一种发电机定子绕组单相接地故障位置定位方法及装置与流程

1.本发明涉及电力系统大型同步发电机的继电保护及故障定位，尤其涉及大型同步发电机的定子绕组单相接地故障定位技术。


背景技术：

2.大型同步发电机定子绕组接地故障位置定位一直是行业内研究的热点难题。传统的人工排查方法包括加压观察法、分割法、直流电桥法、开口变压器法等等，采用上述方法综合判断，能较好实现接地位置定位，但存在耗时长、排查效率低、试错次数多等情况，尤其是对于定子槽数越多的发电机，耗时越长，发电量损失也就越大。而对于通常采用基波零序电压、三次谐波比率或注入低频信号等原理的继电保护设备，虽已在现场得到成熟应用，但均不具备定子接地故障位置定位功能。《基于柔性光学互感器的选择性定子接地保护研究及应用》、《大型发电机及其机端外接元件单相接地故障定位》等文献中提出基于零序方向的选择性定子接地保护，虽然能区分接地故障发生在发电机定子内部还是外部，一定程度提高了排查效率，但还是无法实现定子绕组接地位置定位。关于定子单相接地故障以及保护，在一些专业书籍上均有详细地论述，比如可以参见《电气主设备继电保护原理与应用(第二版)》王维俭编著，中国电力出版社，2002年版。对于发电机定子绕组局放在线监测设备，虽然能实时监测局部放电信号量变化，对导体绝缘下降情况进行实时监测，但也无法实现定子绕组接地故障位置定位功能。因此如何快速地定位接地位置，提高排查效率，是现场亟待解决和用户关心的问题。
3.除了上述的常规做法之外，已有一些定子绕组单相接地故障位置定位的方法，主要有三种方法。一种是专利zl200410006176.4《发电机定子绕组单相接地的保护及故障定位方法》公开的方法，另一种方法参见论文《不依赖注入式原理的定子单相接地故障定位方法》，陈俊、刘梓洪、王明溪等著，《电力系统自动化》2013年04期，还有一种是专利cn201810238653.1《发电机定子绕组单相接地故障位置定位方法》公开的方法。
4.第一种方法，依赖于注入式定子接地保护，以发电机中性点接地变压器t型等值电路为基础，计算求得接地故障过渡电阻阻值，然后实测发电机机端三相基波电压和基波零序电压，结合等值电路计算出接地故障位置。该方法的优点是理论上计算比较准确；缺点是严重依赖参数的准确性，这些参数包括了发电机定子侧三相对地电容参数、中性点接地变压器t型等值电路参数、负载电阻参数、接地故障过渡电阻阻值参数。实际应用时，如果使用设备厂商提供的参数则计算误差比较大，如果是实测数据，则实测的工作量很大，包括了三相对地电容参数的实测，中性点接地变压器t型等值电路参数的实测需要分别测短路阻抗和激磁阻抗，负载电阻的实测；此外，当发生靠近机端且较为严重的接地故障时，由于注入式定子接地保护测量的电压、电流信号中同时有较大的工频分量，会导致注入式定子接地保护实测的接地过渡电阻阻值不准确。另外，没有注入式定子接地保护的场合下，比如发电机中性点不接地或者经消弧线圈接地方式，该方法也不能应用。这些因素都限制了该方法的应用。
5.第二种方法，实测发电机机端三相基波电压和基波零序电压，然后根据简化的等值公式进行计算，得到接地故障位置。该方法的优点是不需要注入式定子接地保护测量的接地过渡电阻阻值，不需要接地变压器的t型等值电路参数，在计算过程中，充分利用三相基波电压、基波零序电压的相量关系，实质上也能计算出接地过渡电阻阻值，从而最终得到接地故障位置。该方法的缺点是公式过于简化，省略了接地变压器t型等值参数就引入了计算误差，特别是当接地变压器与理想变压器相差较大、相关的t型等值参数不能忽略的情况下，计算结果存在一定误差。
6.第三种方法，假设各线棒末端发生接地故障，计算这些故障条件下的基波零序电压，与实际故障的基波零序电压进行比较，判别故障位置，能很好提高定位精度，但存在计算量很大的情况，在嵌入式平台的装置中可能难以实现。


技术实现要素：

7.为解决上述问题，本发明提出了一种发电机定子绕组单相接地故障位置定位方法，步骤包括：
8.步骤一、根据发电机组对地电容、发电机中性点接地变压器及其二次负载电阻参数，计算零序回路特征参数；
9.步骤二、根据发电机定子绕组单个分支相邻串联线圈基波电势相位差及单个分支串联线圈总匝数，计算定子绕组单个分支首尾线圈之间对应圆心角；
10.步骤三、采用发电机机端电压数据，计算机端三相基波电压和基波零序电压，如果基波零序电压有效值小于设定的定值门槛，则结束定子绕组单相接地故障位置定位的判别，否则进入步骤四；
11.步骤四、判别定子绕组单相接地故障的故障相，记录相应故障相基波电压；
12.步骤五、根据故障相基波电压、基波零序电压、零序回路特征参数以及圆心角；计算各分支中性点至故障位置对应故障角；
13.步骤六、计算故障角与圆心角的比值，即为接地位置。
14.可选地，所述步骤一的零序回路特征参数包括r
eq
和x
ceq
；其中，r
eq
是无故障情况下发电机定子绕组侧对地的等值电阻，x
ceq
是无故障情况下发电机定子绕组侧对地的工频频率下的等值容抗，计算公式为：
[0015][0016][0017]
式中，rk、xk分别为发电机中性点接地变压器短路电阻一次值和短路电抗一次值，rn为发电机中性点接地变压器二次负载电阻折算至一次侧的电阻值，rn＝k2rn，k为发电机中性点接地变压器变比，rn为发电机中性点接地变压器二次负载电阻，xc为定子绕组本身对地电容以及与之并联的机端其它设备对地容抗。
[0018]
可选地，所述初始步骤二的圆心角β计算公式为：
[0019]
β＝n
·
β1ꢀꢀ
式(3)
[0020]
式中，β1为发电机定子绕组单个分支相邻串联线圈基波电势相位差，n为单个分支串联线圈总匝数。
[0021]
可选地，所述步骤三中读取或采集到发电机机端三相电压数据后，采用全周波的傅立叶级数计算方法，计算出三相基波电压和基波零序电压如果基波零序电压有效值u0小于设定的定值门槛u
0,set
，则结束定子绕组单相接地故障位置定位的判别，否则进入步骤四；所述读取或采集发电机机端三相电压数据通过读取发电机保护装置或者故障录波装置的机端三相电压波形数据或采集发电机机端三相电压实时数据得到；所述设定的定值门槛u
0,set
取值范围是1％～20％的发电机额定相电压的有效值。
[0022]
可选地，所述步骤四判别定子绕组单相接地故障的故障相的具体判别方法是：当发电机中性点不接地或者是经过消弧线圈接地时，则按照abc相序，三相基波电压的有效值中最大的那一相的下一相是故障相；当发电机中性点经高阻接地时，三相基波电压的有效值中最小的那一相是故障相；将故障相记录为可选地，所述步骤五中计算各分支中性点至故障位置对应故障角的方法包括：
[0023]
γ1＝π-γ
rx-γ
n1-γ
e1
ꢀꢀ
式(4)
[0024]
式中，γ1为分支1中性点至故障位置对应故障角，π为角度180
°
对应的弧度；
[0025]
γ
rx
计算公式为：
[0026][0027]
式中，r
eq
是无故障情况下发电机定子绕组侧对地的等值电阻，x
ceq
是无故
[0028]
障情况下发电机定子绕组侧对地的工频频率下的等值容抗；
[0029]
γ
n1
计算公式为：
[0030][0031]
式中，β为圆心角；为与间的相角差，设三相基波电压按照abc的相序分为当发电机中性点不接地或者是经过消弧线圈接地时，的有效值中最大的那一相的下一相是故障相；
[0032]
当发电机中性点经高阻接地时，的有效值中最小的那一相是故障相，故障相记录为为基波零序电压；
[0033]
γ
e1
计算公式为：
[0034][0035]
[0036][0037]
式中，可选地，所述步骤五中计算各分支中性点至故障位置对应故障角的方法包括：
[0038][0039]
式中，γ
21
、γ
22
为分支2中性点至故障位置对应故障角，π为角度180
°
对应的弧度；
[0040]
γ
rx
计算公式为：
[0041][0042]
式中，r
eq
是无故障情况下发电机定子绕组侧对地的等值电阻，x
ceq
是无故障情况下发电机定子绕组侧对地的工频频率下的等值容抗；
[0043]
γ
n2
计算公式为：
[0044][0045]
式中，β为圆心角；为与间的相角差，设三相基波电压按照abc的相序分为当发电机中性点不接地或者是经过消弧线圈接地时，的有效值中最大的那一相的下一相是故障相；
[0046]
当发电机中性点经高阻接地时，的有效值中最小的那一相是故障相，故障相记录为为基波零序电压；
[0047]
γ
e21
、γ
e22
计算公式为：
[0048][0049][0050][0051]
式中，可选地，所述步骤六中计算各故障角与圆心角的比值计算公式为：
[0052][0053]
式中，γ1为分支1中性点至故障位置对应故障角；β为圆心角；
[0054]
或
[0055]
式中，γ
21
、γ
22
为分支2中性点至故障位置对应故障角。
[0056]
本发明还提出一种发电机定子绕组单相接地故障位置定位装置，所述装置包括：
[0057]
初始计算单元：根据发电机组对地电容、发电机中性点接地变压器及其二次负载电阻参数，计算零序回路特征参数；根据发电机定子绕组单个分支相邻串联线圈基波电势相位差及单个分支串联线圈总匝数，计算定子绕组单个分支首尾线圈之间对应圆心角；
[0058]
采集单元：采集发电机机端电压，计算机端三相基波电压和基波零序电压，如果基波零序电压有效值小于设定的定值门槛，则结束定子绕组单相接地故障位置定位的判别，否则进入定位计算单元；
[0059]
定位计算单元：判别定子绕组单相接地故障的故障相，记录相应故障相基波电压；根据故障相基波电压、基波零序电压、零序回路特征参数以及圆心角；计算各分支中性点至故障位置对应故障角；计算故障角与圆心角的比值，即为接地位置。
[0060]
本发明的有益效果是：
[0061]
(1)比以往的依赖于注入式定子接地保护的方法更为简单，不仅不需要依赖注入式定子接地保护，而且仅需提供发电机组对地电容、发电机中性点接地变压器及其二次负载电阻参数，即可计算零序回路特征参数；
[0062]
(2)比以往的不依赖于注入式定子接地保护的方法更准确，解决了因为忽略中性点接地变压器等参数导致的计算误差问题，而且由于计算步骤简单，计算量大大减少；
[0063]
(3)充分考虑了定子各线棒基波电压的相量关系，考虑了发电电机定子绕组内部接地故障的特殊性：接地故障点至发电机中性点的基波电压与机端至发电机中性点的基波电压，这两个电压存在相位偏差，因此故障定位计算更准确；
[0064]
(4)与以往方法相比，本发明方法同时适用于发电机中性点不接地、经消弧线圈接地、高阻接地等多种接地方式，适用范围更广。
附图说明
[0065]
图1是发电机定子绕组单相接地故障示意图；
[0066]
图2是本发明计算框图；
[0067]
图3是本发明接地故障位置定位装置组成框图；
[0068]
图4是定子绕组单相接地故障时的基波等值电路图；
[0069]
图5是定子绕组单相接地故障时分支1各向量几何关系图；
[0070]
图6是定子绕组单相接地故障时分支2各向量几何关系图。
具体实施方式
[0071]
为清楚说明本发明的方法，这里结合附图，阐明本发明的具体实施方式。
[0072]
如附图1所示为发电机定子绕组单相接地故障示意图，图中，gen是发电机，f是定子绕组单相接地故障的故障点，o是发电机中性点，ngt是中性点接地变压器，r'n是接地变压器低压侧的负载电阻，rf是定子绕组单相接地故障的接地过渡电阻，ca、cb、cc分别是发电机定子绕组侧的a相对地电容、b相对地电容、c相对地电容，这些电容实际是分布电容，简化为集中参数的电容放置在机端。发电机gen三相定子绕组对地的分布电容等效为集中电容参数ca、cb、cc放置在机端；发电机gen中性点o经过一个接地变压器ngt接地，接地变压器低压侧接一个负载电阻rn；发电机gen定子a相绕组某一位置f发生单相接地故障，接地故障位置的绝缘破坏可以等效为从故障点开始经过一个接地过渡电阻rf接地。
[0073]
本发明提出发电机定子绕组单相接地故障位置定位方法，进一步提高定子绕组单相接地故障位置定位的精度。现以国内某660mw汽轮发电机组参数及接地故障为例，进行具体实施方式说明，步骤如附图2所示。
[0074]
示例：发电机容量为733mva，频率50hz，一次额定电压为20kv，发电机定子单相对地电容c为0.2815uf，发电机中性点采用接地变并接二次负载电阻接地方式，即高阻接地方式，接地变压器容量50kva，变比20kv/0.22kv，短路损耗为0.127kw，短路电压百分比为7.326％，接地变压器二次负载电阻值rn为0.465ω，发电机定子绕组单个分支相邻串联线圈基波电势相位差β1＝4.286
°
，单个分支串联线圈总匝数n＝14，发电机额定相电压二次值为57.74v，定值门槛u
0,set
＝5.19％
×
57.74＝3v。假设某时刻，发电机定子绕组发生单相接地故障，选则应用本发明方法的装置进行故障定位分析，装置组成如图3所示。
[0075]
首先，初始计算单元根据发电机组对地电容或发电机中性点接地变压器及其二次负载电阻参数计算零序回路特征参数；所述的特征参数是指附图4中的r
eq
和x
ceq
，附图4是定子绕组单相接地故障时的基波等值电路图；图中，r
eq
是无故障情况下发电机定子绕组侧对地的等值电阻，x
ceq
是无故障情况下发电机定子绕组侧对地的工频频率下的等值容抗，rf是定子绕组单相接地故障的接地过渡电阻，是发电机机端的基波零序电压，是从定子绕组单相接地故障点到发电机中性点之间的基波电压，计算公式为：
[0076][0077][0078]
其中，rk、xk分别为发电机中性点接地变压器短路电阻一次值和短路电抗一次值，rn为发电机中性点接地变压器二次负载电阻折算至一次侧的电阻值，rn＝k2rn，k为发电机中性点接地变压器变比，rn为发电机中性点接地变压器二次负载电阻，xc为定子绕组本身对地电容以及与之并联的机端其它设备对地容抗。
[0079]
初始计算单元根据发电机定子绕组单个分支相邻串联线圈基波电势相位差及单个分支串联线圈总匝数，计算定子绕组单个分支首尾线圈之间对应圆心角，所述的圆心角β计算公式为：
[0080][0081]
其中，β1为发电机定子绕组单个分支相邻串联线圈基波电势相位差，n为单个分支串联线圈总匝数。
[0082]
采集单元采集发电机机端三相电压数据，采用全周波的傅立叶级数计算方法，计算出三相基波电压为，算出三相基波电压为，和基波零序电压可知基波零序电压有效值大于设定的定值门槛u
0,set
＝3v，进入定位计算单元。
[0083]
定位计算单元对定子绕组单相接地故障的故障相进行判别并记录相应故障相基波电压；当发电机中性点经高阻接地，则三相基波电压的有效值中最小的那一相是故障相，其中a相基波电压有效值为54.33v，在三相基波电压有效值中最低，判定a相为故障相，将故障相记录为
[0084]
定位计算单元根据故障相基波电压、基波零序电压、零序回路特征参数以及圆心角，计算各分支中性点至故障位置对应故障角，所述计算各分支中性点至故障位置对应故障角的方法包括：
[0085][0086]
式中，各向量几何关系见图5所示，γ1为分支1中性点至故障位置对应故障角，π为角度180
°
对应的弧度；
[0087]
γ
rx
计算公式为：
[0088][0089]
γ
n1
计算公式为：
[0090][0091][0092]
为与
[0093]
间的相角差；γ
e1
计算公式为：
[0094][0095][0096][0097][0098]
进一步地，计算各分支中性点至故障位置对应故障角，所述计算各分支中性点至故障位置对应故障角的方法包括：
[0099][0100]
式中，各向量几何关系见图6所示，γ
21
、γ
22
为分支2中性点至故障位置对应故障角；
[0101]
γ
rx
计算公式为：
[0102][0103]
γ
n2
计算公式为：
[0104][0105][0106]
为与
[0107]
间的相角差；
[0108]
γ
e2
计算公式为：
[0109][0110][0111][0112][0113][0114]
定位计算单元计算故障角与圆心角的比值，即计算各故障角与圆心角的比值α，
[0115]
计算公式为：
[0116][0117]
或
[0118]
本发明方法同时适用于发电机中性点不接地、经消弧线圈接地或经高阻接地方式。
[0119]
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何等同替换或改动，并不超出本发明保护范围。