CN113203950A - 海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法和系统，属于海洋核动力平台电力系统保护领域。本发明建立综合接地故障电流和系统过电压的发电机定子接地故障诊断函数，能够同时反映发电机定子绕组接地故障对发电机运行安全和配电网绝缘安全的危害程度，并为海洋核动力平台发电机定子接地保护实现依据故障程度的自适应切机控制方式提供有效参考，保证海洋核动力平台电力系统的安全运行，并为其他发电机定子接地保护改进方法提供技术参考。

Description

海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法和系统

技术领域

本发明属于海洋核动力平台电力系统保护领域，更具体地，涉及一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法和系统。

背景技术

海洋核动力平台是海上移动式供电平台，可用于海上工程作业供电、远洋海岛供电、海水淡化等。海洋核动力平台站内低压系统采用网源直连拓扑结构，由于站内核反应堆敏感负荷对供电可靠性要求高，发电机故障时，希望在轻微故障情况下避免突然切机对系统造成冲击，且能够快速完成检修过程恢复系统正常供电，这就需要在不同接地故障形式下自适应决定切机控制方式。

但目前工程应用中，受海洋核动力平台拓扑结构限制，其发电机定子接地保护仅依赖于零序电压、机端与中性点三次谐波电压比值，无法体现接地故障的危害程度，不能依据故障程度自适应决定切机控制方式，无法满足核动力平台安全运行要求。

考虑到发电机定子绕组单相接地故障在所有故障类型中占比最高，因此海洋核动力平台发电机定子接地程度故障诊断问题亟待解决。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法和系统，其目的在于为海洋核动力平台发电机定子接地保护提供故障程度参考，使其能够依据故障程度自适应决定切机控制方式，保证海洋核动力平台电力系统的安全运行。

为实现上述目的，本发明提供了一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法，包括：

S1.确定发电机定子接地故障时的最大接地故障电流和系统最大过电压；

S2.利用最大接地故障电流和系统最大过电压分别对接地故障电流和系统过电压统一量纲，并建立发电机定子接地故障程度诊断函数；所述发电机定子接地故障程度诊断函数用于通过发电机接地故障电流大小和系统过电压大小反映定子接地故障严重程度；

S3.测量机端和中性点三次谐波电压，实时计算发电机正常运行时的直连线路对地电容；

S4.发生接地故障后，利用故障后的零序电压、故障后与故障前中性点电压三次谐波分量的变化量，以及故障前实时计算得到的直连线路对地电容，计算发电机定子接地故障后的接地故障电流；

S5.测量相位超前于接地故障相的机端对地电压，得到故障后的系统过电压；

S6.将接地故障电流和系统过电压代入所述故障程度诊断函数中，计算接地故障程度，完成诊断过程。

进一步地，步骤S1具体为，

设置发电机机端单相金属性接地故障，测量此时的接地故障电流为发电机定子接地故障时可能产生的最大接地故障电流；

设置机端单相接地故障，测量不同接地过渡电阻阻值情况下机端故障超前相电压幅值，当幅值最大时，对应值为发电机定子接地故障时可能产生的最大系统过电压。

进一步地，采用梯形模糊隶属度函数对接地故障电流和系统过电压统一量纲。

进一步地，发电机定子接地故障程度诊断函数为：

其中，

为发电机接地故障电流隶属度函数；

为系统过电压隶属度函数；c₁、c₂为权值系数；

I_f1为最大接地故障电流；I_f2为最小接地故障电流，通过发电机中性点接地过渡电阻为∞时的单相接地故障获得，其值为0；I_f为实际计算的发电机定子接地故障电流；U_m1为系统最大过电压；U_m2为系统最小过电压，通过发电机中性点接地过渡电阻为∞时单相接地故障获得，其值为系统额定相电压幅值；U_m为实际测量的系统过电压。

进一步地，发电机正常运行时的直连线路对地电容计算过程具体为，

海洋核动力平台网源直连系统正常运行状态下，测量发电机机端和中性点电压，分别通过傅里叶变换提取三次谐波电压分量；

利用直连线路对地电容计算公式

计算当前运行状态下，与发电机直连线路的每相对地电容参数；C_f为发电机定子绕组对地电容参数，

为中性点三次谐波电压；

为机端三次谐波电压。

进一步地，发电机定子接地故障后的接地故障电流计算过程具体为，

计算接地故障电流基波分量：

ω为系统角频率，C_ω为步骤S3中提供的直连线路对地电容参数，

为故障后零序电压；

计算接地故障电流三次谐波分量：

为故障后中性点电压三次谐波分量与故障前中性点电压三次谐波分量相减得到的三次谐波分量的变化量；

计算接地故障电流：

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果。

(1)本发明建立综合接地故障电流和系统过电压的发电机定子接地故障程度诊断函数，能够同时反映发电机定子绕组接地故障对发电机运行安全和配电网绝缘安全的危害程度，并为海洋核动力平台发电机定子接地保护实现依据故障程度的自适应切机控制方式提供有效参考，保证海洋核动力平台电力系统的安全运行，并为其他发电机定子接地保护改进方法提供技术参考。

(2)本发明从海洋核动力平台系统的供电安全性需求出发，结合海洋核动力平台网源直连拓扑结构特点，在无需安装注入式设备的情况下，基于三次谐波电压即可实时计算直连线路对地电容，适合工程实际应用。

(3)本发明在传统的接地故障电流计算方法基础上，考虑了接地故障电流的三次谐波分量，保证接地故障电流计算的准确性，更加真实反映了接地故障程度。

附图说明

图1是本发明提供的一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法的流程图；

图2是本发明提供的海洋核动力平台网源直连系统正常运行状态下的三次谐波等值电路示意图；

图3是本发明提供的海洋核动力平台网源直连系统正常运行状态下的三次谐波简化等值电路示意图。

图4是本发明提供的海洋核动力平台网源直连系统仿真模型网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断需要包括发电机定子接地故障对发电机自身安全运行的影响程度及对直连配电系统绝缘安全的影响程度。其中，故障对发电机安全运行的影响程度通过接地故障电流表示，故障对系统绝缘安全的影响程度通过系统过电压水平表示。

关于接地故障电流，海洋核动力平台采用网源直连拓扑结构，接地故障电流与配网线路对地电容参数有关，因此受配电网运行方式影响，需要实时计算对地电容参数。目前的对地电容参数实时计算方法需要基于注入式设备，但海洋核动力平台空间紧凑，无法装设该设备。且现有接地故障电流计算方法仅考虑基波分量，但现场实验数据结果表明，当故障靠近发电机中性点时，接地故障电流中含有较高的三次谐波分量。因此现有方法存在一定误差，无法真实反映接地故障严重程度。

关于系统过电压，现有文献给出了中性点不接地发电机机端单相接地故障时各相过电压的变化规律，但未指出何种故障条件下系统过电压最严重，无法针对不同接地故障情况对系统绝缘安全的危害程度进行有效诊断

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

S1.利用仿真实验确定发电机定子接地故障时可能产生的最大接地故障电流和系统最大过电压；

具体地，通过建立海洋核动力平台电力系统仿真模型，设置发电机机端单相金属性接地故障，测量此时的接地故障电流为发电机定子接地故障时可能产生的最大接地故障电流。设置机端单相接地故障，测量不同接地过渡电阻阻值情况下机端故障超前相电压幅值，当幅值最大时，对应值为发电机定子接地故障时可能产生的最大系统过电压。

S2.建立发电机定子接地故障程度诊断函数；

具体地，发电机定子接地故障程度诊断应该包含接地故障电流和系统过电压。基于模糊理论，由于接地故障电流和系统过电压属于不同量纲，应利用梯形隶属度函数统一量纲，选取梯形隶属度函数形式建立发电机定子接地故障程度诊断函数。

具体过程如下：

S2.1基于梯形模糊隶属度函数，建立发电机接地故障电流隶属度函数为：

其中，I_f1为S1.1中确定的最大接地故障电流；I_f2为最小接地故障电流，通过发电机中性点接地过渡电阻为∞时的单相接地故障获得，其值为0；I_f为实际计算的发电机定子接地故障电流。

S2.2基于梯形模糊隶属度函数，建立系统过电压隶属度函数为：

其中，U_m1为S1.2中确定的最大系统过电压；U_m2为系统最小过电压，通过发电机中性点接地过渡电阻为∞时单相接地故障获得，其值为系统额定相电压幅值；U_m为实际计算的系统过电压。

S2.3建立发电机定子接地故障程度诊断函数为：

其中，

为发电机接地故障电流隶属度函数；

为系统过电压隶属度函数；c₁、c₂为权值系数，由于隶属度函数量纲一致，取值均为0.5。

S3.发电机正常运行时，测量机端和中性点三次谐波电压，实时计算直连线路对地电容；并判断发电机是否发生定子接地故障，若是，执行S4；若否，继续执行S3；

具体地，海洋核动力平台网源直连系统中发电机采用不接地方式，其正常运行状态下的三次谐波等值电路如附图2所示。对附图2中的等电位点进行合并，得到简化的发电机三次谐波等值电路如附图3所示。根据附图3，利用基尔霍夫定律可以得到：

其中，C_f为发电机对地电容参数，为发电机固有参数；C_ω为直连线路对地电容参数；

为中性点三次谐波电压；

为机端三次谐波电压。利用上式可推导出直连线路对地电容计算公式为：

直连线路对地电容参数实时计算的具体过程如下：

S3.1海洋核动力平台网源直连系统正常运行状态下，利用发电机机端和中性点的电压互感器测量机端和中性点的电压，通过傅里叶变换提取三次谐波电压分量；

S3.2利用直连线路对地电容计算公式计算当前运行状态下，与发电机直连线路的每相对地电容参数；

S3.3当发电机定子接地保护动作，判断发生定子接地故障时，执行S4；若否，继续执行S3。

S4.发电机定子接地故障后，测量机端、中性点电压，计算接地故障电流基波及三次谐波分量，求解故障全电流；

具体地，系统监测到发电机定子接地故障后，应当测量机端三相电压和中性点对地电压。利用机端三相电压计算零序电压，对中性点电压进行傅里叶变换，提取三次谐波电压分量，并与故障前中性点电压三次谐波分量相减，得到中性点三次谐波电压故障分量。基于故障分量法，结合步骤S3中提供的直连线路实时对地电容参数，可计算接地故障基波电流和三次谐波电流，进而求解故障全电流。

基于上述分析，对于中性点不接地的海洋核动力平台发电机，接地故障电流的求解方法具体如下：

S4.1基于测量得到的机端、中性点电压，计算零序电压

中性点三次谐波电压变化量

S4.2计算接地故障电流基波分量，计算方法为：

其中，ω为系统角频率，C_ω为步骤S3中提供的直连线路对地电容参数。

S4.3计算接地故障电流三次谐波分量，计算方法为：

S4.4计算接地故障电流，计算方法为：

S5.测量相位超前于接地故障相的机端对地电压得到系统过电压；

具体地，规定系统为A相超前B相，B相超前C相，C相超前A相的标准运行方式。若接地故障相为A相，则测量相位超前相C相的机端对地电压，其幅值即为系统过电压。

S6.将故障电流和系统过电压代入故障诊断函数中，计算接地故障程度，完成诊断过程。

具体地，将步骤S4中的接地故障电流计算结果和步骤S5中系统过电压计算结果代入步骤2中的发电机定子接地故障诊断函数中，计算接地故障程度，完成诊断过程。依据发电机定子接地故障程度，定子接地保护可自适应决定发电机的切机控制方式。

本发明实施例在PSCAD/EMTDC软件平台中搭建图4所示的海洋核动力平台网源直连系统仿真模型。其中海洋核动力平台发电机采用2分支绕组结构，额定电压为400V，定子绕组电阻/相：1.528mΩ，定子绕组电感/相：2.84mH，定子绕组电容/相：0.397uF。该发电机极对数为1，总槽数为48，对应的槽距电角度为7.5°。配电网共包含4条线路，每条线路参数一致，4条线路对地电容之和/相：0.405uF。

基于PSCAD/EMTDC软件，建立发电机准分布参数模型进行仿真验证。在系统正常运行状态下，测量机端和中性点三次谐波电压，基于对地电容实时求解方法，计算得到配网侧每相对地电容之和为0.4049uF，计算误差仅为0.0247％，可见该方法具有较高的计算精度。

为建立反映故障程度的模糊隶属度函数，在机端设置金属性接地故障，得到最大接地故障电流I_f1为0.17A。改变接地过渡电阻Rg阻值，得到U_m1为574.17V，对应接地过渡电阻为500Ω。则建立的发电机接地故障电流隶属度函数为：

建立的系统过电压隶属度函数为：

则建立发电机定子接地故障程度诊断函数为：

考虑A相1分支发生接地故障，仿真分析以下故障情况：故障线圈位置分别为12.5％(1/8)、25％(2/8)、37.5％(3/8)、50％(4/8)、62.5％(5/8)、75％(6/8)、87.5％(7/8)，该百分比表示故障点到中性点部分绕组匝数占完整分支匝数的百分比，数值越小，表示故障点越靠近发电机中性点；数值越大，表示故障点越靠近发电机机端。接地故障过渡电阻Rg电阻值分别选取10Ω、100Ω、800Ω。

在不同的发电机定子接地故障条件下，测量机端三相电压和中性点对地电压，得到零序电压

和中性点三次谐波电压变化量

计算得到此时的接地故障电流和系统过电压，利用发电机定子接地故障程度诊断函数计算接地故障程度。

仿真结果如表1所示。

表1发电机定子绕组接地故障程度诊断仿真结果

表1仿真结果表明，本发明提出的接地故障电流计算方法误差在0.5％以内，具有较高的计算精度。分析仿真结果可知，对于相同接地过渡电阻情况，当故障点靠近机端时，接地电流和系统过电压均升高，接地故障程度加深。在发电机定子绕组同一位置发生接地故障时，接地过渡电阻阻值越大，接地故障电流越小，系统过电压水平随接地过渡电阻增大先升高后降低，故障程度先升高后降低，仿真结果与理论分析结论一致。

通过分析发电机定子接地故障程度诊断函数计算值，能够有效判断发电机定子绕组接地故障对网源直连系统中发电机运行安全和配电网绝缘安全的破坏程度，可为发电机定子接地保护实现依据接地故障程度的自适应切机控制方式提供参考。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法，其特征在于，包括：

S1.确定发电机定子接地故障时的最大接地故障电流和系统最大过电压；

S2.利用最大接地故障电流和系统最大过电压分别对接地故障电流和系统过电压统一量纲，并建立发电机定子接地故障程度诊断函数；所述发电机定子接地故障程度诊断函数用于通过发电机接地故障电流大小和系统过电压大小反映定子接地故障严重程度；

S3.测量机端和中性点三次谐波电压，实时计算发电机正常运行时的直连线路对地电容；

S4.发生接地故障后，利用故障后的零序电压、故障后与故障前中性点电压三次谐波分量的变化量，以及故障前实时计算得到的直连线路对地电容，计算发电机定子接地故障后的接地故障电流；

S5.测量相位超前于接地故障相的机端对地电压，得到故障后的系统过电压；

S6.将接地故障电流和系统过电压代入所述故障程度诊断函数中，计算接地故障程度，完成诊断过程。

2.根据权利要求1所述的一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法，其特征在于，步骤S1具体为，

设置发电机机端单相金属性接地故障，测量此时的接地故障电流为发电机定子接地故障时可能产生的最大接地故障电流；

设置机端单相接地故障，测量不同接地过渡电阻阻值情况下机端故障超前相电压幅值，当幅值最大时，对应值为发电机定子接地故障时可能产生的最大系统过电压。

3.根据权利要求1所述的一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法，其特征在于，采用梯形模糊隶属度函数对接地故障电流和系统过电压统一量纲。

4.根据权利要求3所述的一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法，其特征在于，发电机定子接地故障程度诊断函数为：

其中，

为发电机接地故障电流隶属度函数；

为系统过电压隶属度函数；c₁、c₂为权值系数；

I_f1为最大接地故障电流；I_f2为最小接地故障电流，通过发电机中性点接地过渡电阻为∞时的单相接地故障获得，其值为0；I_f为实际计算的发电机定子接地故障电流；U_m1为系统最大过电压；U_m2为系统最小过电压，通过发电机中性点接地过渡电阻为∞时单相接地故障获得，其值为系统额定相电压幅值；U_m为实际测量的系统过电压。

5.根据权利要求3所述的一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法，其特征在于，发电机正常运行时的直连线路对地电容计算过程具体为，

海洋核动力平台网源直连系统正常运行状态下，测量发电机机端和中性点电压，分别通过傅里叶变换提取三次谐波电压分量；

利用直连线路对地电容计算公式

计算当前运行状态下，与发电机直连线路的每相对地电容参数；C_f为发电机定子绕组对地电容参数，

为中性点三次谐波电压；

为机端三次谐波电压。

6.根据权利要求5所述的一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法，其特征在于，发电机定子接地故障后的接地故障电流计算过程具体为，

计算接地故障电流基波分量：

ω为系统角频率，C_ω为步骤S3中提供的直连线路对地电容参数，

为故障后零序电压；

计算接地故障电流三次谐波分量：

为故障后中性点电压三次谐波分量与故障前中性点电压三次谐波分量相减得到的三次谐波分量的变化量；

计算接地故障电流：

7.一种海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断系统，其特征在于，包括：计算机可读存储介质和处理器；

所述计算机可读存储介质用于存储可执行指令；

所述处理器用于读取所述计算机可读存储介质中存储的可执行指令，执行权利要求1至6任一项所述的海洋核动力平台发电机定子接地故障程度诊断方法。

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