基于零序電壓有源調(diào)控的發(fā)電機(jī)定子接地故障消弧方法及保護(hù)對(duì)策

徐 雯，王義凱，尹項(xiàng)根，喬 健，譚力銘，李 偉

（1. 華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；2. 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，湖北 武漢 430074；3. 國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京 100032）

0 引言

大型發(fā)電機(jī)易發(fā)生弧光接地故障，從而損傷繞組絕緣、破壞定子鐵芯，且維修不便，這是發(fā)電機(jī)保護(hù)的一大難題。國(guó)內(nèi)外大型發(fā)電機(jī)組普遍采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈或配電變壓等非有效接地方式，從而限制單相接地故障電流。而此類無(wú)源消弧方法僅能補(bǔ)償故障點(diǎn)工頻無(wú)功殘流，無(wú)法補(bǔ)償有功電流，且無(wú)法適應(yīng)各種復(fù)雜的發(fā)電機(jī)定子接地故障情況，消弧能力有限。間歇性弧光接地故障易形成過(guò)電壓，產(chǎn)生的故障電流如不及時(shí)消除，可能燒毀發(fā)電機(jī)定子繞組［1］。但若定子接地保護(hù)在瞬時(shí)性接地故障情況下動(dòng)作并切除發(fā)電機(jī)，將引發(fā)長(zhǎng)時(shí)間機(jī)組停電事故，影響供電可靠性，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。

針對(duì)消弧問(wèn)題，文獻(xiàn)［2］提出一種基于零序電壓柔性控制的配電網(wǎng)接地故障消弧與保護(hù)新原理，通過(guò)特定裝置注入電流并控制故障相電壓為0，從源頭上實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)接地故障的100%消弧。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)［3-5］提出針對(duì)配電網(wǎng)接地故障的選線選相方法。但針對(duì)發(fā)電機(jī)定子接地故障消弧方面的應(yīng)用卻鮮有研究，隨著新能源并網(wǎng)比例增大，主力機(jī)組的重要性逐漸提升，發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)輕易切機(jī)不利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。零序電壓調(diào)控獨(dú)特的有源消弧和補(bǔ)償能力可以消除定子繞組瞬時(shí)性弧光接地故障，保持發(fā)電機(jī)穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行，其經(jīng)濟(jì)效益不容忽視。

針對(duì)發(fā)電機(jī)定子接地故障，現(xiàn)有的保護(hù)主要為基波零序電壓保護(hù)、3 次諧波電壓保護(hù)和低頻注入式保護(hù)。基波零序電壓保護(hù)與3 次諧波電壓保護(hù)共同構(gòu)成的100%定子接地保護(hù)已在工程上得到廣泛應(yīng)用，并已有大量研究對(duì)其進(jìn)行修正和改進(jìn)［6-10］。但零序電壓有源調(diào)控在調(diào)控零序電壓進(jìn)行消弧時(shí)會(huì)造成零序電壓保護(hù)誤動(dòng)，擴(kuò)大故障范圍。低頻注入式保護(hù)［11-12］在大型機(jī)組中可與100%定子接地保護(hù)構(gòu)成雙重化保護(hù)，但在外加零序電壓調(diào)控裝置的基礎(chǔ)上裝配注入式保護(hù)的經(jīng)濟(jì)可行性不高。上述保護(hù)方法均無(wú)法獨(dú)立分辨瞬時(shí)性定子接地故障，在此情況下無(wú)法保證發(fā)電機(jī)持續(xù)供電。

因此，為了能夠有效消弧，本文在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引入零序電壓有源調(diào)控裝置，通過(guò)理論分析和仿真證明其能夠有效降低故障點(diǎn)電壓和電流，同時(shí)補(bǔ)償故障電流的無(wú)功、有功分量。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于零序電壓有源調(diào)控的故障辨別方法，基于注入電流后中性點(diǎn)零序電壓和電流的特性，辨別故障是否消弧，有效區(qū)分瞬時(shí)性接地故障和永久性接地故障。本文所提的保護(hù)對(duì)策可與現(xiàn)有保護(hù)配合，實(shí)現(xiàn)在發(fā)生瞬時(shí)性接地故障時(shí)發(fā)電機(jī)的不停電運(yùn)行，避免頻繁停機(jī)和計(jì)劃外停機(jī)檢修，保證系統(tǒng)的供電可靠性。

1 零序電壓有源調(diào)控及其影響

1.1 零序電壓有源調(diào)控的消弧方法

接地故障消弧的機(jī)理為［13-14］：交流電流過(guò)零點(diǎn)熄弧后，絕緣介質(zhì)的恢復(fù)速度快于故障相電壓的恢復(fù)速度，從而有效阻止電弧重燃。影響消弧的主要因素有殘流大小、恢復(fù)電壓幅值和恢復(fù)電壓上升速度。故障電流越小，介質(zhì)損傷越小，越有利于絕緣介質(zhì)恢復(fù)；故障相恢復(fù)電壓的幅值越小、恢復(fù)初速度越慢、恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)，使得絕緣介質(zhì)越難以重新?lián)舸?，阻止電弧重燃，有利于接地故障消弧?/p>

零序電壓有源調(diào)控根據(jù)交流電弧熄滅機(jī)理，主動(dòng)調(diào)控故障點(diǎn)電壓，使故障恢復(fù)電壓低于絕緣恢復(fù)強(qiáng)度（電弧重燃電壓），阻止電弧重燃，實(shí)現(xiàn)故障徹底熄弧，將傳統(tǒng)接地消弧問(wèn)題轉(zhuǎn)化為故障點(diǎn)電壓控制問(wèn)題，由傳統(tǒng)被動(dòng)電流消弧轉(zhuǎn)化為主動(dòng)電壓消?。?］。

發(fā)電機(jī)零序電壓有源調(diào)控示意圖如圖1 所示，在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地變壓器副邊接入小容量柔性可控電流源，利用改變注入電流的幅值及相位調(diào)節(jié)中性點(diǎn)電壓的方法，實(shí)現(xiàn)任意位置定子對(duì)地電壓的靈活調(diào)控，現(xiàn)有已投入工程應(yīng)用的零序電壓有源調(diào)控裝置容量在50 kV·A 以內(nèi)。以調(diào)控C 相電壓為例進(jìn)行說(shuō)明：在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)外加零序電源，當(dāng)中性點(diǎn)對(duì)地電壓發(fā)生偏移時(shí)，各相出現(xiàn)零序電壓，即A、B、C相對(duì)地電壓發(fā)生變化，但各相之間的線電壓不受影響；且一般發(fā)電機(jī)所接變壓器低壓側(cè)為三角形接線，零序電壓變化不影響高壓側(cè)負(fù)載，故負(fù)載側(cè)不受C相降壓和零序電壓調(diào)控的影響。

圖1 發(fā)電機(jī)零序電壓有源調(diào)控示意圖Fig.1 Schematic diagram of zero-sequence voltage regulation for generator

考慮故障發(fā)生在C 相距離中性點(diǎn)α處，則注入的電流Is可表示為：

為實(shí)現(xiàn)單相接地故障消弧，保證故障點(diǎn)電壓為0，應(yīng)調(diào)節(jié)中性點(diǎn)零序電壓UN=-Ef，將其代入式（1）可得：

假設(shè)發(fā)電機(jī)三相完全對(duì)稱，且各相對(duì)地電容相等，則需要向中性點(diǎn)注入的電流為-Ef[(YA+YB+YC)(1-ZTYN)+YN]。Ef可由發(fā)電機(jī)在線故障定位得到，定位方法已有很多較為成熟的研究［15-18］，可利用注入式保護(hù)或基波零序電壓故障分量求得Ef。其中注入式保護(hù)對(duì)過(guò)渡電阻的測(cè)量會(huì)影響故障定位精度，過(guò)渡電阻的增加會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差的增加，影響注入量的計(jì)算，但仍然能將故障電流降低至安全電流1 A以下，達(dá)到有效消弧的效果。

通過(guò)注入電流將中性點(diǎn)零序電壓箝制為UN=-Ef，可以實(shí)現(xiàn)抑制故障點(diǎn)電壓至0 的目的，從而使得接地故障電流消失，同時(shí)補(bǔ)償故障電流的無(wú)功、有功分量。該方法彌補(bǔ)了現(xiàn)有接地消弧技術(shù)的不足，可100%補(bǔ)償發(fā)電機(jī)接地故障電流基波分量。

仿真0.2 s 時(shí)在發(fā)電機(jī)定子C 相繞組距中性點(diǎn)α=0.875 處發(fā)生Rf=2 000 Ω 的接地故障，0.5 s 時(shí)進(jìn)行有源消弧控制，測(cè)得故障接地電流和故障點(diǎn)基波電壓的幅值變化情況如圖2所示。圖中：If為故障接地電流幅值；If1為故障接地電流基波幅值；If3為故障接地電流3次諧波幅值；Uf1為故障點(diǎn)基波電壓幅值。

圖2 故障接地電流和電壓的幅值變化Fig.2 Amplitude change of fault grounding current and voltage

分析圖2 可知，引入零序電壓有源調(diào)控后，故障接地電流的基波分量和故障相電壓基波幅值均下降為0，而故障接地電流的3次諧波分量基本沒(méi)有受到影響，因此總的故障接地電流將衰減到3 次諧波電流的大小。特別地，在注入電流后，這個(gè)消弧過(guò)程并不是故障接地電流迅速下降為0，而是在快速下降一定程度后進(jìn)入一個(gè)緩沖的過(guò)程，該過(guò)程中故障接地電流和故障點(diǎn)電壓近似以固定的斜率下降，且降到最低值需要一定的時(shí)間。

因此分別對(duì)故障位置距中性點(diǎn)α=0.875 和α=0.125 的不同故障類型的消弧效果進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同故障類型的消弧效果Table 1 Arc suppression effect of different fault types

從仿真結(jié)果可以看出，零序電壓有源調(diào)控能夠有效地降低故障接地電流和電壓，可以起到主動(dòng)接地消弧的作用，保證發(fā)電機(jī)的持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 對(duì)現(xiàn)有發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)的影響

對(duì)于3 次諧波定子接地保護(hù)而言，由于零序電壓有源調(diào)控僅是在中性點(diǎn)側(cè)注入工頻電流，基本不會(huì)影響系統(tǒng)中的3 次諧波電壓的分布情況。因此，主動(dòng)降壓不停電運(yùn)行方式基本不會(huì)影響3 次諧波電壓保護(hù)的運(yùn)行情況。

對(duì)于注入式保護(hù)而言，注入式保護(hù)與零序電壓有源調(diào)控裝置同時(shí)接入時(shí)（可考慮分別從中性點(diǎn)和機(jī)端接入），由于注入式保護(hù)檢測(cè)的是特殊的低頻量，因此接入的工頻注入電壓或電流并不會(huì)影響注入式保護(hù)。

對(duì)于零序電壓定子接地保護(hù)而言，在不考慮三相對(duì)地電容不平衡的情況下，實(shí)際是在中性點(diǎn)注入電流使得故障點(diǎn)處的電壓為0。由此可知此時(shí)中性點(diǎn)電壓為-Ef。發(fā)生瞬時(shí)性弧光接地時(shí)，注入電流后故障點(diǎn)電壓降為0，電弧消失，但此時(shí)中性點(diǎn)零序電壓仍為-Ef，這會(huì)導(dǎo)致發(fā)電機(jī)零序電壓定子接地保護(hù)誤動(dòng)。

仿真0.2 s 時(shí)在發(fā)電機(jī)定子C 相繞組距中性點(diǎn)α=0.875 處發(fā)生Rf=100 Ω 的瞬時(shí)性接地故障，持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為0.1 s，0.22 s 時(shí)進(jìn)行有源消弧控制，可測(cè)得If和中性點(diǎn)基波零序電壓幅值UN1的變化如圖3所示。

圖3 故障接地電流和中性點(diǎn)基波零序電壓的幅值波形圖Fig.3 Amplitude change of fault grounding current and fundamental zero-sequence voltage of neutral point

從圖3 中可以看出，注入零序電流后故障接地電流幅值降低，故障消失后中性點(diǎn)基波零序電壓幅值持續(xù)上升。但零序電壓保護(hù)和調(diào)控裝置均無(wú)法辨別接地故障是否消失，導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)切機(jī)，造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

綜上所述，通過(guò)采用外加零序電源，主動(dòng)調(diào)控中性點(diǎn)零序電壓，實(shí)現(xiàn)故障相電壓控制，可在發(fā)生瞬時(shí)性接地故障時(shí)使故障點(diǎn)熄弧，增加發(fā)電機(jī)帶接地故障安全可靠運(yùn)行時(shí)間。但其中性點(diǎn)零序電壓調(diào)控方式在消除瞬時(shí)性接地故障后會(huì)導(dǎo)致中性點(diǎn)零序電壓上升，致使基波零序電壓保護(hù)誤動(dòng)。為此，需要在有源消弧后，對(duì)接地故障是否消失進(jìn)行辨別。

2 基于零序電壓調(diào)控的接地故障辨別

發(fā)電機(jī)定子接地故障示意圖見(jiàn)圖4。圖中：UAg、UBg、UCg分別為A、B、C 相繞組對(duì)地電壓；IN為中性點(diǎn)零序電流；IAg、IBg、ICg分別為A、B、C相對(duì)地電流。

圖4 發(fā)電機(jī)定子接地故障示意圖Fig.4 Schematic diagram of generator stator grounding fault

根據(jù)式（5）可知，如果消弧成功，令I(lǐng)f=0，通過(guò)測(cè)量不同時(shí)刻得到的ΔIN和ΔUN可以求得If。將2 組ΔIN和ΔUN數(shù)據(jù)分別記為ΔIN1、ΔUN1和ΔIN2、ΔUN2，可得：

式中：If由式（6）計(jì)算得到。

3 保護(hù)對(duì)策流程

為使零序電壓有源調(diào)控與現(xiàn)有定子接地保護(hù)有效配合，區(qū)分瞬時(shí)性接地故障和永久性接地故障，使接地消弧時(shí)保護(hù)不誤動(dòng)，提出保護(hù)對(duì)策流程，見(jiàn)附錄A 圖A1。采用100%定子接地保護(hù)啟動(dòng)零序電壓有源調(diào)控裝置，非注入式或注入式保護(hù)均可。進(jìn)行在線故障定位獲得-Ef，注入電流使UN=-Ef進(jìn)行消弧。延時(shí)0.5 s 后減小注入電流幅值，測(cè)量中性點(diǎn)零序電流和零序電壓的基波變化量得到ΔIN1、ΔUN1和ΔIN2、ΔUN2。根據(jù)式（7）進(jìn)行判斷：若故障已消弧，則停止注入電流，而后返回保護(hù)；若是永久性接地故障，則返回保護(hù)由保護(hù)進(jìn)行后續(xù)動(dòng)作。該保護(hù)對(duì)策可以實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)性接地故障的動(dòng)態(tài)識(shí)別和消除，避免絕緣擊穿，使發(fā)電機(jī)做到不停電持續(xù)運(yùn)行，有效保證了供電的可靠性。

4 仿真驗(yàn)證

4.1 發(fā)電機(jī)模型

為了驗(yàn)證本文所提發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)方法的可行性，根據(jù)圖1 在PSCAD／EMTDC 中搭建仿真模型。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)經(jīng)配電變壓器接電阻接地采用高阻接地方式，并在變壓器副邊接入可控電流源用于零序電壓調(diào)控。發(fā)電機(jī)參數(shù)及接地變壓器參數(shù)見(jiàn)附錄B 表B1。負(fù)荷采用三相平衡的恒定阻抗負(fù)載模型，統(tǒng)一等效為P=1000 MW和Q=800 Mvar。

定子接地模型參考文獻(xiàn)［19］建立，采用準(zhǔn)分布電容參數(shù)模型，定子B 相內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5 所示。定子每相由兩分支構(gòu)成，每分支定子繞組分為8 個(gè)單元電路，每相定子繞組的電感、電阻、電動(dòng)勢(shì)以及對(duì)地電容按照一定規(guī)律分配到各單元電路，同一分支的各單元電路串聯(lián)。每一個(gè)單元電路包括基波電動(dòng)勢(shì)、3 次諧波電動(dòng)勢(shì)、電路電阻、電路電抗以及并聯(lián)在電路兩側(cè)的對(duì)地電容。

圖5 定子B相繞組電路結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Circuit structure of phase-B stator winding

4.2 仿真結(jié)果與分析

在所建立模型上進(jìn)行故障位置距中性點(diǎn)α=0.875 和α=0.125 的不同故障類型的仿真，消弧后減小注入電流幅值，測(cè)得中性點(diǎn)零序電流和零序電壓的基波變化量ΔIN1、ΔUN1、ΔIN2、ΔUN2，將其代入式（6）、（7）得到的結(jié)果如表2、3所示。

從表2、3 可以看出，發(fā)生永久性金屬性接地故障時(shí)改變注入電流幅值并不會(huì)引起中性點(diǎn)零序電壓的變化，完全符合2.1節(jié)的理論分析結(jié)果。無(wú)論是瞬時(shí)性故障還是永久性故障，通過(guò)式（7）判據(jù)得到的結(jié)果均與仿真情況一致。故障位置和過(guò)渡電阻均不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生影響。

表2 α=0.875時(shí)不同故障情況的仿真結(jié)果Table 2 Simulative results of different fault conditions when α=0.875

表3 α=0.125時(shí)不同故障情況的仿真結(jié)果Table 3 Simulative results of different fault conditions when α=0.125

5 結(jié)論

本文在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)引入零序電壓調(diào)控裝置進(jìn)行有源消弧，提出一種接地故障辨別方法，然后結(jié)合現(xiàn)有保護(hù)構(gòu)成一種新的保護(hù)對(duì)策。最后在PSCAD／EMTDC 仿真環(huán)境中驗(yàn)證了本文所提消弧方法和保護(hù)策略的可行性，得出如下結(jié)論：

1）零序電壓有源調(diào)控裝置根據(jù)故障定位結(jié)果注入電流，可以補(bǔ)償故障點(diǎn)電壓電流至0，100%補(bǔ)償故障電流基波分量，達(dá)到消弧的目的；

2）為區(qū)分瞬時(shí)性故障和永久性故障，在消弧后減小注入電流，基于中性點(diǎn)零序電壓和電流的基波變化量的特征構(gòu)成判據(jù)，能有效辨別不同接地故障情況；

3）所提方法可與現(xiàn)有發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)進(jìn)行靈活配合，區(qū)分瞬時(shí)性接地故障和永久性接地故障并進(jìn)行針對(duì)性處理，有效消除瞬時(shí)性接地故障并保證保護(hù)不誤動(dòng)，利于發(fā)電機(jī)的持續(xù)可靠運(yùn)行。

附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版（http：//www.epae.cn）。