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大型水輪發電機單機容量大，繞組結構復雜，故障后需要盡快檢修以保障系統正常供電。定子繞組單相接地故障是發電機最常見的故障類型之一，目前大型發電機定子繞組接地保護主要包括基波電壓保護、三次諧波電壓保護及利用外加低頻電壓源構成的注入式保護，共同構成兩套100%定子單相接地保護。

現有保護方法不具備故障定位功能，在實際工程中通常需要基于“二分法”逐次測量繞組線圈的絕緣情況以確定故障位置，費時費力。如果再發生接地故障后能夠依據實時故障錄波數據準確定位故障線圈，將縮短故障排查時間，提高供電可靠性。汽輪發電機具有特殊的繞組分布形式，定位方法相對成熟，能夠準確定位故障位置。而對于水輪發電機而言，其繞組電壓分布形式多樣，難以仿照汽輪發電機提出通用的幾何關系，其故障定位方法還有改進的空間。

現有定位方法未考慮負載工況下電樞反應對繞組電壓分布的影響，強電磁工程與新技術國家重點實驗室（華中科技大學）、電力安全與高效湖北省重點實驗室（華中科技大學）的譚力銘、尹項根、王義凱、喬健、徐雯，基于對電樞反應機理的深度研究，得出不同負載工況下定子繞組電壓與空載情況下定子繞組電動勢分布規律相同的結論，提出一種自適應工況的大型水輪發電機定子繞組單相接地故障定位方法。

圖1 故障定位方法流程

研究人員首先根據水輪發電機基本參數和繞組連接順序計算繞組空載電動勢分布，利用故障繞組電動勢和中性點零序電壓構建故障評價函數實現空載工況下的故障定位。發電機負載工況下的電樞反應會改變故障繞組電壓分布形式，考慮電樞反應后能夠避免在負載工況下存在定位偏差的問題。

表1 部分故障場景下的故障定位結果

他們對電樞反應電動勢的產生機理及其分布形式進行深度分析，基于電樞反應磁動勢與勵磁磁動勢同步旋轉相對靜止的特點，得出負載情況下故障繞組各線圈電壓分布形式與空載情況下各線圈電動勢分布形式相同的結論。據此計算實時負載工況下發電機繞組電壓分布形式，并對空載故障評價函數進行修正，給出負載情況下的自適應故障評價函數。

然后通過計算繞組上各虛擬故障點對應的自適應故障評價函數值并進行比較，將故障評價函數極小值對應的虛擬故障點作為定位結果并計算故障過渡電阻。若故障評價函數存在多個極小值，則通過注入式保護的過渡電阻測量值協助判斷實際故障線圈。研究人員進一步指出，在PSCAD/EMTDC中搭建水輪發電機準分布參數模型，仿真結果表明了該方法在不同故障條件和運行工況下均能準確定位故障位置，為故障檢修提供了參考。

本文編自2022年第17期《電工技術學報》，論文標題為“自適應工況的大型水輪發電機定子接地故障定位方法”。本課題得到國家自然科學基金資助項目的支持。