励磁变压器低压侧单相接地故障在线识别方法

陈 俊，王昀帆，严 伟，沈全荣

（南京南瑞继保电气有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

发电机励磁回路接地故障是发电机组最为常见的故障形式之一［1-7］。由于励磁回路的复杂性，发生一点接地故障后，需要排查的环节比较多，接地故障点位置测量功能可减少排查工作量，缩短故障排查时间［8］。乒乓式转子接地保护原理（也称为切换采样式转子接地保护原理）在现场得到广泛应用，该原理不仅能够检测励磁绕组本体的绝缘下降，其检测范围还包括励磁绕组至晶闸管之间的电缆、励磁绕组至保护之间的电缆、碳刷、集电环等部位。对于静态励磁系统，当励磁变压器（以下简称励磁变）低压侧发生单相接地故障时，在1个工频周期内，励磁绕组的正端和负端各有1/3的时间接地，乒乓式转子接地保护原理也可以检测到对地绝缘电阻值的下降，并且计算出接地位置值在50%左右，导致故障定位错误［9-14］，误导现场人员接地故障排查的方向。目前，尚未见励磁变低压侧单相接地故障识别方法的相关文献。

为了区分励磁绕组一点接地故障和励磁变低压侧单相接地故障，减少故障排查时间，本文提出了一种基于乒乓式转子接地保护原理的励磁变低压侧单相接地故障在线识别方法。

1 励磁变低压侧单相接地故障特征分析

励磁变低压侧发生单相接地故障时（假设B相为故障相），整流电路采用6脉动桥式全控整流电路，其输出直接与励磁绕组相连，如图1所示。

图1 励磁变低压侧B相接地故障示意图Fig.1 Schematic diagram of phase-B grounding fault at low-voltage side of excitation transformer

由于励磁变低压侧的电缆B相金属性接地，当晶闸管VT3导通时，相当于励磁绕组正端接地；当晶闸管VT4导通时，相当于励磁绕组负端接地，在1个工频周期内，励磁绕组的正端和负端各有1/3的时间接地，励磁电压在故障过程中不发生变化［15-16］。

某电厂125 MW机组励磁变低压侧B相金属性接地时的录波数据如图2所示，图中Ur+、Ur-和Ur分别为励磁绕组正端对地电压、负端对地电压及励磁电压，波形特征与前面的理论分析相吻合。

图2 励磁变低压侧B相接地时的励磁电压Fig.2 Excitation voltage when phase-B grounding fault occurs at low-voltage side of excitation transformer

乒乓式转子接地保护原理如图3所示。图3中，R为乒乓式转子接地保护回路电阻；Rg为励磁绕组对地绝缘电阻；S1和S2为电子开关，两者的状态始终相反；il1和il2为回路电流。

定义S1处于合位且S2处于分位为状态1，S1处于分位且S2处于合位为状态2。

图3 乒乓式转子接地保护原理图Fig.3 Schematic diagram of ping-pong type rotor grounding fault protection

图3中励磁绕组一点接地电阻Rg为：

其中，Ur和U′r分别为状态1和状态2时的励磁电压；il1、il2为状态 1 时的回路电流；i′l1、i′l2为状态 2 时的回路电流。

励磁绕组一点接地相对位置α以百分比表示，故障点位于负端时为0，故障点位于正端时为100%。

式（1）、（2）中励磁电压已采用数字滤波技术去除了高次谐波分量，基本可以认为是直流电压。

假设当电子开关S1处于合位且S2处于分位时，VT3导通，励磁绕组正端接地，过渡电阻为Rg，励磁电压为Ur，称为状态a；当电子开关S1处于分位且S2处于合位时，VT4导通，励磁绕组负端接地，过渡电阻和励磁电压均不变，称为状态b，如图4所示。

图4 励磁变低压侧单相接地时的等效图Fig.4 Equivalent diagram of single-phase grounding fault at low-voltage side of excitation transformer

状态a下的回路电流分别为：

状态b下的回路电流为：

将以上结果代入式（2）可得α=50%，与保护装置实测的故障位置完全吻合，即励磁变低压侧单相接地故障时，乒乓式转子接地保护计算的相对位置为50%，与接地过渡电阻的大小无关。

对于另一种情况：电子开关S1处于合位且S2处于分位时，VT4导通；电子开关S1处于分位且S2处于合位时，VT3导通，接地故障相对位置α同样为50%，此处不再推导。

以上接地故障位置分析是基于2种状态下励磁电压不变的前提，当励磁电压有一定波动时，计算出的α将会在50%附近上下波动。

2 励磁变低压侧单相接地故障识别方法

从图2可见，励磁变低压侧发生单相金属性接地故障时，在1个工频周期内，励磁绕组的正端和负端各有1/3的时间接地，接地时的对地电压为0，通过全周傅里叶算法可以提取出Ur+和Ur-中含量较大的工频交流分量。

对图2所示的Ur+和Ur-进行频谱分析，其幅频特性如图5所示。

图5 Ur+和Ur-的幅频特性Fig.5 Amplitude-frequency characteristics of Ur+and Ur-

当励磁变低压侧发生非金属性（经过渡电阻）接地故障时，1个工频周期内，励磁绕组的正端和负端各有1/3的时间经过渡电阻接地，接地时的对地电压不再为0，正端对地电压略大于0，负端对地电压略小于0，过渡电阻越小越靠近0，Ur+和Ur-的波形仍然会呈现交流脉动特征，且Ur+和Ur-中仍然含有一定的工频交流分量。

可见，励磁变低压侧发生单相接地故障时，无论是金属性接地还是非金属性接地，Ur+、Ur-中均含有一定的工频交流分量。而励磁绕组一点接地故障时，Ur+和Ur-中主要是直流分量和高次谐波分量，几乎没有工频交流分量。可见，利用Ur+和Ur-中的工频交流分量大小即可区分以上2种故障。

为了提高故障识别的准确性，引入励磁变低压侧单相接地故障时的另外一个特征量α=50%，则构成如下判据：

其中，Rg.set为励磁绕组一点接地电阻定值，依机组实际冷却方式整定；max表示取最大值；Ur为励磁电压，由乒乓式转子接地保护装置内的采样电阻测量；Ur+_1ω和Ur-_1ω分别为励磁绕组正、负对地电压的基波有效值；Δαset可取 10%～20%；kset可取 0.2～0.4。

满足式（7）则认为励磁变低压侧发生了单相接地故障。

3 现场录波数据验证

图6为图2所示的励磁变低压侧发生B相金属性接地时，励磁绕组正端对地电压、负端对地电压的工频交流有效值最大值与励磁电压的比值k，故障过程中该比值大于0.8。

图6 励磁变低压侧B相金属性接地时的k值Fig.6 Variation of ratio k during phase-B metallic grounding fault at low-voltage side of excitation transformer

图7为某电厂600 MW机组励磁绕组一点接地故障时的励磁绕组正、负端对地电压以及励磁电压，故障过程中励磁绕组正、负端对地电压中含有少量工频交流分量，励磁电压中含有明显的6次谐波分量，其直流分量为175 V左右。图8为图7故障过程中励磁绕组正端对地电压、负端对地电压的工频交流有效值最大值与励磁电压的比值k，故障过程中该比值为0.05～0.06。

图7 励磁绕组一点接地时的励磁电压Fig.7 Excitation voltage when single-point grounding fault of excitation winding occurs

图8 励磁绕组一点接地故障时的k值Fig.8 Ratio k when single-point grounding fault of excitation winding occurs

比较图6和图8可见，2种情况下的k值差别明显，考虑非金属性接地时过渡电阻的影响，kset取0.2～0.4，即可区分励磁变低压侧单相接地故障和励磁绕组一点接地故障。

本文方法可大幅缩短故障排查时间，有效性已得到多个现场案例的验证。

4 结语

本文提出了一种基于乒乓式转子接地保护原理的励磁变低压侧单相接地故障在线识别方法，当励磁绕组一点接地电阻计算值小于定值，接地故障位置计算值在50%左右，且励磁绕组正、负端对地电压的基波有效值最大值与励磁电压的比值超过设定值时，则认为励磁变低压侧发生了单相接地故障。理论分析和现场录波数据验证了本文方法的正确性。

本文方法能够有效区分励磁绕组一点接地故障和励磁变低压侧单相接地故障，显著提高了故障排查效率。