CN1333503C - 发电机定子绕组单相接地的保护及故障定位方法 - Google Patents

Abstract

发电机定子绕组单相接地的保护及故障定位方法，属于电力***主设备继电保护技术领域。其特征在于：它考虑了发电机中性点接地装置的参数对计算接地电阻值的影响，它还采用发电机机端各相对地电压及零序电压进行定子绕组单相接地时的故障定位，解决了现有外加20Hz电源定子绕组单相接地保护计算接地故障电阻值准确度不高的问题，可以把误差限定在10%以内；同时相应地解决了发电机定子单相接地的故障定位问题，从而提高了保护检测检测故障和故障定位的准确度。

Description

发电机定子绕组单相接地的保护及故障定位方法

技术领域

本发明属于电力***主设备继电保护技术领域，尤其涉及一种外加20Hz电源和基波零序电压的发电机定子单相接地保护及故障定位方法。

背景技术

相比发电机绕组内部短路故障，虽然定子接地故障的危害较小，但它是更严重短路故障的先兆。接地故障的及时发现将极大地降低发电机内部短路故障的发生几率，因此定子单相接地保护是发电机继电保护***中的重要组成部分之一。

目前新建和将建的大型发电机采用配电变压器二次侧接电阻的中性点接地方式，装设外加电源型定子单相接地保护逐渐增多。现有外加20Hz电源定子接地保护主要采用导纳判据计算接地故障电阻，当接地故障电阻计算值低于电阻的高整定值时保护发信号告警，当接地故障电阻计算值小于电阻的低整定值时保护动作于跳闸。导纳判据中接地故障电阻R_g的计算值是单相接地保护执行的动作性质和监测绝缘水平的主要依据，准确地计算R_g是十分必要的。但现有运行的外加电源单相接地保护都没有考虑中性点接地变压器参数的影响，这导致接地电阻的计算结果将存在较大偏差。

因为缺少必要的故障信息，目前发电机定子单相接地保护还不具备故障定位的功能。若进一步能够诊断出故障位置，将为接地故障后的处理工作提供更多的便利。一方面若接地故障发生在发电机的机端引线或中性点外，保护能够诊断出故障位置，就有利于尽快排除故障和减少不必要的停机损失；另一方面若接地故障发生在发电机绕组内部，诊断出故障位置也有利于停机检修。

为了解决现有外加20Hz电源定子单相接地保护计算接地故障电阻值偏差较大的问题，本发明通过考虑发电机中性点接地装置等效参数对导纳型判据中由二次侧测量的电流和电压计算一次侧接地故障电阻值的影响，对导纳型判据进行修正，大幅提高了故障电阻计算的准确度，改善了保护动作行为的正确性。进一步本发明综合利用外加20Hz电源单相接地保护和基波零序电压保护所提供的故障信息，即外加20Hz电源定子单相接地保护计算的接地故障电阻值和零序电压保护中的机端各相对地电压和零序电压的变化，对定子绕组单相接地故障进行定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种发电机定子绕组单相接地的保护和故障定位方法。

发电机定子绕组单相接地的保护方法具体特征在于：

(1)发电机中性点与配电变压器一次侧的绕组断开，向配电变压器二次侧注入外加20Hz电源，由配电变压器的空载和短路实验测得配电变压器在20Hz下折算到二次侧的激磁阻抗R_m′、X_m′，短路阻抗R_k、X_k，把它们的值存入计算机；

(2)设配电变压器在20Hz下折算到二次侧的下述各参数值为：

一次绕组的漏阻抗R₁′、X₁′：R₁′＝R_k/2，X₁′＝X_k/2，

二次绕组的漏阻抗R₂、X₂：R₂＝R_k/2，X₂＝X_k/2，

把R₁′、X₁′、R₂、X₂的值存入计算机；

(3)发电机中性点与配电变压器一次侧的绕组联接，向配电变压器的二次侧注入外加的20Hz电源；

(4)计算机通过电压互感器和电流互感器测得二次侧的电压和电流，再以0.1秒为计算周期，即以10Hz为基频，用傅立叶算法提取二次谐波20Hz电压 和电流

分量；

(5)以变压器T型等效电路为基础，计算机求得折算到一次侧的接地故障电阻值R_g，它的步骤为：

(5.1)计算机根据上述得到的R_m′、X_m′、R₂、X₂、 并用以下公式计算得到变压器T型等效电路中流过R₁′+jX₁′且离开节点的电流 折算到二次侧的发电机对地容抗-jX_C′两端的电压

${\stackrel{\·}{I}}_s=\stackrel{\·}{I}-{\stackrel{\·}{I}}_m,$

为流过R₂+jX₂的电流，指向上述节点，为流过R_m′+jX_m′的电流，离开上述节点，

${\stackrel{\·}{I}}_m=\frac{\stackrel{\·}{U}-{\stackrel{\·}{U}}_2}{R_m^{\′}+j{X}_m^{\′}},$

为R₂+jK₂上的电压，指向上述节点，

为中性点二次侧接地电阻R_n上的电压，

${\stackrel{\·}{U}}_s=\stackrel{\·}{U}-{\stackrel{\·}{U}}_2-{\stackrel{\·}{U}}_1;$

(5.2)得到二次侧计算的定子绕组对地导纳Y：

$Y=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_s}{{\stackrel{\·}{U}}_s};$

(5.3)得到折算到一次侧的接地故障电阻R_g：

$R_g=n^2\frac{1}{\mathrm{Re}\left(Y\right)},$ n为配电变压器变比；

(6)计算机根据设定并存储的保护用接地故障电阻高整定值和低整定值来与上述测算的接地故障电阻值比较：

当上述测算的接地故障电阻值低于保护设定的接地电阻高整定值时发出告警信号；

当上述测算的接地故障电阻值低于保护设定的接地电阻低整定值时发出跳闸信号。

发电机定子绕组单相接地的故障定位方法具体特征在于：

(1)设定发电机三相绕组对地电容分别为C_a、C_b、C_c，发电机中性点接地电阻折算到一次侧的值为n²R_n，n为配电变压器变比；

(2)发电机中性点与配电变压器一次侧的绕组断开，向配电变压器二次侧注入外加20Hz电源，由配电变压器的空载和短路实验测得配电变压器在20Hz下折算到二次侧的激磁阻抗R_m′、X_m′，短路阻抗R_k、X_k，把它们的值存入计算机；

(3)设配电变压器在20Hz下折算到二次侧的下述各参数值为：

一次绕组的漏阻抗R₁′、X₁′：R₁′＝R_k/2，X₁′＝X_k/2，

二次绕组的漏阻抗R₂、X₂：R₂＝R_k/2，X₂＝X_k/2，

把R₁′、X₁′、R₂、X₂的值存入计算机；

(4)发电机中性点与配电变压器一次侧的绕组联接，向配电变压器的二次侧注入外加的20Hz电源；

(5)计算机通过电压互感器和电流互感器测得二次侧的电压和电流，再以0.1秒为计算周期，即以10Hz为基频，用傅立叶算法提取二次谐波20Hz电压

和电流 分量；

(6)以变压器T型等效电路为基础，计算机求得折算到一次侧的接地故障电阻值R_g，它的步骤为：

(6.1)计算机根据上述得到的R_m′、X_m′、R₂、X₂、

并用以下公式计算得到变压器T型等效电路中流过R₁′+jX₁′且离开节点的电流

折算到二次侧的发电机对地容抗-jX_C′两端的电压

${\stackrel{\·}{I}}_s=\stackrel{\·}{I}-{\stackrel{\·}{I}}_m,$ 为流过R₂+jX₂的电流，指向上述节点，

为流过R_m′+jX_m′的电流，离开上述节点，

${\stackrel{\·}{I}}_m=\frac{\stackrel{\·}{U}-{\stackrel{\·}{U}}_2}{R_m^{\′}+j{X}_m^{\′}},$ 为R₂+jX₂上的电压，指向上述节点，

为中性点二次侧接地电阻R_n上的电压，

${\stackrel{\·}{U}}_s=\stackrel{\·}{U}-{\stackrel{\·}{U}}_2-{\stackrel{\·}{U}}_1;$

(6.2)得到二次侧计算的定子绕组对地导纳Y：

$Y=\frac{{\stackrel{\·}{I}}_s}{{\stackrel{\·}{U}}_s};$

 (6.3)得到折算到一次侧的接地故障电阻R_g：

$R_g=n^2\frac{1}{\mathrm{Re}\left(Y\right)},$ n为配电变压器变比；

(7)判断发电机的故障相，它依次包含以下步骤：

(7.1)计算机通过发电机机端电压互感器测得发电机机端三相对地电压，再用傅立叶算法提取机端三相对地基波电压

(7.2)计算机通过发电机中性点电压互感器测量发电机零序电压，再用傅立叶算法提取中性点基波零序电压

(7.3)计算并存储发电机三相绕组基波电动势

${\stackrel{\·}{E}}_a={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{ag}}-{\stackrel{\·}{U}}_0,$ ${\stackrel{\·}{E}}_b={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{bg}}-{\stackrel{\·}{U}}_0,$ ${\stackrel{\·}{E}}_c={\stackrel{\·}{U}}_{\mathrm{cg}}-{\stackrel{\·}{U}}_0;$

(7.4)比较

与U_set：若 $\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0\right|>U_{\mathrm{set}},$ 则有定子绕组单相接地故障发生，其中：U_set为基波零序电压定子接地保护电压的整定值；若 $\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0\right|<U_{\mathrm{set}},$ 且R_g低至发生相应的保护动作，则接地故障发生在发电机中性点附近；

(7.5)比较发电机机端三相对地电压的大小，根据基波有效值最小的一相为故障相的原则判断故障相；

(8)利用步骤(6)得到的接地故障电阻值R_g计算故障相的故障位置α(故障点到中性点的匝数占一相串联总匝数的百分比)：

故障相设为A相，当发电机绕组的三相电动势和对地电容不对称时，

$\mathrm{\&alpha;}=-\frac{\mathrm{j\&omega;}{C}_a{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a+\mathrm{j\&omega;}{C}_b{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b+\mathrm{j\&omega;}{C}_c{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0(\frac{1}{n^2{R}_n}+\frac{1}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}})}{\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{R_g}};$

当发电机绕组的三相电动势和对地电容对称时，

$\mathrm{\&alpha;}=-\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0(\frac{1}{n^2{R}_n}+\frac{1}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}})}{\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{R_g}}$

其中：ω＝2πf，f电网频率；C_Σ＝C_a+C_b+C_c。

试验证明：本发明解决了现有外加20Hz电源定子单相接地保护中计算接地电阻值准确度不高的问题，其误差不超过10％；解决了发电机定子单相接地保护不具有故障定位功能的问题，对于金属性接地故障，其故障位置的误差在6％以内。

附图说明

图1是考虑配电变压器参数的高准确度外加20Hz电压源定子单相接地保护的T型等效电路。

图2是发电机单相接地故障示意图。

图3是本发明实施例的发电机部分接线示意图。

图4是本发明实施例的定子单相接地保护及故障定位装置工作原理框图

图5是本发明实施例中高准确度外加20Hz电源定子单相接地保护的主要流程图。

图6是本发明实施例中定子单相接地故障定位的主要流程图。

具体实施方式

下面结合附图来说明一下本发明的原理和具体的实施方式。

过去分析外加电源型单相接地保护的等效电路时，认为配电变压器的漏阻抗很小可以忽略不计，激磁阻抗很大认为开路。实际上，配电变压器的激磁阻抗并非无穷大，漏抗也会产生压降，如图1是考虑配电变压器参数的T型等效电路。其中：R₁′、X₁′与R₂、X₂分别是一、二次侧绕组的漏阻抗；R_m′、X_m′是激磁阻抗；各参数为20Hz下折算到二次侧的值，其中R₁′＝R₂＝R_k/2，X₁′＝X₂＝X_k/2；R_k、X_k是配电变压器短路阻抗。考虑中性点接地装置配电变压器的漏阻抗和激磁阻抗影响，以变压器T型等效电路为基础，由二次侧20Hz电流和电压计算一次侧接地故障电阻值。

二次侧计算的定子对地导纳为 $Y=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s}$

折算到一次侧的接地电阻值为 $R_g=n^2\frac{1}{\mathrm{Re}\left(Y\right)}$

其中：n为配电变压器变比， ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s=\stackrel{\&CenterDot;}{U}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_2-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_1,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s=\stackrel{\&CenterDot;}{I}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_2=\stackrel{\&CenterDot;}{I}(R_2+{\mathrm{jX}}_2),$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_1={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s(R_1^{\&prime;}+{\mathrm{jX}}_1^{\&prime;}),$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m=\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{U}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_2}{R_m^{\&prime;}+j{X}_m^{\&prime;}}.$

发电机机端各相对地电压大小的变化与故障位置和故障相有密切关系。当发电机中性点经折算到一次侧阻值为n²R_n的电阻接地时，a相α位置(故障点到中性点的匝数占一相串联总匝数的百分比)经过渡电阻R_g发生接地故障，如图2所示，机端三相对地电压为

中性点零序电压为

三相绕组对地电容分别为C_a、C_b、C_c。发电机三相绕组基波电动势分别为 ${\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ag}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{bg}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{cg}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0.$

由 $\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0}{n^2{R}_n}+\frac{\mathrm{\&alpha;}{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0}{R_g}+({\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0)\&CenterDot;\mathrm{j\&omega;}{C}_a+({\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0)\&CenterDot;\mathrm{j\&omega;}{C}_b+({\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0)\&CenterDot;\mathrm{j\&omega;}{C}_c=0---\left(1\right)$

可得 $\mathrm{\&alpha;}=-\frac{\mathrm{j\&omega;}{C}_a{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a+\mathrm{j\&omega;}{C}_b{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b+\mathrm{j\&omega;}{C}_c{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0(\frac{1}{n^2{R}_n}+\frac{1}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}})}{\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{R_g}}---\left(2\right)$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0=-\frac{\frac{\mathrm{\&alpha;}{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_a{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a+\mathrm{j\&omega;}{C}_b{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b+\mathrm{j\&omega;}{C}_c{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c}{\frac{1}{n^2{R}_n}+\frac{1}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}}---\left(3\right)$

当发电机绕组的三相电动势和对地电容对称时有

$\mathrm{\&alpha;}=-\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0(\frac{1}{n^2{R}_n}+\frac{1}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}})}{\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{R_g}}---\left(4\right)$

${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0=-\frac{\mathrm{\&alpha;}{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{\frac{R_g}{n^2{R}_n}+1+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}{R}_g}---\left(5\right)$

其中：ω＝2πf，f电网频率；C_Σ＝C_a+C_b+C_c。

发电机机端三相对地电压分别为

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ag}}\right|=|{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0|=|1-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{\frac{R_g}{n^2{R}_n}+1+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}{R}_g}|\&CenterDot;\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a\right|---\left(6\right)$

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{bg}}\right|=|{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0|=|(-\frac{1}{2}-j\frac{\sqrt{3}}{2})-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{\frac{R_g}{n^2{R}_n}+1+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}{R}_g}|\&CenterDot;\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a\right|---\left(7\right)$

$\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{cg}}\right|=|{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0|=|(-\frac{1}{2}+j\frac{\sqrt{3}}{2})-\frac{\mathrm{\&alpha;}}{\frac{R_g}{n^2{R}_n}+1+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}{R}_g}|\&CenterDot;\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{\underset{.}{E}}}_a\right|---\left(8\right)$

比较三相对地电压的大小，有

${\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{cg}}\right|}^2-{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{bg}}\right|}^2=\sqrt{3}\mathrm{\&alpha;\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}{R}_g---\left(9\right)$

${\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{bg}}\right|}^2-{\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ag}}\right|}^2=\mathrm{\&alpha;}[(\frac{\sqrt{3}}{n^2{R}_n}-\mathrm{\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}})R_g+\sqrt{3}]---\left(10\right)$

当发电机中性点通过电阻接地时，一次侧电阻通常选取 $n^2{R}_n\&le;\frac{1}{\mathrm{\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}}},$ 这样(10)式恒大于零，即正常相b相的对地电压大于故障相a相的对地电压。由(9)式可知，正常相c相的对地电压不小于另一正常相b相的对地电压。综合所述，故障相的机端对地电压最低。

本发明采用的装置与现有微机继电保护装置类似，是现有的技术，如图3和图4所示。图3中G表示发电机，T表示主变压器，T_n表示发电机中性点配电变压器，R_n是中性点二次侧接地电阻，VD是二次侧分压器，CT是中间电流互感器，TV是发电机机端电压互感器。本实施例中为外加20Hz电源是由发电机中性点配电变压器二次侧经20Hz带通滤波器注入发电机，通过分压器和中间电流互感器测量二次侧的电压

和电流

通过机端电压互感器TV测量发电机机端各相对地电压

这些电流、电压量输入到定子单相接地保护及故障定位装置中进行运算分析。图4是实施例中定子单相接地保护及故障定位装置的具体实现，电压

和电流 经交流变换器(V/V、I/V)将这些二次电压和电流转换成小电压信号、经低通滤波器滤波，CPLD复杂可编程序控制器控制多路开关切换各路输入量以及16位A/D转换器进行模拟量和数字量的转换，各数字量输入到CPU中(DSP TMS320C32)完成定子单相接地保护及故障定位，根据计算结果由CPLD复杂可编程序控制器控制开关量输出，由相应的继电器执行发信或跳闸，同时给出故障信息。其中EEPROM用来存储程序和保护定值，SRAM和FLASH用来存储保护计算的中间变量和故障信息等。

本发明实施例中的高准确度外加20Hz电源定子单相接地保护的主要流程如图5所示：

(1)取中性点配电变压器的测量二次侧的电流和电压，以0.1秒为计算周期，即以10Hz为基频，由傅立叶算法提取二次谐波20Hz电压

和电流

分量。

(2)考虑中性点接地装置配电变压器的漏阻抗和激磁阻抗影响，以变压器T型等效电路为基础，由二次侧20Hz电流和电压计算一次侧接地故障电阻值。

二次侧计算的定子对地导纳为 $Y=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s}$

折算到一次侧的接地故障电阻值为 $R_g=n^2\frac{1}{\mathrm{Re}\left(Y\right)}$

其中：n为配电变压器变比， ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s=\stackrel{\&CenterDot;}{U}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_2-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_1,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s=\stackrel{\&CenterDot;}{I}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_2=\stackrel{\&CenterDot;}{I}(R_2+{\mathrm{jX}}_2),$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_1={\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s(R_1^{\&prime;}+{\mathrm{jX}}_1^{\&prime;}),$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m=\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{U}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_2}{R_m^{\&prime;}+{\mathrm{jX}}_m^{\&prime;}};$ R₁′、X₁′与R₂、X₂′分别是一、二次侧绕组的漏阻抗；R_m′、X_m′是激磁阻抗；各参数为20Hz下折算到二次侧的值，其中R₁′＝R₂＝R_k/2，X₁′＝X₂＝X_k/2；R_k、X_k是配电变压器短路阻抗。

(3)本实施例中当计算的接地故障电阻值R_g低于保护的高整定值5kΩ时发告警信号，当接地故障电阻值低于保护的低整定值500Ω时发跳闸信号，得到开关量输出，由继电器执行动作。

在本发明的高准确度外加20Hz电源定子单相接地保护实施例中，当发电机经不同值电阻发生接地故障时，表1是本发明的高准确度外加20Hz电源定子单相接地保护计算的接地故障电阻值与原有不考虑配电变压器参数的导纳判据计算的接地故障电阻值的比较。从计算结果可以看出，不考虑配电变压器参数影响时，接地故障电阻的计算结果误差很大，尤其在接地故障电阻小于1kΩ时，接地故障电阻的计算误差更大。接地故障电阻在小于低整定值时动作于跳闸，但计算结果偏大将严重影响保护的动作性质，对发电机产生危害。而考虑配电变压器参数影响时，从计算结果可以看出，一次侧接地故障电阻值的计算值误差大幅降低，特别是在接地故障电阻较小时，保护需要跳闸的阻值段，计算准确度很高，这就为保护判据执行正确的动作行为提供了保证，也为进一步故障定位做了准备条件。

表1

一次侧实际接地故障电阻kΩ	二次侧输入装置20Hz电压/V	二次侧输入装置20Hz电流/A	不考虑参数影响接地故障电阻		考虑参数影响接地故障电阻
							计算值/kΩ	误差/％	计算值/kΩ	误差/％
			10	2.833∠177.47°	0.301∠208.31°	8.824					11.76	9.265	7.35
9	2.775∠158.24°	0.315∠186.44°					8.023	10.85	8.376	6.93
			8	2.719∠83.53°	0.335∠109.15°	7.024					12.20	7.488	6.40
7	2.637∠317.79°	0.359∠340.53°					6.396	8.62	6.576	6.05
			6	2.544∠61.77°	0.389∠81.26°	5.556					7.40	5.671	5.48
5	2.418∠230.10°	0.429∠246.07°					4.699	6.02	4.742	5.16
			4	2.255∠142.36°	0.482∠154.58°	3.840					4.00	3.821	4.475
3	2.034∠49.88°	0.559∠57.89°					2.955	1.50	2.879	4.03
			2	1.712∠181.33°	0.672∠184.43°	2.046					2.30	1.934	3.30
1	1.204∠23.42°	0.854∠19.67°					1.126	12.60	0.982	1.80
			0.9	1.138∠356.86°	0.879∠352.14°	1.034					14.88	0.887	1.44
0.8	1.065∠154.54°	0.904∠148.82°					0.944	18.00	0.790	1.25
			0.7	0.991∠307.69°	0.932∠300.72°	0.850					21.42	0.695	0.71
0.6	0.909∠270.93°	0.963∠262.39°					0.756	26	0.597	0.50
			0.5	0.823∠307.59°	0.995∠297.43°	0.664					32.80	0.501	0.20
0.4	0.731∠65.15°	1.029∠52.75°					0.572	43.00	0.403	0.75
			0.3	0.632∠137.37°	1.067∠122.37°	0.483					61.00	0.305	1.6667
0.2	0.526∠316.02°	1.106∠296.78°					0.396	98.00	0.206	3.00
			0.1	0.420∠283.84°	1.151∠258.56°	0.313					213.00	0.110	10.00
0(金属性接地)	0.308∠24.40°	1.195∠347.45°					0.246		0.011

本发明实施例中的定子单相接地故障定位的主要流程如图6所示：

(1)由发电机机端电压互感器测量发电机机端各相对地电压，由发电机中性点电压互感器测量发电机零序电压(发电机的零序电压也可由机端开口三角电压互感器测得U_t)。再由傅立叶算法提取机端三相对地基波电压分别为

中性点基波零序电压为 同时计算发电机三相绕组基波电动势分别为 ${\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ag}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{bg}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{cg}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0.$

(2)由基波零序电压定子接地保护( $\left|{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0\right|>U_{\mathrm{set}},$ 实施例中U_set＝5V)检测出有接地故障发生。

(3)比较发电机三相对地电压的大小判断故障相，基波有效值最小的为故障相。

(4)当发电机发生单相接地故障时，利用高准确度外加20Hz电源定子单相接地保护计算的接地故障电阻值R_g，计算故障位置α(故障点到中性点的匝数占一相串联总匝数的百分比)

$\mathrm{\&alpha;}=-\frac{\mathrm{j\&omega;}{C}_a{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a+\mathrm{j\&omega;}{C}_b{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b+\mathrm{j\&omega;}{C}_c{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0(\frac{1}{n^2{R}_n}+\frac{1}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}})}{\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{R_g}}---\left(1\right)$

当发电机绕组的三相电动势和对地电容对称时，有故障位置的计算进一步简化为

$\mathrm{\&alpha;}=-\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0(\frac{1}{n^2{R}_n}+\frac{1}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}})}{\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{R_g}}---\left(2\right)$

其中C_∑＝C_a+C_b+C_c，C_a、C_b、C_c分别为发电机三相绕组对地电容。

(5)如果基波零序电压定子接地保护没有动作，而外加20Hz电源保护计算的接地故障电阻值较低，相应保护动作，那么接地故障发生在发电机的中性点附近。

在本发明的定子单相接地故障定位方法实施例中，在发电机a相绕组不同的位置经不同的故障电阻进行了接地故障试验，表2给出了接地故障相的判别和故障位置计算的结果。可以看出，发生单相接地故障时，a相电压最低，由机端三相对地电压的大小关系能够正确判断出故障相别是a相，同时故障位置的计算结果也与实际故障位置很接近，误差较小，表现出了良好故障定位效果。

表2

接地故障电阻/kΩ	Uag/V	Ubg/V	Ucg/V	故障相判别	故障位置
								实际值	计算值	误差
					0金属性接地	56.40	60.07				61.50	a	5％	5.05％	1.00％
53.07	61.82	63.42	a	10％				10.60％	6.00％
						36.15	75.10			73.62	a	40％	39.45％	1.38％
0.01	103.60	103.65	a	100％				99.98％	0.02％
						5.432	57.57			59.32	59.80	a	5％	4.35％	13.00％
56.52	60.95	61.62	a	10％	10.22％			2.20％
							47.42		66.70	66.72	a	40％	39.65％	0.86％
28.62	78.75	81.00	a	100％	100.85％			0.85％
							11		57.97	58.70	59.80	a	5％	5.19％	3.80％
57.17	60.65	61.05	a	10％	11.78％	17.80％
								51.27	64.42	64.47	a	40％	41.05％	2.63％
38.85	71.60	73.05	a	100％	101.81％	1.81％

Claims (2)

1.发电机定子绕组单相接地的保护方法，其特征在于它依次含有以下步骤：

(1)发电机中性点与配电变压器一次侧的绕组断开，向配电变压器二次侧注入外加20Hz电源，由配电变压器的空载和短路实验测得配电变压器在20Hz下折算到二次侧的激磁阻抗R_m′、X_M′，短路阻抗R_k、X_k，把它们的值存入计算机；

(2)设配电变压器在20Hz下折算到二次侧的下述各参数值为：一次绕组的漏阻抗R₁′、X₁′：R₁′＝R_k/2，X₁′＝X_k/2，二次绕组的漏阻抗R₂、X₂：R₂＝R_k/2，X₂＝X_k/2，把R₁′、X₁′、R₂、X₂的值存入计算机；

(3)发电机中性点与配电变压器一次侧的绕组联接，向配电变压器的二次侧注入外加的20Hz电源；

(4)计算机通过电压互感器和电流互感器测得二次侧的电压和电流，再以0.1秒为计算周期，即以10Hz为基频，用傅立叶算法提取二次谐波20Hz电压和电流

分量；

(5)以变压器T型等效电路为基础，计算机求得折算到一次侧的接地故障电阻值R_g，它的步骤为：

(5.1)计算机根据上述得到的R_m′、X_m′、R₂、X₂、、 ，并用以下公式计算得到变压器T型等效电路中流过R₁′+jX₁′且离开节点的电流 ，折算到二次侧的发电机对地容抗-jX_C′两端的电压_s：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s=\stackrel{\&CenterDot;}{I}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m$ 为流过R₂+jX₂的电流，指向上述节点，

为流过R_m′+jX_m′的电流，离开上述节点，

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m=\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{U}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_2}{R_m^{\&prime;}+j{X}_m^{\&prime;}}$ ，₂为R₂+jX₂上的电压，指向上述节点，

为中性点二次侧接地电阻R_n上的电压，

_s＝-₂-₁；

(5.2)得到二次侧计算的定子绕组对地导纳Y：

$Y=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s};$

(5.3)得到折算到一次侧的接地故障电阻R_g：

$R_g=n^2\frac{1}{\mathrm{Re}\left(Y\right)}$ ，n为配电变压器变比；

(6)计算机根据设定并存储的保护用接地故障电阻高整定值和低整定值来与上述测算的接地故障电阻值比较：

当上述测算的接地故障电阻值低于保护设定的接地电阻高整定值时发出告警信号；

当上述测算的接地故障电阻值低于保护设定的接地电阻低整定值时发出跳闸信号。

2.发电机定子绕组单相接地的故障定位方法，其特征在于它依次含有以下步骤：

(1)设定发电机三相绕组对地电容分别为C_a、C_b、C_c，发电机中性点接地电阻折算到一次侧的值为n²R_n，n为配电变压器变比；

(2)发电机中性点与配电变压器一次侧的绕组断开，向配电变压器二次侧注入外加20Hz电源，由配电变压器的空载和短路实验测得配电变压器在20Hz下折算到二次侧的激磁阻抗R_m′、X_m′，短路阻抗R_k、X_k，把它们的值存入计算机；

(3)设配电变压器在20Hz下折算到二次侧的下述各参数值为：

一次绕组的漏阻抗R₁′、X₁′：R₁′＝R_k/2，X₁′＝X_k/2，

二次绕组的漏阻抗R₂、X₂：R₂＝R_k/2，X₂＝X_k/2，

把R₁′、X₁′、R₂、X₂的值存入计算机；

(4)发电机中性点与配电变压器一次侧的绕组联接，向配电变压器的二次侧注入外加的20Hz电源；

(5)计算机通过电压互感器和电流互感器测得二次侧的电压和电流，再以0.1秒为计算周期，即以10Hz为基频，用傅立叶算法提取二次谐波20Hz电压和电流 分量；

(6)以变压器T型等效电路为基础，计算机求得折算到一次侧的接地故障电阻值R_g，它的步骤为：

(6.1)计算机根据上述得到的R_m′、X_m′、R₂、X₂、 并用以下公式计算得到变压器T型等效电路中流过R₁′+jX₁′且离开节点的电流

折算到二次侧的发电机对地容抗-jX_C′两端的电压_s：

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s=\stackrel{\&CenterDot;}{I}-{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m,$ 为流过R₂+jX₂的电流，指向上述节点，

为流过R_m′+jX_m′的电流，离开上述节点，

${\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_m=\frac{\stackrel{\&CenterDot;}{U}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_2}{R_m^{\&prime;}+j{X}_m^{\&prime;}},$ ₂为R₂+jX₂上的电压，指向上述节点，

为中性点二次侧接地电阻R_n上的电压，

_s＝-₂-₁；

(6.2)得到二次侧计算的定子绕组对地导纳Y：

$Y=\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{I}}_s}{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_s};$

(6.3)得到折算到一次侧的接地故障电阻R_g：

$R_g=n^2\frac{1}{\mathrm{Re}\left(Y\right)},$ n为配电变压器变比；

(7)判断发电机的故障相，它依次包含以下步骤：

(7.1)计算机通过发电机机端电压互感器测得发电机机端三相对地电压，再用傅立叶算法提取机端三相对地基波电压_ag、_bg、_cg；

(7.2)计算机通过发电机中性点电压互感器测量发电机零序电压，再用傅立叶算法提取中性点基波零序电压₀；

(7.3)计算并存储发电机三相绕组基波电动势 ${\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{ag}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{bg}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0,$ ${\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c={\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_{\mathrm{cg}}-{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0;$

(7.4)比较|₀|与U_set：若|₀|＞U_set，则有定子绕组单相接地故障发生，其中：U_set为基波零序电压定子接地保护电压的整定值；若|₀|＞U_set，且R_g低至发生相应的保护动作，则接地故障发生在发电机中性点附近；

(7.5)比较发电机机端三相对地电压的大小，根据基波有效值最小的一相为故障相的原则判断故障相；

(8)利用步骤(6)得到的接地故障电阻值R_g计算故障相的故障位置α(故障点到中性点的匝数占一相串联总匝数的百分比)：

故障相设为a相，当发电机绕组的三相电动势和对地电容不对称时，

$\mathrm{\&alpha;}=-\frac{\mathrm{j\&omega;}{C}_a{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a+\mathrm{j\&omega;}{C}_b{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_b+\mathrm{j\&omega;}{C}_c{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_c+{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0(\frac{1}{n^2{R}_n}+\frac{1}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}})}{\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{R_g}};$

当发电机绕组的三相电动势和对地电容对称时，

$\mathrm{\&alpha;}=-\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{U}}_0(\frac{1}{n^2{R}_n}+\frac{1}{R_g}+\mathrm{j\&omega;}{C}_{\mathrm{\&Sigma;}})}{\frac{{\stackrel{\&CenterDot;}{E}}_a}{R_g}}$

其中：ω＝2πf，f电网频率；C_∑＝C_a+C_b+C_c。

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