勵磁變壓器低壓側(cè)單相接地故障在線識別方法

陳 俊，王昀帆，嚴 偉，沈全榮

（南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

發(fā)電機勵磁回路接地故障是發(fā)電機組最為常見的故障形式之一［1-7］。由于勵磁回路的復雜性，發(fā)生一點接地故障后，需要排查的環(huán)節(jié)比較多，接地故障點位置測量功能可減少排查工作量，縮短故障排查時間［8］。乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護原理（也稱為切換采樣式轉(zhuǎn)子接地保護原理）在現(xiàn)場得到廣泛應用，該原理不僅能夠檢測勵磁繞組本體的絕緣下降，其檢測范圍還包括勵磁繞組至晶閘管之間的電纜、勵磁繞組至保護之間的電纜、碳刷、集電環(huán)等部位。對于靜態(tài)勵磁系統(tǒng)，當勵磁變壓器（以下簡稱勵磁變）低壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時，在1個工頻周期內(nèi)，勵磁繞組的正端和負端各有1/3的時間接地，乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護原理也可以檢測到對地絕緣電阻值的下降，并且計算出接地位置值在50%左右，導致故障定位錯誤［9-14］，誤導現(xiàn)場人員接地故障排查的方向。目前，尚未見勵磁變低壓側(cè)單相接地故障識別方法的相關(guān)文獻。

為了區(qū)分勵磁繞組一點接地故障和勵磁變低壓側(cè)單相接地故障，減少故障排查時間，本文提出了一種基于乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護原理的勵磁變低壓側(cè)單相接地故障在線識別方法。

1 勵磁變低壓側(cè)單相接地故障特征分析

勵磁變低壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時（假設(shè)B相為故障相），整流電路采用6脈動橋式全控整流電路，其輸出直接與勵磁繞組相連，如圖1所示。

圖1 勵磁變低壓側(cè)B相接地故障示意圖Fig.1 Schematic diagram of phase-B grounding fault at low-voltage side of excitation transformer

由于勵磁變低壓側(cè)的電纜B相金屬性接地，當晶閘管VT3導通時，相當于勵磁繞組正端接地；當晶閘管VT4導通時，相當于勵磁繞組負端接地，在1個工頻周期內(nèi)，勵磁繞組的正端和負端各有1/3的時間接地，勵磁電壓在故障過程中不發(fā)生變化［15-16］。

某電廠125 MW機組勵磁變低壓側(cè)B相金屬性接地時的錄波數(shù)據(jù)如圖2所示，圖中Ur+、Ur-和Ur分別為勵磁繞組正端對地電壓、負端對地電壓及勵磁電壓，波形特征與前面的理論分析相吻合。

圖2 勵磁變低壓側(cè)B相接地時的勵磁電壓Fig.2 Excitation voltage when phase-B grounding fault occurs at low-voltage side of excitation transformer

乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護原理如圖3所示。圖3中，R為乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護回路電阻；Rg為勵磁繞組對地絕緣電阻；S1和S2為電子開關(guān)，兩者的狀態(tài)始終相反；il1和il2為回路電流。

定義S1處于合位且S2處于分位為狀態(tài)1，S1處于分位且S2處于合位為狀態(tài)2。

圖3 乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護原理圖Fig.3 Schematic diagram of ping-pong type rotor grounding fault protection

圖3中勵磁繞組一點接地電阻Rg為：

其中，Ur和U′r分別為狀態(tài)1和狀態(tài)2時的勵磁電壓；il1、il2為狀態(tài) 1 時的回路電流；i′l1、i′l2為狀態(tài) 2 時的回路電流。

勵磁繞組一點接地相對位置α以百分比表示，故障點位于負端時為0，故障點位于正端時為100%。

式（1）、（2）中勵磁電壓已采用數(shù)字濾波技術(shù)去除了高次諧波分量，基本可以認為是直流電壓。

假設(shè)當電子開關(guān)S1處于合位且S2處于分位時，VT3導通，勵磁繞組正端接地，過渡電阻為Rg，勵磁電壓為Ur，稱為狀態(tài)a；當電子開關(guān)S1處于分位且S2處于合位時，VT4導通，勵磁繞組負端接地，過渡電阻和勵磁電壓均不變，稱為狀態(tài)b，如圖4所示。

圖4 勵磁變低壓側(cè)單相接地時的等效圖Fig.4 Equivalent diagram of single-phase grounding fault at low-voltage side of excitation transformer

狀態(tài)a下的回路電流分別為：

狀態(tài)b下的回路電流為：

將以上結(jié)果代入式（2）可得α=50%，與保護裝置實測的故障位置完全吻合，即勵磁變低壓側(cè)單相接地故障時，乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護計算的相對位置為50%，與接地過渡電阻的大小無關(guān)。

對于另一種情況：電子開關(guān)S1處于合位且S2處于分位時，VT4導通；電子開關(guān)S1處于分位且S2處于合位時，VT3導通，接地故障相對位置α同樣為50%，此處不再推導。

以上接地故障位置分析是基于2種狀態(tài)下勵磁電壓不變的前提，當勵磁電壓有一定波動時，計算出的α將會在50%附近上下波動。

2 勵磁變低壓側(cè)單相接地故障識別方法

從圖2可見，勵磁變低壓側(cè)發(fā)生單相金屬性接地故障時，在1個工頻周期內(nèi)，勵磁繞組的正端和負端各有1/3的時間接地，接地時的對地電壓為0，通過全周傅里葉算法可以提取出Ur+和Ur-中含量較大的工頻交流分量。

對圖2所示的Ur+和Ur-進行頻譜分析，其幅頻特性如圖5所示。

圖5 Ur+和Ur-的幅頻特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristics of Ur+and Ur-

當勵磁變低壓側(cè)發(fā)生非金屬性（經(jīng)過渡電阻）接地故障時，1個工頻周期內(nèi)，勵磁繞組的正端和負端各有1/3的時間經(jīng)過渡電阻接地，接地時的對地電壓不再為0，正端對地電壓略大于0，負端對地電壓略小于0，過渡電阻越小越靠近0，Ur+和Ur-的波形仍然會呈現(xiàn)交流脈動特征，且Ur+和Ur-中仍然含有一定的工頻交流分量。

可見，勵磁變低壓側(cè)發(fā)生單相接地故障時，無論是金屬性接地還是非金屬性接地，Ur+、Ur-中均含有一定的工頻交流分量。而勵磁繞組一點接地故障時，Ur+和Ur-中主要是直流分量和高次諧波分量，幾乎沒有工頻交流分量。可見，利用Ur+和Ur-中的工頻交流分量大小即可區(qū)分以上2種故障。

為了提高故障識別的準確性，引入勵磁變低壓側(cè)單相接地故障時的另外一個特征量α=50%，則構(gòu)成如下判據(jù)：

其中，Rg.set為勵磁繞組一點接地電阻定值，依機組實際冷卻方式整定；max表示取最大值；Ur為勵磁電壓，由乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護裝置內(nèi)的采樣電阻測量；Ur+_1ω和Ur-_1ω分別為勵磁繞組正、負對地電壓的基波有效值；Δαset可取 10%～20%；kset可取 0.2～0.4。

滿足式（7）則認為勵磁變低壓側(cè)發(fā)生了單相接地故障。

3 現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)驗證

圖6為圖2所示的勵磁變低壓側(cè)發(fā)生B相金屬性接地時，勵磁繞組正端對地電壓、負端對地電壓的工頻交流有效值最大值與勵磁電壓的比值k，故障過程中該比值大于0.8。

圖6 勵磁變低壓側(cè)B相金屬性接地時的k值Fig.6 Variation of ratio k during phase-B metallic grounding fault at low-voltage side of excitation transformer

圖7為某電廠600 MW機組勵磁繞組一點接地故障時的勵磁繞組正、負端對地電壓以及勵磁電壓，故障過程中勵磁繞組正、負端對地電壓中含有少量工頻交流分量，勵磁電壓中含有明顯的6次諧波分量，其直流分量為175 V左右。圖8為圖7故障過程中勵磁繞組正端對地電壓、負端對地電壓的工頻交流有效值最大值與勵磁電壓的比值k，故障過程中該比值為0.05～0.06。

圖7 勵磁繞組一點接地時的勵磁電壓Fig.7 Excitation voltage when single-point grounding fault of excitation winding occurs

圖8 勵磁繞組一點接地故障時的k值Fig.8 Ratio k when single-point grounding fault of excitation winding occurs

比較圖6和圖8可見，2種情況下的k值差別明顯，考慮非金屬性接地時過渡電阻的影響，kset取0.2～0.4，即可區(qū)分勵磁變低壓側(cè)單相接地故障和勵磁繞組一點接地故障。

本文方法可大幅縮短故障排查時間，有效性已得到多個現(xiàn)場案例的驗證。

4 結(jié)語

本文提出了一種基于乒乓式轉(zhuǎn)子接地保護原理的勵磁變低壓側(cè)單相接地故障在線識別方法，當勵磁繞組一點接地電阻計算值小于定值，接地故障位置計算值在50%左右，且勵磁繞組正、負端對地電壓的基波有效值最大值與勵磁電壓的比值超過設(shè)定值時，則認為勵磁變低壓側(cè)發(fā)生了單相接地故障。理論分析和現(xiàn)場錄波數(shù)據(jù)驗證了本文方法的正確性。

本文方法能夠有效區(qū)分勵磁繞組一點接地故障和勵磁變低壓側(cè)單相接地故障，顯著提高了故障排查效率。