水轮发电机定子接地的行波电流差动保护与故障选相分析.docxVIP

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水轮发电机定子接地的行波电流差动保护与故障选相分析

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向龙海

贵州黔源电力股份有限公司贵州贵阳550002

【摘要】探究大型水轮发电机定子绕组内的行波传播规律，并进行参数分析，建立相应的电路模型，在对波动电路模型分析的基础上，判断以行波电流零模量的高频分量作为差动保护故障依据的可行性，并利用电流模量特征进行故障选相。目前，我国关于行波故障分析在大型发电机故障保护中的应用研究较少，很多研究理论缺乏可行性，本文将深入地研究行波的故障分析在水轮发电机差动保护中的应用，并通过建模仿真验证故障定位的可行性与准确性。

【关键词】行波理论；行波电流；水轮发电机；定子接地；差动保护；故障选相

随着现代科学技术理论研究的不断深入，暂态行波技术在工程项目中的应用越来越广泛。近年来，电力系统中关于行波故障分析的研究越来越多，行波故障分析将行波信号与信号处理技术进行了整合，行波故障信号属于暂态故障信息，在电力系统、发电机、变压器等设备中普遍存在，暂态行波故障在线检测与外加高频检测具有一定差别，但实质上都是利用行波故障信号进行的故障分析。大型水轮发电机经常出现定子绕组单相接地的故障，传统的双频式保护稳定性差、反应周期长，已经难以满足我国水轮发电机的快速发展。

1.水轮发电机行波故障检测的应用

大型水轮发电机定子绕组接地瞬时电流远远大于稳态电流，通过采集瞬时电流的暂态行波，可以有效提高故障检测的灵敏度，除此之外，对暂态行波信号进行分析处理，有利于快速实现故障定位，对提高设备稳定性具有实际意义。目前，我国关于行波故障分析在传输电路中的应用已经十分成熟，很多理论研究成果已经用于实际工程项目中，但水轮发电机的绕组结构更加复杂，影响行波故障分析的因素太多，建立行波故障分析模型的难度较大，需要保证模型的准确度，避免发出错误故障信息，造成设备运转中断。

2.水轮发电机行波故障检测的理论基础

根据已有的文献，行波故障分析领域已有的成果包括行波功率信息故障检测、外用高频脉冲故障检测等，但这些研究都具有一定局限性。（1）行波功率信息故障检测理论主要针对了电机定子绕组接地保护，该理论充分利用了故障行波的功率方向信息对发电机组中的选择性，利用故障行波的功率方向信息区分接地故障的区域，基于行波功率信息故障检测理论建立的波阻模型以及行波网格图可以模拟出行波的特征，利用这一模型可以区分故障位于机外或者机内，同时可以记录现场实验数据。但该理论仍然存在较大的漏洞，建立的数学模型没有基于实际波动，导致与实际应用存在较大差距，不能直接用于行波故障分析。（2）外用高频脉冲故障检测利用外部施加的行波信号检测电动机定子的绝缘性，同时可以将电机转子绕组的短路检测纳入故障分析中，外用高频脉冲故障检测理论已经用于实际项目中，并取得了较好的实验效果，该理论证实了行波故障信号分析的可行性。

本文将以电压理论中的电机定子绕组内部暂态行波信号特征为基础，在已有的传输线行波故障信号分析模型基础上进行改进，建立针对水轮发电机定子绕组接地的行波故障信号分析模型。具体的研究手段包括：（1）利用MATLAB模拟大型水轮发电机定子单相绕组接地，通过数学模型取得相关的行波故障信号。（2）利用Karebauer矩阵对采集的数据进行处理，具体处理包括相模转换。（3）利用小波多分辨分解器，提取模量数据中的高频暂态部分，将行波零模拟信号的高频暂态部分作为继电器保护的动作信号，同时利用模量的波动特征进行故障定位分析。

3.水轮发电机定子绕组的行波信号模型

3.1行波故障信号传播的电路模型

水轮发电机定子绕组的电路模型可以简化为分布参数电路模型，大型水轮发电机的定子绕组单相接地模型类似三相输电线路的单相接地，可以将大型水轮发电机的定子绕组单相接地的模型直接等效为分布参数电路模型。大型水轮发电机定子绕组采用了波绕组形式，由若干规律排布的电气元件组成，所有的电气元件均由定子内槽与端头组成，大型水轮发电机定子绕组的电磁载荷较大，因此绕组的形式为单匝双层线棒结构形式，单匝绕组的电阻较小，但线棒的电阻却很大，可以忽略线棒的电阻。对水轮发电机定子绕组线棒参数进行傅里叶转换，行波故障信号传播的电路模型如图1所示。

4.利用行波故障信号进行故障定位

4.1差动保护的数学模型

行波的差动保护与故障选相是本文的研究重点，也是水轮发电机定子绕组单相接地故障分析的基础理论，由表达式3、4可以导出长度为L的绕组的前行波与反行波式。如果参数已经确定则可以得出Bergeron方程组：

5.小波变换的多分辨率分析

小波变换的多分辨率分析可以为行波保护提供准确的参数，包括行波极性、幅值等，除此之外，小波变换的多分辨率分析具有较好的适应性，可以同时对时域与频域进行分析，小波