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大型水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量大，繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障后需要盡快檢修以保障系統(tǒng)正常供電。定子繞組單相接地故障是發(fā)電機(jī)最常見的故障類型之一，目前大型發(fā)電機(jī)定子繞組接地保護(hù)主要包括基波電壓保護(hù)、三次諧波電壓保護(hù)及利用外加低頻電壓源構(gòu)成的注入式保護(hù)，共同構(gòu)成兩套100%定子單相接地保護(hù)。

現(xiàn)有保護(hù)方法不具備故障定位功能，在實(shí)際工程中通常需要基于“二分法”逐次測(cè)量繞組線圈的絕緣情況以確定故障位置，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。如果再發(fā)生接地故障后能夠依據(jù)實(shí)時(shí)故障錄波數(shù)據(jù)準(zhǔn)確定位故障線圈，將縮短故障排查時(shí)間，提高供電可靠性。汽輪發(fā)電機(jī)具有特殊的繞組分布形式，定位方法相對(duì)成熟，能夠準(zhǔn)確定位故障位置。而對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)而言，其繞組電壓分布形式多樣，難以仿照汽輪發(fā)電機(jī)提出通用的幾何關(guān)系，其故障定位方法還有改進(jìn)的空間。

現(xiàn)有定位方法未考慮負(fù)載工況下電樞反應(yīng)對(duì)繞組電壓分布的影響，強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）、電力安全與高效湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)）的譚力銘、尹項(xiàng)根、王義凱、喬健、徐雯，基于對(duì)電樞反應(yīng)機(jī)理的深度研究，得出不同負(fù)載工況下定子繞組電壓與空載情況下定子繞組電動(dòng)勢(shì)分布規(guī)律相同的結(jié)論，提出一種自適應(yīng)工況的大型水輪發(fā)電機(jī)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(jù)水輪發(fā)電機(jī)基本參數(shù)和繞組連接順序計(jì)算繞組空載電動(dòng)勢(shì)分布，利用故障繞組電動(dòng)勢(shì)和中性點(diǎn)零序電壓構(gòu)建故障評(píng)價(jià)函數(shù)實(shí)現(xiàn)空載工況下的故障定位。發(fā)電機(jī)負(fù)載工況下的電樞反應(yīng)會(huì)改變故障繞組電壓分布形式，考慮電樞反應(yīng)后能夠避免在負(fù)載工況下存在定位偏差的問題。

表1 部分故障場(chǎng)景下的故障定位結(jié)果

他們對(duì)電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的產(chǎn)生機(jī)理及其分布形式進(jìn)行深度分析，基于電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)同步旋轉(zhuǎn)相對(duì)靜止的特點(diǎn)，得出負(fù)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(dòng)勢(shì)分布形式相同的結(jié)論。據(jù)此計(jì)算實(shí)時(shí)負(fù)載工況下發(fā)電機(jī)繞組電壓分布形式，并對(duì)空載故障評(píng)價(jià)函數(shù)進(jìn)行修正，給出負(fù)載情況下的自適應(yīng)故障評(píng)價(jià)函數(shù)。

然后通過(guò)計(jì)算繞組上各虛擬故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)的自適應(yīng)故障評(píng)價(jià)函數(shù)值并進(jìn)行比較，將故障評(píng)價(jià)函數(shù)極小值對(duì)應(yīng)的虛擬故障點(diǎn)作為定位結(jié)果并計(jì)算故障過(guò)渡電阻。若故障評(píng)價(jià)函數(shù)存在多個(gè)極小值，則通過(guò)注入式保護(hù)的過(guò)渡電阻測(cè)量值協(xié)助判斷實(shí)際故障線圈。研究人員進(jìn)一步指出，在PSCAD/EMTDC中搭建水輪發(fā)電機(jī)準(zhǔn)分布參數(shù)模型，仿真結(jié)果表明了該方法在不同故障條件和運(yùn)行工況下均能準(zhǔn)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(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“自適應(yīng)工況的大型水輪發(fā)電機(jī)定子接地故障定位方法”。本課題得到國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目的支持。