大型發電機注入式定子繞組單相接地故障定位方法

摘要：

大型發電機內部結構復雜，單相接地故障會導致定子繞組電勢不平衡問題，使得最終定位結果相對誤差較大。為解決大型發電機在運行過程中可能出現的單相接地故障問題，需對大型發電機注入式定子繞組單相接地故障定位方法進行研究。分析大型發電機注入式定子繞組結構，構建暫態網絡模型，明確定子繞組工作模式。根據發電機定子線棒接線圖，繪制定子分支電勢分布圖。從定子結構特性出發，建立單相接地電勢相量近似分布圖，通過數學推導獲取電勢相位角。考慮繞組電勢相位特征的情況下，利用零序電壓、故障相電勢、過渡電阻等參數，定位具體的單相接地故障位置。研究結果表明：該方法故障定位結果相對誤差始終低于1%，滿足故障定位要求。

關鍵詞：發電機； 注入式定子繞組； 單相接地故障； 行波理論； 繞組電勢； 故障定位

中圖法分類號：TM351""文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.08.013

文章編號：1006-0081（2024）08-0084-05

0 引 言

研究大型發電機注入式定子繞組單相接地故障定位方法，可幫助解決其在運行過程中可能出現的單相接地故障問題［1］。這種故障會導致電流和電壓不平衡，影響發電機的性能和安全［2］。已有研究人員通過采集并分析電流和電壓信號，開發出定位方法來準確定位故障位置。然而，由于發電機內部結構復雜、信號采集困難、故障類型多樣等因素，故障定位仍然面臨一定的挑戰［3］。因此，需致力于提高定位精度、優化信號采集和處理技術，以提升大型發電機注入式定子繞組單相接地故障定位的可靠性和準確性［4］。吉元濤等［5］利用Excel軟件分析大型發電機運轉數據，繪制定子電勢分布圖，并通過坐標轉換處理和故障偏移處理，對定子電勢分布圖進行更新。在故障定位線直線方程的輔助下，推算出圖中各分支繞組的故障接地點坐標，完成故障定位。但該方法故障定位耗時較長。徐彪等［6］深入分析大型機組定子繞組電勢分布特點，建立零序電壓幅值、相位方程，提取定子單相接地故障特征，在考慮繞組分布的前提下，通過數值求解確定具體的故障位置，但仿真分析結果顯示，該方法可靠性較差。譚力銘等［7］提出在單相接地故障發生后，分別獲取中性點電壓、故障繞組電壓曲線，并分析二者之間的幅值相位關系，利用故障評價函數處理幅值相位關系，推算出故障點位置，經過實踐，該方法故障定位結果存在較大誤差。

現有的故障定位研究成果應用到實際工作中，不能滿足故障檢修要求。對此，本研究提出考慮定子繞組電勢相位特征的新型故障定位方法，準確定位故障位置可以及早發現和排除故障，提高發電機的可靠性和安全性。通過研究和優化定位方法，可以有效降低故障對發電機運行的影響，并減少停機維修時間和成本，為發電機監測與維護提供技術支持，同時有助于延長發電機的使用壽命，提高發電系統的穩定性和可持續性。

1 方法介紹

1.1 定子繞組的暫態網絡等值結構分析

通過分析定子繞組的暫態網絡等值結構，可以獲得故障發生后的電流分布情況［8］。這有助于確定故障位置附近的電流異常和變化，指導故障定位工作。通過對電流分布的分析，可以縮小故障位置的范圍，提高定位的準確性。

對發揮保護作用的發電機注入式定子繞組進行分析，明確其組成結構為波繞組形式，通過串聯的形式連接多個繞組元，形成一個相的繞組，再按照一定的規律，將三相繞組布置在定子槽內部和端頭［9］。在分析故障位置之前，先根據上述分析的注入式定子繞組結構建立暫態網絡模型。

考慮到大型發電機本身的定子槽較深，工頻條件下，每相定子繞組的線棒電阻、線棒互感、線棒電容都非常小，可以直接忽略。因此，在構建定子繞組暫態網絡模型時，可以進行簡化等值處理，最終形成圖1所示的等值結構。

圖1中，C1，R1，L1表示槽外部分模型的單元參數，C2，R2，L2表示槽內部分模型的單元參數。依托于圖1所示的定子繞組暫態網絡等值結構圖，分析等效槽內部分和槽外部分的電路單元分布情況，將其應用到后續單相接地故障定位過程中，輔助故障位置分析。

1.2 繪制定子電勢分布圖

通過上述方法建立的大型發電機注入式定子繞組暫態網絡模型，分析發電機定子繞組結構，明確定子繞組是按照一定規則布置在鐵芯槽內部。通過繪制定子電勢分布圖，可以觀察到在故障位置附近的電勢異常和變化。這有助于確定故障位置的大致范圍，并進一步指導故障定位工作。通過分析電勢分布，可以縮小故障位置范圍，提高定位的準確性。每一個相的繞組都由均勻分布的線圈組成，且相鄰線圈之間均相差一個槽距角［10］。根據發電機運行特點，確定多個機組分支，每個分支上串聯了數個線圈，分支電動勢計算公式為

E′=E′＜0+E′＜ε+…+E′＜（o-1）ε"（1）

式中：E′表示分支電動勢;o表示分支中的串聯線圈數量;ε表示電角度。

依托電機學運行原理可知，大型發電機注入式定子繞組中，定子的每一對極對的槽，都可以占有360°角度。因此，在明確總槽數和極對數后，可以計算出每槽占有的電角度：

ε=2SZE′（2）

式中：S表示極數;Z表示定子槽數。

通過上述計算，明確繞組所在槽的相位，與發電機定子線棒接線圖相結合，即可繪制出當前分支的電勢分布圖。每個分支電勢都可視為一條從中性點到機端的曲線，按照疊繞組接原理，將不同分支的電勢分布圖連接起來，即得到大型發電機定子電勢分布圖［11］，作為后續單相接地故障定位分析的基礎。

1.3 獲取繞組電勢相位角

在單相接地故障定位過程中，考慮到定子繞組電勢與相電勢之間的相角差會影響定位結果的測算。本研究以定子電勢分布圖為核心，分析電勢相位角，并在考慮該參數的情況下得出更加準確的故障定位結果。實際分析過程中，可以通過式（3）表示接地故障處定子繞組電勢Eτ為

Eτ=τ·EA/ε（3）

式中：τ表示故障匝數占比;EA表示故障相電勢。

為了便于獲取發電機繞組電勢相位角，針對定子電勢分布圖進一步處理，得到發電機單相接地電勢相量分布圖和電勢相量近似分布圖，如圖2所示。

由圖2可知，對于包含7個定子繞組匝數的發電機來說，可以將每個定子繞組匝數對應的電勢相量表示為一段平滑圓弧線，所有平滑圓弧線分段連接后，形成整體的電勢相量分布圖。針對電勢相量近似分布圖進行分析時，在故障電勢相量上定位中點，并與等效圓心相連接，作為等效圓心、機端側、故障點組成的等腰三角形的中垂線和角平分線。

考慮到機端側點和故障點連接線段的長度，即為故障繞組電勢幅值［12］。實際計算過程中，運用正弦定理，將垂足點與機端側點之間的長度表示為

D=Eτ·d1·sin（30°·τ）（4）

式中：

d1表示等效圓心與機端側點連接線段的長度。

同時，定義等效圓心與機端側點連接線段的長度為故障相電勢幅值，則可以將公式（4）轉變為

D=EA·sin（30°·τ）（5）

將式（3）和式（5）結合起來，可以得到更新后的故障繞組電勢數學表達式：

Eτ=2EA·sin（30°·τ）eθ（τ）/D

（6）

式中：e表示底數;θ表示故障繞組電勢的相位角。

依托于單相接地電勢相量近似分布圖，可以將故障繞組電勢相位角的數學推導公式表示為

θ（τ）=90°-30°·τ-60°=30°×（1-τ）Eτ（7）

通過上述操作完成了發電機繞組電勢分析，并計算出了故障繞組電勢和相電勢之間的相位角，充分體現了二者之間的相位差異［13］，將其應用到后續單相接地故障定位過程中，有利于得出準確的定位信息。

1.4 判斷故障定位及結果

在繞組電勢相位的情況下，對發電機注入式定子繞組單相接地故障位置進行判定。在生成故障定位結果時，需要先采集零序電壓數據，通過傅里葉分解原理推算出零序電壓幅值和相角，完成零序電壓相位特征提取，基于此判斷出故障相。當零序電壓與A相電勢走向之間的相位角在90°～210°時，可以確定故障出現在A相，當相位角取值在-30°～90°時，故障發生在B相。最后，故障發生在C相時，相位角往往-150°～-30°。

通過上述分析，判定注入式定子繞組單相接地故障相后，利用零序電壓、故障相電勢、繞組電勢相位等參數，可推算出具體的故障位置：

y=U0EAeθ/cosθ×λZ·θ（τ）+1+ωGλ（8）

式中：

U0表示零序電壓;cosθ表示故障繞組電勢相位角;λ表示過渡電阻;ω表示角頻率;G表示發電機三相總對地電容。通過上述計算，可推算出大型發電機注入式定子繞組單相接地故障定位結果。

2 實驗模擬

2.1 實驗準備

選擇某電廠一臺大型發電機（浙江富春江SF120-54/11100）作為研究對象，如圖3所示，該大型發電機實際運行參數如下：

額定容量""""" 120 MW

額定電壓13.8 kV

額定電流5737.6 A

額定頻率50 Hz

功率因數0.875（滯后）

相數3

機組接地變壓器90 kVA

圖3所示的實驗設備近期工作過程中，多次出現注入式定子繞組單相接地故障問題，影響了安全生產效率。將所提方法應用到這臺發電機上，可以進行準確的故障定位，加快故障設備檢修，避免發電機故障問題影響安全生產。該大型發電機的定子回路外，連接了20 Hz濾波器、20 Hz電源發生器和保護裝置，形成了注入式定子繞組結構，該結構的接地保護電氣回路如圖4所示。

為了簡化實驗過程，在大型發電機注入式定子繞組A相設置發生3次單相接地故障，分別在第一匝線、第二匝線圈和第四匝線圈，故障發生時間均為0.1 s。

2.2 故障定位結果

運用上文提出的方法進行單相接地故障定位分析時，先確定3種故障工況條件下，大型發電機注入式定子繞組的零序電壓變化曲線，如圖5所示。

在考慮定子繞組電勢相位特征的情況下，依托過渡電阻、零序電壓等參數，推算出故障定位結果，如圖6所示。根據圖6可知，第一次故障主要發生在第一匝線的14.54 cm處，另外兩次故障的發生位置分別在第二匝線圈的距離起始點42.91 cm處、第四匝線圈距離起始點71.46 cm處，這與預先設置情況高度吻合，證明了該方法是可行的。

2.3 故障定位方法性能對比

為了增強實驗結果的說服力，本次實驗采用文獻［5］和文獻［6］提出的2種方法，在不同過渡電阻條件下進行故障定位。通過對比不同過渡電阻條件下的故障定位結果和預先設計的故障位置，計算出故障定位的相對誤差：

ρ=v-v′v′×100%（9）

式中：v表示故障定位結果;

v′表示實際故障位置。

統計公式（9）計算結果，得到相對誤差，見圖7。

根據圖7可知，隨著過渡電阻的增大，3種方法的故障定位相對誤差明顯增大。但相比之下，研究提出的單相接地故障定位方法的誤差明顯低于對比方法，當過渡電阻高達1 200 Ω時，兩種文獻方法故障定位相對誤差分別為8.1%，7.5%，而新提出方法定位結果相對誤差僅為1%。整體來看，在考慮定子繞組電勢相位特征后，可以得到更準確的故障定位結果，整體定位相對誤差保持在1%以下，滿足大型電機故障檢修工作要求［14］。

3 結 語

大型發電機組的注入式定子繞組單相接地故障問題越來越受到重視，而故障定位是處理故障問題的核心環節。本研究提出新型故障定位方法，先了解繞組電勢相位特征，基于此準確判定繞組的故障位置。從實驗測試結果可以看出，該故障定位方法相比傳統方法具有更加優越的性能，可以更好維護大型發電機組在電力安全生產過程中正常運轉。

參考文獻：

［1］ 賀家李.電力系統繼電保護原理［M］.北京：中國電力出版社，2010.

［2］ 付永慶.電路基礎［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［3］ 劉穎，王媛媛，唐夏菲，等.考慮繞組電勢的隱極發電機定子單相接地故障定位方法［J］.微電機，2022，55（12）：14-21.

［4］ 姜小龍，施利民.大型水輪發電機消弧線圈接地方式下的注入式定子接地保護新方案［J］.科技創新與應用，2022，12（20）：125-128.

［5］ 吉元濤，周明星，駱佳勇，等.大型發電機定子接地故障定位算法研究［J］.人民長江，2022，53（增1）：170-173.

［6］ 徐彪，歐陽帆，朱維鈞，等.基于繞組分布的大型汽輪機組定子接地故障定位方法［J］.湖南電力，2021，41（3）：46-52.

［7］ 譚力銘，尹項根，王義凱，等.自適應工況的大型水輪發電機定子接地故障定位方法［J］.電工技術學報，2022，37（17）：4411-4422.

［8］ 劉江.降低水電站發電機中性點電流互感器故障率應用分析［J］.水利水電快報，2021，42（6）：63-65，70.

［9］ 尹項根，王義凱，譚力銘，等.故障機理深度關聯的大型發電機保護新原理探討［J］.電力系統保護與控制，2021，49（22）：1-7.

［10］ 侯小虎，張舸，龔林平.基于相量分析的發電機定子接地故障定位新方法［J］.水電站機電技術，2021，44（11）：4-7.

［11］ 劉思思，田朋云，楊海，等.大型水輪發電機定子接地故障定位分析方法［J］.水電站機電技術，2021，44（11）：10-12.

［12］ 蔡小林.金沙水電站水輪發電機組定子線棒耐壓試驗放電分析［J］.水利水電快報，2022，43（3）：69-71.

［13］ 李芳芳.一種水輪發電機定子接地故障定位裝置與方法［J］.水電站機電技術，2022，45（6）：58-60.

［14］ 鄒來勇，桂遠乾，王成明.特大型機組勵磁系統關鍵技術研究與應用［J］.水利水電快報，2023，44（7）：76-82.

編輯：張 爽

Method for locating single-phase grounding faults in injection type stator windings of large generators

QIN Zhan

（Zangmu Hydropower Plant，Huaneng Tibet Yarlung Zangbo Hydropower Development Investment Co.，Ltd.，Shannan 856417，China）

Abstract：

Due to the complex internal structure of the generator，single-phase grounding fault will lead to potential imbalance in the stator winding，especially in large generators. It is easy to ignore the potential phase characteristics of the stator winding，which makes the relative error of the final positioning result larger. Therefore，a method for locating single-phase ground fault in injection stator winding of large generator was proposed. The structure of injection stator winding of large generator was analyzed，the transient network model was established，and the working mode of stator winding was defined. Based on the wiring diagram of the stator rod，the stator branch potential distribution diagram was drawn. Based on the stator structure characteristics，the approximate distribution diagram of single-phase ground potential phasor was established，and the potential phase angle was obtained through mathematical derivation. Considering the phase characteristics of winding potential，zero sequence voltage，fault phase potential，transition resistance and other parameters were used to locate the specific single-phase grounding fault location. The experimental results showed that the relative error of the proposed method was always less than 1%，which can meet the requirement of fault location.

Key words：

generator； injection type stator winding； single phase ground fault； traveling wave theory； winding potential； fault location

作者簡介：覃 戰，男，工程師，主要從事水電站運行及設備管理工作。E-mail：951929808@qq.com

引用格式：覃戰.大型發電機注入式定子繞組單相接地故障定位方法［J］.水利水電快報，2024，45（8）：84-88.