一种发电机定子与厂用电系统接地故障处理方法与流程

1.本发明涉及电力系统接地故障抑制技术领域，特别涉及一种发电机定子与厂用电系统接地故障处理方法。


背景技术：

2.国内外发电机组和厂用电系统普遍采用中性点非有效接地方式，接地故障占该系统故障的70％。造成全国停电损失年均上千亿元。现有定子与厂用电系统接地故障处理与运行模式主要包括故障抑制和故障切除两大类。
3.接地故障抑制主要通过改造或调控电网一次系统中性点接地方式，调控中性点接地阻抗，抑制故障点电压和电流，实现定子或厂用电系统的接地故障抑制，但只能短时间1～2h运行，且易产生过电压，存在安全隐患。
4.接地故障切除主要是在系统发生接地后尽快选出故障线路、切除故障点，以保证系统安全运行。例如，厂用电系统从传统的人工逐条线路“试拉”，到利用故障选线装置和故障指示器选线，再到馈线自动化技术快速隔离故障，但故障切除技术导致停电时间过长、投资成本高，严重降低了厂用电系统供电可靠性指标。
5.发电机中性点接地方式的选择与发电机定子单相接地故障密切相关，由于在定子发生接地故障时中性点与定子对地电容构成回路，接地方式选择作为定子保护的重要手段将直接决定其限制故障电流对定子的灼烧程度现有发电机定子中性点多采用经消弧线圈接地、进配电变压器电阻接地或不接地三种方式来处理接地故障，在发电机定子中性点经消弧线圈接地运行方式下发生单相接地故障，定子电容电流与消弧线圈大小相近方向相反，能起到对故障电流的削弱作用，起到限制故障电流过大防止伤及铁芯。但间歇性定子单相接地电弧燃烧易引起定子绕组积累电荷，由于故障电流反复变化会引起电容电流与中性点补偿电流产生波动与冲击，从而在电容上产生暂态过电压。中性点经配电变压器高阻接地方式是在零序回路中增大系统阻尼系数，能很好的抑制反复充放电引起的暂态过电压，但其对电容电流的补偿效果却不如消弧线圈接地方式理想。因此，不同接地方式对定子单相接地故障的保护效果各有优缺点，这也促成了对大型发电机中性点接地方式的广泛探讨。
6.有学者对经消弧线圈接地与经配电变压器高阻接地进行比较，综合考虑接地故障对定子铁芯损伤、电容电流引起暂态过电压、配套保护灵敏度等各方面，得出消弧线接地方式能较好地抑制接地故障电流且零序电压保护灵敏度的高，对于由于大型发电机频率偏移大的现象，其指出由于故障后运行方式的不变，保持与电网联系不进行切机的操作，因此只会出现小范围的频率偏移，定子系统出现暂态过电压的机率较低。为兼顾消弧线圈接地方式对故障电流的抑制效果，同时较好地避免暂态过电压，文献提出采用消弧线圈与小电阻串联的方式，这种方式在单机容量增大单相对地电容电流可达4μf以上的水轮机组上得到应用，因此来避免l-c谐振引起的在暂态电压问题。
7.发电机定子接地故障消弧的本质机理在于：故障电流过零熄弧后，故障点绝缘介
质恢复速度快于故障电压恢复速度，有效阻止电弧重燃。为此，本论文从由故障消弧机理的本源出发，研究定子绕组接地故障点电压调控方法，结合绝缘介质恢复特性，提出定子接地故障电压消弧及安全运行方法，实现故障暂态能量的柔性吸纳，泄放分布电容充电电荷，有效抑制故障恢复电压初速度及电压峰值，从根源上破坏电弧重燃条件，实现快速可靠消弧，完全消除接地故障电流，保障发电机持续安全运行。
8.为此，国内外开始研究抑制故障点电流和电压的有源消弧方法，曾公开了一种有源电流消弧方法：发生接地故障时，以接地残流为控制目标，通过残流补偿器往中性点注入电流，补偿接地故障全电流(包括无功分量及有功分量残流)，同时将故障点电压降至为零，由此达到接地故障电流全补偿目的。但系统接地故障电流难以准确测量，较难应用于工程实际。但未有研究将电压源消弧方法同时应用于定子接地故障或厂用电系统，一种既能处理定子接地故障与厂用电系统接地故障方法。
9.总之，现有处理方式无法兼顾厂用电系统与定子接地故障处理的效果，保障供电可靠性。


技术实现要素：

10.为了克服上述现有技术的缺陷，有效解决现有定子与厂用电系统消弧技术无法同时兼顾供电可靠性及安全性的难题，本发明提供了一种发电机定子与厂用电系统接地故障处理方法，通过该方法将故障相电压降低，达到有效消除定子与厂用电系统接地故障保证系统能长时间安全稳定运行的目标。本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
11.一种发电机定子与厂用电系统接地故障处理方法，应用于发电机或厂用电系统接地故障处理，当定子或厂用电系统发生单相接地故障时，在发电机定子中性点与地之间接入电压源，或厂用电系统中性点与地之间接入电压源，电压源通过一种投切方法实现在发电机定子与中性点之间切换，实现电流源在发电机定子与厂用电系统的接地故障相电压调控，实现发电厂与发电机接地故障的处理。
12.在上述现有技术的基础上，本发明可采用下述技术手段，以便更好地或者更有针对性地解决本发明所要解决的技术问题：
13.步骤1：通过定子零序电压互感器和厂用电系统母线零序电压互感器，实时监测发电机定子零序电压，u1表示所检测发电机定子零序电压，u2表示所检测厂用电系统母线零序电压，获取发电机定子零序电压u1和厂用电系统母线零序电压u2，并执行步骤2判断是否发生定子绕组接地故障或厂用电系统母线；
14.步骤2：根据获取发电机定子零序电压u1和厂用电系统母线零序电压u2，当且时，确定接地故障发生在发电机定子侧，并执行步骤3，其中u1表示标量，为矢量；当且时，确定接地故障发生在厂用电系统侧，并执行步骤4；当且时，无法判定接地故障发生是否发生在发电机定子侧或厂用电系统侧，执行步骤5，当且时，判定系统未发生接地故障，保持零序电压检测状态；
15.步骤3：投切电压源至发电机定子中性点处，使降低故障点电压至燃弧
电压一下，为定子故障线圈电动势大小，负号表示相角相差180
°
，并延时三至四个周波后电压源退出，返回步骤2；
16.步骤4：投切电压源至厂用电系统中性点处，使降低故障点电压至燃弧电压一下，为厂用电系统故障相电压，并延时三至四个周波后电压源退出，返回步骤2；
17.步骤5：电压源不投切至发电机定子中性点或厂用电系统中性点的任何一处，闭锁保持不动做状态。人工确认故障点使电压源投切装置复位后，执行步骤2。这里执行闭锁及复位操作，是在检测到两侧都有零序电压超过整定值就需要执行这个操作，目的是为了保证系统的安全稳定运行，因为本方法只能针对某一侧发生故障而动作，两侧都有零序电压说明已经不在本方法所应用范畴，为保证在其他故障清除时本方法发生误启动，需要闭锁以待系统恢复正常运行后解锁复位重新投入。
18.进一步地，所述的发电机定子零序电压整定值和厂用电系统母线零序电压整定值其特征在于：发电机定子零序电压整定值其特征在于：发电机定子零序电压整定值为定子额定相电压，系数k1取值范围为(0,0.15]；厂用电系统母线零序电压整定值取值范围为(0,0.15]；厂用电系统母线零序电压整定值为厂用电系统正常运行时相电压，系数k2＝0.15。
19.本发明的有益效果在于：(1)实现对定子与厂用电系统接地故障相电压柔性调控，使故障相电压主动降低；(2)此方法使消弧装置能在定子与厂用电系统中性点切换，既能作用于定子接地故障处理作用于厂用电系统接地故障处理；(3)本发明无需停电切除故障，有效弥补现有定子与厂用电系统消弧方法的不足，大大提高供电可靠性和安全性，可有效防止停电事故的发生，供电可靠性高，具有深远意义及广阔应用前景。
附图说明
20.图1为发电机定子与厂用电系统接地故障相电压柔性调控结构示意图。
21.图2为厂用电变压器高低压侧接线等效电路。
22.图3为发生接地故障时，发电机定子零序等值电路图。
23.图4为可控电压源处理发电机定子接地故障零序等值电路图。
24.图5为发生接地故障时，厂用电系统零序等值电路图。
25.图6为可控电压源处理厂用电系统接地故障零序等值电路图。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明的发明内容作进一步说明和解释。
27.本发明提供的发电机定子与厂用电系统接地故障处理方法主要是基于研究发电机定子接地故障与发电厂系统接地故障零序电压、电流不通过厂用电变压器影响另一侧，同时调控定子故障相各分支线圈末端电压以及厂用电系统故障相电压可以有效处理对应侧接地故障且两侧互不影响。故先介绍发电机定子接地故障与厂用电系统接地故障的电压电流互不影响的关系、定子接地故障相电压调控与厂用电系统接地故障相电压独立调控的理论关系。
28.如图1所示为系统结构图，可控柔性电压源可在定子中性点与厂用电系统接地变
压器中性点切换，为中性点所接入柔性可控电压源，其中为发电机定子绕组三相电动势，c
a1
、c
b1
、c
c1
分别为定子三相对地电容，c
a2
、c
b2
、c
c2
分别为三相厂用电系统对地电容，当系统三相对地参数平衡时，c
a1
＝c
b1
＝c
c1
＝c1、c
a2
＝c
b2
＝c
c2
＝c2，c
t
为外部设备在机端对地电容值，设定子绕组单相接地故障和厂用电系统接地故障均发生在a相(不同时发生)，过渡电阻为rf。t1为高压厂用电系统变压器，其连接发电机机端与厂用电系统母线。t2为厂用电母线接地变压器，由于厂用电系统高压侧为三角形则使用接线接地变压器引出中性点连接可控电压源注入变压器。
29.根据高压厂用电系统变压器t1的高低压侧连接方式均为三角形接线，由图2可知，当系统发生接地故障后，零序电流流入厂用变压器高压侧；由序分量可知，定子或厂用电系统各相零序电流大小方向相等，将形成零序环流无法构成零序通路，由基尔霍夫电流定理得到同理，在厂用电系统侧发生接地故障，可得由此可知，当定子侧发生接地故障或厂用电系统发生接地故障时，故障侧零序电流无法在三角形接线的厂用电变压器中形成回路，故无零序电流磁通，非故障侧无法感应出零序电流。
30.当在定子侧或厂用电系统侧中性点调控零序电压时，在中性点接入电压源等效于在调控系统零序电压改系统零序电流的分布，进一步，零序电流的回路是通过对地零序电压源、接地故障点形成通路，零序电流无法通过接地变压器形成通路从而影响二次侧系统电气量保持二次侧线电压、零序电流不变，从而可实现调控故障侧零序电压电流，非故障侧正常运行。
31.在发电机定子侧发生接地故障时，假设接地故障发生在a相，定子零序回路如图3所示，定子对接地故障零序电压α为定子所发生接地故障匝数占总匝数的比例，θ为故障处电动势与a相电动势夹角；因此，在检测得到定子接地故障零序电压时，设定门槛值系数k1的取值将影响定子接地故障检测死区范围，当k1越小接近零时，其越灵敏检测死区越小，但k1越小也越易产生误启动，主要原因有几点：1、在正常运行时三相不平衡引起的中性点不平衡电压，一般正常运行发电机机端不平衡零序电压可超过10v(电压互感器二次侧)；2、也可能由于电压互感器饱和引起不平衡零序电压有时可超过20v；3、在高压系统中性点直接接地或不接地时，高压电网侧故障的传递零序过电压同样会影响零序电压保护灵敏度；4、厂用电系统侧接地故障而传递零序电压超过定子零序电压整定值而误动；考虑提升基波零序电压检测灵敏度，由于正常运行时不平衡零序电压主要由三次谐波所产生，因此在基波零序电压二次回路实现滤除三次谐波成分，减小正常运行时不平衡电压。针对传递零序电压对定子零序电压的影响，需考虑增加零序电压延时，或在零序保护二次回路中增加制动量，以消除经过耦合电容传递零序电压的影响。但，基波零序电压保护无法满足定子区段100％保护，故增加三次谐波分量实现定子接地保护100％覆盖，通过测量发电机中性点三次谐波电压发电机机端三次谐波电压设定当时，β、为调整系数，通过对调整系数的取值，与发电机基波零序电压保护配合，可实现发电机定子100％保护。
32.如图4当可控电压源投切至定子侧处理接地故障时，根据接地故障点的位置不同，
电压源施加钳制电压值可进行调整，使电压源施加钳制电压值可进行调整，使为调整后的中性点电压，是故障相上第d分支上第m匝线圈的末端至中性点的电动势；则故障点电压将故障点电压钳制为0，故定子接地故障电流减小至零，有效消除发电机定子接地故障。
33.在发电厂厂用电系统发生接地故障时，由于厂用电系统多为中性点不接地系统，则由图5厂用电系统零序等值电路可知，系统的零序电压当检测到接地故障满足时，启动降压消弧装置，可控电压源切换至厂用电系统侧，若厂用电系统为6kv系统，则取系统为6kv系统，则取为相电压。
34.如图6根据基尔霍夫电流方程，可控电压源注入厂用电系统中性点电流为：式中厂用电系统对地零序导纳三相对地电导三相对地电容3c2，故障对地电导，故障对地电导为零序电压。
35.考虑厂用电系统正常运行条件下的三相对地参数不对称产生的零序电压影响，将式中注入电流的零序电压un用零序电压变化量δun代替；并考虑故障消弧后，故障点过渡导纳yf＝0，化简：＝0，化简：为降压消弧装置降低故障相电压后的电压，为降压前系统相电压。因此，在厂用电系统降压过程中，测量计算电压源所改变注入电流调控可控电压源的大小和相位，使即实现故障点电压钳制消除故障电流，其中σy0为厂用电系统正常运行时的对地零序导纳。
36.以上可知，厂用电系统发生接地故障后，将电压源投切至厂用电母线侧，通过中性点可控电压源实现故障相降压消弧，电压源输出电压由厂用电故障相降压的目标值唯一确定，当投切可控电压源至厂用电母线后可实现该目的。
37.需要强调的是，本发明所述的实例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明不限于具体实施方式中所述的实例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，不脱离本发明宗旨和范围的，不论是修改还是替换，同样属于本发明的保护范围。