發電機定子接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識

王義凱 尹項根 譚力銘 喬 健 尹 昕

發電機定子接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識

王義凱1,2尹項根1,2譚力銘1,2喬 健1,2尹 昕3

（1. 強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學電氣與電子工程學院） 武漢 430074 2. 電力安全與高效湖北省重點實驗室（華中科技大學） 武漢 430074 3. 長沙理工大學電氣與信息工程學院 長沙 410114）

海洋核動力平臺運行環境惡劣，發電機定子接地故障頻發，故障嚴重時將損傷定子鐵心，但盲目快速切機會導致核反應堆負荷失電，威脅平臺安全運行。為保證發電機自身安全及核反應堆負荷供電安全，該文提出基于雙頻電壓調控的發電機定子接地故障有源消弧及辨識方法?；陔妷貉a償型消弧原理，在發電機中性點外加包含基波及3次諧波分量的電壓源，通過控制輸出電壓與故障電動勢幅值相等、相位相反，抑制故障點電壓為零，實現有效熄弧。在辨識接地故障類型時，與接地故障安全風險分析相結合。安全風險高的情況下，調節外加基波電壓的同時控制接地故障電流在安全電流范圍內，并利用瞬時性和永久性接地故障條件下中性點基波零序電流和基波零序電壓間相位差的差異構建故障辨識判據。仿真和動模實驗結果驗證了所提方法的有效性。

海洋核動力平臺 雙頻電壓調控 定子接地故障 有源消弧 故障辨識 安全電流

0 引言

海洋核動力平臺用于海上工程供電、遠洋海島供電等[1]，平臺內主發電機承擔外系統供電和站內系統應急供電的雙重任務[2]。平臺長期處于海浪沖擊的振動環境中，發電機定子接地故障頻繁發生，并常伴有電弧產生[3]。在瞬時性故障情況下，若保護快速跳閘切機，將對系統的供電可靠性和核堆運行安全性造成不利影響[4-6]。此外，較大的接地故障電流將燒損定子鐵心[7-9]，嚴重時甚至難以修復，導致平臺無法正常運行。因此，需要與現有接地保護有效配合，實現接地故障消弧和故障類型辨識。

接地故障消弧包括電流型消弧方式、電壓型消弧方式等。目前，發電機中性點普遍采用經消弧線圈接地方式補償接地故障電流[10]，屬于電流型補償方式。傳統消弧線圈接地方式僅能部分補償故障點工頻無功殘流，無法補償有功電流和諧波電流[11]，且易引起系統諧振過電壓[12]。文獻[13]提出消弧線圈接地方式的改進策略，通過與電力電子設備的協同配合，能夠補償一定的有功電流和諧波電流，但控制過程復雜，在發電機接地故障消弧中尚無應用。文獻[14-15]提出基于電壓型補償的消弧方法，基于零序電壓調控原理[16-17]，通過外加注入源控制故障點電壓低于電弧重燃電壓，可靠消弧并抑制電弧重燃，在配電網的應用中取得了較好的消弧效果。文獻[18]依據電壓消弧機理，提出一種基于零序電壓調控的發電機定子繞組接地故障消弧策略，能夠有效抑制接地故障電流。然而，發電機相電動勢中含較高的3次諧波電壓分量[19-21]，而該文獻未考慮3次諧波影響，在近中性點側發生接地故障時，故障電流中3次諧波含量較高，在僅補償基波分量的情況下，故障點難以實現可靠熄弧，且較大的3次諧波故障電流會對定子鐵心造成損傷，3次諧波電壓對電弧的燃弧作用不能忽略。

定子接地故障辨識用于區分瞬時性和永久性接地故障，保證發電機定子接地保護能夠依據故障類型自適應地決定出口控制方式。文獻[18]提出基于零序電壓有源調控的接地故障類型辨別方法，消弧后減小注入電流，并基于中性點基頻電流變化量與基頻零序電壓變化量間的比例特性關系，測量并求解接地故障電流，實現接地故障辨識。然而，對于永久性接地故障，若接地故障電流較大，該方法在注入電流控制不當的條件下，接地故障電流將超過安全電流[22]，對定子鐵心造成二次破壞，在實際工程中無法保證設備安全。

依據電壓補償型消弧原理，本文提出發電機定子接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識方法。消弧過程中同時調控發電機中性點基波及3次諧波電壓，可靠地控制故障點電壓為零，有效熄弧并防止電弧重燃。接地故障類型辨識過程中，與故障安全風險分析相結合。對于安全風險較高的情況，在調節注入量時將接地故障電流控制在安全電流范圍內，能夠在可靠實現故障類型辨識的基礎上避免對定子鐵心造成二次損傷。PSCAD/EMTDC仿真仿真結果及動模實驗結果表明，所提雙頻有源消弧策略在不同故障位置及接地過渡電阻條件下均能夠有效熄??；所提故障類型辨識方法能夠在保證鐵心安全的前提下準確區分瞬時性和永久性接地故障。

1 發電機定子接地故障雙頻有源消弧策略

1.1 雙頻有源接地故障消弧機理

針對弧光接地故障，故障點電壓降低到電弧重燃電壓以下時，故障電流急劇減小，電弧不再重燃[23-24]。目前配電網中通過基波零序電壓調控，抑制故障點對地電壓，實現可靠熄弧。對于發電機定子繞組接地故障，受3次諧波磁動勢和磁通密度影響，發電機相電壓中存在3次諧波分量[25]。在任意位置發生單相接地故障時，故障點對地電壓及故障電流中均包含3次諧波分量。

為防止單相接地故障發展為相間或匝間短路、避免鐵心損傷，應使接地故障處不產生電弧或使電弧瞬間熄滅，對應的最大接地電流即為接地故障的安全電流[22]。海洋核動力平臺運行環境惡劣，對燃弧過程十分敏感，選取安全電流閾值為1A?；诘?節中的發電機參數和仿真分析模型，發生定子繞組單相接地故障時，故障電流仿真結果如圖1所示。

圖1 發電機定子繞組接地故障電流仿真結果

圖1中，故障匝比表示發電機定子繞組中性點與故障點之前的匝數與完整故障分支匝數之比，本文利用故障匝比表示故障位置。分析圖1仿真結果可知，接地故障電流中含有一定的3次諧波分量。以近中性點側故障匝數占比為0.125情況為例，此時接地故障電流中3次諧波有效值為1.98A，高于安全電流閾值。進行接地故障消弧時，若僅補償基波分量，3次諧波故障電流仍能夠維持電弧燃燒，無法有效熄弧。因此在實現發電機定子繞組接地故障有源消弧時，應該同時考慮基波和3次諧波的影響。針對電動勢中的其他諧波分量，由于幅值很小，不足以維持電弧燃燒，本文不作考慮。

發電機定子繞組單相接地故障時的等效示意圖如圖2所示，圖中，A、B、C分別為發電機定子繞組三相相電動勢，海洋核動力平臺主發電機中性點采用經高阻接地方式，N為接地電阻，f為發電機定子繞組每相對地電容，t為直連系統在機端的每相等效對地電容。以定子繞組A相發生單相接地故障為例，接地過渡電阻為g，f和f分別為故障點對地電壓和接地電流，N為中性點電流，N為中性點電壓，f為故障點與中性點間電動勢，簡稱故障電動勢。

圖2 發電機定子繞組單相接地故障示意圖

根據基爾霍夫電壓定律，故障點電壓滿足

考慮從本質上消除接地故障，將故障點電壓強制調控為0。此時可控電壓源輸出電壓應滿足

式中，i為可控電壓源輸出電壓，其幅值和相位分別為i和i。本文中各電氣量的基波分量用下標“1”表示，3次諧波分量用下標“3”表示。中性點接入可控電壓源時，中性點電壓可由所加可控電壓源進行幅值、相位任意調控，使中性點電壓強制并保持為所需電壓值。相關的控制策略在文獻[26]中已有詳細論述，在配電網的工程應用中已經取得較好的控制效果，本文不再贅述。海洋核動力平臺低壓系統包含儲能裝置，通過大功率直流逆變電源接入系統，作為系統應急備用電源使用，可用作有源消弧裝置的電源。發生定子繞組單相接地故障后，通過調整可控電壓源輸出電壓，使發電機中性點對地電壓與故障電動勢幅值相等、相位相反，即可控制故障點電壓為0，從根源上破壞電弧重燃條件。

對于瞬時性接地故障，能夠清除故障并保障發電機持續運行；對于永久性接地故障，可抑制接地故障電流，避免定子鐵心受到灼傷。抑制接地故障后，可在轉移負荷后平穩停機，避免因平臺內核反應堆重要負荷失電影響平臺運行安全。

1.2 雙頻外加電壓計算方法

配電網接地故障消弧僅需抑制故障相對地電壓為0。而由于發電定子繞組不同位置對應的故障電動勢不同，因此需要在線實現接地故障定位以計算故障電動勢。海洋核動力平臺發電機為汽輪發電機，定子繞組的聯結及分布采用60°相帶方式。若在定位時不考慮相位特征，則定位精度不夠，消弧效果差。文獻[27]基于基波電動勢相位分布特點，結合海洋核動力平臺發電機定子繞組線棒排布情況與零序回路阻抗特征，實現接地故障的準確定位與計算。其中，發電機定子繞組接地故障解析定位方程為

發電機機端和中性點均裝有電壓互感器，可在線測量發電機機端和中性點對地電壓。故障相電動勢等于故障相機端與中性點對地電壓的相量差。利用故障后基波零序電壓和故障相電動勢，在∈[0,1]范圍內尋找使()最接近于0的解，即可計算出。對應不同的，接地過渡電阻計算式為

海洋核動力平臺發電機定子繞組采用60°相帶分布形式，故障電動勢Ef1的端點位于60°相帶對應的圓弧上。各相量間的幾何關系如圖3所示。

圖3中，N表示發電機中性點，g1和g2代表兩個不同的故障點。由于基波零序電壓同時受故障位置和接地過渡電阻影響，在某些接地故障條件下，存在兩組（1,g1）和（2,g2）故障場景下的N1相同。此時，基于式（4）進行故障定位時將產生定位多解。為準確計算外加電源輸出電壓，本文提出基于3次諧波的定位結果校核判據。

3次諧波接地故障電流的在線計算方法為

式中，DUN3為故障前后中性點3次諧波電壓變化量。發電機定子繞組3次諧波電動勢相位在180°的電角度范圍內均勻分布[20]，示意圖如圖4所示。

圖4中，T表示機端，A3表示f3與A3之間的夾角。根據各電氣量間的幾何關系，可求出f3的幅值和相位分別為

發生定子接地故障時，3次諧波電動勢滿足的KVL方程為f3=f3-N3。其中，f3=f3g。結合式（7），構建定位結果檢驗判據為

發電機定子繞組基波電動勢相位在60°的電角度范圍內均勻分布，示意圖如圖5所示。圖5中，A1表示f1與A1間的夾角。根據圖中各電氣量的幾何關系，得到f1與A1之間滿足的幾何關系解析表達式為

圖5 故障分支基波電動勢幾何關系示意圖

Fig.5 Schematic diagram of the geometric relation of the fault branch’s fundamental wave potential

2 結合安全風險分析的接地故障類型辨識方法

在消弧完成后，需要進行接地故障類型辨識。對于瞬時性接地故障，可直接退出外加電壓源，恢復正常運行；對于永久性接地故障，應在轉移負荷后平穩切機。故障類型辨識過程中，為防止永久性接地故障時故障電流較大損傷定子鐵心，需要控制接地故障電流在安全電流[22,27]以內。

接地故障安全風險可通過接地故障電流進行量化分析，文獻[27]中已經給出包含基波和3次諧波故障電流的在線計算方法。若初始判斷的接地故障安全風險高，即接地故障電流高于安全電流閾值（1A），若此時直接退出外加電壓源，對于永久性接地故障情況，接地故障電流仍會損傷定子鐵心，造成二次傷害。為保證發電機定子鐵心安全，需要控制接地故障電流在安全電流范圍內。在完成消弧后，控制注入3次諧波電壓不變，改變注入基波電壓，此時接地故障電流由基波電流構成，且滿足

當接地故障電流為安全電流an時，故障點基波電壓為ang，此時中性點基波電壓為

對于永久性接地故障，調節注入基波電壓為式（13）計算結果時，可控制故障電流為安全電流。此時，發電機三相對地基波電流為

則中性點基波零序電流為

對于瞬時性接地故障，此時接地故障已經消失，三相對地電流均由對地電容電流構成，中性點基波零序電流為

對比式（15）和式（16）可知，對于瞬時性接地故障，消弧后故障消失，中性點基波零序電流僅由各相對地電容電流構成，中性點基波零序電流超前基波零序電壓90°；對于永久性接地故障，由于仍存在接地故障電流，且海洋核動力平臺主發電機采用高阻接地方式[1]，故障電流中含有阻性分量，中性點基波零序電流與基波零序電壓間的相位差不等于90°。在構成故障辨識判據時，應保留一定裕度，根據工程經驗可設定該閾值，本文取5°。即對于瞬時性接地故障，二者相位差滿足

基于式（13）計算結果改變外加電壓源基波分量后，測量中性點基波零序電流和基波零序電壓間的相位差，根據式（17）判據，可在保證定子鐵心安全的前提下有效辨識接地故障類型。

對于接地故障安全風險低的情況，投入電壓源并實現可靠熄弧后，退出外加電壓源，開放定子接地保護，若定子接地保護動作，說明為永久性接地故障；若定子接地保護不動作，說明為瞬時性接地故障且已經成功消弧。

3 接地故障消弧及辨識流程

本文提出的發電機接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識方法流程如下：

1）基于接地故障啟動判據判別是否發生發電機定子繞組接地故障，進行在線故障定位與安全風險分析。

2）基于接地故障定位結果，依據式（7）、式（8）、式（10）、式（11）計算外加電壓源應輸出的基波、3次諧波電壓幅值和相位。

3）投入電壓源，并閉鎖發電機定子接地保護，在一定時間間隔后，結束消弧過程。

4）若接地故障電流低于安全電流閾值，直接退出外加電壓源，并開放發電機定子接地保護。若保護不動作，說明為瞬時性接地故障且消弧成功，可恢復系統正常運行；若保護動作，說明為永久性接地故障，此時應再次投入雙頻有源消弧裝置，待轉移負荷后平穩切機。

5）若接地故障電流高于安全電流閾值，控制注入3次諧波電壓不變，改變注入基波電壓為式（13）計算結果，并測量此時的中性點基波零序電流。若基波零序電流與基波零序電壓間的相位差滿足式（17），說明為瞬時性接地故障且消弧成功，恢復系統正常運行；若不滿足，說明為永久性接地故障，此時應調節輸出基波電壓與基波故障電動勢幅值相等，抑制接地故障電流，待轉移負荷后平穩切機。

4 仿真分析與驗證

海洋核動力平臺主發電機每相包含2個分支繞組，每個分支由8個線圈串聯構成，額定電壓為10.5kV，定子繞組電阻為1.528mΩ/相，定子繞組漏電感為2.84mH/相，定子繞組電容為0.397μF/相，極對數為1，總槽數為48，對應槽距電角度為7.5°，中性點接地電阻阻值折算到一次側為2 286Ω，直連系統對地電容為0.405μF/相?；诎l電機電動勢分布特征及實際參數，利用PSCAD/EMTDC軟件搭建定子繞組準分布參數模型。模型中，每個分支各個線圈單元等效為基波電源、3次諧波電源、電阻、電感和電容元件的連接。以仿真模型中的一個分支為例，等效模型如圖6所示。

圖6 發電機定子繞組每分支準分布參數模型

圖6中，1和3分別為單匝線圈對應的基波和3次諧波電動勢。各匝線圈連接處故障時的基波、3次諧波故障電動勢的幅值（f1f3）和相位（f1f3）見表1。

4.1 接地故障定位方法的有效性驗證

表1 示例發電機仿真模型故障電動勢參數表

Tab.1 Fault potential of the simulation generator model

圖7 不同故障場景下接地故障定位計算及檢驗結果

分析接地故障定位結果可知，僅利用基波零序電壓進行接地故障定位時，定位結果存在多解現象。如在=0.25處且g=2kΩ情況，定位結果在0.248 0和0.707 0之間跳躍。在應用3次諧波判據檢驗時，正確解對應的檢驗函數值較小且接近于0，錯誤解對應的檢驗函數值較大。不同場景下的仿真結果均表明所提檢驗判據可以有效篩選出正確的定位結果。

在不同故障匝比、不同接地過渡電阻下進行仿真分析，并基于定位結果在線計算故障電動勢，計算結果見表2。

表2 故障電動勢在線計算結果

Tab.2 Fault potential online calculation results under 100% load operating state

4.2 接地故障消弧效果驗證

為驗證所提消弧方法的有效性，以0.2s時在發電機定子繞組距離中性點側=0.125處發生單相接地故障為例進行仿真分析，接地過渡電阻為200Ω。0.22s時向發電機中性點注入幅值為792.97V、相位為127.5°的基波電壓，同時注入幅值為193.96V、相位為-157.5°的3次諧波電壓。故障點電壓與接地故障電流仿真結果如圖8所示。

圖8 接地故障消弧仿真結果

采用雙頻電壓消弧條件下，消弧后故障點對地電壓有效值為6.86V，接地故障電流有效值為0，實現可靠熄??；若僅注入基頻電壓，消弧后故障點仍存在較高的3次諧波電壓，對地電壓有效值為293.66V，接地故障電流有效值為1.13A，無法實現可靠熄弧。此時接地故障電流主要為3次諧波電流，其幅值高于安全電流閾值，對定子鐵心安全不利。不同接地故障場景下的消弧仿真結果見表3。

表3 不同接地故障場景下的消弧效果

Tab.3 Ground arc suppression effect under different fault conditions

（續）

表3中，在不同接地故障條件下，本文方法均能夠將故障點電壓鉗位至一個較小值，阻止電弧重燃。該方法不受故障匝比及接地過渡電阻影響，能夠為發電機定子接地故障提供可靠的消弧保障。

4.3 接地故障類型辨識方法驗證

在安全風險較低情況下，直接開放接地保護，對于瞬時性故障而言，保護不會動作，系統恢復正常運行狀態；在安全風險較高情況下，需采用本文提出的結合安全風險分析的故障辨識方法。在完成接地故障消弧后，控制外加電源輸出的3次諧波電壓不變，調節基波輸出電壓。以接地故障電阻為200Ω的情況為例進行分析，設置安全電流為1A，基于式（13）計算得到不同接地故障匝比下，需要調控的基波電壓見表4。

表4 故障辨識時的基波電壓注入量

Tab.4 Fundamental voltage injection quantity during fault identification

以=0.5處的單相接地故障為例進行分析。于0.2s時分別設置瞬時性接地故障和永久性接地故障，0.24s投入電壓源，0.3s改變注入基波電壓，接地故障電流、中性點基波零序電流與基波零序電壓間的相位差仿真結果如圖9所示。

分析圖9仿真結果可知，改變基波注入電壓后，對于瞬時性接地故障，由于故障已經消失，因此接地故障電流為0，中性點基波零序電流與基波零序電壓間相位差為89.79°，滿足式（17）判據，判定為瞬時性接地故障，恢復系統正常運行；對于永久性接地故障，由于未改變3次諧波注入電壓，接地故障電流由基波接地故障電流構成，故障電流有效值為0.76A，小于安全電流閾值，故障辨識過程不會對定子鐵心造成二次損傷，此時中性點基波零序電流與基波零序電壓間相位差為108.31°，不滿足式（17）判據，判定為永久性接地故障，之后恢復注入基波電壓至原有值，轉移負荷后平穩停機。

圖9 接地故障辨識仿真結果

對其他故障匝比情況進行仿真分析，結果見表5。仿真結果均表明所提方法能夠可靠區分瞬時性和永久性接地故障。

表5 不同故障匝比下故障辨識結果

Tab.5 Fault potential of the simulation generator model

5 動模實驗驗證

利用動模實驗驗證所提方法的有效性，所用動模發電機容量為15kV·A，額定電壓為400V，發電機每相2個分支，極對數為1，總槽數為48。發電機定子繞組對地電容為0.626μF/相，機端外加對地電容為0.5μF/相。發電機A相分支繞組上存在幾個引出的抽頭，可通過滑線變阻器與發電機外殼連接，用于模擬=0.25, 0.50, 1處的單相接地故障。發電機中性點通過接地變壓器經高阻接地，接地變壓器電壓比為210V:100V，接地電阻阻值為1kΩ，折算至一次側為4 410Ω。由于接地變阻抗較小，分析計算時可忽略其影響。為模擬雙頻有源電壓消弧裝置，在中性點外加可編程交流電源，該電源容量為15kV·A，單相輸出電壓幅值調節范圍為0～300V，相位調節范圍為-180°～ +180°，頻率調節范圍為15～1 600Hz，可同時輸出任意幅值和相位的基波和3次諧波電壓，滿足動模實驗機組接地故障消弧要求。動模實驗系統的接線如圖10所示，圖10中，TV1、TV2、TV3為電壓互感器，TA1、TA2為電流互感器，KD、KY為開關。動模實驗系統實物如圖11所示。

圖10 動模實驗系統主接線

圖11 動模實驗系統實物

首先在A相第一分支不同抽頭處設置接地過渡電阻為200Ω的單相接地故障，利用故障前后兩個周波數據進行接地故障定位，利用基波電壓得到的定位結果數據點及利用3次諧波電壓得到的校驗結果如圖12所示。

實驗結果表明，僅利用基波零序電壓進行接地故障定位時，存在定位多解現象。結合所提3次諧波校驗方法，能夠篩選出正確的定位結果，計算結果見表6。

圖12 故障定位及檢驗結果

表6 故障電動勢計算結果

Tab.6 Fault potential calculation results

實驗過程中，為保證動模機組安全，采用滑線電阻器作為接地過渡電阻，其阻值恒定，因此計算出的接地過渡電阻與設置值相近。根據故障電動勢計算結果，調節可編程交流電源輸出電壓與故障電動勢幅值相等、相位相反。以機端處接地故障為例，接地電阻為200Ω。故障相相電動勢與可控電壓源輸出電壓如圖13所示。

圖13 故障電動勢及外加電源輸出電壓

由于在機端設置接地故障，故障相相電動勢即為故障電動勢。對比可知，此時可控電壓源輸出電壓與故障電動勢幅值相等、相位相反。設置接地故障后，將可控電壓源接入發電機中性點，故障點對地電壓及接地故障電流波形如圖14所示。

A相機端發生接地故障后，故障相電壓降低，非故障相電壓升高。在投入外加電壓源后，故障點對地電壓降低，有效值為0.14V，故障電流抑制為0。由于中性點電壓調控，非故障相電壓升至線電壓，由于系統絕緣按照線電壓水平設計，不會對系統絕緣安全造成影響。

由于動模機組電壓等級低，接地故障電流本身較小。為測試所提故障辨識方法的有效性，控制可控電壓源輸出的3次諧波電壓不變，輸出基波電壓幅值減半，變為111.42V。在改變可控電壓源輸出電壓前，通過控制接地故障支路的開合來模擬瞬時性、永久性接地故障，中性點基波零序電壓與中性線基波零序電流間相位差波形如圖15所示。

圖14 接地故障消弧實驗結果

圖15 故障類型辨識實驗結果

瞬時性接地故障情況下，由于故障支路已經斷開，中性線基頻電流僅由電容電流構成，與基波零序電壓間的夾角為90°，滿足式（17）判據；對于永久性接地故障，中性線基頻電流包含一定的阻性電流，測得的相位差為171.1°，不滿足式（17）判據。所提方法能夠有效辨識瞬時性和永久性接地故障。

6 結論

本文針對海洋核動力平臺的安全運行需求，提出發電機定子接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識方法，并得出以下結論：

1）發電機定子繞組接地故障消弧過程中，由于同時考慮了基波及3次諧波分量，能夠可靠抑制故障點并實現有效熄弧。

2）結合接地故障安全風險分析實現故障類型辨識過程中，調節可控電壓源輸出的基波電壓量，控制接地故障電流在安全范圍內，在可靠實現故障類型辨識的基礎上避免對定子鐵心造成二次損傷。

3）仿真及動模實驗結果表明，所提消弧方法在不同接地故障位置及接地過渡電阻條件下均能夠有效熄??；所提故障辨識方法能夠在保證鐵心安全的前提下準確區分瞬時性和永久性接地故障。

本文所提方法同樣適用于大型發電機定子繞組的接地故障電弧抑制。在新型電力系統中，能夠在保證發電機鐵心安全的前提下實現柔性解列，避免對電網造成沖擊。

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Generator Stator Ground Fault Active Arc Suppression and Fault Type Identification Method Based on Dual-Frequency Voltage Regulation

Wang Yikai1,2Yin Xianggen1,2Tan Liming1,2Qiao Jian1,2Yin Xin1,2

（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. Hubei Electric Power Security and High Efficiency Key Laboratory Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 3. School of Electrical and Information Engineering Changsha University of Science & Technology Changsha 410114 China）

The operation environment of floating nuclear power plant is harsh, and the generator stator ground fault occurs frequently. When the fault risk is serious, the stator iron core will be damaged, but blind cutting will lead to power loss of important loads, threatening the safe operation of the plant. This paper presents the method of stator ground fault arc elimination and fault type identification based on dual-frequency voltage regulation. Firstly, based on the arcelimination principle of voltage compensation, a voltage source containing fundamental and third harmonic components is applied to the generator neutral point. Its output voltage is controlled as the same amplitude and opposite phase with the fault electric potential, then the voltage at the fault point is suppressed to zero to achieve effective arc extinguishing. Ground fault type identification is realized combining with ground fault safety risk analysis. Under high risk conditions, at the same time of adjusting the fundamental injection voltage, the ground fault current is controlled within the safety current range. The instantaneity and permanent ground faults are identified based on the criterion of phase difference between the fundamental zero-sequence current and the neutral point voltage. Simulation and dynamic test results verify the effectiveness of the proposed method.

Floating nuclear power plant, dual-frequency voltage regulation, stator ground fault, active arc suppression, fault type identification, safety current

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221177

TM312

國家自然科學基金（52007010）和國家重點研發計劃（2017YFC0307800）資助項目。

2022-06-21

2022-08-02

王義凱 男，1996年生，博士研究生，研究方向為電力系統繼電保護。E-mail：742657004@qq.com

尹項根 男，1954年生，博士，博士生導師，研究方向為電力系統繼電保護。E-mail：xgyin@hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）