CN110488136A - 调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，包括如下步骤：S10，在励磁变压器中性点处设置接地电阻；S20，在调相机工作时，分别在各个单位时间测量所述接地电阻两端的电压数据；S30，在所述电压数据中提取150Hz分量幅值；S40，根据所述150Hz分量幅值检测励磁系统的故障。采用本方法提高调相机励磁系统转子一点接地故障检测的实时性。

Description

调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其涉及一种调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法。

背景技术

随着远距离直流输电电网的规模化建设，其电压等级、输电容量不断提高，换流站无功补偿的容量需求也越来越大，尤其是动态无功的补偿对于直流输电系统的电压稳定起着非常重要的作用。调相机具有可靠性更高、容量更大、动态维持电压能力强的特点，在电网扰动的情况下，能够通过强励及时提供大容量动态无功。所以，为保证国家电网安全、可靠、经济，大容量同步调相机在电网的重点应用又被提上日程。

调相机的励磁系统是同步调相机的重要组成部分，其主要任务是根据调相机的运行要求，向转子绕组提供可调节的直流励磁电流。转子绕组接地故障是励磁系统常见的故障形式之一，由于在同步发电机当中，励磁系统是独立的，转子绕组一点接地时，由于没有形成闭合通路，所以并不会立即产生严重的后果，但当进一步发生第二点接地故障时，接地点流过的故障电流将烧伤转子本体，励磁绕组被短接而使气隙磁通失去平衡引起振动以及轴系转子磁化等灾难性后果，严重威胁机组的安全，因而对转子绕组一点接地等故障的检测为维护调相机的顺利运转具有重要意义，传统的故障检测方案需要另加注入电源，提高成本和回路的复杂性，同时无法实时监测故障接地程度，仅仅在故障发生之后进行转子一点接地跳闸保护。

发明内容

针对以上问题，本发明提出一种调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法。

为实现本发明的目的，提供一种调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，包括如下步骤：

S10，在励磁变压器中性点处设置接地电阻；

S20，在调相机工作时，分别在各个单位时间测量所述接地电阻两端的电压数据；

S30，在所述电压数据中提取150Hz分量幅值；

S40，根据所述150Hz分量幅值检测励磁系统的故障。

在其中一个实施例中，所述根据所述150Hz分量幅值检测励磁系统的故障包括：

获取在所述调相机工作工作过程中，所述150Hz分量幅值对应的150Hz分量曲线；

根据所述150Hz分量曲线的变化特征识别所述励磁系统的转子一点接地故障。

作为一个实施例，所述根据所述曲线的变化特征识别所述励磁系统的转子一点接地故障包括：

若所述150Hz分量曲线平稳变化，判定所述励磁系统未发生转子一点接地故障；

若所述150Hz分量曲线出现突变，判定所述励磁系统发生转子一点接地故障。

作为一个实施例，在所述若所述150Hz分量曲线平稳变化，判定所述励磁系统未发生转子一点接地故障之前，还包括：

若所述150Hz分量曲线在相邻单位时间的幅值差小于设定阈值，判定所述150Hz分量曲线平稳变化；若所述150Hz分量曲线在相邻单位时间的幅值差大于或等于设定阈值，判定所述150Hz分量曲线出现突变。

作为一个实施例，在所述若所述150Hz分量曲线出现突变，判定所述励磁系统发生转子一点接地故障之后，还包括：

识别所述150Hz分量曲线的突变程度，根据所述突变程度确定所述转子一点接地故障的故障程度。

在其中一个实施例中，所述在所述电压数据中提取150Hz分量幅值包括：

对所述电压数据进行傅里叶变换，从傅里叶变换得到的频域结果中提取所述150Hz分量幅值。

在其中一个实施例中，所述接地电阻的阻值为5kΩ。

上述调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，通过在励磁变压器中性点处设置接地电阻，在调相机工作过程中，分别在各个单位时间测量所述接地电阻两端的电压数据，以提取其中的150Hz分量幅值，实现励磁系统故障的在线检测，可以提高调相机励磁系统转子一点接地故障检测的实时性。且在调相机励磁系统的转子一点接地故障检测过程中，无需外加注入电源，很大程度上降低了成本，其中转子一点接地方法的有效性不受接地位置改变的影响，对于严重接地故障有很高的灵敏性。

附图说明

图1是一个实施例的调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法流程图；

图2是一个实施例的同步调相机静止励磁系统示意图；

图3是一个实施例的同步调相机转子一点接地示意图；

图4是一个实施例的励磁系统150Hz等效电路图；

图5为一个实施例的励磁系统150Hz等效电路简化示意图；

图6为一个实施例的转子一点接地仿真模型示意图；

图7为一个实施例的仿真曲线示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本申请的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

参考图1所示，图1为一个实施例的调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法流程图，包括如下步骤：

S10，在励磁变压器中性点处设置接地电阻；

上述步骤S10可以在励磁变压器中性点和接地端之间设置一个阻值较大的电阻，比如设置一个阻值为5kΩ的电阻作为励磁变压器中性点处的接地电阻。

在一个示例中，上述励磁系统为同步调相机静止励磁系统。在励磁变压器中性点处设置接地电阻之后，同步调相机静止励磁系统的示意图可以参考图2所示，图2中，电阻R_g为新设的接地电阻，其阻值为5kΩ。将励磁变压器中性点和转子绕组正极性端之间等效成一个电压不变的电压源，对应的同步调相机转子一点接地示意图可以参考图3所示。

S20，在调相机工作时，分别在各个单位时间测量所述接地电阻两端的电压数据；

上述单位时间可以为调相机工作过程中的各个时刻(如各秒)，在调相机工作过程中测量的接地电阻两端的电压数据可以为一段连续电压数据，也可以为调相机工作过程中各个单位时间分别对应的离散电压数据。接地电阻两端的电压数据可以准确表征接地电阻两端在调相机工作过程中各个时刻的电压取值特征和电压变化特征。

S30，在所述电压数据中提取150Hz分量幅值；

上述步骤可以将电压数据转换为相应的频域数据，以后相应频域数据进行150Hz分量幅值的提取。

在一个实施例中，上述在所述电压数据中提取150Hz分量幅值可以包括：对所述电压数据进行傅里叶变换，从傅里叶变换得到的频域结果中提取所述150Hz分量幅值，以保证所提取的150Hz分量幅值的准确性。

S40，根据所述150Hz分量幅值检测励磁系统的故障。

上述步骤可以在调相机工作过程中实现转子一点接地等励磁系统故障的在线检测，以提高相应故障检测功能的实时性。

具体地，上述步骤可以依据调相机工作过程中，150Hz分量幅值的变化特征检测励磁系统的故障，比如，若150Hz分量幅值平稳，表明当前励磁系统无故障，若150Hz分量幅值出现变动，表明当前励磁系统出现故障。

上述调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，通过在励磁变压器中性点处设置接地电阻，在调相机工作过程中，分别在各个单位时间测量所述接地电阻两端的电压数据，以提取其中的150Hz分量幅值，实现励磁系统故障的在线检测，可以提高调相机励磁系统转子一点接地故障检测的实时性。且在调相机励磁系统的转子一点接地故障检测过程中，无需外加注入电源，很大程度上降低了成本，其中转子一点接地方法的有效性不受接地位置改变的影响，对于严重接地故障有很高的灵敏性。

在一个实施例中，所述根据所述150Hz分量幅值检测励磁系统的故障包括：

获取在所述调相机工作工作过程中，所述150Hz分量幅值对应的150Hz分量曲线；

根据所述150Hz分量曲线的变化特征识别所述励磁系统的转子一点接地故障。

本实施例可以通过曲线拟合等方式获取调相机工作工作过程中，150Hz分量幅值对应的150Hz分量曲线，以依据150Hz分量曲线的变化特征识别励磁系统的转子一点接地故障，保证进行故障识别的效率。

作为一个实施例，所述根据所述曲线的变化特征识别所述励磁系统的转子一点接地故障包括：

若所述150Hz分量曲线平稳变化，判定所述励磁系统未发生转子一点接地故障；

若所述150Hz分量曲线出现突变，判定所述励磁系统发生转子一点接地故障。

本实施例可以对励磁系统的转子一点接地故障进行准确识别。

作为一个实施例，在所述若所述150Hz分量曲线平稳变化，判定所述励磁系统未发生转子一点接地故障之前，还包括：

若所述150Hz分量曲线在相邻单位时间的幅值差小于设定阈值，判定所述150Hz分量曲线平稳变化；若所述150Hz分量曲线在相邻单位时间的幅值差大于或等于设定阈值，判定所述150Hz分量曲线出现突变。

上述设定阈值可以依据150Hz分量幅值得取值特征设置，其可以设置为能够表征150Hz分量曲线变化特征的值。具体地，若150Hz分量曲线幅值变化小于设定阈值，表明此时150Hz分量曲线平稳变化；若150Hz分量曲线的幅值变化大于或等于设定阈值，表明150Hz分量曲线出现突变。

作为一个实施例，在所述若所述150Hz分量曲线出现突变，判定所述励磁系统发生转子一点接地故障之后，还包括：

识别所述150Hz分量曲线的突变程度，根据所述突变程度确定所述转子一点接地故障的故障程度。

具体地，若150Hz分量曲线的突变程度高，表明转子一点接地故障的故障程度严重，若150Hz分量曲线的突变程度低，表明转子一点接地故障的故障程度相对轻。依据150Hz分量曲线的突变程度，可以对转子一点接地故障的故障程度进行准确识别。

在一个实施例中，调相机工作过程中，150Hz分量幅值的变化特征与转子一点接地故障之间的对应关系的推导过程可以包括：

由于励磁绕组电阻值较小，所以将励磁绕组电阻值忽略，此时励磁绕组由电感和对地电容组成；由此可以推导出发生一点接地故障时，励磁绕组的等效阻抗模值|Z_e,3f|随接地故障发生而产生的变化规律，励磁绕组150Hz等效阻抗示意图可以参考图4所示，励磁系统150Hz等效电路简化示意图可以参考图5所示；其中：

式中，A₁＝1-ω²L′C′,L′＝x(1-x)L,C′＝C/2，Z_e,3f为励磁绕组等效阻抗，R_g为励磁变压器中性点所加的接地电阻，R_f为发生一点接地故障时的故障电阻，L为励磁绕组电感，C为励磁绕组电容，符号“//”表示并联。

此时有：

其中，

当

当

因此，当接地故障电阻值时，|Z_e,3f|随故障电阻增大而增大，当接地故障电阻值时，|Z_e,3f|随故障电阻增大而减小。

由励磁系统等效电路图可知，接地电阻两端电压的150Hz分量幅值随接地故障发生而产生的变化规律和励磁绕组的等效阻抗模值|Z_e,3f|相反。因此，当接地故障电阻值时，接地电阻两端电压的150Hz分量幅值|V_3f|随故障电阻增大而减小，当接地故障电阻值时，|V_3f|随故障电阻增大而增大。因而接地电阻两端电压的150Hz分量幅值|V_3f|出现变化时，表明励磁系统出现转子一点接地故障，且变动越大，故障程度相应的越高。

本实施例推导得到的调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法中，无需外加注入电源，相比于换流站中调相机所使用的转子接地保护方式，很大程度上降低了成本，该转子一点接地方法的有效性不受接地位置改变的影响，对于严重接地故障有很高的灵敏性。

在一个示例中，采用仿真的方法对上述调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法加以说明，在MATLAB/Simulink平台上搭建同步调相机转子一点接地故障仿真模型如图6所示，仿真过程中采用的仿真参数如表1所示。分别仿真转子绕组在0％、25％、50％、75％和100％处发生接地故障时，接地电阻R_g两端150Hz电压幅值的变化，可以参考图7所示，图7中，横坐标表示R_f，纵坐标表示|V_3f|。由仿真曲线可知，当接地故障位置发生改变时，电压幅值|V_3f|曲线几乎重合。因此，该方法不受接地故障位置改变的影响。此外，当故障接地电阻R_f值较小时，电压幅值|V_3f|相对于无故障状态变化更加明显，所以该方法对于严重接地故障灵敏性更好。

表1仿真参数

交流电压源/V	300
		电网频率/Hz	50
接地电阻/kΩ	5
		转子电阻/Ω	0.5
转子电感/H	1e-3
		转子电容/F	0.5e-7

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

本申请实施例的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或模块的过程、方法、装置、产品或设备没有限定于已列出的步骤或模块，而是可选地还包括没有列出的步骤或模块，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或模块。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S10，在励磁变压器中性点处设置接地电阻；

S20，在调相机工作时，分别在各个单位时间测量所述接地电阻两端的电压数据；

S30，在所述电压数据中提取150Hz分量幅值；

S40，根据所述150Hz分量幅值检测励磁系统的故障。

2.根据权利要求1所述的调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，其特征在于，所述根据所述150Hz分量幅值检测励磁系统的故障包括：

获取在所述调相机工作工作过程中，所述150Hz分量幅值对应的150Hz分量曲线；

根据所述150Hz分量曲线的变化特征识别所述励磁系统的转子一点接地故障。

3.根据权利要求2所述的调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，其特征在于，所述根据所述曲线的变化特征识别所述励磁系统的转子一点接地故障包括：

若所述150Hz分量曲线平稳变化，判定所述励磁系统未发生转子一点接地故障；

若所述150Hz分量曲线出现突变，判定所述励磁系统发生转子一点接地故障。

4.根据权利要求3所述的调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，其特征在于，在所述若所述150Hz分量曲线平稳变化，判定所述励磁系统未发生转子一点接地故障之前，还包括：

若所述150Hz分量曲线在相邻单位时间的幅值差小于设定阈值，判定所述150Hz分量曲线平稳变化；若所述150Hz分量曲线在相邻单位时间的幅值差大于或等于设定阈值，判定所述150Hz分量曲线出现突变。

5.根据权利要求3所述的调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，其特征在于，在所述若所述150Hz分量曲线出现突变，判定所述励磁系统发生转子一点接地故障之后，还包括：

识别所述150Hz分量曲线的突变程度，根据所述突变程度确定所述转子一点接地故障的故障程度。

6.根据权利要求1至5任一项所述的调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，其特征在于，所述在所述电压数据中提取150Hz分量幅值包括：

对所述电压数据进行傅里叶变换，从傅里叶变换得到的频域结果中提取所述150Hz分量幅值。

7.根据权利要求1至5任一项所述的调相机励磁系统的转子一点接地故障检测方法，其特征在于，所述接地电阻的阻值为5kΩ。