大型隱極發電機定子單相接地故障定位新方法

薛 磊，孫鋼虎，王小輝，柴 琦，兀鵬越，賀 婷

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

0 引言

發電機定子單相接地故障的定位一般需要先測量或計算獲得定子接地過渡電阻［1-4］（下文簡稱過渡電阻）。對于高阻接地方式的發電機，雖然可以采用注入式定子接地保護來獲得過渡電阻，并進一步定位定子單相接地故障［1］，但是注入式定子接地保護一般只在特大型機組上應用，該類故障定位方法的應用范圍受到了很大限制。對于中性點不接地的發電機，一般只能采用100%定子接地保護。文獻［2，4］通過計算最高相和次高相電壓平方差與最高相和故障相電壓平方差的比值來獲得過渡電阻，從而實現不依賴注入式定子接地保護實現定子單相接地故障的定位。文獻［3］提出對于大型水輪發電機，定子繞組的合成電勢與相電勢間的相位差可忽略，并通過基波零序電壓和故障相基波電勢之間的相位角計算過渡電阻，進而定位定子單相接地故障。

本文通過分析發電機定子單相接地故障特征，提出一種新的定子單相接地故障故障定位方法，其不需要通過注入式原理測量過渡電阻，也不需要先計算得到過渡電阻再進行故障定位，且適用于中性點通過高阻接地或不接地的發電機。

1 定子單相接地故障分析

本文以發電機A相定子繞組經過渡電阻Rg接地故障為例分析定子單相接地故障的電氣特征，其等效電路圖如圖1 所示。圖中，Rn為發電機中性點接地變壓器二次側電阻按接地變壓器變比折算到一次側的電阻值；U0為發電機中性點零序電壓；Ea、Eb、Ec為發電機定子三相電動勢；Ca、Cb和Cc為發電機三相對地電容，三者之和為C∑；α為故障點到中性點的繞組匝數占一相總匝數的百分比，表征定子接地故障位置，0≤α≤100%。

圖1 發電機A相定子繞組接地故障等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram of phase-A stator winding grounding fault of generator

根據基爾霍夫定律，可得到：

圖2 發電機A相定子繞組接地故障后的電壓相量圖Fig.2 Voltage phasor diagram after phase-A stator winding ground fault of generator

由式（7）可知，特征角β和發電機定子單相接地故障的位置無關，也不隨過渡電阻的變化而變化，只與發電機參數有關。對于中性點不接地的發電機，β=90°，即弧OGD是以OD為直徑的半圓。

2 定子單相接地故障定位

2.1 故障相選擇

假設發電機A 相定子繞組經過渡電阻接地，則Ucg最大［2］，可確定C 相為無故障相，因此只比較Uag和Ubg。

當Rg＜ 3 /(ωC∑)時，故障相的機端對地電壓最??；當Rg≥ 3 /(ωC∑)時，故障相的機端對地電壓并非最小。因此，當發電機發生定子單相接地故障后，機端電壓幅值最小的一相并不一定是故障相，文獻［5］也有相似的結論。

材料2：生產實踐中，人們通常通過扦插繁殖月季、葡萄等植株。研究發現，在扦插前，若用一定濃度的生長素涂抹插枝基部或浸泡插枝基部一段時間，扦插后可以增加插枝的生根數量，提高插條的成活率。

由式（2）可知，-U0始終滯后于故障相電壓θ角度，且tanθ=ωC∑/(1/Rn+1/Rg)。對于中性點經高阻接地的發電機，Rn≤1/(ωC∑)，因此θ通常小于45°；對于中性點不接地的發電機，雖然θ和Rg的大小有關，但不會大于90°。因此-U0的相位必定位于A相和B相之間，C 相機端對地電壓在三相中最大，A 相和B相機端對地電壓較低，從而滯后于機端對地電壓最大相的一相即為故障相。

2.2 故障位置計算

由圖3可知，發電機定子單相接地故障后，U0超前故障相機端對地電壓的角度為φ，φ可根據發電機的三相電壓計算得到。如果φ≤β，則可判斷定子單相接地故障發生在發電機機端或外部；如果φ＞β，則可判斷定子單相接地故障發生在發電機內部。

圖3 △OGD示意圖Fig.3 Schematic diagram of △OGD

如果定子單相接地故障發生在發電機內部，則可以進一步確定發生故障位置距離發電機機端的繞組匝數與距離發電機中性點的繞組匝數之比γ，如式（10）所示。

式中：Ufault為定子單相接地故障相對地電壓。

從而可得到α為：

上述故障位置計算過程所需要的故障數據為Uag、Ubg、Ucg和U0，雖然這些數據均可直接從故障錄波器中獲取，但是經發電機中性點接地變壓器二次側電阻抽頭抽取的零序電壓與發電機機端電壓互感器變比不一致容易導致計算錯誤，另外故障錄波器測量的零序電壓含有3 次諧波分量，也會導致計算不準確，因此在實際應用中，一般通過計算Uag、Ubg、Ucg矢量和的方法得到U0。

3 仿真驗證

因為目前沒有可模擬發電機內部故障的發電機模型，本文在電力系統暫態仿真軟件PSCAD／EMTDC 中搭建如圖4 所示的分布參數電路模型［6］，模型將每分支定子繞組劃分成若干個單元，定子繞組的電感、電阻、對地電容和電勢平均分配到每個單元電路中。仿真模型參數為：|Ea|=|Eb|=|Ec|=11.547 kV，每相電感為227.05 μH，每相電阻為5 mΩ，每相對地電容為1.686 μF，Rn=629.32 Ω。因此對于發電機仿真模型，可得ωC∑Rn=2π×50×3×1.686×10-6×629.32≈1，則其特征角β=135°。

圖4 發電機分布參數電路模型Fig.4 Distributed parameter circuit model of generator

本文分別在發電機內部和機端設置定子A 相經過渡電阻接地故障進行仿真。

1）仿真1：發電機定子A 相α=60%處經600 Ω過渡電阻接地。仿真結果為Uag=8.79∠-80.86°kV，Ubg=12.19∠134.9° kV，Ucg=14.30∠37.16° kV，U0=3.19∠64.02° kV。根據仿真結果可知，U0超前Uag的角度φ=144.88°，大于特征角135°，因此可以判斷定子單相接地故障發生在發電機內部。

根據式（10）可得：

則可知定子單相接地故障點到中性點的繞組匝數占一相總匝數的百分比為α=1/(1+0.669)≈0.599，與仿真設置基本一致。

2）仿真2：發電機定子A 相在機端經600 Ω 過渡電阻接地。仿真結果為Uag=7.16∠-71.02°kV，Ubg= 13.04 ∠126° kV，Ucg= 162.3 ∠40.54° kV，U0=5.32∠63.97 kV。根據仿真結果可知，U0超前Uag的角度φ=134.99°，考慮計算誤差，可認為φ=β，因此可以判斷定子單相接地故障發生在發電機機端。

4 案例分析

本文對文獻［7］提供的發電機定子單相接地事故案例進行接地故障分析。機組相關參數如下：發電機容量為630 MW，每相對地電容為0.27 μF，發電機側發電機出口斷路器（GCB）系統對地電容為0.14 μF，系統側GCB 系統對地電容為0.26 μF，出口額定電壓為20 kV，電壓互感器變比為20 kV/100 V，中性點電阻柜變比為20 kV/500 V，接地電阻抽頭選取0.295 Ω（總阻值為0.852 Ω）。

1）事故1 的數據如下：Uag=54.3∠51.7° V，Ubg=57.7∠-78.5°V，Ucg=64.6∠169.6°V。通過計算可得，事故1 中U0=6.173∠187.03°V?？梢娛鹿? 中Ucg的幅值最大，則可以確定定子單相接地故障相為A相，U0超前故障相機端對地電壓Uag的角度φ=135.33°。

由計算結果可知φ＜β，則可以判斷發電機定子單相接地故障發生于發電機機端或外部?，F場經過排查，事故原因是由于在機組運行期間更換氫冷卻器軟連接造成漏水，水滴在發電機出線盒上滲入出線盒內部，導致發電機A相出現絕緣波紋對地放電?，F場排查發現的事故原因與本文方法得到的發電機定子單相接地故障的定位結果一致。

2）事故2 的數據如下：Uag=60.1∠-39° V，Ubg=53.5∠-160°V，Ucg=58.1∠74°V。通過計算可得，事故2中U0=4.15∠-1.24°V?？梢娛鹿?中Uag的幅值最大，則可以確定定子單相接地故障相為B相，U0超前故障相機端對地電壓Ubg的角度φ=158.76°＞β，故可以判斷發電機定子單相接地故障位于發電機內部。

進一步采用本文方法可確定γ為：

現場經過排查，發現發電機汽端26 號上層線棒汽側水盒損毀嚴重，發電機定子線圈的水電連接圖見附錄A 圖A1，其中定子槽數為42，每極每相槽數為7，線圈跨距為1-18，26 號上層線棒位于B 相的第一分支的1/7處，事故原因與采用本方法對接地故障的定位分析較為一致。

5 結論

本文提出了一種大型隱極發電機定子單相接地故障的定位方法，并通過仿真和實際案例驗證了所提方法的正確性。本文方法可直接通過基波零序電壓和故障相基波電勢確定定子單相接地故障的位置，不需要通過注入式原理測量接地過渡電阻，也不需要計算過渡電阻后再進行故障定位，所需要的故障信息較少，在現場易于使用，具有一定的實用價值。對于發電機中性點附近的定子單相接地故障，可與3次諧波定子接地保護配合進行故障定位。

本文方法未考慮不同定子線圈的分布電勢以及同一線圈上層線棒和下層線棒短距系數的影響，筆者將對此繼續開展研究。

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