CN113777526A - 基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位方法及系统,属于发电机继电保护领域。本发明以三次谐波槽电势为单元分析绕组的三次谐波电势分布特征,基于三次谐波等值电路构造了一种故障评价指标计算方法。在故障相预设多个参考点,结合三次谐波电势分布计算各参考点的故障评价指标,将计算值最小的参考点视为故障位置,进而确定故障所在槽号。该方法可以将定位结果精确至槽号,能够有效提高故障检修效率,且对过渡电阻的测量误差具有强鲁棒性。
Description
技术领域
本发明属于发电机继电保护领域,更具体地,涉及基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位方法。
背景技术
发电机定子绕组单相接地故障是发电机最常见的一种故障,多是由定子绕组与铁芯之间的绝缘破坏导致,故障位置常发生在定子铁芯槽内。如不加以保护,易演变为匝间短路或者相间短路,从而烧毁定子绕组和铁芯,造成巨大的经济损失。目前大型发电机通常配置双频式100%定子接地保护(基波零序电压+3次谐波电压保护)和注入式定子接地保护。接地故障发生后,可以利用保护装置的录波数据实现绕组接地故障定位,以减少故障排除工作量和停机检修时间。
目前,定子接地故障定位方法的研究主要集中在稳态分析法。现有的方法多以单匝线圈电势为单位分析基波零序电压或三次谐波电压的分布特征。对于短距绕组形式的机组,其各线圈的上下层边的槽电势相位并非相差180°。因此,以线圈电势进行分析存在理论误差,应该以槽电势为单元进行分析。此外,以槽电势为单元进行分析可将故障位置精确至槽号,对于故障检修更有意义。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷,本发明提供了一种基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位方法及系统,其目的在于更精确的实现发电机的定子接地故障定位。
为实现上述目的,本发明一方面提供了一种基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位方法,包括:
S1.以三次谐波槽电势为单元计算故障部分绕组的三次谐波电势;
S2.基于三次谐波等值电路构造故障评价指标;
S3.在故障相预设多个参考点,结合三次谐波电势分布计算各参考点的故障评价指标值,将计算值最小的参考点视为故障位置,进而确定故障所在槽号。
进一步地,步骤S1具体包括:
S11.将已知的绕组连接顺序表示为(x1U,x2L),(x3U,x4L),…,(x2i-1U,x2iL)。其中x1~x2i表示槽号,U代表槽内上层边导体,L代表槽内下层边导体,(x2i-1U,x2iL)组成一匝线圈,i为线圈匝数。
S12.根据中性点处和机端处测量的三次谐波电势计算三次谐波槽电势:
S13.根据绕组连接顺序和三次谐波槽电势计算故障部分绕组的三次谐波电势:
进一步地,步骤S2中的故障评价指标为:
其中,abs[]表示取绝对值,Cg表示定子绕组的每相对地电容;Cz表示机端外部等效的每相对地电容;RN表示机组的中性点接地电阻,Rf表示接地故障的过渡电阻,ω为角频率,优选为100πrad/s。
进一步地,参考点的布置原则为:每根槽导体上设置3个参考点,相邻参考点相差1/3个槽导体长度。
按照本发明的另一方面,提供了一种基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位系统,将已知的绕组连接顺序表示为(x1U,x2L),(x3U,x4L),…,(x2i-1U,x2iL);其中x1~x2i表示槽号,U代表槽内上层边导体,L代表槽内下层边导体,(x2i-1U,x2iL)组成一匝线圈,i为线圈匝数;所述三次谐波电势为:
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:
本发明以三次谐波槽电势为单元分析绕组的三次谐波电势分布特征,分析单元较现有方法更精细,对短距绕组的大型发电机不存在理论误差。此外,定位结果可精确至故障所在槽号,能够有效减少故障排除工作量和停机检修时间。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于三次谐波电势分布的大型发电机定子接地故障定位方法的实现流程图;
图2为本发明的绕组连接形式示例;
图3为本发明的绕组三次谐波电势分布图;
图4为本发明的A相一分支经过渡电阻Rf发生单相接地故障时三次谐波等效电路;
图5为本发明的参考点的布置示意图;
图6在PSCAD/EMTDC软件平台中搭建的发电机准分布参数模型;
图7为本发明实例中不同故障位置下的定位结果,(a)为Case1故障位置下的定位结果,(b)为Case2故障位置下的定位结果,(c)为Case3故障位置下的定位结果,(d)为Case4故障位置下的定位结果,(e)为Case5故障位置下的定位结果;
图8为本发明实例中不同过渡电阻下的定位结果,(a)为过渡电阻Rf=10Ω的定位结果,(b)为过渡电阻Rf=100Ω的定位结果,(c)为过渡电阻Rf=500Ω的定位结果,(d)为过渡电阻Rf=1000Ω的定位结果;
图9为本发明实例中过渡电阻存在测量误差时的定位结果,(a)为过渡电阻存在+10%的测量误差时的定位结果,(b)为过渡电阻存在-10%的测量误差时的定位结果。
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。
本发明提供一种基于三次谐波电势分布的大型发电机定子接地故障定位方法,如图1所示,基于三次谐波电势分布的大型发电机定子接地故障定位方法包括:
S1.以三次谐波槽电势为单元计算故障部分绕组的三次谐波电势;
本发明对发电机绕组连接方式不作限制。具体地,步骤S1具体包括:
S11.将已知的绕组连接顺序表示为(x1U,x2L),(x3U,x4L),…,(x2i-1U,x2iL)。其中x1~x2i表示槽号,U代表槽内上层边导体,L代表槽内下层边导体,(x2i-1U,x2iL)组成一匝线圈,i为线圈匝数。
S12.根据中性点处和机端处测量的三次谐波电压计算三次谐波槽电势:
S13.根据绕组连接顺序和三次谐波槽电势计算故障部分绕组的三次谐波电势:
以图2所示的绕组连接形式为例,其三次谐波电势分布如图3所示。应当理解,本发明的故障定位方法可适用于任何绕组连接形式的发电机,并不仅限于图2所示的绕组连接形式。
则三次谐波槽电势为:
故障部分绕组的三次谐波电势:
S2.基于三次谐波等值电路构造故障评价指标;
具体地,故障评价指标为:
其中,abs[]表示取绝对值,Cg表示定子绕组的每相对地电容;Cz表示机端外部等效的每相对地电容;RN表示机组的中性点接地电阻,Rf表示接地故障的过渡电阻。ω为角频率,等于100πrad/s。
以图4所示的A相一分支经过渡电阻Rf发生单相接地故障时三次谐波等效电路为例。根据KCL方程可得到:
S3.在故障相人为设置多个参考点,结合三次谐波电势分布计算各参考点的故障评价指标,将计算值最小的参考点视为故障位置,进而确定故障所在槽号。
具体地,参考点的布置原则为:每根槽导体上设置3个参考点,分别位于槽导体的1/6处、1/2处和5/6处,相邻参考点相差1/3个槽导体长度,如图5所示。
与传统的发电机定子接地故障定位方法相比,本发明以三次谐波槽电势为单元分析绕组的三次谐波电势分布特征,分析单元较现有方法更精细,能够得到准确的三次谐波电势分布特征。此外,定位结果可精确至故障所在槽号,能够有效减少故障排除工作量和停机检修时间。仿真验证了本发明方法的可行性。
图6为本发明在PSCAD/EMTDC软件平台中搭建的发电机准分布参数模型。该机组的额定电压为15.75kV,定子绕组电阻/相:0.98mΩ,定子绕组漏电感/相:34.194mH,定子绕组电容/相:1.418μF。该发电机极对数为7,总槽数为252,节距为15,短距系数为0.966。各分支均由21匝线圈组成,即一个分支上有126个定位参考点。槽导体长度为3.3m,即相邻参考点间隔1.1m。
在本发明实例中,对以下五种故障情况分别进行仿真验证:Case1:线圈1下层边且距末端0.55m,即故障位置为参考点r6;Case2:线圈5上层边且距首端1.1m,即故障位置为参考点r25和r26的中点;Case3:线圈10上层边且距末端1.5m,即故障位置介于参考点r56和r57之间且更靠近参考点r56;Case4:线圈16下层边且距首端0.55m,即故障位置为参考点r94;Case5:线圈20上层边且距首端0.55m,即故障位置为参考点r114。过渡电阻为50Ω,所有参考点的计算结果如图7中的(a)-(e)所示。可以发现,在不同故障位置下均具有较高的定位精度,定位结果误差不超过1.1m,能够准确识别出故障槽号。
为了验证本发明所提方法在不同过渡电阻下的性能,以Case3的故障位置为例,分别对过渡电阻为10Ω、100Ω、500Ω和1000Ω四种情况进行仿真验证,所有参考点的计算结果如图8中的(a)-(d)所示。可以发现,所提方法在不同过渡电阻下均能准确定位出故障位置,能够准确识别出故障槽号。
考虑到实际工程中,基于注入式设备的过渡电阻测量存在一定的误差,该误差一般不超过5%。以Case3的故障位置和实际过渡电阻为100Ω为例,分别对过渡电阻施加±10%的测量误差,所有参考点的计算结果如图9中的(a)和(b)所示。可以发现,当过渡电阻存在少量测量误差时,所提方法仍可准确识别出故障槽号,能够满足实际工程应用的要求。
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 (8)
1.基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1.以三次谐波槽电势为单元计算故障部分绕组的三次谐波电势;
S2.基于发电机的三次谐波等值电路,结合所述三次谐波电势构造故障评价指标;
S3.在故障相预设多个参考点,计算各参考点的故障评价指标值,将计算值最小的参考点视为故障位置,确定故障所在槽号。
2.根据权利要求1所述的基于三次谐波电势分布的大型发电机定子接地故障定位方法,其特征在于,步骤S1具体包括:
S11.将已知的绕组连接顺序表示为(x1U,x2L),(x3U,x4L),…,(x2i-1U,x2iL);其中x1~x2i表示槽号,U代表槽内上层边导体,L代表槽内下层边导体,(x2i-1U,x2iL)组成一匝线圈,i为线圈匝数;
S12.根据中性点处和机端处测量的三次谐波电势计算三次谐波槽电势:
S13.根据绕组连接顺序和三次谐波槽电势计算故障部分绕组的三次谐波电势:
4.根据权利要求1所述的基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位方法,其特征在于,每根槽导体上设置3个参考点,相邻参考点相差1/3个槽导体长度。
5.基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位系统,其特征在于,包括:
三次谐波电势计算模块,用于以三次谐波槽电势为单元计算故障部分绕组的三次谐波电势;
故障评价指标构造模块,用于基于三次谐波等值电路,结合所述三次谐波电势构造故障评价指标;
定子接地故障定位模块,用于在故障相预设多个参考点,计算各参考点的故障评价指标值,将计算值最小的参考点视为故障位置,确定故障所在槽号。
8.根据权利要求5所述的基于三次谐波电势分布的定子接地故障定位系统,其特征在于,每根槽导体上设置3个参考点,相邻参考点相差1/3个槽导体长度。
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