CN108646134A

CN108646134A - 基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法

Info

Publication number: CN108646134A
Application number: CN201810652567.5A
Authority: CN
Inventors: 侯小虎; 闫海峰; 张舸
Original assignee: China Yangtze Power Co Ltd
Current assignee: China Yangtze Power Co Ltd
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2018-10-12
Anticipated expiration: 2038-06-22
Also published as: CN108646134B

Abstract

基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，主要有以下步骤：(1)通过预先测定机组每相对地电容和中性点接地阻抗两个参数，可以得到故障点电压与中性点电压之间的角度θ；(2)绘制故障时刻发电机机端三相电压相量图，并在相量图中用相量分析法求取故障点电压和中性点电压并进一步得出(3)通过测量的长度与相电压的长度，得到故障点位置百分比α。该方法是一种不依赖过渡电阻测量或计算，仅依靠机端三相电压相量关系进行计算的新方法。

Description

基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法

技术领域

本发明一种基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，可广泛应用于中性点不接地或经高阻接地的大中型发电机组定子绕组单相接地故障定位。

背景技术

发电机定子绕组对地绝缘的损坏将引发单相接地故障，这是定子绕组最常见的电气故障形式之一。大中型发电机组，由于体积巨大，定子绕组线棒较多，且分布在不同的槽内，在发电机定子绕组经过渡电阻一点接地后，往往难以判断是何处发生了故障，给事故检查及处理造成了不小的障碍。

目前，定子绕组发生单相接地后，对于故障点的定位主要有以下几种方法：

(1)、采用导体加压升流的方法：在机组停机之后，通过在定子线棒上注入小电流，通过查看定子线棒电流的变化来判断绕组有无接地。此种方法优点是：查找故障点较为准确、直观；缺点是：①费时费力，需要维护人员在发电机内部不断测量寻找，尤其是刚停机后，发电机内部温度较高，对维护人员的体力、精力是一种考验；②有一定的危险性，定子加压后，若有不慎，易发生人员触电等危险。

(2)、采用机端电压幅值进行计算(专利号CN201110245293.6)：其步骤主要为：①采集发电机机端电压互感器三相电压,求得自产零序电压；②计算前述三相电压和自产零序电压的基波幅值,比较三相电压的大小,其中电压最低的一相即为接地故障相；③求解过渡电阻大小；④求解故障点的位置。这种方法的优点是：不需要到发电机内部进行寻找，省时省力；缺点是：需要预先准备大量的参数，诸如发电机机端电容、中性点对地电阻，运算公式复杂，在现场进行计算时，往往容易出错；且本方法中有大量的平方运算，扩大了测量误差。

(3)、采用行波测距的方法进行故障定位。这种方法需要对行波的波头进行精确捕捉及方向判断，误差较大。

发明内容

本发明提供一种基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，原理清晰、参数简单、便于使用，可用于中性点不接地或经电阻接地的发电机定子单相接地定位。

本发明采取的技术方案为：

基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，根据发电机机端每相对地电容C_g，中性点接地电阻R_N，中性点对地电抗X_N，求取角度θ，将该角度作为发电机的一项固有参数；

1)、绘制故障时刻，发电机机端三相电压相量图，并在三相电压相量图中用相量分析法求取故障点电压和中性点电压并进一步得出

2)、通过测量的长度与相电压的长度，得到故障点位置百分比α。

基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，其原理图如图1所示：发电机A相距离中性点α处经过渡电阻R_f接地，则有：

且：

式中：

C_g为发电机机端每相对地电容，R_N中性点接地电阻，中性点对地电抗X_N；

通过预先测定机组每相对地电容和中性点接地阻抗两个参数，可以得到角度θ；事实上，机组一旦安装完成，θ值即为机组的一个固定参数，可以将此参数作为机组的一个固有参数记录下来，便于分析使用；

分析式(1)与式(2)，容易得知，相量一定在的方向上，且滞后的角度为θ；

具体步骤如下：

步骤1：已知发电机机端每相对地电容为C_g，中性点接地电阻阻值为R_N，中性点对地电抗X_N，根据式(3)求取角度θ；

步骤2：根据故障时刻的机端三相电压波形，得知机端三相电压根据其幅值与相位，绘制出三相相量图，得到顶点为A、B、C的一个Y型相量图；

步骤3：连接A、B、C，一定会得到一个正三角形ABC，求取正三角形ABC的中心，设为O；

步骤4：连接O、A两点，得到相量相量一定等于发电机正常运行时的机端相电压，量取相量的长度，记作U_φ；

步骤5：连接D、O两点，得到相量过D点作一个向量，与夹角为θ，该线与相交于K点，量取相量的长度，记作U_m；

步骤6：根据下式计算出故障点距离中性点的位置为：

以上方法采用AutoCAD进行等比例绘制和测量。

目前，行业内所流行的发电机定子一点接地故障定位方法，都需要计算或者测量过渡电阻大小，并采用非常复杂的算式进行计算。本发明方法提供了一种不依赖过渡电阻测量或计算，仅依靠机端三相电压相量关系进行计算的新方法，这种方法有以下优点：

(1)：本发明揭示出：定子单相接地故障时，故障点的电压相位总是滞后于零序电压相位一个角度θ；该角度θ与故障点过渡电阻大小无关，仅与发电机安装参数相关，可以作为发电机的一个固有参数，列入设备参数清单；

(2)：定子单相接地故障的故障定位，与定子线棒接线方式有关，需要绘制出定子线棒的电势分布曲线。

(3)：本发明计算过程中所用的数据，仅有机端三相电压相量、定子线棒的电势分布曲线及故障位置角θ；

(4)：本发明仅采用AutoCAD等制图软件就可以得出精确度非常高的计算结果，简单易学，在工程中有良好的推广价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为中性点经高阻接地发电机单相接地故障原理图。

图2为故障时刻的机端三相电压相量图。

图3为求取三角形ABC的中心O示意图。

图4为求取相量OA示意图。

图5为求取相量DO示意图。

图6为根据参数求取相量OK示意图。

图7为相量法求解故障位置α示意图。

图8为A相第一分支电动势示意图。

图9为根据三相电压绘制出零序电压相量图。

图10为绘制B相定子电势分布曲线图。

图11为绘制B相故障点的位置并标注尺寸示意图。

图12为绘制A相故障点的位置并标注尺寸示意图。

具体实施方式

基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，

1：根据发电机机端每相对地电容C_g，中性点接地电阻R_N，中性点对地电抗X_N，求取角度θ，将该角度作为发电机的一项固有参数；

2：绘制故障时刻，发电机机端三相电压相量图，并在三相电压相量图中用相量分析法

求取故障点电压和中性点电压并进一步得出

3：通过测量的长度与相电压的长度，得到故障点位置百分比α。

(一)、发电机定子单相接地故障分析：

如图1所示，假设发电机三相绕组对地电容相等，以定子绕组A相经过渡阻抗Z_f接地为例，如图1所示，分析定子单相接地故障时的电气特征。图中：Z_N为发电机中性点接地变压器高压侧等效阻抗，包含了二次负载电阻折算到一次侧的电阻值及接地变的漏阻抗，Z_f为定子接地过渡阻抗值；C_g为发电机电压系统每相对地电容值；为发电机中性点零序电压；α为定子接地故障位置值，以百分比表示，为故障点到中性点的匝数占每相串联总匝数的百分比；分别为发电机定子A、B、C相的电动势。

由图1可得：

考虑到发电机三相电动势对称，则有

式(2)改写为：

取且Z_N＝R_N+jX_N则有：

令：

式(5)改写为：

对式(8)进行分析，总是滞后一个角度θ，而此角度θ仅与发电机的安装参数有关，其计算公式为式(6)所示，可以预先测定，并作为发电机的固有参数进行记录；

对式(1)进行分析，即电压一定与同相位。

(二)、定子单相接地故障定位方法：

在实际工程中，由于注入式定子接地保护装置测量误差等原因，人们往往得不到故障点过渡电阻的准确值。不过，对于发电机发生单相接地故障，人们往往并不关心故障点过渡电阻的大小，而仅关心故障位置。下面介绍一种不依赖于过渡电阻阻值的定子单相接地故障定位方法。

(1)、根据故障时刻的机端三相电压波形，得知机端三相电压根据其幅值与相位，绘制出三相相量图，得到顶点为A、B、C的一个Y型相量图，如图2所示。

(2)、连接A、B、C三点，得到一个等边三角形ABC，求取等边三角形的中心O，并做相量易知

(3)、过D点作一条射线，滞后相量θ角度，且与相量相交于点K，则相量即为如图6所示。

(4)、分别测量的长度，根据下式(8)计算定子接地的故障位置。

尤其的，采用AutoCAD等制图软件进行绘图和测量的话，上述方法会更为简单、实用。

特别的，对于中性点采用不接地方式的发电机，其R_N＝∞，有：

当故障位置α一定时，不论过渡电阻R_f如何变化，D点的轨迹将会是以为直径的一个半圆，且当R_f＝0时，D点落在K处；R_f＝∞时，D点落在O处。

(三)、现场实例计算：

(1)发电机参数整理和计算：

某型发电机组为波绕组接线，极对数P＝24，定子槽数Z＝576，每相8分支，每分支48根线棒，每根线棒所占据的电角度为：

以A相第一分支为例，其定子绕组连接方式见表1。

表1某发电机组A相第一一分支线棒连接方式

由表1可知，第一行中线棒之间的槽间距为12，电角度相差180°，采用波绕组接线时，6根线棒的电动势相位一致，形成一个线圈组；线圈组1、线圈组2、线圈组3、线圈组4之间的槽间距为11，电角度顺次偏移15°；线圈组4、线圈组5、线圈组6、线圈组7、线圈组8之间的槽间距为-11，电角度顺次偏移-15°。

该发电机等值电路参数如表2所示：

表2某发电机组计算等值参数

由表2参数，接地变等效一次阻抗为：

R_N＝R_σ+n²·R_n＝834(Ω)

X_N＝X_σ＝158(Ω)

根据式(6)进行计算，可得：

(2)、故障案例1：

某发电机组单相接地故障时刻，机端三相电压为：

Ua＝62.039V∠0°，Ub＝46.428V∠-132.029°，Uc＝64.973V∠102.752°。

a)：采用CAD按比例绘制出三相电压，并求出中性点O与零序电压U0：

b)：由于故障相一般电压最低，判断故障相为B相。根据图6中B相电势的相量，并结合图8中的分析，绘制出B相定子电势分布曲线。

c)：过接地点D做一条相量，滞后零序电压U0角度111.6°，与定子电势分布曲线EB相交于点K，在标注K点在该线圈组中的位置。

d)：由于每个线圈组有6根线棒，因此，计算故障点所在的线棒位置：

即故障点在线圈组2中，第3根导体末端附近。

表3某发电机组B相第7分支定子线棒连接方式

e):经现场检查，故障点位于499槽上层线棒的下端(电位末端)，查阅B相线圈组分布表3，可知与上述分析结果高度吻合。

(3)故障案例2:

该型机组另一发电机定子单相接地故障，机端三相电压为：

Ua＝8.883V∠0°，Ub＝90.117V∠-178.896°，Uc＝94.636V∠116.460°。

采用CAD按比例绘制出三相电压，按上述方法绘制出故障点K，并标注出K在该线圈组中的位置，如图12所示。

即故障点位于线圈组7中，第6根导体首端附近。

经现场检查，故障点位于该机组A相238槽上层线棒下端(电位始端)，查阅A相线圈组分布表4，与分析结果高度吻合。

表4某发电机组A相第1分支定子线棒连接方式

Claims

1.基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，其特征在于：

1)、根据发电机机端每相对地电容C_g，中性点接地电阻R_N，中性点对地电抗X_N,求取角度θ，将该角度作为发电机的一项固有参数；

2)、绘制故障时刻，发电机机端三相电压相量图，并在三相电压相量图中用相量分析法求取故障点电压和中性点电压并进一步得出

3)、通过测量的长度与相电压的长度，得到故障点位置百分比α。

2.基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，其特征在于：

发电机A相距离中性点α处经过渡电阻R_f接地，则有：

且：

式中：

C_g为发电机机端每相对地电容，R_N中性点接地电阻,X_N为中性点对地电抗；

具体步骤如下：

步骤6：根据下式计算出故障点距离中性点的位置为：

3.如权利要求1或2所述基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，其特征在于：所述定位方法采用AutoCAD进行等比例绘制和测量。

4.如权利要求1或2所述基于相量分析的发电机定子绕组单相接地故障定位方法，应用于中性点不接地或经高阻接地的大中型发电机组定子绕组单相接地故障定位。