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1、同步发电机定子单相接地故障暂态仿真及保护方案摘要定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的绕组内部短路故障发生的先兆，定子绕组单相接地保护的可靠与灵敏动作可以大大降低内部短路故障的发生几率，减少故障造成的损失。本文首先提出了利用基波零序电压构成的定子接地保护的原理，这种保护的方法简单可靠，但是由于整定值较高，因此，当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而在中性点附近会出现死区。为了弥补在中性点附近存在的死区，实现100%定子接地保护，我们提出了基于稳态的三次谐波电压的保护，但是传统的三次谐波电压保护在运行中容易误动，并且随着定子绕组对地电容的增加，灵敏度降低，很难
2、满足目前对保护灵敏度不断提高的要求。目前，基于稳态量的基波零序电压与三次谐波电压保护组合实现100定子绕组接地保护得到广泛的应用。但是，当接地故障的过渡电阻较大时，故障前后的稳态量变化很小，但故障后仍存在故障暂态过程，根据发电机发生定子单相接地故障后机端和中性点零序电压故障暂态分量近似相同的特点，提出了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；第一种形式将基波零序电压与三次谐波电压分开处理；第二种形式无需将两者分开，直接把机端和中性点两侧零序电压故障暂态分量的和与差作为保护动作信号与制动信号，通过比较相应信号的谱能量大小检测定子单相接地故障。 关键词：发电机；接地故障；零序电压；故
3、障暂态分量；谱能量；定子单相接地保护Project of Simulation and Protection for Stator Ground Fault Synchronous generatorAbstractThe ground faults in the generator stator are by far common faults to which generators are subjected. Internal short-circuit faults, which may immediately damage generator, are always preceded
4、 by the ground faults. The possibility of internal fault and damages caused by it can be decreased largely if the stator ground fault protection reliably and sensitively operates. The paper firstly advances using basal zero-sequence voltage to make up of stator ground fault protection truth. This pr
5、otection way is simple and credible, but because of conformity value too large, therefore, when neutral point nearby is ground, protection equipment can not acts, therefore, neutral point nearby being mortuary sneak. In order to offset neutral point nearby being mortuary sneak, achieving 100% stator
6、 ground fault protection, we put forward steady estate third harmonic voltage protection, but conventional third harmonic voltage protection is easily error action, also along with stator ground add to capacitance to ground, sensitivity depress, it is difficulty to appease request to sensitivity adv
7、ance ceaselessly. At present, it apps diffusely based on zero-sequence voltage and third harmonic voltage achieving 100% stator ground fault protection. Therefore, when exorbitance resistance of Ground fault is comparatively large, fault fore-and-aft stabilization mete change little, but fault offsp
8、ring exist transitorily mete course. This paper puts forward two kinds of transient based protection scheme for the stator ground fault of generators in terms of the feature that the fault transient component of zero-sequence voltage at the neutral is approximately equal to that at the termina1. In
9、the first kind of scheme， the fault transient components of fundamental frequency and third harmonic voltages are calculated respectivelyIn the second kind of scheme，the sum and difference of fault transient components at the neutral and the terminal are directly chosen as the action and restrain si
10、gnals，and then their spectrum energies are compared to detect the ground fault.Keywords： Generator； Ground fault； Zero-sequence voltage； Fault component；Spectrum energy； Stator ground fault protection目录摘要Abstract1. 前言1 1.1 单相接地故障保护方案研究的重要意义1 1.2 国内外关于单相接地故障保护方案研究的发展现状1 1.2.1 同步发电机定子单相接地概述2 1.2.2 利用基
11、波零序电压构成的定子接地保护2 1.3 本文所要研究的内容32. 利用三次谐波电压构成的定子接地保护5 2.1 关于实现100%定子接地保护装置的探讨5 2.2 三次谐波电压构成的定子接地保护的原理5 2.2.1 发电机三次谐波电势的分布特点5 2.2.2 利用三次谐波电压构成的定子接地保护的基本原理5 2.3 三次谐波电压构成的定子接地保护其它判据6 2.3.1 目前常用的三次谐波电压定子接地保护的工作原理6 2.3.2 其它的保护判据的分析7 2.3.3 三次谐波定子接地保护误动分析7 2.4 新型发电机定子接地保护方案8 2.4.1 自适应式三次谐波电压定子单相接地保护8 2.4.2 新
12、型信号处理方法-小波变换构成的发电机定子接地保护83. 故障分量定子接地保护原理10 3.1 概述10 3.2 定子单相接地仿真分析10 3.3 零序电压故障暂态分量的定子单相接地保护原理124. 零序电压故障暂态分量的定子单相接地保护方案16 4.1 保护方案16 4.2 仿真结果分析17 4.3 定子单相接地保护的展望18结论19致谢20参考文献21附录A：英文文献原文22附录B：英文文献译文28 III1. 前言1.1 单相接地故障保护方案研究的重要意义我国电力工业已基本进入大电网、大电厂、大机组、高电压输电、高度自动控制的新时代。由于发电机单机容量很大，其安全运行与否直接影响电网的稳定
13、性。同时，现代大型发电机结构复杂、造价昂贵，一旦发生故障遭受损坏，停机检修需要较长时间，将造成巨大的直接和间接经济损失。这些都对发电机的安全保障继电保护系统在可靠性、灵敏性、选择性和快速性等方面提出了更高的要求。运行经验和理论分析表明，定子绕组内部故障对发电机的破坏最为严重。相比之下，虽然定子绕组单相接地故障对发电机的损伤程度较小，但由于它是发电机最常见的一种故障，而且往往是更为严重的内部相间或匝间短路故障发生的先兆，定子绕组单相接地保护的可靠与灵敏动作可以大大降低更为严重的内部短路故障发生几率。如果定子单相接地故障电流不大，对发电机定子铁芯的损伤就可以避免，故障造成的经济损失减少。因此，定子
14、绕组单相接地保护对预防严重的内部短路故障具有重要意义。1.2 国内外关于单相接地故障保护方案研究的发展现状目前广泛应用的较为成熟的传统的发电机定子单相接地保护方案有以下两种。第一种是双频式定子单相接地保护，是对基波零序电压型保护方案和三次谐波电压型保护方案的统称。其中基波零序电压型保护方案是在发生单相接地时，通过检测机端或中性点处零序电压来判别接地故障，简便易行。但由于发电机三相绕组对地电容不完全对称，正常时中性点存在位移电压，该方案在中性点附近存在保护死区，并且保护区内经过渡电阻接地时灵敏度不高，高压侧系统或高压厂用变低压系统发生单相接地故障可能引起保护误动。三次谐波电压型定子接地保护是利用
15、单相接地故障前后发电机中性点与机端处三次谐波电压变化特点不同构成的。正常运行时，中性点三次谐波电压比机端三次谐波电压大；而在中性点附近发生接地故障时，机端三次谐波电压增大，中性点三次谐波电压降低。基于稳态量的三次谐波电压型保护主要是为了消除基波零序电压型接地保护在中性点附近的保护死区。二者相配合就构成了100%双频式定子接地保护。仅利用机端或中性点单侧三次谐波电压构成的保护灵敏度较低，且保护范围较小，受运行工况影响很大。由机端和中性点双侧三次谐波电压构成的判据，由于能够综合考虑三次谐波电压的大小和相位变化，因而具有更高的灵敏度和可靠性，。但由于利用的是稳态量，所以当接地过渡电阻较大、故障位置在
16、发电机绕组中部附近时，机端和中性点三次谐波电压变化量很小，保护的灵敏度较低。第二种外加电源注入式定子接地保护这类保护是根据发电机正常运行时整个三相定子回路对地是绝缘的，而发生单相接地故障时这种对地绝缘就被破坏，这是最直接区分正常运行和故障的特征，在发电机定子回路与大地之间外加了一个信号电源。正常运行时，信号电源不产生电流或产生的电流很小。发生接地故障时，该电源产生相应频率的较大接地电流，使保护动作。因为信号是外加的，不受接地位置的限制，能完成100%定子接地保护的目的。该类保护在发电机静止、启停和运行过程中均有保护作用，灵敏度高并有可以进行绝缘监测的突出优点，有广泛的应用前景。但均需外加信号电
17、源，对电压的可靠性和性能有较高的要求，现场调试也比较复杂。1.2.1 同步发电机定子单相接地概述近年来，随着电力系统的迅速发展，发电机单机容量不断增大，电厂也都配备了大量微机发变组保护。根据多年的运行情况来看，发变组保护经常动作，其中发电机定子接地保护是动作次数较多的保护。根据安全的要求发电机的外壳都是接地的，因此发电机定子接地故障是发电机常见故障之一，是由于定子绕组与铁心之间绝缘的破坏而造成的。由于大型发电机在电力系统中占有重要地位，其铁芯工作磁密很高，材料利用率高，造价昂贵，结构复杂，不仅有幅向通风槽，还轴向冷却通道，损坏后其修复工作困难。因此，对于大型发电机的定子接地电流大小及定子接地保
18、护性能提出更严格的要求。大型发电机（特别是大型水轮发电机）定子绕组对地电容很大，单相接地时电容电流较大，要将接地故障电流限制在允许范围内，减轻发电机接地故障后的损伤，中性点应采用消弧线圈接地方式。因此，当发电机的内部发生接地时，流经接地点的电流仍为发电机所在电压网络（即与发电机有直接电联系的各元件）对地电容电流之总和，而不同之处在于故障点的零序电压随发电机内部接地点的位置而改变。当发电机内部发生单相接地时，实际上是无法直接获得故障点的零序电压的，而只能借助于即端的电压互感器来进行测量。通过分析也可以得知，发电机内部发生接地故障时，机端的零序电压和故障点的零序电压相等。在7O年代以前，定子接地保
19、护的投运方式采用原苏联的标准：即接地电流大于5A时投跳闸，小于5A时投信号。而多年的运行实践和事故教训表明，5A的定子接地电流不能认为是安全电流，接地电容电流对定子铁芯损坏的程度与电流的大小和故障电流持续时间有关。理论分析和实践证明，接地故障点持续通过2A电流是允许的，取安全系数为1315时，电容性接地电流的允许值推荐为115A。在这样小的接地电流下，若定子绕组发生单相接地故障、并且尚未扩展相间或匝间短路时，允许发电机继续运行一段时间，在这段计划运行时间内停机时，发电机铁芯可不用检修，因此在发电机定子接地保护动作后，只发信号而不要求立即停机，以使系统少受大的扰动，进而保证安全供电。1.2.2
20、利用基波零序电压构成的定子接地保护一般大、中型发电机在电力系统中大都采用发电机变压器组的接线方式，在这种情况下，发电机电压网络中，只有发电机本身、连接发电机与变压器的电缆以及变压器的对地电容。当发电机发生单相接地后，接地电容电流一般小于允许值，则可以在发电机电压网络中装设消弧线圈予以补偿。由于上述三项电容电流的数值基本上不受系统运行方式变化的影响，因此，装设消弧线圈后，可以把接地电流补偿到小的数值。上述两种情况下，均可以装设作用于信号的接地保护。发电机内部单相接地信号装置，一般是反应于零序电压而动作。分析表明，发电机定子回路中各点的基波零序电压基本相同。因此作为保护动作参量的基波零序电压既可取
21、自发电机中性点，也可取自机端。由于正常运行时，发电机相电压中含有三次谐波，因此，在机端电压互感器接成开口三角的一侧也有三次谐波电压输出，此外，当变压器高压侧发生接地故障时，由于变压器的高、低压绕组之间有电容存在，因此，发电机端也会产生零序电压，为了保证动作的选择性，保护装置的整定值应躲开正常运行时的不平衡电压（包括三次谐波电压），以及高压侧接地时在发电机端所产生的零序电压。根据运行的经验，继电器的起动电压一般整定为1530V左右。按照以上条件的整定保护，由于整定值较高，而且发电机三相绕组对地电容不完全对称，正常时中性点存在位移电压，该方案在中性点附近存在保护死区，并且保护区内经过渡电阻接地时灵
22、敏度不高。为了减小死区，可以采用以下办法将起动电压降至5V10V。1)加装三次谐波过滤器；2)对于高压侧中性点直接接地的电网，利用保护装置的延时来躲开高压侧的接地故障；3)对于高压侧中性点非直接接地的电网，利用高压侧的零序电压将发电机的接地保护或者利用它对保护实现制动。采取以上的措施后，零序电压保护范围有所提高，可以达到95%，但是在中性点附近还是存在一定的死区。分析表明，发电机定子回路中各点的基波零序电压基本相同。因此作为保护动作参量的基波零序电压既可取自发电机中性点，也可取自机端。一般现场整定基波零序电压型定子接地保护的动作电压为5 V10 V。以中性点经配电变压器高阻接地为例，在允许过渡
23、电阻为8k的情况下，基波零序电压保护只能反应发电机机端距中性点约94% 100%范围的定子绕组故障。在大于距中性点约40%的绕组部分，可实现3k过渡电阻接地的故障保护保护灵敏度随故障点与中性点的距离近似成线性增长，机端灵敏度为最大。1.3 本文所要研究的内容本文首先介绍了同步发电机定子单相接地的一些基本特点，通过MATLAB SIMULINK来仿真同步发电机定子单相接地故障，从而可以获得故障情况下定子电压，电流信号。进而，对零序电压，三次谐波电压等故障特征进行暂态分析，总结其规律，从而设计出同步发电机定子单相接地故障保护方案。在接地故障保护方案中，通过对比可以得知，基波零序电压保护简单可靠，但
24、是由于整定值较高，因此，当中性点附近发生接地时，保护装置不能动作，因而出现死区，并且随着定子绕组三相对地电容不对称度的增加，接地保护死区扩大。传统的三次谐波电压保护在运行中容易误动，并且随着定子绕组对地电容的增加，灵敏度降低，很难满足目前对保护灵敏度不断提高的要求。目前，基于稳态量的基波零序电压与三次谐波电压保护组合实现100定子绕组接地保护得到广泛的应用。但是，当接地故障的过渡电阻较大时，故障前后的稳态量变化很小，但故障后仍存在故障暂态过程，利用故障暂态分量构成保护判据将比稳态分量获得更高的灵敏度。本文就是通过分析发电机正常运行时机端和中性点零序电压及其接地故障后故障暂态分量的变化特点， 提
25、出了基于零序电压故障暂态分量的定子单相接地保护方案，该保护方案具有较高的灵敏度，且受发电机运行工况影响较小。 2. 利用三次谐波电压构成的定子接地保护2.1 关于实现100%定子接地保护装置的探讨通过上面的分析可以知道，无论如何采用措施来提高基波零序电压保护的灵敏度，在发电机中性点附近总是存在一定的死区，对于大容量的机组而言，由于振动较大而产生的机械损伤或漏水（指水内冷的发电机）等原因，都能使靠近中性点附近的绕组发生接地故障。如果这种故障不能及时发现，则一种可能是进一步发展成匝间或相间短路；另一种可能是如果又在其它地点发生接地，则形成两点接地短路。这两种结果都会造成发电机的严重损坏，因此，对于
26、大型发电机组，特别是定子绕组用水内冷的机组，应装设能反应100%定子绕组的接地保护。目前，100%定子接地保护装置一般由两部分组成，第一部分是基波零序电压保护，一般能实现保护定子绕组的85%以上，第二部分保护则用来消除基波零序电压保护不能保护的死区。为提高可靠性，两部分的保护区应相互重叠。构成第二部分保护的方案有：1）发电机中性点加固定的工频偏移电压，其值为额定相电压10%15%。当发电机定子绕组接地时，利用此偏移电压来加大故障点的电流（其值限制在1025A左右），接地保护即反应于这个电流而动作，使发电机跳闸。2）附加直流或低频（20Hz或25Hz）电源，通过发电机端的电压互感器将其电流注入发
27、电机定子绕组，当定子绕组发生接地时，保护装置将反应于此注入电流的增大而动作。3）利用发电机固有的三次谐波电势，以发电机中性点侧和机端侧三次谐波电压比值的变化，或比值和方向的变化，作为保护动作的判据。2.2 三次谐波电压构成的定子接地保护的原理2.2.1 发电机三次谐波电势的分布特点由于发电机气隙磁通密度的非正弦分布和铁磁饱和的影响，在定子绕组中感应的电势除基波分量外，还含有高次谐波分量。其中三次谐波电势虽然在线电势中可以将它消除，但在相电势中依然存在。因此，每台发电机总有约百分之几的三次谐波电势，以E3表示。如果把发电机的对地电容等效地看作集中在发电机的中性点N和机端S，则在正常运行的情况下，
28、发电机中性点侧的三次谐波电压总是大于发电机机端的三次谐波电压。当发电机中性点经消弧线圈接地后，中性点侧的三次谐波电压比发电机机端的三次谐波电压更大。2.2.2 利用三次谐波电压构成的定子接地保护的基本原理当发电机内部发生单相接地故障时，设接地发生在距中性点处，此时不管发电机的中性点是否接有消弧线圈，恒有： ； ； ；由上面的公式可以得出：当。因此，如果利用机端三次谐波电压作为动作量，而用中性点侧三次谐波电压作为制动量来构成接地保护，且当时作为保护的动作条件，则在正常运行时保护不可能动作，而当中性点附近发生接地时，则具有很高的灵敏度。利用这种原理构成的接地保护，可以反应定子绕组中性点侧约50%范
29、围以内的接地故障。如上所述，利用三次谐波电压构成的接地保护可以反应发电机绕组中15%以上范围的接地故障，且当故障点越接近于发电机出线端时，保护的灵敏度越高。因此利用三次谐波电压的比值和基波零序电压的组合，构成了100%的定子绕组接地保护。2.3 三次谐波电压构成的定子接地保护其它判据上面所讨论的基于稳态量的三次谐波电压型保护主要是为了消除基波零序电压型接地保护在中性点附近的保护死区。但是仅利用机端或中性点单侧三次谐波电压构成的保护灵敏度较低，且保护范围较小，受运行工况影响很大。由机端和中性点双侧三次谐波电压构成的判据，能综合考虑三次谐波电压的大小和相位变化，因而具有较高的灵敏度和可靠性。2.3
30、.1 目前常用的三次谐波电压定子接地保护的工作原理在发电机定子接地保护中，我们常用 (或者)作为动作量，而用作为制动量，此处,和均为调节系数。在正常运行情况下，调节使动作量为零，其动作判据式如下：1.0 （21）其中 =当发电机发生单相接地时，而且故障点在机端时，减小而增大；故障点在中性点附近时，增大而减小，其结果总是使显著增大，而此时制动量却比较小，继电器正确而且灵敏的动作。此原理的优点在于它全面利用了发电机单相接地故障所呈现的和的幅值及相位的变化特征，大幅度提高了灵敏度。但由于利用的是稳态量，所以当接地过渡电阻较大、故障位置在发电机绕组中部附近时，机端和中性点三次谐波电压变化量很小，保护的
31、灵敏度较低。2.3.2 其它的保护判据的分析方案一: 方案二: 其中:的单位为伏特，是常系数。方案一即中性点三次谐波低电压保护，国外应用较多，该方案受系统运行方式的影响较大，灵敏度也不高1 。方案二则利用了比值的变化来反应定子接地故障。真机试验表明，发电机正常运行时，和及其比值也随运行工况(如输出有功和无功)而变化，这牵涉到许多难以事先考虑的因素2 。以励磁气隙磁密为平顶波的凸极发电机为例，由于纵轴电枢反应对三次谐波励磁磁通势起助磁作用，随着感性负载的增大，电枢反应对三次谐波的助磁作用增大，并且励磁磁密的三次谐波也在加大，必然导致发电机三次谐波电压增大，所以和会随着运行工况而变化。但其比值却改
32、变很小。尤其是和的相位差随输出功率变化很小，基本上可将绝缘正常发电机的和相位差变化量近似为零，因此可以认为是一个常数。根据上述分析，方案二要比方案一具有较好的稳定性。但是通过进一步的分析可知，上面所介绍的这两种方案要明显的低于前面所介绍的常用的三次谐波电压定子接地保护。尤其是方案一，在中性点处只有约100，不能有效的反应中性点附近经过渡电阻的接地故障。在各种接地方式下，方案二虽然增加了对幅值的修正回路，但其灵敏度也不是很高，这主要是在正常运行的时具有较大的制动量。当经高阻接地的时候，只能反应中性点处约1.4的接地短路故障。前面所介绍的常用的三次谐波电压定子接地保护在动作回路中引入幅值和相角调节
33、系数 ，因而可以较大限度地减小动作量，从而降低制动量，灵敏度有很大的提高。但由于的选取与发电机的运行方式有关，不宜选的过低，灵敏度仍然受到限制。2.3.3 三次谐波定子接地保护误动分析1)从原理上分析为了确保在各种正常工作情况下都能可靠不误动，式(2-1)中调节系数就必须考虑到可能出现的最大不平衡动作量，所以不能取得太小，而和则随着发电机的运行工作情况而不断变化，因此，从原理方面来说，如何在各种工作情况下准确而快速地调节 ，让动作量保持在零附近的状态，是解决问题的关键。2)从人为因素方面分析在发电机调试和运行过程中，很多三次谐波定子接地保护误动作不是由于原理本身的问题，而是人为因素造成的，包括
34、设计不合理、定值设定不合理、调试和维护不良等。常见的人为因素有：a)保护配有多余的移相回路；b)电压互感器断线误闭锁，使得保护拒动；c)冷却水水质不良；d)电压互感器相熔断器没有压紧；e)同期回路的影响；f)干扰问题；g)二次回路中，或者的极性接反。当发电机出现三次谐波定子接地保护误动作时，可以首先检查一下以上常见的与原理无关的人为因素，这样可以为快速找到事故的根源提供捷径。2.4 新型发电机定子接地保护方案近些年来清华大学，华中科技大学致力于发电机定子接地保护研究的学者们提出了一些新型的定子接地保护方案。其中一些是从保护原理上进行了改进，另一些则是采用了先进的信号处理方法。原理上主要提出了自
35、适应方案和小波变换构成的发电机定子接地保护以及基于故障分量的保护方案，特别是基于故障分量的定子接地保护得到了广泛的应用，我们将在下一章介绍。 2.4.1 自适应式三次谐波电压定子单相接地保护文献3中给出了通过自动跟踪中性点与机端两侧的三次谐波电压，采用自适应三次谐波电压相量比差方案，进一步提高了保护的灵敏度，并且能够单独完成定子绕组100%保护。但由于不能区分特征信号的变化类型，只能按最大缓变范围来整定保护，从而限制了灵敏度的进一步提高。文献4、5中也采取了自适应判据，将发电机各种工况下动作量降至最低，在一定程度上提高了灵敏度。但此判据需要较多的闭锁条件，增加了判据的复杂程度。并且在大型汽轮发
36、电机机端装设浪涌吸收电容的情况下，其灵敏度有较大幅度的下降。2.4.2 新型信号处理方法-小波变换构成的发电机定子接地保护小波分析作为一种新颖的信号分析方法，一改傅立叶分析难以同时兼顾时域和频域局部化的不足，能够将含有多种频率成分的被分析信号按一定的时间和频率分辨率进行分解并逐步求精，具有近乎完美的双重化局部化性质并能有效的刻画信号突变。因此，小波分析将成为发电机继电保护的强有力的信号处理工具。文献6提出了基于正交小波的发电机定子单相接地保护新方法，利用经小波变换后机端和中性点侧三次谐波电压的局部模极大值符号特性是否相同来识别定子接地故障。该保护方案具有较高的灵敏度。文献7则在它的基础上提出了
37、基于B样条半正交小波的新型发电机定子单相接地保护方案。通过直接对机端和中性点两侧的测量电压进行小波变换，利用其合成量的小波分析结果，可靠识别出发电机定子接地故障。由于综合利用了故障电压的突变奇异性，新方案能保护100% 范围的定子绕组，灵敏度有一定的提高。文献8提出了利用小波变换检测发电机定子单相接地故障的能量法。该方法在不同尺度下对两侧零序电压的故障分量进行小波变换，将高频部分之和与差分别作为保护的动作信号和制动信号，计算数据窗内相应信号的谱能量作为保护的动作量和制动量，通过比较动作量和制动量的大小检测发电机单相接地故障，可以提高保护判据的可靠性。但是这种方法易受噪声干扰， 因而离实际应用还
38、有一定的距离。3. 故障分量定子接地保护原理3.1 概述前面所介绍的有关定子单相接地故障保护方案的探讨都是基于稳态量的。通过上面的论述可知，基于稳态量（包括基波零序电压和三次谐波电压）的保护灵敏度都不是很高，存在死区，容易误动。而且我们知道，当接地故障的过渡电阻较大时，故障前后的稳态量变化很小，但故障后仍存在故障暂态过程，而且不管系统运行方式怎样变化，电容值怎样受温度条件等的影响，定子绕组的感抗和电阻远小于其容抗这一事实是不会改变的。根据这一特点，可以构成相应的故障分量保护方案。采用故障分量后的定子单相接地保护将会有很高的可靠性，灵敏度与故障电阻R几乎没有关系，因此必然会取得很高的保护灵敏度。
39、3.2 定子单相接地仿真分析 利用MATLAB软件进行仿真，使发电机A，B，C三相通过一个断路器接地，该仿真运行时间为5秒，A相在4秒的时候发生接地短路，观察A相输出电压波形以及电流波形，并且可以通过傅立叶分解，可得到其频域下的波形。仿真模型如图3-1所示，正常运行时A相的电压频谱如图3-2所示，发生故障后A相电压频谱如图3-3所示，发生故障后A相电流频谱如图3-4所示。 图3-1 MATLAB SIMULINK 仿真模型 图3-2 正常运行时A相的电压频谱 图3-3 发生故障后A相电压频谱 图3-4 发生故障后A相电流频谱 此仿真模拟的是A相机端发生单相接地故障后波形的变化，从上面的波形可以
40、看出，正常运行时只含有基波分量，故障后虽然含有一定谐波分量，但是基波分量仍然占有很大比例。由于此仿真只能模拟机端发生短路故障，而通常的发电机定子接地故障都是发生在发电机内部的，而且模块中也无法反映中性点处发生故障电流和电压波形的变化，具有太大的局限性。3.3 零序电压故障暂态分量的定子单相接地保护原理基于零序电压故障暂态分量的定子单相接地保护原理基础：由于发电机定子绕组的漏抗和电阻远小于其对地容抗，若忽略定子绕组漏抗和电阻的影响，当定子发生单相接地故障后，基波和三次谐波电压故障分量的零序简化电路都可以等效为图3-5中的电路，其中-e为故障前故障点的电压，Cgt、Cgn分别是接地故障发生后发电机
41、绕组对地电容在机端和中性点处分配的等效电容。从图3-5中可以看出，故障后机端和中性点零序电压的故障分量(、)近似相同(包括幅值与相位)。正常运行时，由于定子绕组对地电容不对称使发电机机端和中性点存在基波零序电压，但两者的大小几乎相同，且变化很小。正常运行时三次谐波电压的简化电路如图3-6所示，其中为每相机端附加电容，为每相绕组对地电容，、为中性点接地电阻和电感，为发电机三次谐波电动势，对于不同的中性点接地方式，机端和中性点三次谐波电压(、)相位差不尽相同。当 =0时，若趋向无穷大时， 发电机中性点不接地，两侧三次谐波电压相位差为180度；若 很小，发电机中性点接近直接接地，两侧三次谐波电压相位
42、差为90度；当 =13(Cg+Ct)时，发电机中性点经电阻接地，若无附加电容，两侧三次谐波电压相位差约为146度,若有附加电容，两侧三次谐波电压相位差比146度略小。即中性点接地电阻在0无穷大之间变化时，对应正常时机端与中性点的三次谐波电压相位差在90度180度之间变化。当发电机中性点经电抗器或消弧线圈接地(欠补偿或谐振方式)时，若=0，两侧三次谐波电压相位差为180度；若为小值电阻时，两侧三次谐波电压相位差略小于180度。由以上分析可知，根据不同的中性点接地方式，正常时机端与中性点三次谐波电压的相位差90度180度。当发电机运行方式变化或由于其它原因引起机端和中性点的三次谐波电压变化时，这两
43、电压变化量的比值近似不变，且其变化量的相位差近似于正常时的规律。 为进一步说明以上零序电压的变化特点，利用文9中基于交流电机多回路分析方法的定子单相接地故障暂态仿真模型，对一台三峡发电机组进行了仿真计算。发电机额定电压为20，每相5分支，每分支串联线圈数为36匝，定子绕组每相对地电容1.81F，考虑机端附加电容02F ，发电机中性点和机端电压互感器变比分别为(20kV)100V 和(20kV)(100V)，中性点经5281电阻(等于发电机三相对地容抗值)接地。图3-5 单相接地时零序电压故障分量的简化电路图3-6 发电机正常运行时三次谐波电压的简化电路基于多回路的仿真模型中考虑了定子铁心饱和的
44、影响，同时将定子绕组分成多段以考虑绕组对地分布电容。分段数不影响绕组中三次谐波电压大小的计算， 但影响三次谐波电压在机端和中性点处的分配比例。绕组段数分得越多，仿真越准确,但段数过多将大幅增加状态方程的阶数和计算量。综合考虑计算量和准确度，将仿真电机的定子绕组每分支分成12段进行分析。当B相第1分支靠近中性点第3匝线圈处经8过渡电阻发生接地故障时，图3-7给出了机端和中性点零序电压(、)如图3-7（a）、相应故障暂态分量(、，计算问隔为20ms)的波形如图3-7（b）以及两侧零序电压中三次谐波电压分量相位差的变化如图3-7（c）。从图3-7(b)中可以看出，机端和中性点零序电压的故障暂态分量(
45、包括基波与三次谐波)几乎相同，从图3-7（c）正常时机端和中性点三次谐波电压的相位差约为141度。当发电机励磁电压突然增加时，机端和中性点零序电压发生变化，图3-8给出了此时机端和中性点的零序电压如图3-8(a)、相应故障暂态分量如图3-8（b）以及两侧零序电压中三次谐波电压故障分量的相位差如图3-8（c）。从图3-8(c)和3-8（b）中可以看出，三次谐波电压故障分量的相位差接近正常时机端和中性点三次谐波电压的相位差。仿真表明，对于不同中性点接地方式、不同过渡电阻、不同故障位置下发生单相接地故障，机端和中性点零序电压故障暂态分量具有同样的特点。(a) 机端和中性点零序电压(b) 故障暂态分量 (c) 两侧零序电压中三次谐波电压分量相位差图3-7 单相接地故障 (a) 机端和中性点的零序电压 (b) 故障暂态分量 (c)两侧零序电压中三次谐波电压故障分量的相位差图3-8 励磁电压变化4. 零序电压故障暂态分量的
