發(fā)電機(jī)定子接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識(shí)

王義凱 尹項(xiàng)根 譚力銘 喬 健 尹 昕

發(fā)電機(jī)定子接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識(shí)

王義凱1,2尹項(xiàng)根1,2譚力銘1,2喬 健1,2尹 昕3

（1. 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院） 武漢 430074 2. 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)） 武漢 430074 3. 長沙理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 長沙 410114）

海洋核動(dòng)力平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境惡劣，發(fā)電機(jī)定子接地故障頻發(fā)，故障嚴(yán)重時(shí)將損傷定子鐵心，但盲目快速切機(jī)會(huì)導(dǎo)致核反應(yīng)堆負(fù)荷失電，威脅平臺(tái)安全運(yùn)行。為保證發(fā)電機(jī)自身安全及核反應(yīng)堆負(fù)荷供電安全，該文提出基于雙頻電壓調(diào)控的發(fā)電機(jī)定子接地故障有源消弧及辨識(shí)方法。基于電壓補(bǔ)償型消弧原理，在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)外加包含基波及3次諧波分量的電壓源，通過控制輸出電壓與故障電動(dòng)勢幅值相等、相位相反，抑制故障點(diǎn)電壓為零，實(shí)現(xiàn)有效熄弧。在辨識(shí)接地故障類型時(shí)，與接地故障安全風(fēng)險(xiǎn)分析相結(jié)合。安全風(fēng)險(xiǎn)高的情況下，調(diào)節(jié)外加基波電壓的同時(shí)控制接地故障電流在安全電流范圍內(nèi)，并利用瞬時(shí)性和永久性接地故障條件下中性點(diǎn)基波零序電流和基波零序電壓間相位差的差異構(gòu)建故障辨識(shí)判據(jù)。仿真和動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提方法的有效性。

海洋核動(dòng)力平臺(tái) 雙頻電壓調(diào)控 定子接地故障 有源消弧 故障辨識(shí) 安全電流

0 引言

海洋核動(dòng)力平臺(tái)用于海上工程供電、遠(yuǎn)洋海島供電等[1]，平臺(tái)內(nèi)主發(fā)電機(jī)承擔(dān)外系統(tǒng)供電和站內(nèi)系統(tǒng)應(yīng)急供電的雙重任務(wù)[2]。平臺(tái)長期處于海浪沖擊的振動(dòng)環(huán)境中，發(fā)電機(jī)定子接地故障頻繁發(fā)生，并常伴有電弧產(chǎn)生[3]。在瞬時(shí)性故障情況下，若保護(hù)快速跳閘切機(jī)，將對(duì)系統(tǒng)的供電可靠性和核堆運(yùn)行安全性造成不利影響[4-6]。此外，較大的接地故障電流將燒損定子鐵心[7-9]，嚴(yán)重時(shí)甚至難以修復(fù)，導(dǎo)致平臺(tái)無法正常運(yùn)行。因此，需要與現(xiàn)有接地保護(hù)有效配合，實(shí)現(xiàn)接地故障消弧和故障類型辨識(shí)。

接地故障消弧包括電流型消弧方式、電壓型消弧方式等。目前，發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)普遍采用經(jīng)消弧線圈接地方式補(bǔ)償接地故障電流[10]，屬于電流型補(bǔ)償方式。傳統(tǒng)消弧線圈接地方式僅能部分補(bǔ)償故障點(diǎn)工頻無功殘流，無法補(bǔ)償有功電流和諧波電流[11]，且易引起系統(tǒng)諧振過電壓[12]。文獻(xiàn)[13]提出消弧線圈接地方式的改進(jìn)策略，通過與電力電子設(shè)備的協(xié)同配合，能夠補(bǔ)償一定的有功電流和諧波電流，但控制過程復(fù)雜，在發(fā)電機(jī)接地故障消弧中尚無應(yīng)用。文獻(xiàn)[14-15]提出基于電壓型補(bǔ)償?shù)南》椒?，基于零序電壓調(diào)控原理[16-17]，通過外加注入源控制故障點(diǎn)電壓低于電弧重燃電壓，可靠消弧并抑制電弧重燃，在配電網(wǎng)的應(yīng)用中取得了較好的消弧效果。文獻(xiàn)[18]依據(jù)電壓消弧機(jī)理，提出一種基于零序電壓調(diào)控的發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障消弧策略，能夠有效抑制接地故障電流。然而，發(fā)電機(jī)相電動(dòng)勢中含較高的3次諧波電壓分量[19-21]，而該文獻(xiàn)未考慮3次諧波影響，在近中性點(diǎn)側(cè)發(fā)生接地故障時(shí)，故障電流中3次諧波含量較高，在僅補(bǔ)償基波分量的情況下，故障點(diǎn)難以實(shí)現(xiàn)可靠熄弧，且較大的3次諧波故障電流會(huì)對(duì)定子鐵心造成損傷，3次諧波電壓對(duì)電弧的燃弧作用不能忽略。

定子接地故障辨識(shí)用于區(qū)分瞬時(shí)性和永久性接地故障，保證發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)能夠依據(jù)故障類型自適應(yīng)地決定出口控制方式。文獻(xiàn)[18]提出基于零序電壓有源調(diào)控的接地故障類型辨別方法，消弧后減小注入電流，并基于中性點(diǎn)基頻電流變化量與基頻零序電壓變化量間的比例特性關(guān)系，測量并求解接地故障電流，實(shí)現(xiàn)接地故障辨識(shí)。然而，對(duì)于永久性接地故障，若接地故障電流較大，該方法在注入電流控制不當(dāng)?shù)臈l件下，接地故障電流將超過安全電流[22]，對(duì)定子鐵心造成二次破壞，在實(shí)際工程中無法保證設(shè)備安全。

依據(jù)電壓補(bǔ)償型消弧原理，本文提出發(fā)電機(jī)定子接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識(shí)方法。消弧過程中同時(shí)調(diào)控發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)基波及3次諧波電壓，可靠地控制故障點(diǎn)電壓為零，有效熄弧并防止電弧重燃。接地故障類型辨識(shí)過程中，與故障安全風(fēng)險(xiǎn)分析相結(jié)合。對(duì)于安全風(fēng)險(xiǎn)較高的情況，在調(diào)節(jié)注入量時(shí)將接地故障電流控制在安全電流范圍內(nèi)，能夠在可靠實(shí)現(xiàn)故障類型辨識(shí)的基礎(chǔ)上避免對(duì)定子鐵心造成二次損傷。PSCAD/EMTDC仿真仿真結(jié)果及動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提雙頻有源消弧策略在不同故障位置及接地過渡電阻條件下均能夠有效熄弧；所提故障類型辨識(shí)方法能夠在保證鐵心安全的前提下準(zhǔn)確區(qū)分瞬時(shí)性和永久性接地故障。

1 發(fā)電機(jī)定子接地故障雙頻有源消弧策略

1.1 雙頻有源接地故障消弧機(jī)理

針對(duì)弧光接地故障，故障點(diǎn)電壓降低到電弧重燃電壓以下時(shí)，故障電流急劇減小，電弧不再重燃[23-24]。目前配電網(wǎng)中通過基波零序電壓調(diào)控，抑制故障點(diǎn)對(duì)地電壓，實(shí)現(xiàn)可靠熄弧。對(duì)于發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障，受3次諧波磁動(dòng)勢和磁通密度影響，發(fā)電機(jī)相電壓中存在3次諧波分量[25]。在任意位置發(fā)生單相接地故障時(shí)，故障點(diǎn)對(duì)地電壓及故障電流中均包含3次諧波分量。

為防止單相接地故障發(fā)展為相間或匝間短路、避免鐵心損傷，應(yīng)使接地故障處不產(chǎn)生電弧或使電弧瞬間熄滅，對(duì)應(yīng)的最大接地電流即為接地故障的安全電流[22]。海洋核動(dòng)力平臺(tái)運(yùn)行環(huán)境惡劣，對(duì)燃弧過程十分敏感，選取安全電流閾值為1A?；诘?節(jié)中的發(fā)電機(jī)參數(shù)和仿真分析模型，發(fā)生定子繞組單相接地故障時(shí)，故障電流仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1 發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障電流仿真結(jié)果

圖1中，故障匝比表示發(fā)電機(jī)定子繞組中性點(diǎn)與故障點(diǎn)之前的匝數(shù)與完整故障分支匝數(shù)之比，本文利用故障匝比表示故障位置。分析圖1仿真結(jié)果可知，接地故障電流中含有一定的3次諧波分量。以近中性點(diǎn)側(cè)故障匝數(shù)占比為0.125情況為例，此時(shí)接地故障電流中3次諧波有效值為1.98A，高于安全電流閾值。進(jìn)行接地故障消弧時(shí)，若僅補(bǔ)償基波分量，3次諧波故障電流仍能夠維持電弧燃燒，無法有效熄弧。因此在實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障有源消弧時(shí)，應(yīng)該同時(shí)考慮基波和3次諧波的影響。針對(duì)電動(dòng)勢中的其他諧波分量，由于幅值很小，不足以維持電弧燃燒，本文不作考慮。

發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障時(shí)的等效示意圖如圖2所示，圖中，A、B、C分別為發(fā)電機(jī)定子繞組三相相電動(dòng)勢，海洋核動(dòng)力平臺(tái)主發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)采用經(jīng)高阻接地方式，N為接地電阻，f為發(fā)電機(jī)定子繞組每相對(duì)地電容，t為直連系統(tǒng)在機(jī)端的每相等效對(duì)地電容。以定子繞組A相發(fā)生單相接地故障為例，接地過渡電阻為g，f和f分別為故障點(diǎn)對(duì)地電壓和接地電流，N為中性點(diǎn)電流，N為中性點(diǎn)電壓，f為故障點(diǎn)與中性點(diǎn)間電動(dòng)勢，簡稱故障電動(dòng)勢。

圖2 發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障示意圖

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，故障點(diǎn)電壓滿足

考慮從本質(zhì)上消除接地故障，將故障點(diǎn)電壓強(qiáng)制調(diào)控為0。此時(shí)可控電壓源輸出電壓應(yīng)滿足

式中，i為可控電壓源輸出電壓，其幅值和相位分別為i和i。本文中各電氣量的基波分量用下標(biāo)“1”表示，3次諧波分量用下標(biāo)“3”表示。中性點(diǎn)接入可控電壓源時(shí)，中性點(diǎn)電壓可由所加可控電壓源進(jìn)行幅值、相位任意調(diào)控，使中性點(diǎn)電壓強(qiáng)制并保持為所需電壓值。相關(guān)的控制策略在文獻(xiàn)[26]中已有詳細(xì)論述，在配電網(wǎng)的工程應(yīng)用中已經(jīng)取得較好的控制效果，本文不再贅述。海洋核動(dòng)力平臺(tái)低壓系統(tǒng)包含儲(chǔ)能裝置，通過大功率直流逆變電源接入系統(tǒng)，作為系統(tǒng)應(yīng)急備用電源使用，可用作有源消弧裝置的電源。發(fā)生定子繞組單相接地故障后，通過調(diào)整可控電壓源輸出電壓，使發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)對(duì)地電壓與故障電動(dòng)勢幅值相等、相位相反，即可控制故障點(diǎn)電壓為0，從根源上破壞電弧重燃條件。

對(duì)于瞬時(shí)性接地故障，能夠清除故障并保障發(fā)電機(jī)持續(xù)運(yùn)行；對(duì)于永久性接地故障，可抑制接地故障電流，避免定子鐵心受到灼傷。抑制接地故障后，可在轉(zhuǎn)移負(fù)荷后平穩(wěn)停機(jī)，避免因平臺(tái)內(nèi)核反應(yīng)堆重要負(fù)荷失電影響平臺(tái)運(yùn)行安全。

1.2 雙頻外加電壓計(jì)算方法

配電網(wǎng)接地故障消弧僅需抑制故障相對(duì)地電壓為0。而由于發(fā)電定子繞組不同位置對(duì)應(yīng)的故障電動(dòng)勢不同，因此需要在線實(shí)現(xiàn)接地故障定位以計(jì)算故障電動(dòng)勢。海洋核動(dòng)力平臺(tái)發(fā)電機(jī)為汽輪發(fā)電機(jī)，定子繞組的聯(lián)結(jié)及分布采用60°相帶方式。若在定位時(shí)不考慮相位特征，則定位精度不夠，消弧效果差。文獻(xiàn)[27]基于基波電動(dòng)勢相位分布特點(diǎn)，結(jié)合海洋核動(dòng)力平臺(tái)發(fā)電機(jī)定子繞組線棒排布情況與零序回路阻抗特征，實(shí)現(xiàn)接地故障的準(zhǔn)確定位與計(jì)算。其中，發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障解析定位方程為

發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)均裝有電壓互感器，可在線測量發(fā)電機(jī)機(jī)端和中性點(diǎn)對(duì)地電壓。故障相電動(dòng)勢等于故障相機(jī)端與中性點(diǎn)對(duì)地電壓的相量差。利用故障后基波零序電壓和故障相電動(dòng)勢，在∈[0,1]范圍內(nèi)尋找使()最接近于0的解，即可計(jì)算出。對(duì)應(yīng)不同的，接地過渡電阻計(jì)算式為

海洋核動(dòng)力平臺(tái)發(fā)電機(jī)定子繞組采用60°相帶分布形式，故障電動(dòng)勢Ef1的端點(diǎn)位于60°相帶對(duì)應(yīng)的圓弧上。各相量間的幾何關(guān)系如圖3所示。

圖3中，N表示發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，g1和g2代表兩個(gè)不同的故障點(diǎn)。由于基波零序電壓同時(shí)受故障位置和接地過渡電阻影響，在某些接地故障條件下，存在兩組（1,g1）和（2,g2）故障場景下的N1相同。此時(shí)，基于式（4）進(jìn)行故障定位時(shí)將產(chǎn)生定位多解。為準(zhǔn)確計(jì)算外加電源輸出電壓，本文提出基于3次諧波的定位結(jié)果校核判據(jù)。

3次諧波接地故障電流的在線計(jì)算方法為

式中，DUN3為故障前后中性點(diǎn)3次諧波電壓變化量。發(fā)電機(jī)定子繞組3次諧波電動(dòng)勢相位在180°的電角度范圍內(nèi)均勻分布[20]，示意圖如圖4所示。

圖4中，T表示機(jī)端，A3表示f3與A3之間的夾角。根據(jù)各電氣量間的幾何關(guān)系，可求出f3的幅值和相位分別為

發(fā)生定子接地故障時(shí)，3次諧波電動(dòng)勢滿足的KVL方程為f3=f3-N3。其中，f3=f3g。結(jié)合式（7），構(gòu)建定位結(jié)果檢驗(yàn)判據(jù)為

發(fā)電機(jī)定子繞組基波電動(dòng)勢相位在60°的電角度范圍內(nèi)均勻分布，示意圖如圖5所示。圖5中，A1表示f1與A1間的夾角。根據(jù)圖中各電氣量的幾何關(guān)系，得到f1與A1之間滿足的幾何關(guān)系解析表達(dá)式為

圖5 故障分支基波電動(dòng)勢幾何關(guān)系示意圖

Fig.5 Schematic diagram of the geometric relation of the fault branch’s fundamental wave potential

2 結(jié)合安全風(fēng)險(xiǎn)分析的接地故障類型辨識(shí)方法

在消弧完成后，需要進(jìn)行接地故障類型辨識(shí)。對(duì)于瞬時(shí)性接地故障，可直接退出外加電壓源，恢復(fù)正常運(yùn)行；對(duì)于永久性接地故障，應(yīng)在轉(zhuǎn)移負(fù)荷后平穩(wěn)切機(jī)。故障類型辨識(shí)過程中，為防止永久性接地故障時(shí)故障電流較大損傷定子鐵心，需要控制接地故障電流在安全電流[22,27]以內(nèi)。

接地故障安全風(fēng)險(xiǎn)可通過接地故障電流進(jìn)行量化分析，文獻(xiàn)[27]中已經(jīng)給出包含基波和3次諧波故障電流的在線計(jì)算方法。若初始判斷的接地故障安全風(fēng)險(xiǎn)高，即接地故障電流高于安全電流閾值（1A），若此時(shí)直接退出外加電壓源，對(duì)于永久性接地故障情況，接地故障電流仍會(huì)損傷定子鐵心，造成二次傷害。為保證發(fā)電機(jī)定子鐵心安全，需要控制接地故障電流在安全電流范圍內(nèi)。在完成消弧后，控制注入3次諧波電壓不變，改變注入基波電壓，此時(shí)接地故障電流由基波電流構(gòu)成，且滿足

當(dāng)接地故障電流為安全電流an時(shí)，故障點(diǎn)基波電壓為ang，此時(shí)中性點(diǎn)基波電壓為

對(duì)于永久性接地故障，調(diào)節(jié)注入基波電壓為式（13）計(jì)算結(jié)果時(shí)，可控制故障電流為安全電流。此時(shí)，發(fā)電機(jī)三相對(duì)地基波電流為

則中性點(diǎn)基波零序電流為

對(duì)于瞬時(shí)性接地故障，此時(shí)接地故障已經(jīng)消失，三相對(duì)地電流均由對(duì)地電容電流構(gòu)成，中性點(diǎn)基波零序電流為

對(duì)比式（15）和式（16）可知，對(duì)于瞬時(shí)性接地故障，消弧后故障消失，中性點(diǎn)基波零序電流僅由各相對(duì)地電容電流構(gòu)成，中性點(diǎn)基波零序電流超前基波零序電壓90°；對(duì)于永久性接地故障，由于仍存在接地故障電流，且海洋核動(dòng)力平臺(tái)主發(fā)電機(jī)采用高阻接地方式[1]，故障電流中含有阻性分量，中性點(diǎn)基波零序電流與基波零序電壓間的相位差不等于90°。在構(gòu)成故障辨識(shí)判據(jù)時(shí)，應(yīng)保留一定裕度，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可設(shè)定該閾值，本文取5°。即對(duì)于瞬時(shí)性接地故障，二者相位差滿足

基于式（13）計(jì)算結(jié)果改變外加電壓源基波分量后，測量中性點(diǎn)基波零序電流和基波零序電壓間的相位差，根據(jù)式（17）判據(jù)，可在保證定子鐵心安全的前提下有效辨識(shí)接地故障類型。

對(duì)于接地故障安全風(fēng)險(xiǎn)低的情況，投入電壓源并實(shí)現(xiàn)可靠熄弧后，退出外加電壓源，開放定子接地保護(hù)，若定子接地保護(hù)動(dòng)作，說明為永久性接地故障；若定子接地保護(hù)不動(dòng)作，說明為瞬時(shí)性接地故障且已經(jīng)成功消弧。

3 接地故障消弧及辨識(shí)流程

本文提出的發(fā)電機(jī)接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識(shí)方法流程如下：

1）基于接地故障啟動(dòng)判據(jù)判別是否發(fā)生發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障，進(jìn)行在線故障定位與安全風(fēng)險(xiǎn)分析。

2）基于接地故障定位結(jié)果，依據(jù)式（7）、式（8）、式（10）、式（11）計(jì)算外加電壓源應(yīng)輸出的基波、3次諧波電壓幅值和相位。

3）投入電壓源，并閉鎖發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)，在一定時(shí)間間隔后，結(jié)束消弧過程。

4）若接地故障電流低于安全電流閾值，直接退出外加電壓源，并開放發(fā)電機(jī)定子接地保護(hù)。若保護(hù)不動(dòng)作，說明為瞬時(shí)性接地故障且消弧成功，可恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行；若保護(hù)動(dòng)作，說明為永久性接地故障，此時(shí)應(yīng)再次投入雙頻有源消弧裝置，待轉(zhuǎn)移負(fù)荷后平穩(wěn)切機(jī)。

5）若接地故障電流高于安全電流閾值，控制注入3次諧波電壓不變，改變注入基波電壓為式（13）計(jì)算結(jié)果，并測量此時(shí)的中性點(diǎn)基波零序電流。若基波零序電流與基波零序電壓間的相位差滿足式（17），說明為瞬時(shí)性接地故障且消弧成功，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行；若不滿足，說明為永久性接地故障，此時(shí)應(yīng)調(diào)節(jié)輸出基波電壓與基波故障電動(dòng)勢幅值相等，抑制接地故障電流，待轉(zhuǎn)移負(fù)荷后平穩(wěn)切機(jī)。

4 仿真分析與驗(yàn)證

海洋核動(dòng)力平臺(tái)主發(fā)電機(jī)每相包含2個(gè)分支繞組，每個(gè)分支由8個(gè)線圈串聯(lián)構(gòu)成，額定電壓為10.5kV，定子繞組電阻為1.528mΩ/相，定子繞組漏電感為2.84mH/相，定子繞組電容為0.397μF/相，極對(duì)數(shù)為1，總槽數(shù)為48，對(duì)應(yīng)槽距電角度為7.5°，中性點(diǎn)接地電阻阻值折算到一次側(cè)為2 286Ω，直連系統(tǒng)對(duì)地電容為0.405μF/相?；诎l(fā)電機(jī)電動(dòng)勢分布特征及實(shí)際參數(shù)，利用PSCAD/EMTDC軟件搭建定子繞組準(zhǔn)分布參數(shù)模型。模型中，每個(gè)分支各個(gè)線圈單元等效為基波電源、3次諧波電源、電阻、電感和電容元件的連接。以仿真模型中的一個(gè)分支為例，等效模型如圖6所示。

圖6 發(fā)電機(jī)定子繞組每分支準(zhǔn)分布參數(shù)模型

圖6中，1和3分別為單匝線圈對(duì)應(yīng)的基波和3次諧波電動(dòng)勢。各匝線圈連接處故障時(shí)的基波、3次諧波故障電動(dòng)勢的幅值（f1f3）和相位（f1f3）見表1。

4.1 接地故障定位方法的有效性驗(yàn)證

表1 示例發(fā)電機(jī)仿真模型故障電動(dòng)勢參數(shù)表

Tab.1 Fault potential of the simulation generator model

圖7 不同故障場景下接地故障定位計(jì)算及檢驗(yàn)結(jié)果

分析接地故障定位結(jié)果可知，僅利用基波零序電壓進(jìn)行接地故障定位時(shí)，定位結(jié)果存在多解現(xiàn)象。如在=0.25處且g=2kΩ情況，定位結(jié)果在0.248 0和0.707 0之間跳躍。在應(yīng)用3次諧波判據(jù)檢驗(yàn)時(shí)，正確解對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)函數(shù)值較小且接近于0，錯(cuò)誤解對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)函數(shù)值較大。不同場景下的仿真結(jié)果均表明所提檢驗(yàn)判據(jù)可以有效篩選出正確的定位結(jié)果。

在不同故障匝比、不同接地過渡電阻下進(jìn)行仿真分析，并基于定位結(jié)果在線計(jì)算故障電動(dòng)勢，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 故障電動(dòng)勢在線計(jì)算結(jié)果

Tab.2 Fault potential online calculation results under 100% load operating state

4.2 接地故障消弧效果驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提消弧方法的有效性，以0.2s時(shí)在發(fā)電機(jī)定子繞組距離中性點(diǎn)側(cè)=0.125處發(fā)生單相接地故障為例進(jìn)行仿真分析，接地過渡電阻為200Ω。0.22s時(shí)向發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)注入幅值為792.97V、相位為127.5°的基波電壓，同時(shí)注入幅值為193.96V、相位為-157.5°的3次諧波電壓。故障點(diǎn)電壓與接地故障電流仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 接地故障消弧仿真結(jié)果

采用雙頻電壓消弧條件下，消弧后故障點(diǎn)對(duì)地電壓有效值為6.86V，接地故障電流有效值為0，實(shí)現(xiàn)可靠熄??；若僅注入基頻電壓，消弧后故障點(diǎn)仍存在較高的3次諧波電壓，對(duì)地電壓有效值為293.66V，接地故障電流有效值為1.13A，無法實(shí)現(xiàn)可靠熄弧。此時(shí)接地故障電流主要為3次諧波電流，其幅值高于安全電流閾值，對(duì)定子鐵心安全不利。不同接地故障場景下的消弧仿真結(jié)果見表3。

表3 不同接地故障場景下的消弧效果

Tab.3 Ground arc suppression effect under different fault conditions

（續(xù)）

表3中，在不同接地故障條件下，本文方法均能夠?qū)⒐收宵c(diǎn)電壓鉗位至一個(gè)較小值，阻止電弧重燃。該方法不受故障匝比及接地過渡電阻影響，能夠?yàn)榘l(fā)電機(jī)定子接地故障提供可靠的消弧保障。

4.3 接地故障類型辨識(shí)方法驗(yàn)證

在安全風(fēng)險(xiǎn)較低情況下，直接開放接地保護(hù)，對(duì)于瞬時(shí)性故障而言，保護(hù)不會(huì)動(dòng)作，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)；在安全風(fēng)險(xiǎn)較高情況下，需采用本文提出的結(jié)合安全風(fēng)險(xiǎn)分析的故障辨識(shí)方法。在完成接地故障消弧后，控制外加電源輸出的3次諧波電壓不變，調(diào)節(jié)基波輸出電壓。以接地故障電阻為200Ω的情況為例進(jìn)行分析，設(shè)置安全電流為1A，基于式（13）計(jì)算得到不同接地故障匝比下，需要調(diào)控的基波電壓見表4。

表4 故障辨識(shí)時(shí)的基波電壓注入量

Tab.4 Fundamental voltage injection quantity during fault identification

以=0.5處的單相接地故障為例進(jìn)行分析。于0.2s時(shí)分別設(shè)置瞬時(shí)性接地故障和永久性接地故障，0.24s投入電壓源，0.3s改變注入基波電壓，接地故障電流、中性點(diǎn)基波零序電流與基波零序電壓間的相位差仿真結(jié)果如圖9所示。

分析圖9仿真結(jié)果可知，改變基波注入電壓后，對(duì)于瞬時(shí)性接地故障，由于故障已經(jīng)消失，因此接地故障電流為0，中性點(diǎn)基波零序電流與基波零序電壓間相位差為89.79°，滿足式（17）判據(jù)，判定為瞬時(shí)性接地故障，恢復(fù)系統(tǒng)正常運(yùn)行；對(duì)于永久性接地故障，由于未改變3次諧波注入電壓，接地故障電流由基波接地故障電流構(gòu)成，故障電流有效值為0.76A，小于安全電流閾值，故障辨識(shí)過程不會(huì)對(duì)定子鐵心造成二次損傷，此時(shí)中性點(diǎn)基波零序電流與基波零序電壓間相位差為108.31°，不滿足式（17）判據(jù)，判定為永久性接地故障，之后恢復(fù)注入基波電壓至原有值，轉(zhuǎn)移負(fù)荷后平穩(wěn)停機(jī)。

圖9 接地故障辨識(shí)仿真結(jié)果

對(duì)其他故障匝比情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果見表5。仿真結(jié)果均表明所提方法能夠可靠區(qū)分瞬時(shí)性和永久性接地故障。

表5 不同故障匝比下故障辨識(shí)結(jié)果

Tab.5 Fault potential of the simulation generator model

5 動(dòng)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用動(dòng)模實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所提方法的有效性，所用動(dòng)模發(fā)電機(jī)容量為15kV·A，額定電壓為400V，發(fā)電機(jī)每相2個(gè)分支，極對(duì)數(shù)為1，總槽數(shù)為48。發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地電容為0.626μF/相，機(jī)端外加對(duì)地電容為0.5μF/相。發(fā)電機(jī)A相分支繞組上存在幾個(gè)引出的抽頭，可通過滑線變阻器與發(fā)電機(jī)外殼連接，用于模擬=0.25, 0.50, 1處的單相接地故障。發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)通過接地變壓器經(jīng)高阻接地，接地變壓器電壓比為210V:100V，接地電阻阻值為1kΩ，折算至一次側(cè)為4 410Ω。由于接地變阻抗較小，分析計(jì)算時(shí)可忽略其影響。為模擬雙頻有源電壓消弧裝置，在中性點(diǎn)外加可編程交流電源，該電源容量為15kV·A，單相輸出電壓幅值調(diào)節(jié)范圍為0～300V，相位調(diào)節(jié)范圍為-180°～ +180°，頻率調(diào)節(jié)范圍為15～1 600Hz，可同時(shí)輸出任意幅值和相位的基波和3次諧波電壓，滿足動(dòng)模實(shí)驗(yàn)機(jī)組接地故障消弧要求。動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的接線如圖10所示，圖10中，TV1、TV2、TV3為電壓互感器，TA1、TA2為電流互感器，KD、KY為開關(guān)。動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物如圖11所示。

圖10 動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主接線

圖11 動(dòng)模實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物

首先在A相第一分支不同抽頭處設(shè)置接地過渡電阻為200Ω的單相接地故障，利用故障前后兩個(gè)周波數(shù)據(jù)進(jìn)行接地故障定位，利用基波電壓得到的定位結(jié)果數(shù)據(jù)點(diǎn)及利用3次諧波電壓得到的校驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，僅利用基波零序電壓進(jìn)行接地故障定位時(shí)，存在定位多解現(xiàn)象。結(jié)合所提3次諧波校驗(yàn)方法，能夠篩選出正確的定位結(jié)果，計(jì)算結(jié)果見表6。

圖12 故障定位及檢驗(yàn)結(jié)果

表6 故障電動(dòng)勢計(jì)算結(jié)果

Tab.6 Fault potential calculation results

實(shí)驗(yàn)過程中，為保證動(dòng)模機(jī)組安全，采用滑線電阻器作為接地過渡電阻，其阻值恒定，因此計(jì)算出的接地過渡電阻與設(shè)置值相近。根據(jù)故障電動(dòng)勢計(jì)算結(jié)果，調(diào)節(jié)可編程交流電源輸出電壓與故障電動(dòng)勢幅值相等、相位相反。以機(jī)端處接地故障為例，接地電阻為200Ω。故障相相電動(dòng)勢與可控電壓源輸出電壓如圖13所示。

圖13 故障電動(dòng)勢及外加電源輸出電壓

由于在機(jī)端設(shè)置接地故障，故障相相電動(dòng)勢即為故障電動(dòng)勢。對(duì)比可知，此時(shí)可控電壓源輸出電壓與故障電動(dòng)勢幅值相等、相位相反。設(shè)置接地故障后，將可控電壓源接入發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)，故障點(diǎn)對(duì)地電壓及接地故障電流波形如圖14所示。

A相機(jī)端發(fā)生接地故障后，故障相電壓降低，非故障相電壓升高。在投入外加電壓源后，故障點(diǎn)對(duì)地電壓降低，有效值為0.14V，故障電流抑制為0。由于中性點(diǎn)電壓調(diào)控，非故障相電壓升至線電壓，由于系統(tǒng)絕緣按照線電壓水平設(shè)計(jì)，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)絕緣安全造成影響。

由于動(dòng)模機(jī)組電壓等級(jí)低，接地故障電流本身較小。為測試所提故障辨識(shí)方法的有效性，控制可控電壓源輸出的3次諧波電壓不變，輸出基波電壓幅值減半，變?yōu)?11.42V。在改變可控電壓源輸出電壓前，通過控制接地故障支路的開合來模擬瞬時(shí)性、永久性接地故障，中性點(diǎn)基波零序電壓與中性線基波零序電流間相位差波形如圖15所示。

圖14 接地故障消弧實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖15 故障類型辨識(shí)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

瞬時(shí)性接地故障情況下，由于故障支路已經(jīng)斷開，中性線基頻電流僅由電容電流構(gòu)成，與基波零序電壓間的夾角為90°，滿足式（17）判據(jù)；對(duì)于永久性接地故障，中性線基頻電流包含一定的阻性電流，測得的相位差為171.1°，不滿足式（17）判據(jù)。所提方法能夠有效辨識(shí)瞬時(shí)性和永久性接地故障。

6 結(jié)論

本文針對(duì)海洋核動(dòng)力平臺(tái)的安全運(yùn)行需求，提出發(fā)電機(jī)定子接地故障雙頻有源消弧策略及故障類型辨識(shí)方法，并得出以下結(jié)論：

1）發(fā)電機(jī)定子繞組接地故障消弧過程中，由于同時(shí)考慮了基波及3次諧波分量，能夠可靠抑制故障點(diǎn)并實(shí)現(xiàn)有效熄弧。

2）結(jié)合接地故障安全風(fēng)險(xiǎn)分析實(shí)現(xiàn)故障類型辨識(shí)過程中，調(diào)節(jié)可控電壓源輸出的基波電壓量，控制接地故障電流在安全范圍內(nèi)，在可靠實(shí)現(xiàn)故障類型辨識(shí)的基礎(chǔ)上避免對(duì)定子鐵心造成二次損傷。

3）仿真及動(dòng)模實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提消弧方法在不同接地故障位置及接地過渡電阻條件下均能夠有效熄?。凰峁收媳孀R(shí)方法能夠在保證鐵心安全的前提下準(zhǔn)確區(qū)分瞬時(shí)性和永久性接地故障。

本文所提方法同樣適用于大型發(fā)電機(jī)定子繞組的接地故障電弧抑制。在新型電力系統(tǒng)中，能夠在保證發(fā)電機(jī)鐵心安全的前提下實(shí)現(xiàn)柔性解列，避免對(duì)電網(wǎng)造成沖擊。

[1] 尹項(xiàng)根, 王義凱, 李鵬, 等. 海洋核動(dòng)力平臺(tái)電網(wǎng)安全問題及保護(hù)技術(shù)研究[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2020, 48(22): 9-17.

Yin Xianggen, Wang Yikai, Li Peng, et al. Study on security problems and protection technologies of the floating nuclear power plant grid[J]. Power System Protection and Control, 2020, 48(22): 9-17.

[2] Wang Yikai, Yin Xianggen, Qiao Jian, et al. Inrush current suppression technology for floating nuclear power plants based on connecting Pre-T in series[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2022, 135: 107508.

[3] Wang Yikai, Yin Xin, Xu Wen, et al. Fault line selection incooperation with multi-mode grounding control for thefloating nuclear power plant grid[J]. Protection and Control of Modern Power Systems, 2020, 5(1): 1-10.

[4] 郝亮亮, 李佳慧, 段賢穩(wěn), 等. 核電多相環(huán)形無刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子繞組短路故障特征分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(6): 1251-1261.

Hao Liangliang, Li Jiahui, Duan Xianwen, et al. Characteristic analysis of short-circuit fault in rotor winding of nuclear power multi-phase annular brushless exciter[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1251-1261.

[5] 田代宗, 孫宇光, 王善銘, 等. 多相整流永磁同步發(fā)電機(jī)繞組內(nèi)部相間短路的故障分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(6): 1262-1271.

Tian Daizong, Sun Yuguang, Wang Shanming, et al. Analysis of stator internal phase-to-phase short-circuit in the multiphase permanent magnet synchronous generator with rectifier load system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(6): 1262-1271.

[6] 何玉靈, 張文, 張鈺陽, 等. 發(fā)電機(jī)定子匝間短路對(duì)繞組電磁力的影響[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(13): 2879-2888.

He Yuling, Zhang Wen, Zhang Yuyang, et al. Effect of stator inter-turn short circuit on winding electromagnetic forces in generators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(13): 2879-2888.

[7] 譚力銘, 尹項(xiàng)根, 王義凱, 等. 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[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2022, 37(17): 4411-4422.

Tan Liming, Yin Xianggen, Wang Yikai, et al. An adaptive load-based location method of stator ground fault for large hydro-generators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2022, 37(17): 4411-4422.

[8] 高俊國, 孟睿瀟, 胡海濤, 等. 電機(jī)定子絕緣老化壽命預(yù)測研究進(jìn)展[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(14): 3065-3074.

Gao Junguo, Meng Ruixiao, Hu Haitao, et al. Research progress on prediction of aging life of motor stator insulation[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(14): 3065-3074.

[9] 康逸群, 宋夢(mèng)瓊. 大型發(fā)電機(jī)注入式定子接地保護(hù)應(yīng)用與分析[J]. 電氣技術(shù), 2020, 21(1): 129-132.

Kang Yiqun, Song Mengqiong. Application and analysis of voltage-injection stator ground protection for large-sized generator[J]. Electrical Engineering, 2020, 21(1): 129-132.

[10] 畢大強(qiáng), 王祥珩, 王維儉. 大型水輪發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)接地方式的若干問題分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2002, 17(4): 7-12.

Bi Daqiang, Wang Xiangheng, Wang Weijian. Study on how to ground for the neutral point of large-sized hydro-generator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2002, 17(4): 7-12.

[11] Wang Wen, Yan Lingjie, Zeng Xiangjun, et al. Principle and design of a single-phase inverter-based grounding system for neutral-to-ground voltage compensation in distribution networks[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(2): 1204-1213.

[12] Yu Kun, Liu Zhanlei, Zeng Xiangjun, et al. A novel full compensation method for the ground fault current of resonant grounded systems[J]. Electrical Engineering, 2021, 103(3): 1569-1581.

[13] 周興達(dá), 陸帥. 一種基于消弧線圈和靜止同步補(bǔ)償器協(xié)同作用的配電網(wǎng)消弧結(jié)構(gòu)與方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(6): 1251-1262.

Zhou Xingda, Lu Shuai. An arc-suppression method based on the coordinated operation of the petersen coil and the static synchronous compensator in distribution networks[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(6): 1251-1262.

[14] Wang Wen, Zeng Xiangjun, Yan Lingjie, et al. Principle and control design of active ground-fault arc suppression device for full compensation of ground current[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2017, 64(6): 4561-4570.

[15] Fan Bishuang, Yao Ganzhou, Wang Wen, et al. Principle and control design of a novel hybrid arc suppression device in distribution networks[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2022, 69(1): 41-51.

[16] 劉寶穩(wěn), 曾祥君, 馬宏忠, 等. 參數(shù)不對(duì)稱配電線路的等效模型與接地故障檢測方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2022, 46(13): 159-167.

Liu Baowen, Zeng Xiangjun, Ma Hongzhong, et al. Equivalent model and grounding fault detection method for distribution lines with asymmetry parameters[J]. Automation of Electric Power Systems, 2022, 46(13): 159-167.

[17] 蔣順平, 丁勇, 石祥建, 等. 位移過電壓抑制轉(zhuǎn)接地故障消弧的柔性電源控制方法[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化, 2021, 45(20): 140-147.

Jiang Shunping, Ding Yong, Shi Xiangjian, et al. Control method of displacement overvoltage suppression switching to ground fault arc-suppression for flexible power source[J]. Automation of Electric Power Systems, 2021, 45(20): 140-147.

[18] 徐雯, 王義凱, 尹項(xiàng)根, 等. 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[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2022, 42(4): 197-202.

Xu Wen, Wang Yikai, Yin Xianggen, et al. Arc suppression method and protection countermeasures of generator stator grounding fault based on active control of zero-sequence voltage[J]. Electric Power Automation Equipment, 2022, 42(4): 197-202.

[19] Friedemann D F, Motter D, Oliveira R A. Stator-ground fault location method based on third-harmonic measures in high-impedance grounded generators[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2021, 36(2): 794-802.

[20] Wang Yikai, Yin Xianggen, Qiao Jian, et al. Generator stator windings ground fault diagnosis for generator-grid? directly connected system of floating nuclear power plant[J]. Energy Reports, 2021, 7: 460-469.

[21] 尹項(xiàng)根, 王義凱, 譚力銘, 等. 故障機(jī)理深度關(guān)聯(lián)的大型發(fā)電機(jī)保護(hù)新原理探討[J]. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2021, 49(22): 1-7.

Yin Xianggen, Wang Yikai, Tan Liming, et al. Discussion on a new principle of large generator protection deeply associated with fault mechanisms[J]. Power System Protection and Control, 2021, 49(22): 1-7.

[22] 王維儉. 電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[M]. 2版. 北京: 中國電力出版社, 2002.

[23] 曾祥君, 卓超, 喻錕, 等. 基于接地變壓器繞組分檔調(diào)壓干預(yù)的配電網(wǎng)主動(dòng)降壓消弧與保護(hù)新方法[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2020, 40(5): 1523-1534.

Zeng Xiangjun, Zhuo Chao, Yu Kun, et al. A novel method of faults arc extinguishing and feeder protection based on voltage regulating intervention with grounding transformer winding taps for distribution networks[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(5): 1523-1534.

[24] 卓超, 曾祥君, 彭紅海, 等. 配電網(wǎng)接地故障相主動(dòng)降壓消弧成套裝置及其現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2021, 41(1): 48-58.

Zhuo Chao, Zeng Xiangjun, Peng Honghai, et al. Arc suppression device with active reduction of grounding fault phase voltage and field test for distribution networks[J]. Electric Power Automation Equipment, 2021, 41(1): 48-58.

[25] 王義凱, 譚力銘, 尹項(xiàng)根, 等. 基于電壓相量差的發(fā)電機(jī)GCB失靈保護(hù)新原理[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2022, 42(3): 182-188.

Wang Yikai, Tan Liming, Yin Xianggen, et al. Novel principle of generator circuit breaker failure protection based on voltage phasor difference[J]. Electric Power Automation Equipment, 2022, 42(3): 182-188.

[26] 曾祥君, 李理, 喻錕, 等. 抑制配電網(wǎng)三相不平衡的柔性接地裝置控制方法[J]. 電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(3): 19-28.

Zeng Xiangjun, Li Li, Yu Kun, et al. Research on control method of flexible grounding device for suppressing three-phase unbalance in distribution network[J]. Journal of Electric Power Science and Technology, 2020, 35(3): 19-28.

[27] 王義凱, 尹項(xiàng)根, 喬健, 等. 海洋核動(dòng)力平臺(tái)發(fā)電機(jī)定子繞組單相接地故障風(fēng)險(xiǎn)分析與實(shí)時(shí)定位[J]. 電力自動(dòng)化設(shè)備, 2022, 42(4): 178-183.

Wang Yikai, Yin Xianggen, Qiao Jian, et al. Risk analysis and real-time locating of single-phase grounding fault of generator stator winding for offshore nuclear power plant[J]. Electric Power Automation Equipment, 2022, 42(4): 178-183.

Generator Stator Ground Fault Active Arc Suppression and Fault Type Identification Method Based on Dual-Frequency Voltage Regulation

Wang Yikai1,2Yin Xianggen1,2Tan Liming1,2Qiao Jian1,2Yin Xin1,2

（1. State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology School of Electrical and Electronic Engineering Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 2. Hubei Electric Power Security and High Efficiency Key Laboratory Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China 3. School of Electrical and Information Engineering Changsha University of Science & Technology Changsha 410114 China）

The operation environment of floating nuclear power plant is harsh, and the generator stator ground fault occurs frequently. When the fault risk is serious, the stator iron core will be damaged, but blind cutting will lead to power loss of important loads, threatening the safe operation of the plant. This paper presents the method of stator ground fault arc elimination and fault type identification based on dual-frequency voltage regulation. Firstly, based on the arcelimination principle of voltage compensation, a voltage source containing fundamental and third harmonic components is applied to the generator neutral point. Its output voltage is controlled as the same amplitude and opposite phase with the fault electric potential, then the voltage at the fault point is suppressed to zero to achieve effective arc extinguishing. Ground fault type identification is realized combining with ground fault safety risk analysis. Under high risk conditions, at the same time of adjusting the fundamental injection voltage, the ground fault current is controlled within the safety current range. The instantaneity and permanent ground faults are identified based on the criterion of phase difference between the fundamental zero-sequence current and the neutral point voltage. Simulation and dynamic test results verify the effectiveness of the proposed method.

Floating nuclear power plant, dual-frequency voltage regulation, stator ground fault, active arc suppression, fault type identification, safety current

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.221177

TM312

國家自然科學(xué)基金（52007010）和國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2017YFC0307800）資助項(xiàng)目。

2022-06-21

2022-08-02

王義凱 男，1996年生，博士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail：742657004@qq.com

尹項(xiàng)根 男，1954年生，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)繼電保護(hù)。E-mail：xgyin@hust.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫蕾）