CN113281648B - 一种海洋核动力平台发电机定子接地故障定位方法和系统 - 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定位方法和系统，属于发电机定子接地保护领域。方法包括：根据发电机定子绕组60°相带分布特点，建立故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式；结合主发电机和辅发电机的中性点接地方式，分别构建故障绕组电势和零序电压间的幅值相位关系式；进而得到主发电机接地故障定位解析方程组和辅发电机接地故障定位解析方程。当发生定子接地故障时，确定故障相，通过对故障定位解析方程或方程组进行数值解析计算即可定位故障点。本发明方法适用于海洋核动力平台发电机，可缩短接地故障检修排查时间，保证平台系统快速恢复正常运行。

Description

一种海洋核动力平台发电机定子接地故障定位方法和系统

技术领域

本发明属于发电机定子接地保护领域，更具体地，涉及一种海洋核动力平台发电机定子接地故障定位方法和系统。

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。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，为保证平台内淡水的可靠供应及核反应堆敏感负荷的连续供电，海洋核动力平台发电机发生定子接地故障后应快速完成检修过程，恢复系统的正常运转。

现有文献提出的发电机接地故障定位方法多由注入式定子接地保护装置拓展实现。但海洋核动力平台空间紧凑，无法安装注入式保护装置，此类方法无法应用。陈俊等作者在电力系统自动化,2013,37(04):104-107“不依赖注入式原理的定子单相接地故障定位方法”一文中根据发电机机端三相电压偏移与接地过渡电阻间的关系，提出接地过渡电阻的计算方法及故障定位方案，可用于未安装注入式保护的发电机。但该方法未考虑发电机定子绕组电势分布的相位特征，定位结果存在理论误差。黄少锋等作者在电力系统保护与控制,2017,45(09):35-40“大型汽轮发电机定子单相接地故障定位新方法”中考虑了定子绕组电势分布的相位特征，但在模型求解的过程中采用一定的几何关系近似处理，定位结果存在误差。

现有发电机的定子接地故障定位方法难以在海洋核动力平台中有效推广，且定位精度受限，难以满足应用需求。为此，需要提出一种不依赖于注入式保护装置，且能够适应不同中性点接地方式的海洋核动力平台发电机定子接地故障定位方法。

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定位方法和系统，其目的在于为海洋核动力平台发电机定子接地故障检修提供参考，缩短故障维修时间，保证核动力平台能够快速恢复正常运转。

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定位方法，包括：

S1.基于发电机定子绕组60°相带分布特点和绕组电势的分布特性，建立故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式；

S2.基于上述几何关系式和中性点接地方式，分别建立主发电机接地故障定位解析方程组、辅发电机接地故障定位解析方程；

S3.获取发电机定子接地故障时的中性点零序电压幅值

故障相电动势

以及故障相电动势与中性点零序电压间的相角差δ；

S4.当主发电机接地故障时，将步骤S3得到的变量代入主发电机接地故障定位解析方程组；当辅发电机接地故障时，将步骤S3得到的变量代入辅发电机接地故障定位解析方程；求解得到故障点与发电机中性点间包含的线圈占完整分支的匝比α，完成接地故障定位。

进一步地，故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式包括：

故障绕组电势和故障相电动势间的夹角：

θ为故障绕组电势和故障相电动势间的夹角，α为故障点与发电机中性点间包含的线圈占完整分支的匝比；

故障绕组电势和故障相电动势间满足的幅值关系：

为故障绕组的感应电动势，

为故障相电动势。

进一步地，建立主发电机接地故障定位解析方程组的过程具体包括：

建立故障绕组电势与零序电压间的相位方程：

建立故障绕组电势与零序电压间的幅值方程：

将上述方程与故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式联立，得到主发电机接地故障定位解析方程：

其中，

为中性点零序电压，R_g为接地故障过渡电阻，R_n为中性点接地电阻，ω为系统角频率，C_Σ为发电机定子绕组及发电机直连线路对地电容之和，δ为故障相电动势与中性点零序电压间的相角差。

进一步地，建立辅发电机接地故障定位解析方程的过程具体包括：

建立故障绕组电势与零序电压间的相位方程：

tan(δ-θ)＝ωC_ΣR_g

建立故障绕组电势与零序电压间的幅值方程为：

将上述方程与故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式联立，得到辅发电机接地故障定位解析方程为：

其中，δ为故障相电动势与中性点零序电压间的相角差，ω为系统角频率，C_Σ为发电机定子绕组及发电机直连线路对地电容之和，R_g为接地故障过渡电阻，

为中性点零序电压。

进一步地，步骤S3中故障相电动势

故障相电动势与中性点零序电压间的相角差δ的获取过程具体包括，

01.发生发电机定子接地故障时，测量机端三相电压；

02.根据机端三相电压确定接地故障相：

对于主发电机，将机端三相电压幅值最小的一相确定为接地故障相；对于辅发电机，将机端三相电压幅值最大一相的相位滞后相确定为接地故障相；

03.测量故障相电动势

以及故障相电动势与中性点零序电压间的相角差δ。

进一步地，中性点零序电压幅值直接测量得到或基于机端三相电压计算得到。

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。

本发明从海洋核动力平台系统的拓扑结构限制及供电安全性需求出发，适应于海洋核动力平台空间紧凑、未安装注入式保护装置的特点，无需依赖于注入式保护装置；针对平台内的主发电机和辅发电机，在考虑其中性点接地方式的差异以及绕组电势的分布特性的基础上，基于发电机定子绕组60°相带分布特点，分别构建相应的接地故障定位解析方程，能够准确描述相关变量之间的几何关系，通过数值计算即可定位故障点与发电机中性点间包含的线圈占完整分支的匝比，相比现有模型求解过程中采用一定的几何关系近似处理的手段，本发明具有更高的计算精度，能够为快速完成发电机接地故障检修过程提供技术支撑。

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定位方法的流程图；

图2是本发明提供的海洋核动力平台发电机定子接地故障时的绕组电势分布示意图；

图3是本发明提供的海洋核动力平台主发电机单相定子接地故障情况下的电压相量示意图。

图4是本发明提供的海洋核动力平台辅发电机单相定子接地故障情况下的电压相量示意图。

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。

本发明实施例提供的一种海洋核动力平台发电机定子接地故障定位方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

S1.建立发电机故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式；

具体地，海洋核动力平台发电机采用汽轮发电机，定子绕组满足60°相带分布特点。鉴于绕组中各线圈连接点均位于60°相带区间对应的圆弧上，做出附图2所示的海洋核动力平台发电机定子接地故障时的绕组电势分布图。现有发电机定子接地故障定位方法在分析定子绕组电势分布时，仅针对图中所包含的电气量进行几何关系分析，部分文献直接假定各线圈电势相位相同，但这与实际情况不符。部分文献在考虑各线圈电势相位分布时，认为故障绕组电势

在故障相电动势

上的投影等于

但实际上由于各线圈电势幅值相等，但相位不等，这种假设显然并不成立。为提高定位精度，本发明利用附图2中包含的三角函数几何关系，在不进行几何关系近似的条件下，建立发电机故障绕组电势和故障相电动势间满足的几何关系式。

具体过程如下：

S1.1定子绕组单相接地故障时，由于故障绕组电势两端均位于绕组60°相带圆上，因此故障绕组电势与相带圆上对应的两半径构成等腰三角形。根据三角形角度关系可得：

通过上式可得故障绕组电势和故障相电动势间的夹角为：

其中，θ为故障绕组电势和故障相电动势间的夹角，故障绕组电势指的是故障点到中性点的电势，α为故障点与发电机中性点间包含的线圈占完整分支的匝比，也表示故障部分绕组对应相带角度占完整60°相带角度的百分比。

S1.2对于故障绕组电势与相带圆上两半径构成的等腰三角形，根据三角函数定理，可得故障绕组电势和故障相电动势间满足的幅值关系为：

其中，

为故障绕组电势，

为故障相电动势。

S2.分别构建主发电机接地故障定位解析方程组和辅发电机接地故障定位解析方程；

S2.1对于主发电机，建立接地故障定位解析方程组；

具体地，海洋核动力平台主发电机采用中性点经高阻接地方式。以某一相发生单相定子接地故障为例，在考虑绕组电势分布情况下，可作出如附图3所示的单相定子接地故障情况下的主发电机电压相量图。现有文献在进行了几何关系简化后，可得到较为简单的故障绕组电势表达式，因此直接利用附图3中故障绕组电势

故障点对地电压

零序电压

的相量关系列写基尔霍夫电压方程，进而求解故障点位置。本发明未进行几何关系简化，考虑到接地故障电流由流过发电机中性点的阻性电流和流过对地电容的容性电流构成，因此将故障点对地电压

通过相量分解得到附图3中的相量

和相量

前者与零序电压相量方向相同，后者超前零序电压相量90°。由此在相量图中构建关于

和

的直角三角形，基于该直角三角形满足的几何关系可得到故障绕组电势与零序电压间的幅值相位方程，再结合步骤S1中给出的发电机故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式，建立主发电机定子接地故障定位解析方程组。

具体过程如下：

对于海洋核动力平台主发电机，根据附图3所示发电机定子绕组单相接地故障时，故障绕组电势与零序电压间的电压相量关系，基于由

和

形成的直角三角形，得到故障绕组电势与零序电压间的相位方程为：

其中，δ为故障相电动势与中性点零序电压间的相角差，R_g为接地故障过渡电阻，R_n为中性点接地电阻，ω为系统角频率，C_Σ为发电机定子绕组及发电机直连线路对地电容之和。

基于附图3中由

和

形成的直角三角形，得到故障绕组电势与零序电压间的幅值方程为：

结合步骤S1中给出的发电机故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式，建立主发电机接地故障定位解析方程组为：

S2.2.对于辅发电机，建立接地故障定位解析方程；

具体地，海洋核动力平台辅发电机采用中性点不接地方式。以某一相发生单相定子接地故障为例，在考虑绕组电势分布情况下，可作出如附图4所示的单相定子接地故障情况下的辅发电机电压相量图。利用该电压相量图可得到故障绕组电势与零序电压间的幅值相位方程，结合步骤S1中的发电机故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式，可建立辅发电机接地故障定位解析方程。

具体过程如下：

对于海洋核动力平台辅发电机，其中性点采用不接地方式。根据发电机定子绕组单相接地故障时故障绕组电势与零序电压间的电压相量关系，得到故障绕组电势与零序电压间的相位方程为：

tan(δ-θ)＝ωC_ΣR_g

根据辅发电机定子绕组单相接地故障时故障绕组电势与零序电压间的电压相量关系，得到故障绕组电势与零序电压间的幅值方程为：

结合步骤S1中给出的发电机故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式，建立辅发电机接地故障定位解析方程为：

S3.发生发电机定子接地故障时，测量机端三相电压和中性点电压，并确定故障相；

具体地，根据发电机定子接地保护是否动作判断是否发生定子接地故障。发生接地故障后，测量机端三相电压和中性点电压，通过比较三相电压幅值大小关系确定接地故障相。

具体过程如下：

S3.1利用发电机定子接地保护动作情况判别是否发生定子接地故障。发生发电机定子接地故障时，利用机端和中性点的电压互感器测量机端三相电压和中性点零序电压。

S3.2对于主发电机，由于其中性点采用经高阻接地方式，发生单相接地故障时故障相电压幅值最低，因此比较机端三相电压幅值，判别幅值最小的一相为接地故障相；

S3.3对于辅发电机，由于其中性点采用不接地方式，当接地过渡电阻较小时，故障相电压幅值最低；当接地过渡电阻较大时，故障相的相位滞后相电压幅值最低，因此不能采用幅值最小的一相判别接地故障相。但无论接地过渡电阻大小，故障相的相位超前相始终电压幅值最大，因此比较机端三相电压幅值，幅值最大一相的相位滞后相判别为接地故障相。在此认为系统三相对称，且A相超前B相120°，B相超前C相120°。

S4.对故障定位解析方程或方程组进行数值解析计算，确定故障点与中性点间所含线圈匝数占完整分支匝数比，完成故障定位。

具体地，利用步骤S3中测量的电压量计算中性点零序电压幅值

故障相电动势

故障相电动势与中性点零序电压间的相角差δ。当主发电机接地故障时，将上述量代入主发电机接地故障定位解析方程组；当辅发电机接地故障时，将上述量代入辅发电机接地故障定位解析方程。通过对上述解析方程组或解析方程进行数值求解即可计算故障点与发电机中性点间包含的线圈占完整分支的匝比α，完成接地故障定位。

本发明实施例在PSCAD/EMTDC软件平台中搭建海洋核动力平台发电机准分布参数仿真模型。其中海洋核动力平台主发电机采用2分支绕组结构，额定电压为10.5kV，定子绕组电阻/相：3.228mΩ，定子绕组电感/相：4.62mH，定子绕组电容/相：0.512uF。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°，直连线路对地电容之和/相：0.2uF。海洋核动力平台辅发电机采用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°，直连线路对地电容之和/相：0.4uF。

对于主发电机和辅发电机，均考虑某相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、200Ω、500Ω。

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，利用主发电机接地故障定位解析方程组和辅发电机接地故障定位解析方程计算故障定位结果。

仿真结果如表1所示：

表1发电机定子绕组接地故障定位仿真结果

表1仿真结果表明，本发明提出的接地故障定位计算方法误差在1％以内，具有较高的计算精度，能够满足工程要求。根据定位结果可准确判断发生接地故障的绕组位置，减少故障线圈排查时间，有效提高检修效率，为海洋核动力平台快速恢复正常运转提供可靠的技术支撑。

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 (4)

1.一种海洋核动力平台发电机定子接地故障定位方法，其特征在于，包括：

S1.基于发电机定子绕组60°相带分布特点和绕组电势的分布特性，建立故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式；

所述几何关系式包括，故障绕组电势和故障相电动势间的幅值关系以及夹角关系；其中，故障绕组电势和故障相电动势间的幅值关系为：

故障绕组电势和故障相电动势间的夹角关系为：

为故障绕组电势，

为故障相电动势，α为故障点与发电机中性点间包含的线圈占完整分支的匝比，θ为故障绕组电势和故障相电动势间的夹角；

S2.基于上述几何关系式和中性点接地方式，分别建立主发电机接地故障定位解析方程组、辅发电机接地故障定位解析方程；

建立主发电机接地故障定位解析方程组的过程具体包括：

建立故障绕组电势与零序电压间的相位方程：

建立故障绕组电势与零序电压间的幅值方程：

将上述方程与故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式联立，得到主发电机接地故障定位解析方程组：

其中，

为中性点零序电压，R_g为接地故障过渡电阻，R_n为中性点接地电阻，ω为系统角频率，C_Σ为发电机定子绕组及发电机直连线路对地电容之和，δ为故障相电动势与中性点零序电压间的相角差；

建立辅发电机接地故障定位解析方程的过程具体包括：

建立故障绕组电势与零序电压间的相位方程：

tan(δ-θ)＝ωC_ΣR_g

建立故障绕组电势与零序电压间的幅值方程为：

将上述方程与故障绕组电势和故障相电动势间的几何关系式联立，得到辅发电机接地故障定位解析方程为：

其中，R_g为接地故障过渡电阻，

为中性点零序电压；

S3.获取发电机定子接地故障时的中性点零序电压幅值

故障相电动势

以及故障相电动势与中性点零序电压间的相角差δ；

S4.当主发电机接地故障时，将步骤S3得到的变量代入主发电机接地故障定位解析方程组；当辅发电机接地故障时，将步骤S3得到的变量代入辅发电机接地故障定位解析方程；求解得到故障点与发电机中性点间包含的线圈占完整分支的匝比α，完成接地故障定位。

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定位方法，其特征在于，步骤S3中故障相电动势

故障相电动势与中性点零序电压间的相角差δ的获取过程具体包括，

01.发生发电机定子接地故障时，测量机端三相电压；

02.根据机端三相电压确定接地故障相：

对于主发电机，将机端三相电压幅值最小的一相确定为接地故障相；对于辅发电机，将机端三相电压幅值最大一相的相位滞后相确定为接地故障相；

03.测量故障相电动势

以及故障相电动势与中性点零序电压间的相角差δ。

3.根据权利要求2所述的一种海洋核动力平台发电机定子接地故障定位方法，其特征在于，中性点零序电压幅值直接测量得到或基于机端三相电压计算得到。

4.一种海洋核动力平台发电机定子接地故障定位系统，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3任一项所述的海洋核动力平台发电机定子接地故障定位方法。

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