CN114256827B - 一种海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法，属于海洋核动力平台安全保护领域，方法包括：在发电机中性点外加可控电压源，可输出基波和三次谐波电压。系统正常运行时实测对地电容参数；基于系统接地保护启动判据检测接地故障，并判断故障位置；在线计算故障电势，控制可控电压源输出电压与故障电势幅值相等，相位相反。投入可控电压源的同时闭锁接地保护，经过消弧设定时间后，开放接地保护。若保护不动作，说明为瞬时性接地故障且消弧成功；若保护动作，说明为永久性接地故障，依据故障安全风险自适应决定保护出口方式。本发明提供一种可靠消弧技术，在保证设备安全条件下提高系统持续供电能力。

Description

一种海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法

技术领域

本发明属于海洋核动力平台安全与保护领域，更具体地，涉及一种海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法。

背景技术

海洋核动力平台中压系统中主发电机与多条线路直接相连，一部分连接升压变压器对海上电网供电，另一部分连接降压变压器实现核岛相关负荷的应急供电，发电机与直连线路共同构成网源直连系统。平台在运行中受海浪冲击，系统在频繁震动的环境下极易发生接地故障，并伴有电弧产生，若未得到及时有效处理，易进一步发展为具有恶性影响的定子铁心烧毁、电缆线路起火等事故，威胁系统安全。

接地故障抑制包括电流型补偿方式、电压型补偿方式等。目前，陆地大型发电机普遍采用中性点经消弧线圈接地方式补偿接地故障电流，属于电流型补偿方式。然而，此类方法仅能补偿故障点工频无功残流，无法补偿有功电流和谐波电流，消弧能力有限。此外，消弧线圈接地方式易引起系统谐振过电压，对系统绝缘安全不利。针对电压型补偿方式，邹豪等作者在电力系统保护与控制,2020,48(15):69-76“基于零序电压调控的故障选线选相新方法”一文中提出一种基于电压型补偿的消弧方法，通过外加注入源进行零序电压调控，控制故障点电压低于电弧重燃电压，可实现陆地配电网的接地故障消弧。喻锟，曾祥君等作者在发明专利CN202011576805.2“一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法及其装置”中提出一种发电厂厂用电系统接地故障有源消弧方法，将消弧注入电流注入厂用电系统中性点，控制故障点电压为0，实现故障的100％消弧。上述方法应用场景均为配电网、发电厂厂用电系统，在计算注入量时仅需控制中性点电压与电源电压反向，即可控制故障点电压为0，实现故障消弧。对于发电机定子绕组接地故障消弧问题，受发电机内部电势分布影响，不同位置故障时需要补偿的电势不同，需要在线计算故障电势；此外配电网消弧问题仅考虑基波零序电压，但发电机相电势中含较高的三次谐波电压分量，对故障电弧的燃弧作用不能忽略，需要考虑故障点三次谐波电压的补偿问题，因此上述方法无法直接用于发电机定子绕组接地故障消弧中。吴梦可，高军等作者在实用新型专利CN202021599641.0“一种发电机定子与发电厂厂用系统接地故障消弧装置”中提出一种通过发电机定子注入变压器向发电机定子中性点输出电压实现有源消弧控制的方法，但未给出不同故障条件下外加注入源输出电压的计算方法，且仅考虑零序电压，未考虑三次谐波电压，无法可靠控制故障点电压为0，消弧效果难以保证。

发电机相电势中含有较高的三次谐波电压，导致在海洋核动力平台网源直连系统中任意位置发生接地故障时，故障点均存在三次谐波电压，若仅考虑基波零序电压，无法控制故障点电压为0，不能有效实现故障消弧，因此现有方法均无法应用于网源直连系统的接地故障消弧中。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法，其目的在于对直连系统瞬时性接地故障进行可靠消弧，提高系统持续供电能力。

为实现上述目的，本发明提供了一种海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法，包括：S1，基于系统正常运行时的三次谐波电压等值电路，在线计算发电机定子绕组和直连线路的对地电容参数；S2，在线计算故障电势基波与三次谐波分量幅值与相位；其中，若接地故障位于直连线路中，所述故障电势等于发电机故障相相电势；若接地故障位于发电机定子绕组中，所述故障电势等于发电机中性点到故障点间的电势，所述故障点基于故障前一时刻实测得到的发电机定子绕组和直连线路的对地电容参数确定；S3，调节可控电压源输出电压与所述故障电势基波与三次谐波分量幅值相等、相位相反，之后将可控电压源接入发电机中性点，实现接地故障消弧。

更进一步地，所述S1中发电机定子绕组和直连线路的对地电容参数的在线计算方法具体为：

发电机正常运行时，实测发电机机端对地电压、中性点对地电压，经过傅里叶变换得到中性点对地电压三次谐波电压相量U_N3为a+jb，发电机机端对地电压三次谐波电压相量U_T3为c+jd，代入下式计算发电机定子绕组和直连线路每相对地电容：

其中：C_t为直连线路每相对地电容，C_f为发电机每相定子绕组对地电容，ω为系统角频率，R_N为发电机中性点接地电阻值。

更进一步地，所述S2中，通过以下方式判断接地故障是位于直连线路或发电机定子绕组中：

当零序电流方向判据指向系统侧时，判定接地故障位于直连线路中；

当零序电流方向判据指向发电机侧或三次谐波电压比值判据动作时，判定接地故障位于发电机定子绕组中。

更进一步地，所述S2中，发电机定子绕组接地故障位置具体确定方法为：

其中：δ为发电机故障相相电势基波分量与中性点基波电压间的夹角，R_g为接地过渡电阻，

为故障相相电势基波分量幅值，|U_N1|为中性点基波电压幅值，α为故障点与中性点间线圈数目占完整分支的匝比；

通过求解α确定故障点在发电机定子绕组上的位置。

更进一步地，所述S2中故障电势在线计算方法为：

当接地故障位于直连线路中时，故障电势等于发电机故障相相电势，根据傅里叶变换确定故障电势基波分量的幅值

与相位

三次谐波分量的幅值

与相位

当接地故障位于发电机定子绕组上时，故障绕组电势等于发电机中性点到故障点间的电势，故障电势基波分量的幅值|E_f1|与相位θ_f1分别为：

故障电势三次谐波分量的幅值|E_f3|与相位θ_f3分别为：

更进一步地，所述S3中可控电压源输出电压应控制为：

接地故障发生在直连线路中时，调节可控电压源输出电压基波分量幅值与

相等，相位与

相反；输出电压三次谐波分量幅值与

相等，相位与

相反；

接地故障发生在发电机定子绕组上时，调节可控电压源输出电压基波分量幅值与|E_f1|相等，相位与θ_f1相反；输出电压三次谐波分量幅值与|E_f3|相等，与θ_f3相反。

更进一步地，所述方法还包括：

S4，经过消弧设定时间后，退出可控电压源，并开放接地保护，辨识接地故障类型并选择自适应安全防控措施。

更进一步地，所述S4中辨识接地故障类型方法为：

若接地保护动作，说明为永久性接地故障；

若接地保护未动作，说明为瞬时性接地故障且消弧成功。

更进一步地，所述S4中自适应安全防控措施为：

对于永久性接地故障，发生在直连线路中时，通过接地选线设备选出故障线路并将其切除；

发生在发电机定子绕组上时，当接地故障电流高于安全阈值时，立刻跳开GCB，并进行灭磁停机；当接地故障电流低于安全阈值时，保护发信，经过转移负荷后平稳停机。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：本发明基于网源直连系统的接地故障特征，在设计可控电压源时考虑了基波和三次谐波分量，并给出了注入电压的在线计算方法。在发电机中性点接入可控电压源，通过控制中性点电压与故障电势幅值相等，相位相反，有效控制故障点电压为0，实现可靠消弧。对于瞬时性接地故障，系统在清除故障后能够持续运行；对于永久性接地故障，依据故障程度自适应决定安全防控措施，能够避免盲目快速切机对系统造成的冲击，提高系统的安全性能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法的流程图；

图2为发电机正常运行时的三次谐波等值电路示意图；

图3为发电机接地故障分支基波电势几何关系示意图；

图4为发电机接地故障分支基波电势几何关系示意图；

图5为本发明实施例提供的基于接入可控电压源的网源直连系统接地故障消弧原理示意图；

图6为接地故障消弧原理电压相量示意图；

图7为发电机外接直连系统每相对地电容在线计算结果；

图8为接地过渡电阻为10Ω时，接地故障电流和故障点电压仿真结果；

图9为接地过渡电阻为200Ω时，接地故障电流和故障点电压仿真结果；

图10为接地过渡电阻为500Ω时，接地故障电流和故障点电压仿真结果。

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网源直连系统接地故障消弧方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：

S1，基于系统正常运行时的三次谐波电压等值电路，在线计算发电机定子绕组和直连线路的对地电容参数；

具体地，发电机正常运行时，实时测量发电机机端对地电压、中性点对地电压，经过傅里叶变换得到中性点对地电压对应的三次谐波电压相量U_N3为a+jb，发电机机端对地电压对应的三次谐波电压相量U_T3为c+jd。

根据图2所示发电机正常运行时的三次谐波等值电路，根据基尔霍夫电流定律，可得：

将U_N3＝a+jb，U_T3＝c+jd代入上式中，当实部和虚部均为0时，可得：

通过上式可得到发电机定子绕组和直连线路每相对地电容的计算式为：

其中：C_t为直连线路每相对地电容，C_f为发电机每相定子绕组对地电容，ω为系统角频率，R_N为发电机中性点接地电阻值，U_N3为中性点三次谐波电压，U_T3为机端三次谐波电压。由于发电机中性点经电阻接地，U_N3和U_T3相位不等，因此ad≠bc，计算式有解。

在实际工程应用中，需要在发电机正常运行时在线测量对地电容参数，并取最接近故障时刻的未突变值作为测量结果。

S2，在线计算故障电势基波与三次谐波分量幅值与相位；

具体地，在线计算故障电势基波与三次谐波分量幅值与相位之前，需要先基于网源直连系统接地保护启动判据检测接地故障，并判断故障位置；

网源直连系统接地保护启动判据包括发电机定子接地保护和直连线路接地选线保护启动判据。保护启动后，根据机端零序电流方向判据和三次谐波电压比值判据判断接地故障位置，并基于接地选线保护装置和定子接地故障定位装置精确定位故障位置。

S2.1，任何一种接地保护启动时，说明直连系统中发生了接地故障；

S2.2，当零序电流方向判据指向系统侧时，判定接地故障位于直连线路中，通过接地选线装置确定故障线路；

S2.3，当零序电流方向判据指向发电机侧或三次谐波电压比值判据动作时，判定接地故障位于发电机定子绕组中，通过发电机接地故障定位装置确定故障点与中性点间线圈数目占完整分支的匝比，即故障位置百分比。

S2.4，故障位置百分比的具体确定方法为：

判断接地故障相，利用实测的发电机故障相机端对地电压和中性点对地电压相减确定故障相相电势

直连线路对地电容参数受系统运行方式影响，发电机定子绕组对地电容参数受发电机状态(温度)影响，均不能视为常数，需要在线测量得到，否则将影响故障点定位结果的准确性。故本发明中，将S1中计算得到的故障前一时刻的对地电容参数代入下面的方程组中来确定故障点：

其中：δ为发电机故障相相电势基波分量与中性点基波电压间的夹角，R_g为接地过渡电阻，

为故障相相电势基波分量幅值，|U_N1|为中性点基波电压幅值，α为故障点与中性点间线圈数目占完整分支的匝比，即故障位置百分比。方程组中仅R_g和α为变量，通过求解α即可确定故障点在定子绕组上的位置。

确定接地故障位置后，在线计算故障电势基波与三次谐波分量幅值与相位；

具体过程如下：

S2.5，当接地故障位于直连线路中时，故障电势等于发电机故障相相电势，根据傅里叶变换确定故障电势基波、三次谐波分量幅值与相位；

S2.6，当接地故障位于发电机定子绕组上时，故障绕组电势等于发电机中性点到故障点间的电势。

根据图3所示的发电机接地故障分支基波电势几何关系示意图，可得故障电势基波分量幅值与相位的计算式为：

其中：

为故障相相电势三次谐波分量幅值，|E_f1|为故障电势基波分量幅值，

为故障电势基波分量相位；将S2.4中确定的故障位置百分比代入上式即可确定故障电势基波分量幅值与相位；

根据图4所示的发电机接地故障分支三次谐波电势几何关系示意图，可得故障电势三次谐波分量幅值与相位的计算式为：

其中：

为故障相相电势三次谐波分量幅值，|E_f3|为故障电势三次谐波分量幅值，

为故障电势三次谐波分量相位。将S2.4中确定的故障位置百分比代入上式即可确定故障电势基波分量幅值与相位。

S3，调节可控电压源输出电压与所述故障电势基波与三次谐波分量幅值相等、相位相反，之后将可控电压源接入发电机中性点，实现接地故障消弧。

具体地，本发明所设计的基于接入可控电压源的网源直连系统接地故障消弧原理示意图如图5所示，图中E_A，E_B，E_C为发电机定子绕组三相相电势，E_f为故障电势。假定定子绕组单相接地故障发生在A相，接地过渡电阻为R_f，U_f和I_f分别为故障点对地电压和接地电流，U_N为发电机中性点电压，U_i为可控电压源的输出电压，其幅值为U，相位为θ。

当中性点接入可控电压源时，中性点电压可由所加可控电压源进行幅值、相角任意调控，使中性点电压强制并保持为所需电压值。接地故障消弧原理电压相量示意图如图6所示，通过调整可控电压源电压幅值与故障绕组电势相等，相位与故障绕组电势相反，即可控制故障点电压为0，保证故障恢复电压低于电弧重燃电压，从根源上破坏电弧重燃条件，实现快速可靠消弧，完全消除接地故障电流。由于发电机相电势中包含较高的三次谐波分量，因此在设计可控电压源时包含了基波和三次谐波电压。

具体过程如下：

接地故障发生在直连线路中时，调节可控电压源输出电压基波分量幅值与

相等，相位与

相反；输出电压三次谐波分量幅值与

相等，相位与

相反。其中：

为S2.5中实测的故障相相电势经傅里叶变换得到的基波分量，

为S2.5中实测的故障相相电势经傅里叶变换得到的三次谐波分量；

接地故障发生在发电机定子绕组上时，调节可控电压源输出电压基波分量幅值与|E_f1|相等，相位与θ_f1相反；输出电压三次谐波分量幅值与|E_f3|相等，与θ_f3相反。

进一步地，在实际应用过程中，将可控电压源接入发电机中性点之后，还包括：

S4，经过消弧设定时间后，退出可控电压源，并开放接地保护，辨识接地故障类型并选择自适应安全防控措施。

具体地，实际工程中消弧设定时间通常为5个工频周波。

具体过程如下：

S4.1，若接地保护未动作，说明为瞬时性接地故障且消弧成功；

S4.2，若接地保护动作，说明为永久性接地故障；发生在直连系统中时，通过接地选线设备选出故障线路并将其切除；发生在发电机定子绕组上时，应根据发电机接地故障电流(包含基波和三次谐波分量)判断故障风险。当接地故障电流高于安全阈值时，为保障发电机的安全，需要立刻跳开GCB，并进行灭磁停机；当接地故障电流低于安全阈值时，保护发信，经过转移负荷后平稳停机。

进一步地，在PSCAD/EMTDC软件平台中搭建如图5所示的基于接入可控电压源的网源直连系统接地故障仿真模型，海洋核动力平台主发电机发电机采用2分支绕组结构，额定电压为10.5kV，定子绕组电阻/相：1.528mΩ，定子绕组漏电感/相：2.84mH，定子绕组电容/相：0.397μF，发电机极对数为1，总槽数为48，对应的槽距电角度为7.5°，发电机中性点采用高阻接地方式，接地电阻阻值折算到一次侧为2286Ω。在正常运行工况下，发电机与4条线路直接相连，直连系统对地电容/相：0.405μF。该发电机每个分支由8个线圈串联构成，以A相第一分支绕组电势为例，模型中各分支连接处故障时的基波和三次谐波故障绕组电势如表1所示。

表1

(1)在发电机正常运行工况下，实测发电机中性点和机端三次谐波电压，在线计算每相对地电容参数如图7所示。直连系统每相对地电容在线计算结果为0.4053μF，发电机定子绕组每相对地计算结果为0.3973μF。对应不同运行工况下改变直连配电网线路对地电容并进行多次仿真实验，计算误差均在0.1％以内，所提方法具有较高的计算精度。

(2)发电机正常运行时，测得A相基波相电势和三次谐波相电势分别为：6062.7V∠-26.25°、995.0V∠101.24°。

(3)0.2s时刻，在A相各匝线圈连接处设置不同过渡电阻条件下的单相接地故障，计算得到故障绕组基波和三次谐波电势如表2所示。

表2

将表2仿真结果与表1模型数据对比可知，所提方法能够在不同故障位置、不同接地故障过渡电阻下准确计算故障绕组电势基波和三次谐波分量，可为接地故障消弧提供可靠的实现前提。

(4)0.2s时刻，在发电机定子绕组距离中性点12.5％，25％，37.5％，50％，62.5％，75％，87.5％处，及直连线路1末端分别设置单相接地故障，并在0.5s时刻投入可控电压源。基于表2故障绕组电势在线计算结果，对于定子绕组接地故障，设置发电机中性点可控电压源与故障绕组电势幅值相等，相位相反；对于直连系统接地故障，设置发电机中性点可控电压源与发电机相电势幅值相等，相位相反。

接地过渡电阻为10Ω时，接地故障电流和故障点电压仿真结果如图8所示；接地过渡电阻为200Ω时，接地故障电流和故障点电压仿真结果如图9所示；接地过渡电阻为500Ω时，接地故障电流和故障点电压仿真结果如图10所示。其中，If为故障点接地故障电流，Uf为故障点电压。分析仿真结果可知，本发明提出的海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法能够在系统发生接地故障时将接地故障点电压有效钳位至0，从而减小接地故障电流，在不同接地故障位置条件下均可靠实现接地点的故障消弧，且该方法不受接地过渡电阻影响。

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 (6)

1.一种海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法，其特征在于，包括：

S1，基于系统正常运行时的三次谐波电压等值电路，在线计算发电机定子绕组和直连线路的对地电容参数；

S2，在线计算故障电势基波与三次谐波分量幅值与相位；其中，若接地故障位于直连线路中，所述故障电势等于发电机故障相相电势；若接地故障位于发电机定子绕组中，所述故障电势等于发电机中性点到故障点间的电势，所述故障点基于故障前一时刻实测得到的发电机定子绕组和直连线路的对地电容参数确定；

S3，调节可控电压源输出电压与所述故障电势基波与三次谐波分量幅值相等、相位相反，之后将可控电压源接入发电机中性点，实现接地故障消弧；

所述S1中发电机定子绕组和直连线路的对地电容参数的在线计算方法具体为：

发电机正常运行时，实测发电机机端对地电压、中性点对地电压，经过傅里叶变换得到中性点对地电压三次谐波电压相量U_N3为a+jb，发电机机端对地电压三次谐波电压相量U_T3为c+jd，代入下式计算发电机定子绕组和直连线路每相对地电容：

其中：C_t为直连线路每相对地电容，C_f为发电机每相定子绕组对地电容，ω为系统角频率，R_N为发电机中性点接地电阻值；

所述S2中，发电机定子绕组接地故障位置具体确定方法为：

其中：δ为发电机故障相相电势基波分量与中性点基波电压间的夹角，R_g为接地过渡电阻，

为故障相相电势基波分量幅值，|U_N1|为中性点基波电压幅值，α为故障点与中性点间线圈数目占完整分支的匝比；

通过求解α确定故障点在发电机定子绕组上的位置；

所述S2中故障电势在线计算方法为：

当接地故障位于直连线路中时，故障电势等于发电机故障相相电势，根据傅里叶变换确定故障电势基波分量的幅值

与相位

三次谐波分量的幅值

与相位

当接地故障位于发电机定子绕组上时，故障绕组电势等于发电机中性点到故障点间的电势，故障电势基波分量的幅值|E_f1|与相位θ_f1分别为：

故障电势三次谐波分量的幅值|E_f3|与相位θ_f3分别为：

2.如权利要求1所述的海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法，其特征在于，所述S2中，通过以下方式判断接地故障是位于直连线路或发电机定子绕组中：

当零序电流方向判据指向系统侧时，判定接地故障位于直连线路中；

当零序电流方向判据指向发电机侧或三次谐波电压比值判据动作时，判定接地故障位于发电机定子绕组中。

3.如权利要求1所述的海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法，其特征在于，所述S3中可控电压源输出电压应控制为：

接地故障发生在直连线路中时，调节可控电压源输出电压基波分量幅值与

相等，相位与

相反；输出电压三次谐波分量幅值与

相等，相位与

相反；

接地故障发生在发电机定子绕组上时，调节可控电压源输出电压基波分量幅值与|E_f1|相等，相位与θ_f1相反；输出电压三次谐波分量幅值与|E_f3|相等，与θ_f3相反。

4.如权利要求1至3任一项所述的海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法，其特征在于，所述方法还包括：

S4，经过消弧设定时间后，退出可控电压源，并开放接地保护，辨识接地故障类型并选择自适应安全防控措施。

5.如权利要求4所述的海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法，其特征在于，所述S4中辨识接地故障类型方法为：

若接地保护动作，说明为永久性接地故障；

若接地保护未动作，说明为瞬时性接地故障且消弧成功。

6.如权利要求5所述的海洋核动力平台网源直连系统接地故障消弧方法，其特征在于，所述S4中自适应安全防控措施为：

对于永久性接地故障，发生在直连线路中时，通过接地选线设备选出故障线路并将其切除；

发生在发电机定子绕组上时，当接地故障电流高于安全阈值时，立刻跳开GCB，并进行灭磁停机；当接地故障电流低于安全阈值时，保护发信，经过转移负荷后平稳停机。

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