譚力銘 尹項(xiàng)根 王義凱 喬 健 徐 雯

自適應(yīng)工況的大型水輪發(fā)電機(jī)定子接地故障定位方法

譚力銘1,2尹項(xiàng)根1,2王義凱1,2喬 健1,2徐 雯1,2

（1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074 2. 電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)） 武漢 430074）

定子接地故障是大型水輪發(fā)電機(jī)中最為常見(jiàn)的故障類型，有效的接地故障定位方法能夠縮短故障排查時(shí)間，提高供電可靠性?，F(xiàn)有定位方法未考慮負(fù)載工況下電樞反應(yīng)對(duì)繞組電壓分布的影響，該文基于對(duì)電樞反應(yīng)機(jī)理的深度研究，得出不同負(fù)載工況下定子繞組電壓與空載情況下定子繞組電動(dòng)勢(shì)分布規(guī)律相同的結(jié)論。據(jù)此，該文提出自適應(yīng)工況的大型水輪發(fā)電機(jī)定子接地故障定位方法。根據(jù)空載情況下發(fā)生接地故障時(shí)中性點(diǎn)電壓和故障繞組電壓間的幅值相位關(guān)系構(gòu)建故障評(píng)價(jià)函數(shù)，并依據(jù)機(jī)端電壓的實(shí)際測(cè)量值確定實(shí)時(shí)工況下的故障繞組電壓分布形式，對(duì)故障評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行調(diào)整。在故障繞組上設(shè)置虛擬故障點(diǎn)并計(jì)算各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的故障評(píng)價(jià)函數(shù)，將其極小值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)定義為故障定位結(jié)果。在PSCAD/EMTDC中搭建水輪發(fā)電機(jī)的準(zhǔn)分布參數(shù)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明所提定位方法在不同的故障場(chǎng)景和運(yùn)行工況下均能準(zhǔn)確定位故障位置，為故障檢修提供參考。

大型水輪發(fā)電機(jī) 定子接地故障 電樞反應(yīng) 故障繞組電壓分布 故障評(píng)價(jià)函數(shù)

0 引言

大型水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量大，繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1-3]，故障后需要盡快檢修以保障系統(tǒng)正常供電[4-7]。定子繞組單相接地故障是發(fā)電機(jī)最常見(jiàn)的故障類型之一[8-10]，目前大型發(fā)電機(jī)定子繞組接地保護(hù)主要包括基波電壓保護(hù)、三次諧波電壓保護(hù)及利用外加低頻電壓源構(gòu)成的注入式保護(hù)，共同構(gòu)成兩套100%定子單相接地保護(hù)[11-13]?，F(xiàn)有保護(hù)方法不具備故障定位功能，在實(shí)際工程中通常需要基于“二分法”[14]逐次測(cè)量繞組線圈的絕緣情況以確定故障位置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果在發(fā)生接地故障后能夠依據(jù)實(shí)時(shí)故障錄波數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定位故障線圈，將縮短故障排查時(shí)間，提高供電可靠性。

現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)于發(fā)電機(jī)定子單相接地故障定位方法進(jìn)行了深入研究，主要包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[15]、暫態(tài)行波分析法[16]和穩(wěn)態(tài)分析法等[17-24]。其中穩(wěn)態(tài)分析法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，定位精度高，更受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的青睞。文獻(xiàn)[17]通過(guò)注入式保護(hù)裝置測(cè)量過(guò)渡電阻，再根據(jù)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)零序電壓與相電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系進(jìn)一步求解故障位置。文獻(xiàn)[18]在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上利用機(jī)端相電壓之間的關(guān)系直接計(jì)算過(guò)渡電阻，進(jìn)一步對(duì)故障位置進(jìn)行求解，不依賴注入式設(shè)備。上述方法在求解故障位置的過(guò)程中忽略了繞組基波電動(dòng)勢(shì)分布的相位特征，認(rèn)為故障繞組上任一點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)與相電動(dòng)勢(shì)相位相同，定位結(jié)果存在理論誤差。文獻(xiàn)[19]考慮繞組電動(dòng)勢(shì)相位特征，根據(jù)發(fā)電機(jī)零序等效電路提出故障繞組電動(dòng)勢(shì)幅值和相位的計(jì)算方法，再通過(guò)查表的方式定位故障位置，該方法依賴注入式保護(hù)裝置測(cè)量的過(guò)渡電阻和故障電流的準(zhǔn)確性。對(duì)于汽輪發(fā)電機(jī)，文獻(xiàn)[20]提出了一種計(jì)及繞組電動(dòng)勢(shì)分布規(guī)律的故障定位方法，但是在數(shù)學(xué)模型上依然存在幾何關(guān)系的近似，不能完全消除定位方法的理論誤差。文獻(xiàn)[21]考慮到汽輪發(fā)電機(jī)定子繞組電壓分布滿足60°相帶分布特征，根據(jù)故障點(diǎn)電動(dòng)勢(shì)與相電動(dòng)勢(shì)之間的幾何關(guān)系補(bǔ)充定位方程，能夠準(zhǔn)確求解過(guò)渡電阻與故障位置。對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)，文獻(xiàn)[22]對(duì)繞組電動(dòng)勢(shì)相位進(jìn)行分析，認(rèn)為故障繞組電動(dòng)勢(shì)與相電動(dòng)勢(shì)之間的相位差可以忽略，利用基波零序電壓的相位特征計(jì)算過(guò)渡電阻，進(jìn)一步通過(guò)幅值方程計(jì)算故障位置，但是該方法在近中性點(diǎn)側(cè)發(fā)生定子接地故障時(shí)過(guò)渡電阻計(jì)算值偏差很大，定位結(jié)果也不準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[23]通過(guò)列寫回路電流方程構(gòu)建基于三次諧波的故障定位方法，但三次諧波受發(fā)電機(jī)運(yùn)行工況和發(fā)電機(jī)功率因素的影響較大，定位結(jié)果的可靠性較差。文獻(xiàn)[24]指出不同故障位置對(duì)應(yīng)的基波零序軌跡圓弧可能相交于同一點(diǎn)，基于基波繞組電動(dòng)勢(shì)分布特征的定位方法存在多解問(wèn)題，并提出利用注入式定子接地保護(hù)測(cè)量的過(guò)渡電阻協(xié)助判斷故障線圈。綜上所述，汽輪發(fā)電機(jī)具有特殊的繞組分布形式，定位方法相對(duì)成熟，能夠準(zhǔn)確定位故障位置。而對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)而言，其繞組電壓分布形式多樣，難以仿照汽輪發(fā)電機(jī)提出通用的幾何關(guān)系，其故障定位方法還有改進(jìn)的空間。

本文提出一種自適應(yīng)工況的大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障定位方法。首先根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)和繞組連接順序計(jì)算繞組空載電動(dòng)勢(shì)分布，利用故障繞組電動(dòng)勢(shì)和中性點(diǎn)零序電壓構(gòu)建故障評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)空載工況下的故障定位。由于大型水輪發(fā)電機(jī)適應(yīng)負(fù)荷變化，快速調(diào)節(jié)機(jī)組的負(fù)載大小，若不考慮實(shí)時(shí)負(fù)載工況下的電樞反應(yīng)將導(dǎo)致故障定位結(jié)果存在嚴(yán)重偏差。對(duì)電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)理及其分布形式進(jìn)行深度分析，得出負(fù)載情況下故障繞組各線圈電壓分布形式與空載情況下各線圈電動(dòng)勢(shì)分布形式相同的結(jié)論。據(jù)此計(jì)算實(shí)時(shí)負(fù)載工況下發(fā)電機(jī)繞組電壓分布形式，并對(duì)空載故障評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行修正，給出負(fù)載情況下的自適應(yīng)故障評(píng)價(jià)函數(shù)。通過(guò)計(jì)算繞組上各虛擬故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)故障評(píng)價(jià)函數(shù)值并進(jìn)行比較，將故障評(píng)價(jià)函數(shù)極小值對(duì)應(yīng)的虛擬故障點(diǎn)作為定位結(jié)果并計(jì)算故障過(guò)渡電阻。若故障評(píng)價(jià)函數(shù)存在多個(gè)極小值，則通過(guò)

注入式保護(hù)的過(guò)渡電阻測(cè)量值協(xié)助判斷實(shí)際故障線圈。在PSCAD/EMTDC中搭建水輪發(fā)電機(jī)準(zhǔn)分布參數(shù)模型，驗(yàn)證了本文提出的故障定位方法在不同故障場(chǎng)景和不同運(yùn)行工況下定位結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 空載工況下的故障定位方法

1.1 空載工況下的故障定位方程

現(xiàn)有大型發(fā)電機(jī)組普遍采用中性點(diǎn)經(jīng)高阻接地方式[25]，發(fā)電機(jī)空載情況下發(fā)生定子繞組單相接地故障時(shí)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 大型發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障的電路結(jié)構(gòu)

考慮到發(fā)電機(jī)三相繞組電動(dòng)勢(shì)和參數(shù)對(duì)稱，式（1）可簡(jiǎn)化為

圖2 故障繞組電動(dòng)勢(shì)相量

基于式（3）中的相角方程可以解出過(guò)渡電阻為

1.2 大型水輪發(fā)電機(jī)組故障繞組電動(dòng)勢(shì)分布

表1 某大型水輪發(fā)電機(jī)參數(shù)

Tab.1 A large hydro-generator parameters

該發(fā)電機(jī)同相8個(gè)分支繞組連接形式相同，以A相第一分支為例，其定子繞組所包含的線圈編號(hào)和連接順序?yàn)?/p>

該分支中線圈的連接順序?yàn)閺闹行渣c(diǎn)依次連接至機(jī)端，括號(hào)外線圈編號(hào)對(duì)應(yīng)為該線圈的上層邊所在的定子槽號(hào)；括號(hào)內(nèi)線圈編號(hào)對(duì)應(yīng)該線圈下層邊所在的定子槽號(hào)。正槽號(hào)代表線圈在該分支中為順接，即從線圈首端接入、末端接出；負(fù)槽號(hào)代表線圈在該分支中為反接，即從線圈末端接入、首端接出。通過(guò)分析繞組連接順序可知，該發(fā)電機(jī)的每一分支由7個(gè)線圈單元組依次正串或反串構(gòu)成，線圈單元之間角度相差一個(gè)槽電角度，而每個(gè)線圈單元組由5個(gè)空間電動(dòng)勢(shì)相同的線圈組成，一分支繞組上共35匝線圈。根據(jù)其繞組連接順序及繞組結(jié)構(gòu)可以得到A相第一分支電動(dòng)勢(shì)構(gòu)成基波電動(dòng)勢(shì)向量示意圖如圖3所示。

根據(jù)圖3與表1所示發(fā)電機(jī)參數(shù)能夠計(jì)算出繞組上任意一匝線圈的電動(dòng)勢(shì)幅值及相位[26]。為了進(jìn)一步提高故障線圈的定位準(zhǔn)確度，在各匝線圈的首末端連接處以及線圈中點(diǎn)處分別設(shè)立虛擬故障點(diǎn)，35匝繞組線圈上共存在71個(gè)虛擬故障點(diǎn)。以第三個(gè)線圈組對(duì)應(yīng)的11 ～15匝線圈為例，其上虛擬故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)編號(hào)為V21～V31共11個(gè)虛擬故障點(diǎn)布置方式如圖3所示。

1.3 空載工況下的故障定位步驟

綜上所述，空載工況下的大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障定位步驟如下：

（2）發(fā)電機(jī)發(fā)生定子繞組單相接地故障后，測(cè)量發(fā)電機(jī)各相機(jī)端電壓和中性點(diǎn)的零序電壓?；诠收箱洸〝?shù)據(jù)比較三相機(jī)端電壓大小，將機(jī)端電壓最低的一相作為故障相[17]。

（4）若故障評(píng)價(jià)函數(shù)存在多個(gè)極小值，故障定位結(jié)果可能存在多解，得出不同的故障位置和過(guò)渡電阻，此時(shí)不能直接選出實(shí)際的故障位置。為了獲得實(shí)際故障位置，考慮到現(xiàn)有大型發(fā)電機(jī)組均配備有注入式保護(hù)，可以通過(guò)過(guò)渡電阻測(cè)量值對(duì)定位結(jié)果進(jìn)行校正，在故障評(píng)價(jià)函數(shù)存在多個(gè)極小值時(shí)，比較對(duì)應(yīng)的多個(gè)過(guò)渡電阻計(jì)算值，將過(guò)渡電阻與測(cè)量值最接近的虛擬故障點(diǎn)作為故障定位結(jié)果。

2 電樞反應(yīng)對(duì)繞組電壓分布的影響

上述故障定位方法忽略了負(fù)載工況下的電樞反應(yīng)，在發(fā)電機(jī)空載時(shí)能夠準(zhǔn)確定位故障位置，但當(dāng)發(fā)電機(jī)帶有一定的負(fù)載時(shí)，電樞繞組上流過(guò)負(fù)荷電流，此時(shí)定子繞組電樞反應(yīng)會(huì)改變發(fā)電機(jī)定子繞組的電壓分布，可能造成定位結(jié)果的嚴(yán)重偏差，計(jì)算故障繞組電壓分布時(shí)需要考慮定子繞組電樞反應(yīng)產(chǎn)生的影響。同步發(fā)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，定子繞組開(kāi)路不存在電樞電流，氣隙磁場(chǎng)僅由勵(lì)磁電流產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)組成，該磁場(chǎng)在定子繞組上感應(yīng)出空載電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁磁場(chǎng)示意圖如圖4所示。

圖4 同步發(fā)電機(jī)空載勵(lì)磁磁場(chǎng)

圖5 空載發(fā)電機(jī)定子繞組基波電動(dòng)勢(shì)分布

同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子繞組出現(xiàn)三相對(duì)稱電流，三相繞組基波合成磁動(dòng)勢(shì)（下稱電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)）是一個(gè)波幅恒定不變的旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，其轉(zhuǎn)速也為同步轉(zhuǎn)速[26-27]?？蛰d基波勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)與電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)在空間上相對(duì)靜止，氣隙合成磁場(chǎng)由空載勵(lì)磁磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)磁場(chǎng)共同建立，考慮同步發(fā)電機(jī)的電樞反應(yīng)的氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)如圖6所示。

圖6 同步發(fā)電機(jī)氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)

綜合式（7）和式（8）可以推出

從式（9）中可以看出，故障繞組電壓分布形式與故障繞組空載電動(dòng)勢(shì)分布形式相同。根據(jù)式（7）～式（9）繪出考慮電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的發(fā)電機(jī)定子繞組基波電壓分布示意圖如圖7所示，圖中藍(lán)色短虛線表示空載繞組電動(dòng)勢(shì)的分布；紅色點(diǎn)虛線表示電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的分布；黑色實(shí)線表示負(fù)載情況下繞組電壓分布。

綜上所述，在負(fù)載工況下繞組電壓的分布形式與空載工況下繞組電動(dòng)勢(shì)的分布形式相同，滿足式（9）所示關(guān)系。

3 自適應(yīng)工況的故障定位方法

負(fù)載工況下發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障示意圖如圖8所示。

圖8 負(fù)載情況下發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障

在考慮發(fā)電機(jī)帶負(fù)載工況下的電樞反應(yīng)后，定子單相接地保護(hù)動(dòng)作后通過(guò)故障錄波數(shù)據(jù)獲取三相機(jī)端電壓，確定故障相后，以A相為例通過(guò)式（10）計(jì)算故障繞組全電壓[22]。

式（4）對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻計(jì)算公式更新為

綜上所述，本文提出自適應(yīng)工況的大型發(fā)電機(jī)組定子接地故障定位方法流程如圖9所示。

4 仿真分析與驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文提出的定位方法的有效性，通過(guò)PSCAD/EMTDC搭建水輪發(fā)電機(jī)準(zhǔn)分布參數(shù)模型[28-29]進(jìn)行仿真分析。在準(zhǔn)分布參數(shù)模型中，將每個(gè)分支各個(gè)線圈單元等效為電源、電阻、電感和電容元件的連接。示例發(fā)電機(jī)一分支由7個(gè)線圈單元組構(gòu)成，每個(gè)線圈單元組由5個(gè)空間電動(dòng)勢(shì)相同的線圈組成，每個(gè)線圈都構(gòu)成仿真模型中的一個(gè)線圈單元。各個(gè)線圈單元的參數(shù)通過(guò)電動(dòng)勢(shì)分布特征以及發(fā)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并考慮實(shí)際發(fā)電機(jī)中存在的3次諧波電動(dòng)勢(shì)，通過(guò)諧波節(jié)距因數(shù)計(jì)算3次諧波電動(dòng)勢(shì)的有效值，相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

圖9 自適應(yīng)工況的大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障定位方法流程

表2 某大型機(jī)組仿真模型線圈單元參數(shù)

Tab.2 A large generator simulation model coil unit parameters

以發(fā)電機(jī)空載工況和發(fā)電機(jī)額定負(fù)載工況下定子繞組距中性點(diǎn)第10匝中點(diǎn)處（相當(dāng)于第9.5匝處）發(fā)生過(guò)渡電阻為200Ω的接地故障場(chǎng)景為例，演示相關(guān)的仿真過(guò)程?？蛰d情況下基波電動(dòng)勢(shì)相量圖和基于式（11）計(jì)算得到額定負(fù)載情況下故障繞組基波電壓相量如圖10所示。

圖10 空載和額定負(fù)載下定子繞組基波電壓分布

圖11 不同工況下虛擬故障點(diǎn)的故障評(píng)價(jià)函數(shù)

由圖11可以看出，空載工況與額定負(fù)載工況下的故障評(píng)價(jià)函數(shù)均存在兩個(gè)極小值，對(duì)應(yīng)定位結(jié)果分別計(jì)算過(guò)渡電阻后可得：在空載工況下定位結(jié)果為第10匝中點(diǎn)發(fā)生過(guò)渡電阻為200.87Ω的接地故障或者是第28匝中點(diǎn)發(fā)生過(guò)渡電阻為874.73Ω的接地故障；在額定負(fù)載工況下定位結(jié)果為第10匝中點(diǎn)發(fā)生過(guò)渡電阻為196.25Ω的接地故障或者是第27匝中點(diǎn)發(fā)生過(guò)渡電阻為838.64Ω的接地故障。此時(shí)需要通過(guò)注入式設(shè)備測(cè)量得到的過(guò)渡電阻值對(duì)故障定位結(jié)果進(jìn)行校正，由于真實(shí)過(guò)渡電阻為200Ω，與錯(cuò)誤的故障定位結(jié)果對(duì)應(yīng)的過(guò)渡電阻相比存在明顯差異，因此在不同工況下故障定位結(jié)果均為第10匝中點(diǎn)處（即第9.5匝），本文提出的方法能夠在不同運(yùn)行工況下準(zhǔn)確定位故障位置。

進(jìn)一步增加故障場(chǎng)景驗(yàn)證本文提出的方法的有效性。假設(shè)發(fā)電機(jī)發(fā)生A相定子繞組單相接地故障，故障位置分別為設(shè)置于繞組第5匝首端、第10匝中點(diǎn)、第15匝中點(diǎn)、第20匝中點(diǎn)、第25匝首端和第30匝首端處六種情況，接地故障過(guò)渡電阻分別考慮0Ω、100Ω、1 000Ω，實(shí)際運(yùn)行工況考慮為空載，帶50%負(fù)載的輕載工況和額定負(fù)載工況。基于式（12）計(jì)算自適應(yīng)工況的故障評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行故障定位，得到故障定位結(jié)果1；基于式（6）計(jì)算不考慮運(yùn)行工況的故障評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行故障定位，得到故障定位結(jié)果2，其故障繞組電壓不具備工況自適應(yīng)性；基于文獻(xiàn)[22]方法計(jì)算本文示例水輪發(fā)電機(jī)故障定位結(jié)果，得到故障定位結(jié)果3。文獻(xiàn)[22]中大型水輪發(fā)電機(jī)故障定位方法忽略了繞組電動(dòng)勢(shì)的相位分布特征，能夠解出具體的故障位置，為了便于對(duì)照，故障定位結(jié)果3展示的是故障位置定位結(jié)果最接近的虛擬故障點(diǎn)的位置，將三種方法的定位結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)式（13）計(jì)算基于故障定位結(jié)果1的過(guò)渡電阻。不同故障場(chǎng)景和運(yùn)行工況下的故障定位結(jié)果見(jiàn)附表1，部分典型故障位置額定運(yùn)行工況下的故障定位結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 部分故障場(chǎng)景下的故障定位結(jié)果

Tab.3 Fault location results in partial fault scenes

圖12 額定負(fù)載下考慮電樞反應(yīng)前后故障定位誤差匝數(shù)

從圖12中可以看出，在額定負(fù)載情況下，不計(jì)電樞反應(yīng)，其最大誤差匝數(shù)可以達(dá)到6匝。在考慮電樞反應(yīng)引起的故障繞組電壓分布變化后，本文提出的自適應(yīng)工況的故障定位方法能夠顯著提高故障定位精度。此外，結(jié)合附表1進(jìn)行分析可以看出，隨著故障位置越靠近中性點(diǎn)，過(guò)渡電阻越大，此時(shí)故障特征越來(lái)越不明顯，對(duì)應(yīng)的中性點(diǎn)零序電壓也越小，導(dǎo)致故障定位誤差增大，但最大定位誤差不超過(guò)一匝，基本不會(huì)影響檢修人員對(duì)故障線圈的排查和處理。

5 結(jié)論

本文提出一種自適應(yīng)工況的大型水輪發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障定位方法，并得出以下結(jié)論：

1）發(fā)電機(jī)負(fù)載工況下的電樞反應(yīng)會(huì)改變故障繞組電壓分布形式，考慮電樞反應(yīng)后能夠避免在負(fù)載工況下存在定位偏差的問(wèn)題。

2）基于電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)同步旋轉(zhuǎn)相對(duì)靜止的特點(diǎn)，得出負(fù)載工況下定子繞組電壓分布與空載工況下定子繞組電動(dòng)勢(shì)分布規(guī)律特征相同的結(jié)論。

3）根據(jù)故障時(shí)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與故障點(diǎn)之間的電壓關(guān)系得出故障評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)故障定位，通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量故障相繞組全電壓，可依據(jù)當(dāng)前實(shí)際工況更新故障繞組上各虛擬故障點(diǎn)的繞組電壓分布，實(shí)現(xiàn)工況的自適應(yīng)性。PSCAD/EMTDC仿真結(jié)果表明本文提出的水輪發(fā)電機(jī)定子繞組故障定位方法能在不同故障條件和運(yùn)行工況下準(zhǔn)確定位故障位置，驗(yàn)證了該方法的可行性。

附表1 不同故障場(chǎng)景下的故障定位結(jié)果

App.Tab.1 Fault location results in different fault scenes

故障位置運(yùn)行工況過(guò)渡電阻/Ω中性點(diǎn)零序電壓/kV定位結(jié)果1定位結(jié)果2定位結(jié)果3過(guò)渡電阻計(jì)算值/Ω故障評(píng)價(jià)函數(shù) 5匝首端空載01.38∠-25.84°5匝首端5匝首端8匝中點(diǎn)0.390.000 9 1001.00∠-40.96°5匝首端5匝首端19匝中點(diǎn)99.970.001 1 0000.25∠-65.34°5匝首端5匝首端2匝中點(diǎn)992.150.027 輕載01.34∠-26.72°5匝首端5匝首端9匝首端-1.770.004 4 1000.97∠-41.80°5匝首端5匝中點(diǎn)24匝中點(diǎn)98.560.010 1 1 0000.24∠-66.11°4匝中點(diǎn)6匝首端2匝中點(diǎn)985.820.023 8 額定負(fù)載01.39∠-25.73°5匝首端6匝首端9匝中點(diǎn)-4.190.017 8 1001.01∠-40.81°5匝首端7匝首端20匝中點(diǎn)97.940.029 8 1 0000.25∠-65.06°4匝中點(diǎn)7匝中點(diǎn)2匝首端973.690.052 9 10匝中點(diǎn)空載03.26∠-21.78°10匝中點(diǎn)10匝中點(diǎn)9匝首端0.480.001 4 1002.36∠-36.96°10匝中點(diǎn)10匝中點(diǎn)6匝中點(diǎn)100.640.002 1 1 0000.58∠-51.50°10匝中點(diǎn)10匝中點(diǎn)2匝中點(diǎn)989.540.003 1 輕載03.13∠-22.85°10匝中點(diǎn)11匝中點(diǎn)9匝中點(diǎn)-0.840.001 5 1002.26∠-38.02°10匝中點(diǎn)14匝中點(diǎn)7匝首端98.040.004 4 1 0000.56∠-62.53°11匝首端16匝首端2匝中點(diǎn)976.580.006 6 額定負(fù)載03.26∠-21.75°10匝中點(diǎn)13匝首端9匝中點(diǎn)1.140.004 2 1002.36∠-36.92°10匝中點(diǎn)26匝中點(diǎn)7匝首端97.480.007 9 1 0000.58∠-61.43°11匝首端14匝中點(diǎn)3匝中點(diǎn)1 066.060.001 1 15匝中點(diǎn)空載04.96∠-17.55°15匝中點(diǎn)15匝中點(diǎn)21匝首端0.530.001 8 1003.59∠-32.76°15匝中點(diǎn)15匝中點(diǎn)31匝中點(diǎn)100.920.002 8 1 0000.88∠-57.38°15匝中點(diǎn)15匝中點(diǎn)12匝首端993.730.002 2 輕載04.78∠-18.21°15匝中點(diǎn)16匝首端24匝中點(diǎn)0.180.001 4 1003.46∠-33.41°15匝中點(diǎn)18匝中點(diǎn)35匝首端100.200.001 4 1 0000.85∠-58.00°16匝首端24匝中點(diǎn)12匝首端1 034.100.000 1 額定負(fù)載04.90∠-17.61°15匝中點(diǎn)20匝首端24匝中點(diǎn)-0.280.000 6 1003.55∠-32.80°15匝中點(diǎn)21匝首端33匝中點(diǎn)99.290.001 9 1 0000.87∠-57.38°16匝首端19匝中點(diǎn)13匝首端1 013.700.017 7

（續(xù)）

故障位置運(yùn)行工況過(guò)渡電阻/Ω中性點(diǎn)零序電壓定位結(jié)果1定位結(jié)果2定位結(jié)果3過(guò)渡電阻計(jì)算值/Ω故障評(píng)價(jià)函數(shù) 20匝中點(diǎn)空載06.63∠-13.29°20匝中點(diǎn)20匝中點(diǎn)18匝中點(diǎn)0.560.002 2 1004.80∠-28.50°20匝中點(diǎn)20匝中點(diǎn)12匝中點(diǎn)101.100.003 3 1 0001.18∠-53.15°20匝中點(diǎn)20匝中點(diǎn)4匝首端1 006.720.008 2 輕載06.22∠-14.05°20匝中點(diǎn)23匝首端19匝首端0.250.001 9 1004.50∠-29.26°20匝中點(diǎn)30匝中點(diǎn)13匝首端100.450.002 2 1 0001.10∠-53.88°20匝中點(diǎn)30匝中點(diǎn)4匝首端991.250.004 3 額定負(fù)載06.46∠-13.38°20匝中點(diǎn)25匝中點(diǎn)19匝首端0.160.001 2 1004.68∠-28.59°20匝中點(diǎn)28匝中點(diǎn)13匝首端100.260.001 2 1 0001.15∠-53.21°20匝中點(diǎn)24匝中點(diǎn)4匝首端987.070.008 6 25匝首端空載08.09∠-9.37°25匝首端25匝首端23匝首端0.580.002 4 1005.86∠-24.59°25匝首端25匝首端15匝中點(diǎn)101.210.003 7 1 0001.44∠-49.27°25匝首端25匝首端4匝中點(diǎn)1 010.280.010 6 輕載07.52∠-9.94°25匝首端29匝首端23匝中點(diǎn)0.450.002 5 1005.44∠-25.17°25匝首端30匝中點(diǎn)15匝中點(diǎn)100.930.003 4 1 0001.33∠-49.81°25匝首端35匝首端4匝中點(diǎn)1 001.390.003 6 額定負(fù)載07.80∠-9.48°25匝首端27匝中點(diǎn)23匝中點(diǎn)0.400.002 2 1005.64∠-24.70°25匝首端29匝首端15匝中點(diǎn)100.820.002 9 1 0001.38∠-49.34°25匝首端31匝首端4匝中點(diǎn)998.630.001 30匝首端空載09.68∠-5.08°30匝首端30匝首端28匝中點(diǎn)0.590.002 7 1007.00∠-20.31°30匝中點(diǎn)30匝首端19匝首端104.860.001 6 1 0001.72∠-45.01°30匝首端30匝首端5匝首端1 013.030.012 4 輕載08.90∠-5.41°30匝首端29匝中點(diǎn)29匝首端0.610.003 1006.44∠-20.65°30匝首端30匝中點(diǎn)19匝首端105.100.000 2 1 0001.58∠-45.32°30匝首端16匝首端5匝首端1 009.180.009 6 額定負(fù)載09.20∠-5.16°30匝首端29匝首端28匝首端0.590.002 9 1006.66∠-20.4°30匝首端29匝中點(diǎn)18匝首端104.920.000 2 1 0001.63∠-45.06°30匝首端30匝首端4匝首端1 007.770.008 3

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An Adaptive Load-Based Location Method of Stator Ground Fault for Large Hydro-Generators

Tan Liming1,2Yin Xianggen1,2Wang Yikai1,2Qiao Jian1,2Xu Wen1,2

（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology 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）

Stator ground fault is the most common fault in large hydro-generators, and effective ground fault location methods can shorten the troubleshooting time and improve the reliability of the power supply. Existing location methods ignore the influence of armature reaction on the winding voltage distribution under load condition. Based on the in-depth study of the armature reaction mechanism, it is concluded that the voltage distribution of the stator winding under different load conditions is the same as the electrical potential distribution under no-load condition. On that basis, an adaptive load-based location method of stator ground fault for large hydro-generators is proposed in this paper. The fault evaluation function is constructed according to the amplitude and phase relationship between the neutral voltage and the fault winding voltage when a ground fault occurs under no-load condition. Then the fault winding voltage distribution under the real-time load condition is determined and the fault evaluation function is adjusted according to the actual measured value of terminal voltage. Virtual fault points are set on the fault winding and the fault evaluation function value is calculated for each point, and the point corresponding to its minimal value is defined as the fault location result. A quasi-distributed parameter model of the hydro generator is built in PSCAD/EMTDC for simulation verification. Simulation results show that the proposed method can effectively determine the fault location under different fault scenes and load conditions, which provides a reference for fault maintenance.

Large hydro-generator, stator ground fault, armature reaction, fault winding voltage distribution, fault evaluation function

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.211155

TM312

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51877089）。

2021-07-29

2021-10-11

譚力銘 男，1998年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail：904632172@qq.com

王義凱 男，1996年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail：742657004@qq.com（通信作者）

（編輯 赫蕾）