，A/为分支电流故障分量的工频相量，A Ir为分支电流故障分量的工频相量 的实部，A Ii为分支电流故障分量的工频相量的虚部。
[0029] 在一些示例中，在所述相角计算模块中，所述各相分支电流故障分量的工频相量 的相角的计算公式为：
[0030]
[0031] 在一些示例中，所述故障判断模块用于:计算同相分支电流故障分量的工频相量 的相角差A0 :判断所述同相分支电流故障分量的工频相量的相角差A巧的绝对值是否满足
;如果满足，则判定所述发电机发生同相不同分支应间短路故障，否则判 定所述发电机没有发生同相不同分支应间短路故障。
[0032] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变 得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0033] 本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得 明显和容易理解，其中：
[0034] 图1是根据本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法的流 程图；
[0035] 图2是根据本发明一个实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法 的整体流程图；
[0036] 图3是根据本发明一个实施例的滩坑发电机同槽故障示意图；
[0037] 图4是根据本发明一个实施例的滩坑发电机端部交叉故障示意图；
[0038] 图5是根据本发明一个实施例的滩坑发电机内部故障分类示意图；
[0039] 图6是根据本发明一个实施例的同相不同分支应间短路(金属性短路)示意图；
[0040] 图7是根据本发明一个实施例的同相不同分支应间短路(非金属性短路)示意图； W及
[0041] 图8是根据本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统的结 构框图。
【具体实施方式】
[0042] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终 相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附 图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0043] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语"中屯、"、"纵向横向上"、"下"、 "前"、"后V'左'、"右V'竖曹'、"水甲V'顶'、"底V'胖V'外"等指示的方位或位置关系为 基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗 示所指的装置或元件必须具有特定的方位、W特定的方位构造和操作，因此不能理解为对 本发明的限制。此外，术语"第一"、"第二"仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对 重要性。
[0044] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语"安装"、"相 连"、"连接"应做广义理解，例如，可W是固定连接，也可W是可拆卸连接，或一体地连接;可 W是机械连接，也可W是电连接;可W是直接相连，也可W通过中间媒介间接相连，可W是 两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可W具体情况理解上述术语在本 发明中的具体含义。
[0045] W下结合附图描述根据本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动 保护方法及系统。
[0046] 图1是根据本发明一个实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法 的流程图。图2是根据本发明一个实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方 法的整体流程图。如图1所示，并结合图2，该方法包括W下步骤：
[0047] 步骤SI:对发电机的各相分支电流进行同步采样。其中，发电机例如为大型水轮发 电机。
[0048] 步骤S2:根据采样结果，依次计算各相分支电流的故障分量。
[0049] 具体地，各相分支电流的故障分量的计算公式为：
[0050] A i(n) = i(n)-i(n-KN)，
[0051] 其中，采样点n=l，2,…，Ai(n)为分支电流的故障分量序列，i(n)为采样得到的 分支电流序列，K为用于故障分量计算的相邻周波数，N为一个工频周期的采样点数。
[0052] 步骤S3:根据各相分支电流的故障分量，通过傅立叶滤波算法依次计算各相分支 电流故障分量的工频相量。
[0053] 其中，在步骤S3中，通过傅立叶滤波算法依次计算各相分支电流故障分量的工频 相量，进一步包括:依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的实部和虚部，W得到各相 分支电流故障分量的工频相量，具体为：
[0化4]
,
[005引其中，A/为分支电流故障分量的工频相量，A Ir为分支电流故障分量的工频相量 的实部，A Ii为分支电流故障分量的工频相量的虚部。
[0056] 步骤S4:依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的相角。
[0057] 具体地，各相分支电流故障分量的工频相量的相角的计算公式为：
[0化引
[0059] 步骤S5:根据各相分支电流故障分量的工频相量的相角对大型水轮发电机进行故 障判断。
[0060] 具体地，在步骤S5中，根据各相分支电流故障分量的工频相量的相角对发电机进 行故障判断，进一步包括:计算同相分支电流故障分量的工频相量的相角差A0 ;判断同相 分支电流故障分量的工频相量的相角差卸的绝对值是否满足170。叫卸|《190。棚果满足， 则判定发电机发生同相不同分支应间短路故障，否则判定发电机没有发生同相不同分支应 间短路故障。
[0061] 综上，通过对滩坑发电机实际可能发生的同相不同分支应间短路的计算与分析， 可及早发现经过渡电阻发生的同相不同分支应间短路，W减轻故障损失，保证故障发电机 及时恢复供电。
[0062] 为了便于更好地理解本发明上述实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差 动保护方法，W下结合附图和具体的实施例对该方法进行进一步详细描述。
[0063] 在本实施例中，W滩坑发电机为例，运用"多回路分析法"，在全面的内部故障仿真 计算的基础上对其灵敏度进行了分析计算，并与传统的基于分支电流幅值比较的裂相横差 保护的性能进行了对比。
[0064] 首先，依据电机制造厂提供的定子绕组连接图，滩坑发电机实际可能发生的同槽 故障(如图3所示)和端部交叉故障（如图4所示)分别有480种和10558种，其中同相不同分支 应间短路(如图5所示)所占比率分别为50%和24.8%。具体地，下表1展示了滩坑发电机480 种同槽故障的分布情况，表2展示了滩坑发电机10558种端部交叉故障的分布情况。
[00 化]
[0066]
[0067]
[0068] 表 2
[0069] 图6中的实线箭头所示故障为滩坑发电机在并网空载运行方式下，时目第1支路第28号线 圈的上层边和b相第2支路第18号线圈的上层边在端部发生同相同分支应间短路，假定上述故障 为金属性短路，则故障相各支路(包括短路附加支路)基波电流的大小(有效值，单位为A，下同)和 相位如下所示
，
I其中，在 图6中，TA1/TA3/TA5分别用于采集a相/b相/c相1、4分支的电流和，TA2/TA4/TA6分别用于采 集a相/b相/c相2、3分支的电流和，TA7/TA8/TA9分别用于采集a相/b相/c相机端相电流。
[0070] 对故障相的完全裂相横差保护K10_14-23而言，其两侧电流分别为：
[0071]
[0072]
[0073]
[0074]
[0075] 对应的灵敏系数为
-传统的基于分支电流幅值比较的裂相横 差保护能够灵敏动作。
[0076] 但当上述同相不同分支应间短路经过渡电阻发生时，由于受过渡电阻阻值及变化速 率的影响，其故障相分支电流会显著减小，在故障发生的初始阶段，传统的基于分支电流幅值 比较的裂相横差保护就不能动作，只好任由故障发展，必然造成更大的损失。下面W图7虚线箭 头所示故障为例进行说明，故障相各支路(包括短路附加支路)基波电流的大小和相位如下所
a相/b相/c相1、4分支的电流和，TA2/TA4/TA6分别用于采集a相/b相/c相2、3分支的电流和， TA7/TA8/TA9分别用于采集a相/b相/c相机端相电流。
[0077] 对故障相的完全裂相横差保护K10_14-23而言，其两侧电流分别为：
[007引
[0079]
[0080]
[0081]
[0082] 对应的灵敏系数为
，传统的基于分支电流幅值比较的裂相横 差保护不能够动作。
[0083] 而本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护犯法能够灵敏动 作，且此时
，满足动作条件，能够及时发现故障，减 轻故障损失。
[0084] 当然对于传统的基于分支电流幅值比较的裂相横差保护能够灵敏动作的故障(如 图6所示），本发明实施例的基于分支电流的相位比较式差动保护方法也能够灵敏动作，对 应於
，同样满足动作条件。
[0085] 根据本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法，利用发电 机中性点侧分支电流互感器采集的电流信息，通过比较发电机每相分支电流故障分量的相 位，来提高经过渡电阻发生的同相不同分支应间短路的灵敏度。该方法能及早地发现经过 渡电阻发生的同相不同分支应间短路，从而减轻故障损失，保证故障发电机及时恢复供电。
[0086] 本发明的进一步实施例还提出了一种基于发电机分支电流的相位比较式差动保 护系统。
[0087] 图8是根据本发明一个实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统 的结构框图。如图2所示，根据本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护 系统100,包括:采样模块110、故障分量计算模块120、工频相量计算模块130、相角计算模块 140及故障判断模块150。
[0088] 其中，采样模块110用于对发电机的各相分支电流进行同步采样。其中，发电机例 如为大型水轮发电机。
[0089] 故障分量计算模块120用于根据采样结果，依次计算各相分支电流的故障分量。
[0090] 具体地，各相分支电流的故障分量的计算公式为：
[0091] A i(n) = i(n)-i(n-KN)，
[0092] 其中，采样点n=l，2,…，Ai(n)为分支电流的故障分量序列，i(n)为采样得到的 分支电流序列，K为用于故障分量计算的相邻周波数，N为一个工频周期的采样点数。
[0093] 工频相量计算模块130用于根据各相分支电流的故障分量，通过傅立叶滤波算法 依次计算各相分支电流故障分量的工频相量。具体地，工频相量计算模块130用于依次计算 各相分支电流故障分量的工频相量的实部和虚部，W得到各相分支电流故障分量的工频相 量，具体为：
[0094]
[0095] 其中，A/为分支电流故障分量的工频相量，A Ir为分支电流故障分量的工频相量 的实部，A Ii为分支电流故障分量的工频相量的虚部。
[0096] 相角计算模块140用于依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的相角。
[0097] 具体地，各相分支电流故障分量的工频相量的相角的计算公式为：
[009引
[0099] 故障判断模块150用于根据各相分支电流故障分量的工频相量的相角对发电机进 行故障判断。
[0100] 具体地，故障判断模块150用于:计算同相分支电流故障分量的工频相量的相角差 A口：判断同相分支电流故障分量的工频相量的相角差A0的绝对值是否满足 17()。<|么0|引90。；如果满足，则判定发电机发生同相不同分支应间短路故障，否则判定发电 机没有发生同相不同分支应间短路故障。
[0101] 需要说明的是，本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统 的具体实现方式与本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法的具 体实现方式类似，具体请参见方法部分的描述，为了减少冗余，此处不再寶述。
[0102] 综上，根据本发明实施例的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统，利 用发电机中性点侧分支电流互感器采集的电流信息，通过比较发电机每相分支电流故障分 量的相位，来提高经过渡电阻发生的同相不同分支应间短路的灵敏度。该系统能及早地发 现经过渡电阻发生的同相不同分支应间短路，从而减轻故障损失，保证故障发电机及时恢 复供电。
[0103] 在本说明书的描述中，参考术语"一个实施例"、"一些实施例"、"示例"、"具体示 例"、或"一些示例"等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特 点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不 一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可W在任何 的一个或多个实施例或示例中W合适的方式结合。
[0104] 尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可W理解:在不 脱离本发明的原理和宗旨的情况下可W对运些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本 发明的范围由权利要求及其等同限定。
【主权项】
1. 一种基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法，其特征在于，包括以下步骤： 对发电机的各相分支电流进行同步采样； 根据采样结果，依次计算各相分支电流的故障分量； 根据各相分支电流的故障分量，通过傅立叶滤波算法依次计算各相分支电流故障分量 的工频相量； 依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的相角；以及 根据所述各相分支电流故障分量的工频相量的相角对所述发电机进行故障判断。2. 根据权利要求1所述的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法，其特征在 于，所述各相分支电流的故障分量的计算公式为： A i(n) = i(n)_i(n_KN)， 其中，采样点11=1，2，一，4 1(1〇为分支电流的故障分量序列，1(11)为采样得到的分支 电流序列，K为用于故障分量计算的相邻周波数，N为一个工频周期的采样点数。3. 根据权利要求2所述的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法，其特征在 于，所述通过傅立叶滤波算法依次计算各相分支电流故障分量的工频相量，进一步包括： 依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的实部和虚部，以得到所述各相分支电流 故障分量的工频相量，具体为：其中，Δ/为分支电流故障分量的工频相量，△ Ir为分支电流故障分量的工频相量的实 部，A Ii为分支电流故障分量的工频相量的虚部。4. 根据权利要求3所述的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法，其特征在 于，所沭各相分吉电流故瞳分量的工频相量的相角的计算公式为：5. 根据权利要求4所述的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护方法，其特征在 于，根据所述各相分支电流故障分量的工频相量的相角对所述发电机进行故障判断，进一 步包括： 计算同相分支电流故障分量的工频相量的相角差; 判断所述同相分支电流故障分量的工频相量的相角差Δ梦的绝对值是否满足华和跡。； 如果满足，则判定所述发电机发生同相不同分支匝间短路故障，否则判定所述发电机 没有发生同相不同分支匝间短路故障。6. -种基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统，其特征在于，包括： 采样模块，用于对发电机的各相分支电流进行同步采样； 故障分量计算模块，用于根据采样结果，依次计算各相分支电流的故障分量； 工频相量计算模块，用于根据各相分支电流的故障分量，通过傅立叶滤波算法依次计 算各相分支电流故障分量的工频相量； 相角计算模块，用于依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的相角；以及 故障判断模块，用于根据所述各相分支电流故障分量的工频相量的相角对所述发电机 进行故障判断。7. 根据权利要求6所述的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统，其特征在 于，在所述故障分量计算模块中，所述各相分支电流的故障分量的计算公式为： A i(n) = i(n)_i(n_KN)， 其中，采样点11=1，2，一，4 1(1〇为分支电流的故障分量序列，1(11)为采样得到的分支 电流序列，K为用于故障分量计算的相邻周波数，N为一个工频周期的采样点数。8. 根据权利要求7所述的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统，其特征在 于，所述工频相量计算模块用于依次计算各相分支电流故障分量的工频相量的实部和虚 部，以得到所沭各相分I电流故障分量的工频相量，具体为：其中，Δ?为分支电流故障分量的工频相量，△ Ir为分支电流故障分量的工频相量的实 部，A Ii为分支电流故障分量的工频相量的虚部。9. 根据权利要求8所述的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统，其特征在 于，在所述相角计算模块中，所述各相分支电流故障分量的工频相量的相角的计算公式为：10. 根据权利要求9所述的基于发电机分支电流的相位比较式差动保护系统，其特征在 于，所述故障判断模块用于： 计算同相分支电流故障分量的工频相量的相角差; 判断所述同相分支电流故障分量的工频相量的相角差Δρ的绝对值是否满足 170ο<|Δζφ<190°； 如果满足，则判定所述发电机发生同相不同分支匝间短路故障，否则判定所述发电机 没有发生同相不同分支匝间短路故障。
【文档编号】G01R31/34GK106019155SQ201610537011
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月8日
【发明人】桂林, 干建丽, 孙志久, 刘峰, 王祥珩
【申请人】清华大学, 浙江浙能北海水力发电有限公司