一种发电机定子单相接地故障精确定位方法

摘要

本发明公开了一种发电机定子单相接地故障的精确定位方法。该方法包括步骤：根据定子绕组展开图，形成定子绕组各匝线圈归一到相电动势的电势相量分布特性；进而利用发电机机端电压和电流测量值，实时计算当前工况下故障前三相定子绕组各匝线圈的感应电动势、定子绕组任一点到中性点的电压相量；发生定子单相接地故障时，基于所求得的中性点到故障点电压相量值，根据故障前的定子绕组各匝线圈电压相量分布特性，搜索确定接地故障点的精确位置。

说明书

技术领域

本发明属于电力系统继电保护技术领域，具体涉及发电机定子单 相接地故障的精确定位。

背景技术

定子单相接地是发电机的常见故障，占发电机故障60％以上，快 速准确定接地故障位置有利于发电机的故障排除、提高检修效率，确 保发电机尽快恢复发电，减少故障的经济损失。特别是作为电网主要 支撑电源的大型发电机，具有容量大、结构复杂、造价高以及检修难 度大等特点，准确定位定子单相接地故障位置对其故障后的检修恢复 具有重要意义。

然而，现有的发电机定子单相接地故障定位方法不能满足故障分 析以及实际工程要求，其主要原因如下：一是将发电机绕组对地分布 式电容集中等效化处理，没有处理好发电机绕组参数分布性的对故障 定位的影响；二是没有考虑定子不同绕组感应电动势的相位差异；三 是忽视了定子电枢反应带来的影响，造成相应方法在发电机非空载情 况下不能适用；四是对设备要求高，工程实用性低。

如毕大强等作者在电力系统自动化2004，28(22)：55～57“发 电机定子绕组单相接地故障的定位方法”一文提出的定位方法，对发 电机绕组的分布式电容做了集中等效化处理，且没有考虑定子各匝线 圈电动势相位的差异，因此定位误差较大，效果不理想；王育学等作 者在中国电机工程学报2013，33(31)：147～154“基于接地电流的 大型发电机定子接地保护及精确定位方法”一文中，对上文所提定位 方法作了改进，发电机空载情况下的故障定位精度高，但由于忽略了 定子电枢反应，在发电机非空载情况下，该方法的故障定位误差较大。 党晓强等作者在电工电能新技术2013,32(1)：98～102“故障行波信 息理论在大型发电机故障检测中的应用研究——继电保护与故障定 位”一文中提出了检测暂态故障行波来进行故障定位。然而，发电机 的故障行波分量检测收集难度大，对设备要求高，工程实用性低。

上述几种典型方法对定子单相接地故障的定位具有良好的借鉴 和启发意义，但由于各自考虑的局限性，导致定位效果不够理想。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种能在发 电机各种工况下精确定位定子单相接地故障位置的方法，由此解决现 有技术中准确定位定子单相接地故障位置效果差的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种发电机单 相接地故障精确定位方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)根据定子绕组展开图，确定定子绕组各线圈归一到相电势 的感应电势相量分布特性；

(2)考虑电枢反应，计算当前工况下的相感应电动势相量，在 步骤(1)的基础上，利用等比例缩放法确定当前工况下定子绕组各 点对中性点的感应电动势相量分布特性。

(3)在步骤(2)的基础上，利用发电机绕组感应电势与绕组电 压的关系，确定定子绕组任一点到中性点的电压值，确定定子绕组各 点对中性点的电压相量分布特性；

(4)判断发电机是否发生单相接地故障，若无，回到步骤(2)； 若有，进入步骤(5)；

(5)判断确定故障相；

(6)计算故障点到中性点电压；

(7)利用故障点到中性点电压，根据步骤(3)所绘制的发电机 故障前绕组各点对中性点电压相量分布特性，搜索确定出定子单相接 地的故障位置，从而完成精确定位总体而言，按照本发明的上述技术 构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明方法有效地克服了发电机绕组参数分布性以及各匝线 圈电动势相位不同带来的影响，考虑了电枢反应的影响，满足了在发 电机各种工况下准确定位接地故障点的工程要求，具有原理简单，定 位精度高等特点；

2、所需测量量由低频注入式保护装置和机端电压电流互感器即 可获得，无需额外的条件要求，易于推广应用。

附图说明

图1发电机感应电动势向量图；

图2发电机定子单相接地示意电路图；

图3发电机定子单相接地电压向量图；

图4发电机定子绕组各线圈电压向量图；

图5是本发明定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

1、根据定子绕组展开图，确定绕组各匝线圈归一到相电动势的 感应电势相量分布特性。

每台发电机的定子绕组接线方式都是确定的，可以根据绕组展开 图确定定子各匝线圈电动势相量标幺值，如图1。各线圈合成的相感 应电动势标幺值可设定为1，即定子绕组各匝线圈的电动势归一到 相电动势。

2、本方法的定子绕组各线圈感应电动势计及了定子电枢反应的 影响，计算的具体方法为等比例缩放法。

根据发电机绕组分布和具体接线方式，可确定各绕组的感应电动 势的相量值，并将绕组各线圈电动势归一到相电动势；利用发电机机 端电压和电流的测量值，计算求出当前工况下的发电机定子的相感应 电动势的有名值；将发电机定子归一化的相感应电动势等比例缩放到 当前工况下各相感应电动势的大小，即可确定当前工况的定子各绕组 感应电势分布特性。

正常运行时，发电机定子各电量关系符合式子(1)：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{AO}={\stackrel{·}{E}}_A-j{\stackrel{·}{I}}_{GAd}{X}_d-j{\stackrel{·}{I}}_{GAq}{X}_q\\ {\stackrel{·}{U}}_{BO}={\stackrel{·}{E}}_B-j{\stackrel{·}{I}}_{GBd}{X}_d-j{\stackrel{·}{I}}_{GBq}{X}_q\\ {\stackrel{·}{U}}_{\text{CO}}={\stackrel{·}{E}}_C-j{\stackrel{·}{I}}_{GCd}{X}_d-j{\stackrel{·}{I}}_{GCq}{X}_q\end{array}\right)\text{---}\left(1\right)$

X_d和X_q都是发电机固有参数，为已知量；和是发电 机定子三相电流各自的直轴分量，和是发电机定子三相 电流各自的横轴分量，都可通过机端测量量进行转换获得；和是发电机三相机端对中性点的电压。在正常运行时，发电机中 性点电压为零，此时和即为机端对地电压，可通过机端 电压互感器直接测得；和是此时定子的电枢电压，可通过 式子(1)获得，即发电机的相感应电动势可确定。

将步骤1获得的和等比例缩放到和可 获得当前工况下定子绕组各相的感应电动势相量，定子绕组各线圈感 应电动势也由此确定，定子绕组上任一点k对中性点的电动势可确 定。

3、确定发电机定子绕组任一点对中性点的电压相量，确定绕组 各点对中性点的电压相量分布特性，以作为故障后搜寻故障点的依据。

设η为定子绕组上任一点k到中性点的匝数与一分支绕组总匝数 之比，k到中性点的电动势已由步骤2求得，k点到中性点的电压符合表达式(2)：

${\stackrel{·}{U}}_{kO}={\stackrel{·}{E}}_k-j{\stackrel{·}{I}}_{GAd}·{\mathrm{\eta X}}_d-j{\stackrel{·}{I}}_{GAq}·{\mathrm{\eta X}}_q---\left(2\right)$

由表达式(2)，可获得定子绕组各点对中性点的电压相量分布特性， 如图4。

4、判断发电机是否发生单相接地故障。

利用现有的发电机测量和保护装置，判断发电机是否发生单相接 地故障，如果判断没有接地故障，则回到步骤2；如果判断定子单相 接地故障，则进入步骤5。

注意，发电机发生定子单相接地故障时，故障电流远小于发电机 的负荷电流，因此可认为故障点到中性点的电压在故障前后保持不变。 据此利用故障后计算得到的故障电压，根据故障前已确定的定子绕组 各点对中性点的电压相量分布特性，搜索确定出接地故障的具体位置。

5、判断确定故障相。

发电机发生定子单相接地故障时，故障相的机端相电压最低，参 见图3，据此确定具体的故障相。该技术现已较为成熟，此处不予详 述。

6、计算故障点到中性点电压。

以A相f点发生定子单相接地故障为例，相应的电路见图2，机 端对地电压符合下式：

$\left(\begin{array}{c}{\stackrel{·}{U}}_{Ag}={\stackrel{·}{E}}_A-{\stackrel{·}{E}}_f+{\stackrel{·}{U}}_{fg}\\ {\stackrel{·}{U}}_{Bg}={\stackrel{·}{E}}_B-{\stackrel{·}{E}}_f+{\stackrel{·}{U}}_{fg}\\ {\stackrel{·}{U}}_{Cg}={\stackrel{·}{E}}_C-{\stackrel{·}{E}}_f+{\stackrel{·}{U}}_{fg}\end{array}\right)---\left(3\right)$

和为发电机各相机端对地电压，和为发电机 三相感应电动势，为故障点到中性点绕组的感应电动势，为故 障点对地电压。

结合图2，推导发电机机端基波零序电压，可知符合下式：

${\stackrel{·}{U}}_0=\frac{1}{3}({\stackrel{·}{U}}_{Ag}+{\stackrel{·}{U}}_{Bg}+{\stackrel{·}{U}}_{Cg})={\stackrel{·}{U}}_{fg}-{\stackrel{·}{U}}_{fO}={\stackrel{·}{I}}_f{R}_f-{\stackrel{·}{U}}_{fO}=3{\stackrel{·}{I}}_0{R}_f-{\stackrel{·}{U}}_{fO}---\left(4\right)$

即可得：

${\stackrel{·}{U}}_{fO}=3{\stackrel{·}{I}}_0{R}_f-{\stackrel{·}{U}}_0---\left(5\right)$

式(4)和(5)中，为故障点到中性点的电压，为发电机基波 零序电压，为故障点到中性点的电压，为基波零序电流，为 接地故障电流，R_f为接地电阻。

优选地，利用王育学等作者在中国电机工程学报2013，33(31)： 147～154“基于接地电流的大型发电机定子接地保护及精确定位方法” 一文中所提的接地基波故障电流算法，得出此时的故障电流而则由现有测量装置测得，由式(5)不难得到故障点到中性点的电压

7、利用步骤6所得故障点到中性点电压根据步骤3所形成 的故障前发电机各绕组线圈电压相量分布特性，搜索确定定子单相接 地故障的精确位置。

需要说明的是：

(1)本方法为保证定子绕组参数的分布性以及接地故障电流的 特点，将发电机直轴电抗和横轴电抗按匝均分来进行故障定位的相关 计算。

(2)定子单相接地故障时，发电机负荷电流远大于故障电流， 因此定子绕组的电抗不采用暂态电抗，而是采用稳态运行时的电抗， 进一步提高定位的精确性。另外，将电抗按匝均分到定子绕组各线圈， 充分保证了定子绕组参数的分布性。

(3)发电机发生定子单相接地故障时，故障电流远小于发电机 的负荷电流，因此可认为故障点到中性点的电压在故障前后保持 不变。据此利用故障后计算得到的故障电压根据故障前已确定 的定子绕组各点对中性点的电压相量分布特性，搜索确定接地故障点 的位置。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例 而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任 何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。