大型隐极发电机定子单相接地故障定位新方法

薛 磊，孙钢虎，王小辉，柴 琦，兀鹏越，贺 婷

（西安热工研究院有限公司，陕西 西安 710054）

0 引言

发电机定子单相接地故障的定位一般需要先测量或计算获得定子接地过渡电阻［1-4］（下文简称过渡电阻）。对于高阻接地方式的发电机，虽然可以采用注入式定子接地保护来获得过渡电阻，并进一步定位定子单相接地故障［1］，但是注入式定子接地保护一般只在特大型机组上应用，该类故障定位方法的应用范围受到了很大限制。对于中性点不接地的发电机，一般只能采用100%定子接地保护。文献［2，4］通过计算最高相和次高相电压平方差与最高相和故障相电压平方差的比值来获得过渡电阻，从而实现不依赖注入式定子接地保护实现定子单相接地故障的定位。文献［3］提出对于大型水轮发电机，定子绕组的合成电势与相电势间的相位差可忽略，并通过基波零序电压和故障相基波电势之间的相位角计算过渡电阻，进而定位定子单相接地故障。

本文通过分析发电机定子单相接地故障特征，提出一种新的定子单相接地故障故障定位方法，其不需要通过注入式原理测量过渡电阻，也不需要先计算得到过渡电阻再进行故障定位，且适用于中性点通过高阻接地或不接地的发电机。

1 定子单相接地故障分析

本文以发电机A相定子绕组经过渡电阻Rg接地故障为例分析定子单相接地故障的电气特征，其等效电路图如图1 所示。图中，Rn为发电机中性点接地变压器二次侧电阻按接地变压器变比折算到一次侧的电阻值；U0为发电机中性点零序电压；Ea、Eb、Ec为发电机定子三相电动势；Ca、Cb和Cc为发电机三相对地电容，三者之和为C∑；α为故障点到中性点的绕组匝数占一相总匝数的百分比，表征定子接地故障位置，0≤α≤100%。

图1 发电机A相定子绕组接地故障等效电路图Fig.1 Equivalent circuit diagram of phase-A stator winding grounding fault of generator

根据基尔霍夫定律，可得到：

图2 发电机A相定子绕组接地故障后的电压相量图Fig.2 Voltage phasor diagram after phase-A stator winding ground fault of generator

由式（7）可知，特征角β和发电机定子单相接地故障的位置无关，也不随过渡电阻的变化而变化，只与发电机参数有关。对于中性点不接地的发电机，β=90°，即弧OGD是以OD为直径的半圆。

2 定子单相接地故障定位

2.1 故障相选择

假设发电机A 相定子绕组经过渡电阻接地，则Ucg最大［2］，可确定C 相为无故障相，因此只比较Uag和Ubg。

当Rg＜ 3 /(ωC∑)时，故障相的机端对地电压最小；当Rg≥ 3 /(ωC∑)时，故障相的机端对地电压并非最小。因此，当发电机发生定子单相接地故障后，机端电压幅值最小的一相并不一定是故障相，文献［5］也有相似的结论。

材料2：生产实践中，人们通常通过扦插繁殖月季、葡萄等植株。研究发现，在扦插前，若用一定浓度的生长素涂抹插枝基部或浸泡插枝基部一段时间，扦插后可以增加插枝的生根数量，提高插条的成活率。

由式（2）可知，-U0始终滞后于故障相电压θ角度，且tanθ=ωC∑/(1/Rn+1/Rg)。对于中性点经高阻接地的发电机，Rn≤1/(ωC∑)，因此θ通常小于45°；对于中性点不接地的发电机，虽然θ和Rg的大小有关，但不会大于90°。因此-U0的相位必定位于A相和B相之间，C 相机端对地电压在三相中最大，A 相和B相机端对地电压较低，从而滞后于机端对地电压最大相的一相即为故障相。

2.2 故障位置计算

由图3可知，发电机定子单相接地故障后，U0超前故障相机端对地电压的角度为φ，φ可根据发电机的三相电压计算得到。如果φ≤β，则可判断定子单相接地故障发生在发电机机端或外部；如果φ＞β，则可判断定子单相接地故障发生在发电机内部。

图3 △OGD示意图Fig.3 Schematic diagram of △OGD

如果定子单相接地故障发生在发电机内部，则可以进一步确定发生故障位置距离发电机机端的绕组匝数与距离发电机中性点的绕组匝数之比γ，如式（10）所示。

式中：Ufault为定子单相接地故障相对地电压。

从而可得到α为：

上述故障位置计算过程所需要的故障数据为Uag、Ubg、Ucg和U0，虽然这些数据均可直接从故障录波器中获取，但是经发电机中性点接地变压器二次侧电阻抽头抽取的零序电压与发电机机端电压互感器变比不一致容易导致计算错误，另外故障录波器测量的零序电压含有3 次谐波分量，也会导致计算不准确，因此在实际应用中，一般通过计算Uag、Ubg、Ucg矢量和的方法得到U0。

3 仿真验证

因为目前没有可模拟发电机内部故障的发电机模型，本文在电力系统暂态仿真软件PSCAD／EMTDC 中搭建如图4 所示的分布参数电路模型［6］，模型将每分支定子绕组划分成若干个单元，定子绕组的电感、电阻、对地电容和电势平均分配到每个单元电路中。仿真模型参数为：|Ea|=|Eb|=|Ec|=11.547 kV，每相电感为227.05 μH，每相电阻为5 mΩ，每相对地电容为1.686 μF，Rn=629.32 Ω。因此对于发电机仿真模型，可得ωC∑Rn=2π×50×3×1.686×10-6×629.32≈1，则其特征角β=135°。

图4 发电机分布参数电路模型Fig.4 Distributed parameter circuit model of generator

本文分别在发电机内部和机端设置定子A 相经过渡电阻接地故障进行仿真。

1）仿真1：发电机定子A 相α=60%处经600 Ω过渡电阻接地。仿真结果为Uag=8.79∠-80.86°kV，Ubg=12.19∠134.9° kV，Ucg=14.30∠37.16° kV，U0=3.19∠64.02° kV。根据仿真结果可知，U0超前Uag的角度φ=144.88°，大于特征角135°，因此可以判断定子单相接地故障发生在发电机内部。

根据式（10）可得：

则可知定子单相接地故障点到中性点的绕组匝数占一相总匝数的百分比为α=1/(1+0.669)≈0.599，与仿真设置基本一致。

2）仿真2：发电机定子A 相在机端经600 Ω 过渡电阻接地。仿真结果为Uag=7.16∠-71.02°kV，Ubg= 13.04 ∠126° kV，Ucg= 162.3 ∠40.54° kV，U0=5.32∠63.97 kV。根据仿真结果可知，U0超前Uag的角度φ=134.99°，考虑计算误差，可认为φ=β，因此可以判断定子单相接地故障发生在发电机机端。

4 案例分析

本文对文献［7］提供的发电机定子单相接地事故案例进行接地故障分析。机组相关参数如下：发电机容量为630 MW，每相对地电容为0.27 μF，发电机侧发电机出口断路器（GCB）系统对地电容为0.14 μF，系统侧GCB 系统对地电容为0.26 μF，出口额定电压为20 kV，电压互感器变比为20 kV/100 V，中性点电阻柜变比为20 kV/500 V，接地电阻抽头选取0.295 Ω（总阻值为0.852 Ω）。

1）事故1 的数据如下：Uag=54.3∠51.7° V，Ubg=57.7∠-78.5°V，Ucg=64.6∠169.6°V。通过计算可得，事故1 中U0=6.173∠187.03°V。可见事故1 中Ucg的幅值最大，则可以确定定子单相接地故障相为A相，U0超前故障相机端对地电压Uag的角度φ=135.33°。

由计算结果可知φ＜β，则可以判断发电机定子单相接地故障发生于发电机机端或外部。现场经过排查，事故原因是由于在机组运行期间更换氢冷却器软连接造成漏水，水滴在发电机出线盒上渗入出线盒内部，导致发电机A相出现绝缘波纹对地放电。现场排查发现的事故原因与本文方法得到的发电机定子单相接地故障的定位结果一致。

2）事故2 的数据如下：Uag=60.1∠-39° V，Ubg=53.5∠-160°V，Ucg=58.1∠74°V。通过计算可得，事故2中U0=4.15∠-1.24°V。可见事故2中Uag的幅值最大，则可以确定定子单相接地故障相为B相，U0超前故障相机端对地电压Ubg的角度φ=158.76°＞β，故可以判断发电机定子单相接地故障位于发电机内部。

进一步采用本文方法可确定γ为：

现场经过排查，发现发电机汽端26 号上层线棒汽侧水盒损毁严重，发电机定子线圈的水电连接图见附录A 图A1，其中定子槽数为42，每极每相槽数为7，线圈跨距为1-18，26 号上层线棒位于B 相的第一分支的1/7处，事故原因与采用本方法对接地故障的定位分析较为一致。

5 结论

本文提出了一种大型隐极发电机定子单相接地故障的定位方法，并通过仿真和实际案例验证了所提方法的正确性。本文方法可直接通过基波零序电压和故障相基波电势确定定子单相接地故障的位置，不需要通过注入式原理测量接地过渡电阻，也不需要计算过渡电阻后再进行故障定位，所需要的故障信息较少，在现场易于使用，具有一定的实用价值。对于发电机中性点附近的定子单相接地故障，可与3次谐波定子接地保护配合进行故障定位。

本文方法未考虑不同定子线圈的分布电势以及同一线圈上层线棒和下层线棒短距系数的影响，笔者将对此继续开展研究。

附录见本刊网络版（http：//www.epae.cn）。