CN113296023B - 隐极发电机定子单相接地故障定位方法和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种隐极发电机定子单相接地故障定位方法和设备，属于电气工程领域，用于提高故障定位精度，该方法包括：在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值；基于对地电容和过渡电阻的参数值，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；获取隐极发电机零序电压的实部与虚部，并根据隐极发电机零序电压的实部与虚部绘制零序电压轨迹圆，判断零序电压轨迹圆与各个故障轨迹圆的距离，其中距离最小值所对应的故障轨迹圆所代表的匝数即为故障匝数。

Description

隐极发电机定子单相接地故障定位方法和电子设备
技术领域
本申请涉及电气工程技术领域，更具体地说，特别涉及一种隐极发电机定子单相接地故障定位方法和电子设备。
背景技术
目前，600MW级汽轮发电机组是世界多数国家火力发电的主力机组。由于大型汽轮发电机转速较高，且多为三相隐极式同步发电机，因此，在发电机发生单相接地故障后，为便于快速维修，就需要进行故障定位。
在现存的故障定位方法中，多利用接地故障位置α与发电机零序电压
Figure GDA0003526595220000011
故障点对中性点电势
Figure GDA0003526595220000012
及故障相接地过渡电阻Rf(后文简称为过渡电阻)之间的关系来实现故障定位。在定位过程中，故障点对中性点电势
Figure GDA0003526595220000013
的表达式至关重要,现存故障点对中性点电势
Figure GDA0003526595220000014
的表达式分为两类：第一类未计及绕组电势的相位特征，将其简单表示为：
Figure GDA0003526595220000015
(
Figure GDA0003526595220000016
为A,B,C)，其中，α为短路点到中性点的绕组匝数占总匝数的百分比；第二类计及了绕组电势的相位特征，将其表示为：
Figure GDA0003526595220000017
(
Figure GDA0003526595220000018
为A,B,C)，其中，θ为绕组电势与相电势间的相位角。
对于第一类表达式而言，就大型隐极发电机来说，绕组电势的相位与故障位置有关，如果忽略其与相电势间的相位角，将会大大增加定位误差。对于第二类表达式而言，各匝(第一匝除外)定位的精确度均有所提高，但在第一匝发生故障时，该方法定位的误差大于5％，不能满足工程实际需求。
发明内容
综上所述，如何提供一种新的大型隐极发电机故障定位方法，用于提高故障定位准确度，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。
为了实现上述目的，本申请提供如下技术方案：
第一方面，本申请实施例提供一种隐极发电机定子单相接地故障定位方法和电子设备，包括：在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值；基于所述对地电容和过渡电阻的参数值，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；获取隐极发电机零序电压的实部与虚部，并根据所述隐极发电机零序电压的实部与虚部绘制零序电压轨迹圆；判断所述零序电压轨迹圆与各个所述故障轨迹圆的距离，其中距离最小值所对应的故障轨迹圆所代表的匝数即为故障匝数。
在一个实施例中，在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值之前，还包括有预判步骤：增设三次谐波电压保护，若保护动作，则判断故障匝数为第一匝；若三次谐波电压保护没有动作，则执行获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值的步骤。
在一个实施例中，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆，包括：当采用中性点经高阻接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；或者，当采用中性点经消弧线圈接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆。
在一个实施例中，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值，包括：采用注入信号法获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值。
在一个实施例中，获取隐极发电机零序电压的实部与虚部，包括：通过电压互感器直接测得隐极发电机的零序电压，并取所述零序电压的实部与虚部。
第二方面，本申请实施例还提供一种电子设备，用于隐极发电机定子单相接地故障定位，包括：
获取单元，用于在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值；
第一计算单元，用于至少基于所述对地电容和过渡电阻的参数值，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；
第二计算单元，用于获取隐极发电机零序电压的实部与虚部，并根据所述隐极发电机零序电压的实部与虚部绘制零序电压轨迹圆；
判断单元，用于判断所述零序电压轨迹圆与各个所述故障轨迹圆的距离，其中距离最小值所对应的故障轨迹圆所代表的匝数即为故障匝数。
在一个实施例中，还包括预判单元，用于在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值之前，执行以下步骤：增设三次谐波电压保护，若保护动作，则判断故障匝数为第一匝；若三次谐波电压保护没有动作，则执行获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值的步骤。
在一个实施例中，所述第一计算单元，用于：当采用中性点经高阻接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；或者，当采用中性点经消弧线圈接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆。
在一个实施例中，所述获取单元，用于：采用注入信号法获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值。
在一个实施例中，所述第二计算单元，用于：通过电压互感器直接测得隐极发电机的零序电压，并取所述零序电压的实部与虚部。
与现有技术相比，本申请具有如下有益效果：
通过上述方法设计，本申请所提供的隐极发电机定子单相接地故障定位方法和电子设备在投入实际生产中，通过对发电机发生定子单相接地故障后的电气量进行数学分析，证明了发电机的零序电压的实部与虚部构成的轨迹为一个圆，且该轨迹方程由故障位置和过渡电阻唯一决定，因此在发电机故障发生后，可根据轨迹方程快速定位得到故障匝数，相比于第一类表达式对应的定位方法，能够提升各个匝数的故障定位精度。另外，本申请引入三次谐波电压保护方案，与本申请相配合，解决了现有的故障定位方法在第一匝处定位误差大的问题。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。其中：
图1为本申请中发电机定子单相接地故障的原理图；
图2为本申请运用注入信号法求得过渡电阻值的图示；
图3为本申请一具体实施方式中零序电压轨迹圆与故障轨迹圆的比对图。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。各个示例通过本申请的解释的方式提供而非限制本申请。实际上，本领域的技术人员将清楚，在不脱离本申请的范围或精神的情况下，可在本申请中进行修改和变型。例如，示为或描述为一个实施例的一部分的特征可用于另一个实施例，以产生又一个实施例。因此，所期望的是，本申请包含归入所附权利要求及其等同物的范围内的此类修改和变型。
在本申请的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请而不是要求本申请必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。本申请中使用的术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间部件间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
请参考图1，图1为本申请中发电机定子单相接地故障的原理图。
本申请所提供的一种隐极发电机定子单相接地故障定位方法，其设计原理如下：
假设发电机(三相隐极式同步发电机)在故障发生前采用三相对称的运行方式，定子A相在α处发生接地故障。由于发电机定子绕组的漏抗比容抗小得多，因此本申请所构建的模型不计及定子绕组的电感。
在图1中各字母的物理意义如下：
Z：接地阻抗(对应中性点接地方式而取值不同)；Rf：过渡电阻；Cf：发电机定子绕组每一相的对地电容；Cω：每一相外部设备的对地电容；
Figure GDA0003526595220000041
发电机的零序电压；α：故障发生位置；
Figure GDA0003526595220000042
故障点对中性点电势；
Figure GDA0003526595220000043
分别为A、B、C相的电势；
Figure GDA0003526595220000044
故障点对地电压；
Figure GDA0003526595220000045
故障电流。
从图1中的关系可以得到：
Figure GDA0003526595220000046
故障电流
Figure GDA0003526595220000047
可表示为：
Figure GDA0003526595220000048
基于图1，对中性点进行分析可得：
Figure GDA0003526595220000051
进一步可得：
Figure GDA0003526595220000052
当发电机的三相绕组电势和对地电容参数对称时，有：
Figure GDA0003526595220000053
其中CA、CB、CC分别表示发电机A、B、C相的总对地电容(包括定子绕组分布电容和外部设备电容)；发电机三相总对地电容表示为CGΣ＝CA+CB+CC。
当发电机中性点经高阻接地时，假设接地阻抗Z为一实数，设
Figure GDA0003526595220000054
则公式(1.5)可变为：
Figure GDA0003526595220000055
对上面的公式进行一系列数学变换，可得：
Figure GDA0003526595220000056
当发电机中性点经消弧线圈接地时，接地阻抗Z＝jωLn，为一虚数，其中，Ln为发电机中性点经消弧线圈接地时，消弧线圈的电感值。
则公式(1.5)可变为：
Figure GDA0003526595220000057
同样地，对上面的公式进行一系列数学变换后，可得：
Figure GDA0003526595220000061
由此可见，不管发电机中性点经高阻接地或经消弧线圈接地，
Figure GDA0003526595220000062
的实部与虚部构成的轨迹为一个圆，且上述的轨迹方程(式1.7与式1.9)由故障位置和过渡电阻决定,因此在故障发生后，可根据轨迹方程快速定位得到故障匝数，定位过程简单明了，定位精度高效准确。
本申请用PSCAD(电磁暂态仿真软件)搭建发电机模型。在模型中，定子绕组的每相两分支，每分支绕组划分为七个单元电路(即七匝)，绕组按60°(三相共六个分支，六个分支环形等间隔分布)相带分布。当故障位置位于不同匝数时，
Figure GDA0003526595220000067
的值如表1.1所示，其中，
Figure GDA0003526595220000064
为以
Figure GDA0003526595220000068
为基准值的标幺值。
表1.1
Figure GDA0003526595220000066
本申请运用注入信号法，在故障发生后计算得到发电机对地电容和过渡电阻的参数值。
增设三次谐波电压保护，实时采集当前故障时刻中性点三次谐波电压
Figure GDA0003526595220000071
机端三次谐波电压
Figure GDA0003526595220000072
假如在距中性点α处发生一点定子绕组单相接地故障，有
Figure GDA0003526595220000073
变形可得：
Figure GDA0003526595220000074
当故障位置为第一匝线圈时，α的值为1/7，将1/7代入上式中，可得等式右边的阙值为6；因此保护判据为：
Figure GDA0003526595220000075
当
Figure GDA0003526595220000076
大于或者等于6，则保护动作，小于6，则不动作。如果
Figure GDA0003526595220000077
的值大于或等于6的话，可以判断在中性点附近发生故障，所以判断故障匝数是第一匝，如果小于6的话，则说明他不是在中性点附近发生的故障，而此种情形下用三次谐波的方法并不能判断故障位置的匝数，就要用以下方法来进行故障定位。概括来说，若保护动作，说明靠近中性点侧发生了接地故障，判断故障匝数为第一匝。若三次谐波电压保护没有动作，则执行以下步骤。
Figure GDA0003526595220000078
可由电压互感器直接测得，取
Figure GDA0003526595220000079
的实部和虚部。
当发电机中性点经高阻接地时，运用步骤1)中求得的对地电容和过渡电阻的数值，结合公式(1.7)计算出各匝故障时的轨迹圆(除开第一匝外，共有六匝，因此此处应求出六个轨迹圆)，判断故障发生后
Figure GDA00035265952200000710
的实部与虚部构成的轨迹离上述六个轨迹圆中的哪一个最为贴近，即可判断出故障匝数。
当发电机中性点经消弧线圈接地时，同以上步骤，步骤三中用到的公式换为公式(1.9)即可。
通过上述方法设计，本申请所提供的隐极发电机定子单相接地故障定位方法在投入实际生产中，通过对发电机发生定子单相接地故障后的电气量进行数学分析，证明了
Figure GDA00035265952200000711
的实部与虚部构成的轨迹为一个圆，且该轨迹方程由故障位置和过渡电阻唯一决定，因此在发电机故障发生后，可根据轨迹方程快速定位得到故障匝数。另外，本申请引入三次谐波电压保护方案，与本申请相配合，解决了现有的故障定位方法在第一匝处定位误差大的问题。
本申请的验证实例如下：
以下将以国内某大型汽轮发电机为例，说明本申请的具体实施方式。
发电机的额定功率为600MW，额定电压为20KV，中性点的接地电阻为629.32Ω，发生了一次A相经过渡电阻单相接地故障，A相共有七匝线圈，仿真设置为第三匝线圈发生故障。
运用注入信号法求得过渡电阻值如图2所示，图2为本申请运用注入信号法求得过渡电阻值的图示。
请参考图3，图3为本申请一具体实施方式中零序电压轨迹圆与故障轨迹圆的比对图。
将过渡电阻值2000Ω代入公式1.7，得出故障时的轨迹圆方程，并与其余各匝故障时的轨迹圆进行比较。
其中自外向内第二圈表示使用测量数据得出的轨迹圆，虚线表示第三匝线圈故障得出的轨迹圆，自内向外第一圈表示第二匝线圈故障得出的轨迹圆，自外向内第一圈表示第四匝线圈故障得出的轨迹圆，可以看出自外向内第二圈的轨迹圆离虚线表示的轨迹圆最为接近，即可判断第三匝线圈处发生了接地故障。仿真证明该方法可以有效判断出故障匝数。
本申请实施例还提供一种电子设备，用于隐极发电机定子单相接地故障定位，包括：
获取单元，用于在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值；
第一计算单元，用于至少基于对地电容和过渡电阻的参数值，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；其中，至少基于对地电容和过渡电阻的参数值，是指，至少根据包括对地电容和过渡电阻这两项参数在内的多项参数，来计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆，具体其他参数可见上述实施例。
第二计算单元，用于获取隐极发电机零序电压的实部与虚部，并根据隐极发电机零序电压的实部与虚部绘制零序电压轨迹圆；
判断单元，用于判断零序电压轨迹圆与各个故障轨迹圆的距离，其中距离最小值所对应的故障轨迹圆所代表的匝数即为故障匝数。
在一个实施例中，该设备还包括预判单元，用于在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值之前，执行以下步骤：增设三次谐波电压保护，若保护动作，则判断故障匝数为第一匝；若三次谐波电压保护没有动作，则执行获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值的步骤。
在一个实施例中，第一计算单元，用于：当采用中性点经高阻接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；或者，当采用中性点经消弧线圈接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆。
在一个实施例中，获取单元，用于：采用注入信号法获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值。
在一个实施例中，第二计算单元，用于：通过电压互感器直接测得隐极发电机的零序电压。
以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种隐极发电机定子单相接地故障定位方法，其特征在于，包括：
在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值；
基于所述对地电容和过渡电阻的参数值，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；
获取隐极发电机零序电压的实部与虚部，并根据所述隐极发电机零序电压的实部与虚部绘制零序电压轨迹圆；
判断所述零序电压轨迹圆与各个所述故障轨迹圆的距离，其中距离最小值所对应的故障轨迹圆所代表的匝数即为故障匝数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值之前，还包括有预判步骤：
增设三次谐波电压保护，若保护动作，则判断故障匝数为第一匝；
若三次谐波电压保护没有动作，则执行获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值的步骤。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆，包括：
当采用中性点经高阻接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；
或者，当采用中性点经消弧线圈接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值，包括：
采用注入信号法获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取隐极发电机零序电压的实部与虚部，包括：
通过电压互感器直接测得隐极发电机的零序电压，并取所述零序电压的实部与虚部。
6.一种电子设备，其特征在于，用于隐极发电机定子单相接地故障定位，包括：
获取单元，用于在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值；
第一计算单元，用于基于所述对地电容和过渡电阻的参数值，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；
第二计算单元，用于获取隐极发电机零序电压的实部与虚部，并根据所述隐极发电机零序电压的实部与虚部绘制零序电压轨迹圆；
判断单元，用于判断所述零序电压轨迹圆与各个所述故障轨迹圆的距离，其中距离最小值所对应的故障轨迹圆所代表的匝数即为故障匝数。
7.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，还包括预判单元，用于在故障发生后，获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值之前，执行以下步骤：
增设三次谐波电压保护，若保护动作，则判断故障匝数为第一匝；
若三次谐波电压保护没有动作，则执行获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值的步骤。
8.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述第一计算单元，用于：
当采用中性点经高阻接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆；
或者，当采用中性点经消弧线圈接地方式时，计算隐极发电机定子绕组中各匝故障时的故障轨迹圆。
9.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述获取单元，用于：
采用注入信号法获取隐极发电机的对地电容和过渡电阻的参数值。
10.根据权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述第二计算单元，用于：
通过电压互感器直接测得隐极发电机的零序电压，并取所述零序电压的实部与虚部。
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